学习防雷的基本功
作 者：马宏达 中国科学院电工研究所
摘 要：现代防雷技术基础是高电压工程，笔者说明了高电压工程的基本方法，批评了《现代防雷技术基础》中的错误观点。
关键词：雷电、建筑物防雷
清华大学出版社1995年出版的《现代防雷技术基础》一书对防雷科技的普及宣传起到一定作用，但一些似是而非的论述，给某些防雷工作者造成误导。最近读到“21世纪防雷科技的物理概念问题”[2]一文，这篇文章歪曲了高电压工程的进展及其基本内容。其潜在论述在《现代防雷技术基础》一书中可以找到。这些书中和作者最近发表的论文中都没有指出现代防雷技术基础就是高电压工程学，它包括：电场学、气体放电学、等离子体物理学、绝缘材料学、地中电学（接地工程学）、波动电磁学和电气过电压及其保护等，而大谈麦克斯韦的电磁学理论，批评现有的防雷理论过时，要按其的物理概念改[2]。笔者认为应该指明高电压工程学的基本内容及其方法。本文讨论学习高电压工程学的基本观点，并冒昧地撰文对错误言论加以批评，或是或非欢迎大家讨论。
一、实验观点
高电压工程学是一门实验科学，它的每一部分都建立在实验的基础上。清华大学杨津基教授是我国高电压工程学的前辈之一。他编著的《气体放电》[3]是防雷基础理论之一。它的丰富内容表明气体放电现象是非常复杂的，高电压和低电压、高频和低频、脉冲和直流电压下的放电现象都有所不同。人们不能用低电压下电压与放电距离的关系线性地推知高电压下的击穿距离。在高电压下绝缘物的表面有爬电现象，学名叫做“闪络”。在高电压下空气高度电离，有异常的放电现象。我们不能按低电压常规估计绝缘物、电气元件和设备的电气性能。这些都要通过高电压试验才能知道。
雷雨云中分离出的某种电荷（多数情况下是负电荷）形成先导流注向地面伸延，它与地面突出物上产生的迎面流注会合，它们形成主放电。在主放电通道中的等离子体由低温变成高温，通道的等值电阻迅速降低。雷电放电过程中雷电通道中的纵向电压降从100V/cm迅速降到5.5V/cm。它是从电晕放电、辉光放电到电弧放电迅速变化的过程，其过程的时间为微秒级。根据雷电观测和理论推算论证的结果，防雷学者的共识是：雷电不是一个电压源，而是一个电流源，更严格地说它是一个电流波。
许多熟悉普通电工的人不能正确地理解这一放电过程，他们往往把它混淆为导体中的导电过程。在导体中的电子运动是一种电子接力运动，而雷电通道中的电子运动主要是电子贯穿运动，在主放电通道中先导流注与迎面流注贯通，正负离子交融形成等离子体通道。雷电流的脉冲波是由雷电通道中的离子流形成的，脉冲波后的余辉电流才是雷雨云中传来的电导电流。
有人把雷击消雷器的放电过程比做霓虹灯变压器放电，说“霓虹灯变压器的高内阻可使放电电流减少，同理先导放电通道中串入高阻抗也可以限制雷电流”。这种论点否认主放电是电弧放电的性质和不承认有主放电发生。雷击消雷器的电流记录表明不论是上行雷还是下行雷，其放电电流都在50A以上，按图1的放电分类图它们都处于电弧放电过程之中。
图1，放电性质分类图
二、统计观点
雷电是一种随机现象，我国防雷学者从上世纪50年代就用概率统计的理论处理雷电调查和防护问题。《现代防雷技术基础》[1]一书中曾辟有专章介绍有关知识。但是作者在照搬日本419个微波中继站雷击统计资料[1]时却失于独立思考，忘记了相关分析理论。日本文献因分析方法不对，未能查核雷击事故率与接地电阻的关系。
刘继先生著文[4]纠正了89个微波中继站雷击事故率与接地电阻无关的错误结论。他按日本人的89个数据绘图处理得出图2的相关分析结果。
图2. 89个微波中继站雷击事故率与接地电阻的相关分析[4]
图中：1．数字旁的数码，其分子为雷击率，分母为站数；
2．x为按权重的相邻点群求得的平均数；
3．∥划框区为图析法求得的N∽R的相关曲线区，座标N为雷击率，座标R为接地电阻；
4．R = 1.5∽3Ω的22个奇点为弃点，它与大样本脱群。理论上绝无正常低阻值区雷害上升之理，这可能与防雷措施缺陷等因素有关；又R为工频电阻值，若是高山远方引外接地，则工频电阻值低不能代表冲击接地电阻值也是低；又年雷暴日数5∽25d/a应分开讨论，这些都是提高N值的因素；
5．220/380V低压和电子器件千米级海拔毫无意义，作者（刘继）在西藏有4500m海拔成功实验结果。
图2的相关系数γ≈0.7，因而雷击事故率与接地电阻是正强相关。上述日本89个站的相关分析图是粗略的，因为缺乏原始的数据和各个站点的防雷措施的说明，有许多不可比因素。我们认为R = 1.5∽3Ω的22个奇点为弃点，是根据我国的雷击事故调查研究的经验。微波站凡是不对外线进行屏蔽的、不用铁管和电缆进出线的、不按等电位做内部联结的、地线断裂而又未及时修复的，这些站点都或早或晚要发生雷击事故。最近许多人纷纷扬扬地讨论反击雷电流的危害，我们怎能随意“无需追求较低的接地电阻值”呢？
三、形象思维与逻辑思维的结合
为了呈现事物的主要矛盾和发展变化的规律物理学界常用模型讨论问题，模型常常忽略或排除某些影响事物的次要因素。好的物理教师善于用形象思维（模型）与逻辑思维（数学关系式）结合起来给人讲道理，也要利用模型说话。物理学的内部分科表现在所选取的模型的不同，如集中参数电路与分布参数电路。在讨论雷击建筑物的脉冲过程时，我们假设建筑物为一完全导电的壳体，在高频情况下由于趋肤效应此壳体内E内≈0， Φ内≈0。并不是像“21世纪防雷科技的物理概念问题”一文中说的用了静电学的物理概念[2]。在波动电磁学的理论中都用了这样的假设。当我们建立了法拉第笼防雷理念以后搞清了主要的物理因素间的关系，还曾补充说明建筑物的法拉第笼是不完善的，并重点介绍了用铁管穿线布线的办法。文献[5]更进一步用模拟试验给我们做了明确地补充说明。
雷电的波动过程要按分布参数电路规定来计算，它的理念与集中参数的电路完全不同，是不能用错的。《现代防雷技术基础》一书把彼德逊公式当做集中参数的电路来计算，从而得出“研究iL（雷电流）与z（接地电阻）的相关性是值得鼓励的一种很有价值的研究工作”[1]的怪论。彼德逊等值电路和计算公式是计算节点电压变化用的，分布参数电路要按节点一步一步地算，算出每个节点上的通过电压、入射电压和反射电压。他没有理解经过多次反射按分布参数电路计算高阻抗避雷针上也要产生107- 108V的电压。
这种不管物理模型、不分物理过程乱套公式的毛病表现了某些人的浮燥心态，这对科研工作非常不利。我国智能建筑都采用钢筋混凝土和钢结构，它们都具有抗直接雷击的能力，它们的雷电危害主要来自地电位反击和侵入雷电波。把限流避雷针的研究作为防雷的主要方向，这是一种误导。在我国多数防雷工作者还缺乏防雷知识的情况下，这种误导非常有害。它使许多防雷公司在错误的道路上徘徊，丧失了大量的时间和经费。
