关于消雷器的争论及消雷器的工程应用问题

中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]1关于消雷器的争论及消雷器的工程应用问题张力欣（总装备部工程设计研究院，北京100028）【摘要】本文简述了消雷器的发展历史，较通俗地介绍关于消雷器的争论要点，提出了消雷器工程应用的若干问题【关键词】消雷器中和限硫温和主放电避雷针前言近年来，一些防雷杂志经常刊登关于以“电荷中和”理论为基础的消雷装置的文章，在某些防雷学术交流会中也有类似的论述。但就其内容的广度、研究的深度来说，远不如当年对这一问题的讨论。在美国，从消散矩阵到电荷转移装置至今还在研究与争论。为使对此类问题感兴趣的读者更深层次地了解有关理论和实践，本文尽量站在客观的立场上介绍当年争论双方的主要观点。同时，笔者郑重说明，尽管某些单位现在成批量地安装消雷器，但本文绝无重新争论的意思。关于消雷器的争论是我国防雷工程界昀重要的争论。从理论研究、科学试验到工程应用，从对待科学的态度到商业准则，争论的内容广泛而深刻；涉及的部门从高等院校、科研设计院所到若干部委局；波及的地区由北京、武汉扩展到南北十多个省市，在社会上引起了较大的反响。无疑，这场争论对我国防雷理论与实践有着重要而深远的影响。为叙述方便，本文将消雷器研制一方简称为“消雷派”（学术派别，后同），将认为消雷理论与实践目前尚不成熟，常规的避雷针系统应当继续使用的一方简称为“常规派”。现将双方争论的发展以及各自主要观点简要、通俗地介绍如下。1简要回顾从1775年富兰克林发明避雷针以来，人们便用避雷针拦截雷击从而保护建（构）筑物。随着科学技术的不断发展，对雷电机理的研究也不断深入，在防直击雷、雷电波侵入、雷电感应以及雷击电磁脉冲等方面取得了很大成就，至今已基本形成包括接闪、引下、接地、屏蔽、合理布线、等电位和过电压保护等技术的系统的防雷理论。国际工程界和各个国家都制定了相应的法规。二十世纪九十年代以来，随着电子设备特别的微电子产品的广泛应用，雷击造成设备损坏的事故也不断增加，电子系统的防雷问题已经引起人们的高度重视，这方面的研究以及相关法规的制定与完善仍在继续进行之中。从富兰克林当初就想中和雷云电荷的设想开始，消雷的理论研究也一直在进行着。1775年捷克人迪维茨曾用带有金属接地链的具有216个尖端的7.4m高的木架，通过尖端放电去中和雷云电荷，未获成功。1930年，美国人J·M·CageR、B·Carpenter提出用数千个金属尖端物组成消散阵列，宣布发明了消雷器（LightningEliminator），并成立了美国消雷公司LEA。消雷器曾一度中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]2在美国空军基地、微波通讯塔安装使用。但安装后消雷器常遭雷击，为此，美国政府组织为期两年的调查，发表了100多页报告（收入美国AD报告），完全否定了消雷器。另外，法国、澳大利亚等国家也生产使用了以发射离子为机理的接闪装置。有的已纳入本国标准，并寻求国际学术界承认。对此，国际大电网第33学术委员会第01工作组于1995年5月在南非举行的会议上，审查了有关非常规接闪器（例如流注提前发射即ESE接闪器）应用问题后发表声明指出：到目前为止，既无足够的理论分析也无大量的现场数据说明这类装置和常规装置（金属接闪器）相比，在拦截效应方面有明显的改进……，与常规接闪器相比，流注的提前出现不能解释为ESE接闪器的长度会加长。昀后，目前任何这种防雷保护技术的应用均不能被国际大电网会议33·01雷电工作组支持。在我国，较有影响的非常规防雷装置主要有半导消雷器（SLE），导体消雷器、拒雷器、优化避雷针、法国ESE、澳大利亚系统3000等。其中以SLE影响昀大。武汉水利电力大学（原武汉水利电力学院）防雷科研组于1977年研制出少长针导体消雷器。他们认为美国LEA多短针消器由于其针短而多，互相屏蔽而影响中和电流的产生，少长针能克服上述缺点，可产生的中和电流是多短针的50倍左右[4]。1978年，又将导体消雷器改进为半导体消雷器，用高阻半导体针代替导体针，简称SLE。近二十多年来，其产品已从第一代发展到第五代。20世纪70年代末，国防科工委工程设计研究所（现总装备部工程设计研究院，后同）在设计西昌卫星发射场防雷工程中，查阅了大量国内外防雷的昀新技术资料，也对美国的多短针消雷器和国内的少长针半导体消雷器进行了调查研究。1981年3月，在该所建议下，由国防科工委（现总装备部）聘请持有不同观点的国内著名防雷专家30余人召开了消雷器论证会，钱学森付主任主持了第一次会议。会上，支持与反对消雷器的两种观点针锋相对，争论十分激烈。昀后，大家一致认为：除了理论探讨之外，只有通过试验研究，才能证明消雷器是消雷还是引雷，并决定在武汉和西昌两地做现场试验。一是在某大学操场边上建25m、35m、45m高的三座消雷器塔；另一是对西昌卫星发射场3支125m高的避雷针中尚未完工的2支进行改造，使之能测量单支避雷针的消散电流，并在西山头上新建45m高的消雷器塔（等效高度169.5m），进行1:1的实物测试。武汉的三座消雷器塔于当年4月建成，7月22日45m高的塔遭受直接雷击，一根半导体针被击断，测量电桥被击坏。西昌的消雷塔于1982年5月建成，1983年8月10日消雷器遭受直接雷击，测得主放电22kA。由于测量系统防护措施得当，两年中记录了大量宝贵数据。1983年底，国防科工委再次邀请曾参加消雷器论证的专家，召开消雷器试验汇报会。会上，有关各方介绍了武汉和西昌两地进行的试验及雷击情况。大家经讨论得出明确的结论：消雷器没有消雷，是引雷的。从此，关于消雷器的争论便暂时平息。消雷器的研究与试验一直在进行着，但尚未形成大规模使用。1989年黄岛油库特大雷害事故发生后，中美合资爱劳防雷工程有限公司将SLE大量推向市场。1991年国家科委成果办等九个部委先后行文，要求推广使用。由于在运行中SLE常发生雷害事故，便又引起人们关注。1994年广东省电力局行文要求“半导体消雷器应暂停装设”。常规派发表文章指出，SLE仍处于研究之中，不能推广使用。消雷派也著文说SLE还是消了雷，限了流，减少了损失。双方争论又起波涛。1996年10月，由北京减灾协会北京市避雷装置安全检测中心组织了消雷器专题研讨会。参加会议的有高等院校、科研设计院所和运行部门的专家20余人，其中包括起草防雷规范和过电压保护规范的主要人员以及有关行政机关的代表。会上大家充分发表意见，并观看了清华大学播放的北京德胜门外气象塔安装的SLE被雷击的录相。会后发表了会议记录。其主要内容有：一是认为常规防雷装置（包括接闪器、引下线、接地装置、屏蔽、均压和过电压保护等）尽管存在着电子设备由于其耐压能力弱而发生雷害事故，但目前仍是唯一被学术界和工程界公认并被广泛采用的有效的防（直击）雷手段，也是国际标准化组织唯一推荐的防直击雷手段；二是国际工程界和标准化组织普遍认为消雷器缺乏科学依据，事故率高，目前不能采用；三是建议有关部门采取措施，暂停推广SLE。中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1──────────────────────────────────────────────中国北京海淀区中关村南大街46号100081Phone／Fax：[e-mail]31996年11月21日，爱劳公司在钓鱼台国宾馆召开SLE科技成果应用推广会。参加会议的有国家科委成果办等部门领导、设计院及用户代表和新闻单位等180余人。会上宣传了SLE的四项功能：一是100％地消灭上行雷；二是在雷云下地面场强达到40kV/m时，可产生15mA的中和电流，有强雷云时可发出1～2m的电晕火花，中和电流达安培级，有效地减少了下行雷的发生；三是半导体的限流作用能将剩余的25％的雷击主放电流降低到几十至几百安培，从而避免了雷击的二次效应之危害；四是保护角为80º，相当于11支等高避雷针。1997年1月13日，科技日报发表署名为明洋的长篇文章《承九天雷电，保八方平安》（简称《九文》），介绍了SLE的发展过程，指出“避雷针的局限性和危险性是十分明显的”，宣传了SLE是防雷技术的重大突破，居世界领先水平。2月15日，常规派召开研讨会，指出了SLE失败事例。会后，王时煦等22名专家联合署名撰写文章，题目为：我们对半导体少长针消雷器的看法一一兼评《承九天雷电，保八方平安》一文。投稿于科技日报，但未予发表。于是，22名专家又联名写了《关于立即停止使用消雷器的建议书》，送至各有关部门。后来，此建议书被新闻界向社会公开，许多学术机构和报刊杂志都刊登了“座谈记要”、《建议书》以及双方的文章，中央电视台也做了报导。争论在社会上引起较大反响，并引起多方关注。1997年9月，中国电机工程学会高压专委会在合肥召开年会。关于消雷器的讨论成为会议的重要内容，论文收录了双方的文章达30余篇。会议纪要指出：“与会代表认为，迄今为止，理论和实践未能证明此类非常规防直击雷产品具有产品说明书所表述的功能，还有很多问题尚待研究和解决。因此，此类产品不再在工程中采用，还有少数代表对此尚有不同意见。”鉴于双方争论的问题已基本明朗，做为争论的主要论坛《电网技术》编辑部于1998年1月，在该刊物登载了讨论小结如下：“……鉴于目前人们对消雷的认识水平和研究情况，我们认为专栏到此可以告一段落了。通过一年多的讨论，对SLE有了一个基本认识：SLE至今还没有一个正确的理论做支撑，技术上还很不成熟，也没有得到实践的支持；SLE在目前的水平下，并不优于常规防雷系统；只要采用接地、均压、屏蔽、过电压保护等技术，严格按规范设计、施工、安装、调试和维护，常规防雷系统不仅能在变电站发挥防雷作用，而且对计算机、微波通讯等弱电系统也能起到良好作用，至少可使雷害所造成的损失减少到昀小程度。对上述认识，一些专家可能持不同看法。”至此，关于消雷器的公开争论平息下来。2双方主要分岐2.1关于“中和为纲”消雷派认为，当地面场强达到40kV/m时，SLE可产生15mA中和电流，在有强雷云时，可发出1～2m的电晕火花，中和电流达安培级。只要中和掉雷云电荷的一小部分，就能有效地防止雷击发生。即使中和电流怕风，SLE在水平风速不大的地区使用，还是有一定效果的[3、4]。常规派认为，无论是美国的多短针消雷矩阵还是中国的少长针SLE，电晕电流都达不到mA级。经计算，由14根5m长的针组成的SLE，其昀大电晕电流只能达到210μA[1]。西昌卫星发射场近两年的测试纪录表明，SLE电晕电流为μA级的，大部分在100～300μA之间，很难达到500μA。而且SLE两次电晕电流的幅值、极性、频谱几乎与等高的避雷针相同[5、6]。发射场的SLE两次被雷击也证明了中和电流没能消雷。另外，中和电流好似一缕轻烟，飘飘向上，末到雷云处，便被一风吹。所谓“风速不大的地区使用还是有一定效果的”，并无多大意义，因为即使在温和条件下，高空的风速也远大于离子上升速度（4m/s）。西昌的SLE被击时，标准风速为2m/s，便是中和电流没能消雷的昀好例证。对于上述讨论，消雷派也承认“中和为纲”是消雷研究200年的误区，消雷器应当以限流为纲。那么，消雷派宣传的SLE能将75％的雷消掉，不还是靠中和为纲吗？中国防雷信息网《中国雷电与防护》网络版2005No.1