《防雷接地既不科学又不经济》转

防雷接地既不科学又不经济 一对建筑设计原理的学术争鸣 清华大学物理系 虞昊 21世纪已进入信息社会，大批信息技术设备进入大楼，频繁出现的雷灾使智 能大厦面临防雷新科技难题，就必须考虑物理学的基础原理和科学方法，否则难 免出现花钱买雷灾的后果！ 1 防雷研究主要属于物理学范畴 公认建筑防雷的鼻祖是物理学家富兰克林，他以物理实验证明天空中的闪电 与地面实验室中人为产生的火花放电是一致的，1753年他宣布了避雷针这项技 术发明，并作出物理学说明 【1】 ，但是当时的物理学水平尚不能对电学现象作定 量描述。 1826年物理学家欧姆通过实验发现的定律，成为定量计算电路的重要依据， 也就为防雷学说提供了量化的理论工具。百余年来从事防雷工程技术的专家把大 气及大地中的形形色色与闪电有关的现象都简化为电路问题，进行定量计算和阐 释。 1888年赫芝以一系列实验证明了麦克斯韦的电磁场理 论所预言的电磁波 的存在及其各种特性与光波完全相同，使科学界一致承认这个物理学理论是唯一 准确反映一切宏观电磁现象规律的科学理论。此后百余年来电磁波 的广泛应用 实践，无不证明麦克斯韦电磁场理论的正确，凡是违反它的任何有关宏观电磁现 象的学说、公式、观念都是不完善甚至是错误的。大学物理学课程必须让 理工 科学生懂得：静电学、稳恒电路和似稳电路里使用的许多概念、定理和计算公式 都有局限性、近似性，不允许无条件地推广而运用到速变电磁现象中去。 诺贝尔物理奖获得者费曼于 1964年著《费曼物理学讲义》，这本经典巨著 在讲静电学的末尾有一节§15－6，标题为“对静态是对的而对动态将是错的”。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 他强调：“我们在中途学习过的那些不完整真理可能会根深蒂固地误认为是全部 真理了——把那些总是对的与那些只有时才是对的互相混淆了”。他举例说：“必 须把在导体里 E等于零的概念丢掉。当场正在变化时，导体里的电荷一般没有足 够时间将它们重新安排得使电场为零。它们被促使运动，但却永远达不到平衡。 唯一普遍的说法是：导体的电场产生了电流。所以当处于正在改变的场中时导体 并不是一个等位体。由此可知，电容器的概念已不再准确了”。为此他在该节中 列出一个格，把这一章所有定律公式排成两行，一行的定律公式标明“总是对 的”，另一行则标明“一般是错的（只有对静态才正确）”。在该节末，他强调 指出：“在电场中的能量密度为ε0E 2 ／2—对于电动力学与对于静电磁学一样都 是正确的，你应当不会被哄骗以致误认为这反正十分‘自然’。在静态中导出的 任一公式的正确性都必须在动态情况下再度加以论证”。 【2】 很遗憾，一般大学物理教学都没有在课堂上着重讲这些极为重要的科学方法 论内容，以致众多工程技术专家在制订的防雷规范中大讲什么以导体连接建筑物 内的管道、导线就是等电位，可确保防雷安全……云云，连国际上所谓的权威防 雷专家制订的 IEC防雷，也是如此。国内物理教科书作者只见到原北大物理 系主任赵凯华著的《电磁学》才讲一点科学方法论：“在各个波段里，无论实验 技术和理论上处理问题的方法，都有较大差别。（1）在频率低时通常采用具有 集中参量的元件，电路的性质有很多方面与稳恒电路相似。这类电路叫似稳电 路。……（3）频率再高，似稳电路中的一些基本概念（如电压）和基本定律（如 基尔霍夫定律）开始失效，……（4）到了微波波段，似稳电路的成立条件彻底 破坏，‘电路’的概念完全由‘电磁场’的概念所取代，处理问题必须从场的方 程——麦克斯韦方程出发”。很可惜，这段极重要的内容却是小字印的，表示物 理学时不够，这些内容不属于必修。1996－7年防雷学术大争论就暴露出高教体 制上的缺失造成的后果：众多高学历的专家包括博士导师、教授 级高工所写的 学术论文，几乎都把闪电当作电路，一派认为是恒压电路，另一派视作恒流电路。 众所周知，闪电是一种速变电磁场，它辐射的电磁波频谱极宽，包括 有比微波 频率更高的光波，似稳电路的概念和定律全失效了！这样的两派学术争论岂能有 科学的成果，所以年届九旬的王淦昌院士指出：应该提高工程技术界科学方 法 论水平。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 2 从物理学看闪电过程和防雷减灾 物理学是研究物质世界最基本的规律，闪电过程最基本的、起决定作用的物 理量是什么？当然是电 荷及其产生的电场和电荷运动时产生的磁场。但是大学 生在此之前形成的概念误导了他们的思维，由于电荷、电场、磁场都不可能直接 目视，中学就借用直观的水管 中流水的规律作比拟，以致于人们误认为电压这 个物理量是决定千变万化的闪电现象的最基本物理量，总把雷雨云处 10 8 伏 以 上的高压作为分析雷灾和防雷策略的最基本的出发点。从物理学看，这是不妥的。 不妨回顾大学物理课讲电学时的逻辑推理，一般都必须先论证点电荷产生的电场 是有位场，即点电荷的场力对另一点电荷作功与路径无关，仅决定于位移的始点 和终点，由此才可以定义“电位”这个物理量，而电压就是两点之间的电位之差。 可 是一旦发生闪电，剧变的电场必产生漩涡力线的磁场，而变化的磁场必产生 漩涡力线的电场，这种电场不再是有位场，“电压”这个物理概念失效了，可见 以“电 路”观念分析闪电是违反科学的。 闪电过程长达几小时，它可划分为几个物理特征各不相同的分过程，每个分 过程就可以近似地适用一些电路定律和公式。一般防雷专家之所以弄混了，就是 没有把分过程区别对待。 （1） 雷雨初起阶段。剧烈上升气流的能量使中性分子被电离而产生正、负 电荷，从而形成复杂机构的带电云团，不论它多么复杂，从地面看，它等效于一 种电荷，这个电 荷产生的巨大电场大大改变了地面与云之间三维空间内的原始 大气电场，这个剧变的大气电场必然会使地面任何导体产生感应电荷。金属导体 的感应电荷源于电场对 自由电子气的作用，相对于金属内电子的运动而言，带 电云的电场变化较慢，所以在雷雨云起电的全过程中，取每一短时期看，例如几 分钟，可以近似地运用静电学 的全部概念和定理。 （2） 闪电初始阶段。空气是绝缘物，只有在外电场增大到某一确定值，中 性的空气分子才有可能被电场力拉出电子，变为导电的离子，称之为空气被击穿。 电荷的场强与 距离的平方成反比，所以空气被击穿的范围只可能在云下不长的 一段距离内，云内下端的部分电荷受到斥力而下移，这就是所谓下行先导。众多 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 书对此都有描叙，本 文从略。这种阶跃式的往下方击穿空气形成闪电的过程比 起第 1阶段要迅速得多，但是每一下行先导移动一段距 离后就有一短暂的停顿 时间，在这一时间内，地面导体尚可达到静电平衡，而下行先导迅速移动时，似 稳电路全部失效！所以这一分阶段比较复杂，实际上包含有两 类截然不同的次 分阶段，不可混淆。其总的物理特色是：电磁场的作用力是决定一切电磁现象的 关键因素，而场强可以用实验手段精确测量，是有规律可循的。其次 场的作用 力与距离有关，因此大气中导电通道只存在于局部空间，而它的形成只决定于场 的作用。那种把带电云的 10 8 伏高压作为考虑下行先导或闪电的决定因素的观念 是错误的。 除了场力产生导电通道的这个主因外，当然还有一些人们不常想到或不曾认 识到的次要因素，例如 宇宙射线高能粒子的碰撞、空气分子被击中而辐射的次 生光子的碰撞、还有最近俄国科学家宣称的闪电的高温高压物理状态下可能出现 少数分子的核爆炸……等，这 种种无序的物理作用产生的导电通道必是无序的， 所有人们拍到的闪电照片总是千变万化极端无序的，足以证明闪电绝不是电工学 中描述的似稳电路！不可以把地面 高压实验室的所谓闪电模拟实验代替自然界 实际的闪电现象。 （3）落地闪形成阶段也可划分出几个次分阶段。众 所周知，落地闪形成之 初，必有一些地点首先发出向上的迎面先导，这才决定了落地闪的地点和完成整 个闪电过程的第一个分阶段。为什么必然如此，物理学有非常 明确的阐明：大 气本是绝缘体，要使它的局部变为导电通道，就必须使这里的气体分子变为导电 离子，所以大气电场必须达到击穿电场阈值，这是唯一的充分条件！ 下行先导 所携带的电荷只能在其附近产生最大的电场强度，对其邻近空气产生击穿电离作 用。不过下行先导的电场可以使远处地面导电物表面产生异号感应电荷，表 面 的大气电场强度与该处电荷面密度 成正比，而导体的 恒 与导体表面的曲 率半径紧密相关。这里可以近似地运用静电学原理，若地面是面积较大的良导体， 可以集聚起大量异号感应电荷，则其尖端附近产生足够强大的电场 强度，使该 处空气击穿电离，而大面积的良导体有足够多电荷供应，保持击穿点大气电场处 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 于击穿状态，则这儿就会出现迎面先导，沿着电场力的方向冲向下行先 导，形 成一个从云至大地的完整导电通道。闪电照片足以证明这个原理。 请注意，在这一次分阶段，大气电场和地面电荷分布，均在变动，早已不属 于静电学物理条件，不 能照搬所有静电学概念和定理，例如导电的大地表面绝 不是等电位体，有电荷流动，有磁场产生，……等等复杂物理现象，但是它们的 变化相对来说不太迅速，不太 剧烈，以致静电学和稳恒电路的部分原理、公式 尚可以近似地或者说半定量地适用，至少可以比较准确地弄清落地闪的落地位置 和时间，并且可以用物理实验手段来 检验。我国各航天发射场和世界各国航天 发射场都一致采用电场仪测量地面各处的大气电场值，可以准确预报落地闪是否 即将发生，提前发出准确可靠的预警，以躲 开落地雷击事故。 再分析落地闪形成的下一个次分阶段，此时云地间已形成完整的导电通道， 电流是由自由电荷的移 动决定的，就必须研究通道两端的电荷分布，从地面往 上看，带电云似为一团某种电荷（假设为正）。实际上是兼有正、负两种，而且 是互相分离的几块云团。初始 时上端云中真正与导电通道有电学联通的只是云 中部分电荷，所以实验测到的下行先导形成的电流并不大，可是地面导体所感应 的负电荷总量是由整个带电云的电荷 所决定，它们可以迅速汇集到闪电的落地 点，即导电通道的下端，下行先导所携带的电荷不多，地面负电荷与之中和，其 余的大量负电荷则在电场力作用下迅速循导 电通道跑向带电云，与云中正电荷 中和。这个过程防雷界称之为主放电，其电流值远比下行先导电流大，雷灾的破 坏作用主要决定于主放电阶段，这时闪电产生强烈 的速变电磁场，辐射出频谱 很宽的电磁波，包括可见光波，波及的范围很大，甚至千里之外也能接受到这种 电磁波能。习惯于似稳电路思维者把闪电通道视作一条几 厘米粗的电路，认为 其能量只局限于电路内传递，忽视了麦克斯韦电磁场理论的最基本观念：电磁场 的能量是在三维的电磁场中，它是以光速沿坡印廷矢量方向传播 的，它可以进 入导体内转化为电流的焦耳热，也可以进入绝缘物体转化为热能，而这种转化恒 遵守物理学的热力学第一定律和第二定律。 落地闪的最后的次分阶段，易被人们忽视，这时带电云的电荷与导电地面的 感应电荷中和而同时消失，云地间的大气电场恢复原始的很低值，在这一次分阶 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 段必须考虑一个非常重要的物理现象，就是落地闪的电磁场能量（它与ε0E 2 ／2 和μ0H 2 ／2相 对应）转移到哪里去了？按热力学第一定律和第二定律的规定， 它将转化为电磁场中物体的热能、或化学能、或机械能等等。一些热衷于接地工 程的人们把闪电误认 作如水往低处流一样地从云端泻入地底下去了，却忘记了 大学物理在电磁学教科书一再强调的：电磁场的能量是存在电磁场中，电磁场与 水流是完全不同的两类物 质！ 3 从雷灾实例来了解闪电的物理实质 闪电的作用很复杂不易观察，但闪电的电磁场能量的转化成灾，却是可见的， 首先落地闪结束时，随着闪光消失人们听到巨大的声音，也就是场能转化为可见 光照明的能和声振动能，各地收音机都可以听到雷声，也就是它以无线电波把这 一落地闪的场能传播到广阔空间。举几个雷灾实例： （1）1992年 6月 20日地处北京的中国气象局气象中心大楼的避雷针接闪， 按传统的富兰克林避雷学说，闪电能量应该循引下线入地，被良好庞大的接地工 程接纳了，地面上没有祸害了。可是大楼里的 6条北京同步线路和 1条国际同步 线路被击断，计算机系统也有损坏，工作中断 46小时。此实例证明闪电的电磁 场能量仍留在大楼内。 （2）2001年 8月 6日 14时，浙江绍兴县海涂一水产公司养鳖场落雷，直接 经济损失超过 500万。值得注意的是，该养鳖场地处三面环海的开阔潮湿地带， 地下有导电良好的海水渗入，18间温室大棚由接地良好的钢架构成，钢架本身 就 是良好的避雷针接闪器和引下线，海涂地基及鳖池则是最优良的接地工程。 按富兰克林避雷思维，落地雷能量全部被引到海涂地层下去了。可是实际情况却 是出现异 常的高温大火，尽管塑料顶棚挂满水珠，非常潮湿，有几十辆消防车 把大量水喷浇到塑料棚上，仅 45分钟大火就烧光了 21600 m 2 塑料大棚及 55万 只甲鱼，这种火势单纯从热学原理上是无法理解的。用麦克斯韦电磁场理论看却 非常简明：这里 出现了“微波炉效应”！电磁场能量仍在海涂上方。众所周知， 若在微波炉中放入甲鱼和水盘，上面盖一块洒上水的塑料布，只需二、三十分钟， PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 这块塑料布就烧掉 了，甲鱼连盆中的水也烧干了。从物理上看，就是电磁波能 转化为物体的热能。 【4】 （3）2001年 5月 3日“首都机场遭雷击，击伤停机坪上正在维修飞机的 7 名工作人员。原因分析：飞机接闪，致使工作人员接触过电压受伤”。上文摘自 中国气象局的《2001年全国雷电灾害典型实例汇编》一书首页。若按 GB50057 －94这个国标的学说，金属是等电位体，站在机身上不会有跨步电压。如果维 修人员站在导电地面上，接触了机身，按照某些防雷专家的看法，接闪飞机的电 位与云的 10 8 伏相差无几，人受到的接触过电压等于：10 8 伏一 0伏＝10 8 伏，人 体平均电阻约 10 3 欧，立刻被 10 5 安电流烧成灰了！总之，以似稳电路观念处理 闪电现象，矛盾百出，无法自圆其说。若用麦克斯韦 电磁场理论看，则问题并 不复杂。由于飞机金属外壳在下行先导的电场作用下必出现大量异号感应电荷， 尾翼高端的面电荷密度最大，其附近的大气电场强度最大， 首先发出上行迎面 先导，引来了落地闪。在闪电与飞机身上异号电荷中和时，机身附近强大的电场 强度随之消失，这个电磁场能就转化为电磁场中物体的热能，七人 必受到“微 波炉效应”。 4 接地工程对防雷减灾起什么作用 所谓接地工程，就是把建筑的地基做成很厚又庞大的良导体，并与其上的建 筑物内的各种导体作紧密的电学连接。常常是在地基中埋入大量钢材，甚至有铜 板，并且在这些金属材料四周填入成吨的化学降阻剂，既费钱又费工。其防雷实 效如何？ 2005年第 3期《中国雷电与防护》刊登了建筑防雷老专家王时煦的论文“综 论建筑物防雷”，他总结了半个多世纪以来调查统计的落地雷发生规律，有重要 的科学价值。他列举出落地雷最易击中的地点是：（1）“河、湖、池沼旁边的 建筑”。（2）“古河道上的建筑物”。（3）“潮湿地区以及过去是苇塘或坑洼 地带的区域上建造的建筑物”。（4）“十分潮湿的建筑”。（5）“地下（金属） 管线多”。（6）“铁路沿线和终端”。（7）“山区泉眼、风口或地下有金属矿 床”。（8）“金属屋顶”。他的考察非常细致而具体，为众多防雷专家反复引 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 用。笔者从物理学上加以概括，不难看出前 7种地基是良导体，第 8种则把良导 体置放到建筑物上方。总之，它们在带电云的电场作用下产生大量与云电荷异号 的感应电荷，所以最易发生迎面先导从而最易遭落地雷。建筑物地基的接地工程， 其物理特性与上述 8种情况相似，增大了落地雷的概率并增加了落地雷电流强度！ 再用电磁场观念看另一种情况，即地基保持绝缘状态，则雷雨云及下行先导 的电场无法使绝缘地基 出现感应电荷，这类建筑上方大气电场绝不可能增强而 产生迎面先导，也就绝无可能遭落地雷，从物理学看，绝缘的地基拒雷击。台湾 大学物理系主任林清凉和中科 院著名物理学史研究员戴念祖合作编著的大学物 理教科书详细介绍了我国古代的这种避雷技术， 【5】【6】 名之曰“绝缘避雷技术”。 有比较就能更好鉴别，现举两例加以说明： （1）宁波市有一古代名刹天童寺，有近 40000m 2 的砖木建筑，逾 1700年未 遭雷击。防雷老专家马宏达和王雪森等去那里考察，亲见雷雨云临空，却始终不 见闪电下击。离古寺仅二里之遥有一现代建筑，严格遵照 GB50057－94规定安装 避雷针和作了优良接地工程，他们亲见该建筑挨了落地雷，损失惨重，不仅信息 设备损坏，连避雷针和各种避雷器也被雷击坏了。听到这些专家之言，并看到被 击坏的避雷设施实物后，作者偕宁波市防雷中心胡余斌于今夏去天童寺考察并拍 照。 可 看到全部地基均为花岗岩石板拼成，所有柱子均垫花岗岩圆柱体，地下 排水机构很讲究。我们还考察几十里外另一千年名刹阿育王寺，建筑构造与天童 寺很相似，也 从未遭雷击。两处地理环境差别较大，天童寺在山坡上，群山环 抱森林甚密。阿育王寺则在平原上，寺门口即为一交通繁忙的公路，树木不多。 但是两者均离大海不 远，是多雷雨地区。 （2）山西应县木塔，迄今已 940余年，塔的地基绝缘良好，从未遭雷击， 应县气象局记载，50年代观察到 2次落地雷击在塔外百米以外的导电地面上。 在 2005年 10月上海举行的第 4届国际防雷论坛上，有专家在大会报告上说，该 木塔 2005年遭雷击，他于九月亲去考察，发现有人在塔内 加装了某种仪器，并 有导线接到了塔底下。这正好表明有人改变了古塔原有的对大地绝缘的物理状态， PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 才导致雷击！很侥幸，塔地基没有大搞接地工程和引入电线装 电灯，否则将引 来强落地雷，后果不堪设想。有些古建筑已完好保存了几百年、上千年，近年由 于搞旅游开发和景观改造，改变了原有的物理状态，以致遭雷击大火 而毁坏了。 雷击是小概率事件，因此需要认真考察雷击事故，长时间积累资料，如王时 煦那样作出统计归纳。至于考察千百年遗迹和史料就更有价值，林清凉、戴念祖 等物理学家作出了示范，那就是必须以科学态度、科学精神和科学方法作出总结。 为何按 GB50057—94防雷国标设计的建筑频频出现雷灾？而不少完全 不合于该 防雷国标规矩的古建筑却经历千百年不挨雷击？用路的观念无法解释，但以场的 观念却简明易懂，因为麦克斯韦电磁场理论有极多的科技实践和科学实验作 了 检验，是迄今唯一被国际公认的可信赖的有关电磁场宏观现象的科学理论。以绝 缘地基为基础的中国古代的“绝缘避雷技术”已存在约二千年了，全国各地已发 现 的保存完好的千年以上古建筑是极好的证据，我们应该珍重、保护它们。其 不遭雷击的机理完全可用麦克斯韦电磁场理论阐明。今后绝对不可以用 GB50057 －94防雷国标这种违反麦克斯韦电磁场理论的错误思维去破坏它，特别是其绝 缘地基！ 中国二千年的历史记载和遗存的古建筑或残迹表明，防雷技术有截然不同的 两类。一类是拒雷，林 清凉称之为“绝缘避雷技术”，至今保存千年以上的古 建筑皆采用这种避雷技术。另一类是引雷，富兰克林避雷针系统就是，中国古书 有记载，与富兰克林的技术相 同，可是古书描述的这类古建（大都是宫殿）如 今大都找不到了 【1】【5】【6】 。为何坚持大搞防雷接地工程者不慎重思考这一历史呢？ 5 进入信息社会后对防雷接地的重新思考 富兰克林对防雷接地的思考，主要立足于保护二百多年前欧美当年的砖木建 筑，把雷引到金属制的 避雷针上，从而使砖木材料结构不致受损，确实起到了 一定的作用，若作广泛认真调查，可发现还是有许多建筑毁于雷。信息技术进入 中国后，新的雷灾迅猛增加， 著名防雷老专家解广润教授不顾众多防雷界人士 的强烈反对，于 1982年在《电气设计技术通讯》上公开呼吁“避雷针 一般应当 停用”。他调查统计了大量雷击事故后总结出一条教训：“避雷针惹祸的事实及 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 理论分析。总的说来，避雷针常常是过大于功”。今天家家户户大都用上了 手 机、电脑、电视等信息技术，闪电的脉冲电磁波与信息电磁波纠缠在一起进入微 电子器件，雷灾的对象和危害范围与 200多年前的富兰克林年代大不一样了。避 雷针及防雷接地恰恰起到了“引狼人室” 的作用！IEC标准和 GB50057－94（2000 年版）迄今仍坚持要求装避雷针系统，始终回避其 “引狼入室”这个要害问题。 能听到专家们的唯一理由是：“雷雨云的能总要往下方泄放，阻挡不了，因此只 有让它循避雷针这类引雷的接闪器引下来让接地网消散到地下去”。这就把接地 工程摆到防雷的主角位置了。 那么由于引雷入地而产生的对微电子设备、电气设备产生的侵害如何解决？ 他们用似稳电路观念从电路上加以拦截，就是在电路中配备各种浪涌抑制器（通 称之为 SPD之类），把进入智能大厦或民宅的雷电过电压波或过电流泄放入接地 工程。此外还有与接地工程紧密相关的所谓“等电位连接”，据说可以维持 大楼内各处电位不变，从而解决了人身安全和对仪器的地电位反击，……等等。 总之，他们认为防雷接地是最关键的防雷技术。 实践又证明了什么？举一例即足：两年前全国雷电防护标准化技术委员会在 广州举行防雷学术研讨会，某沿海特大城市的防雷中心负责人介绍该市刚发生的 一次雷灾，导致该市某重要单位的网络系统瘫痪。可是雷击前不久该单位刚安装 了最先进的进口 SPD等防雷器件，严格按 IEC标准安装，施工是防雷中心承办， 又经防雷中心验收合格。事故后防雷中心又到事故现场作了仔细 考察，只发现 有些器件接口和芯片被烧，总结不出原因和教训。会上熟悉高频电路的专家、湖 南省电磁兼容学会秘书长李冬根高工查问器件和芯片损坏细节，却得不 到解答。 他感叹说，付了巨额学费却弄不清事故原因，下次雷来了，照样打坏！这代表了 与会者共识。这类事不胜枚举，大家称之为花钱买雷灾，花大钱买大雷灾。 反 正花的是公家钱或者有保险公司支付，雷击只是小概率事件，很难弄清责任，迄 今尚没有专门研究机构花巨资作寻根究源的科学考察。 但是从电磁场理论的基础原理不难发现防雷接地学说的种种不科学性。首先 应该看到，闪电的能量是存在于电磁场中，与 E及 H的数值有关，绝不可能像水 流那样往地底下方向流走！而且闪电的电流也不是像水流那样总是往地下方向流 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 散开去，而是决定于各处电场 E的方向和强度，并且要看物体内有没有可自由运 动的电荷。既然接地工程使大楼地基变成很厚的一大块良导体，在闪电形成的某 些分阶段里有近似的静电条件，可运用静电学思考，可知地表面必形成大面积的 表面 感应异号电荷，其下的深部空间就不存在电场，就不可能有电流！落地闪 刚与避雷针接通时，地面的感应电荷受到的力是向上的，迅速与下行先导携带的 电荷中和， 剩余的大量分布在表面的感应电荷依旧受到向上的力，仍循着已接 通的闪电通道往上方云层流去，怎么有可能往下方地球深处流散呢？当然，下行 先导携带的电荷消 失后，地表面的感应电荷之间的相互斥力成为主要的，必使 四周地表面的同号电荷向四周流散开去，在地表面成辐射线状，有照片作证。 以似稳电路观念分析防雷技术的最大疏忽是忘却了闪电的能量是与地面上 三维空间里的场强 E紧密相连这一客观事实，以及场能必以坡印廷矢量进入场内 的任何物体，赵凯华著的《电磁学》下册 322～324页作了很具体描述，本文不 赘。通俗说，就是“微波炉效应”，这是各种 SPD无法阻挡的，甚至这些 SPD 自身也受到了微波炉效应而损毁！接地工程帮不了 SPD的自保。 中国古籍有描叙，如沈括著《梦溪笔谈》描写雷击李舜举家：“有一木格， 其中杂贮诸器，其漆器 银扣者，银悉溶流在地，漆器皆不焦灼。有一宝刀，极 坚钢，就刀室中溶为汁，而室亦俨然”。又南宋庄绰著《鸡肋篇》：“大雷破树 者数处，而福慧寺普贤像亦 裂，所乘狮子凡金所饰与佛面皆销释，而其余色彩 如故。与沈所书盖相符也”。以场的观念极易说明，因导体和非导体对不同频率 的电磁波能量的吸收特性是不同 的。还有场能大小与地面感应电荷的大小及分 布状况有关，接地工程的导电越良好，楼内金属材料越多，被感应的电荷就越多， 在落地雷消失瞬间，大楼内的微波炉 效应就越强。 作者在镇江市看到一处雷击遗迹并拍下照片（见照片 4），在甘露寺内，有 一北宋造的铁塔。塔顶被雷击而熔掉。如此粗大体积的铁料被熔很难用闪电电流 的焦耳热效应解释，如今电磁炉已广泛普及，把铁锅放到电磁炉的交变磁场上， 它的温度立刻升到百度以上，其他金属则不发热，闪电的电磁场能量主要集中在 低频区域，此时铁的磁导率μ较大，若落地闪正巧落到铁塔顶，则闪电消失时 磁场能就可能被铁塔顶吸收而出现电磁炉效应了。总之，从麦克斯韦电磁场理论 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 或者从众多雷灾事实来分析，由大量钢材和降阻剂构筑的接地工程对防雷起不了 保护作用，却是增大了雷灾。1996年 2月，时任国家科委主任的宋键强调：“任 何科学假说和命题在未经得到科学验证之前，都不能作为制定国家和法令的 根据，不能作为领导进行决策的依据。……科学研究允许假说，也可以失败，但 绝不允许弄虚作假”（见何祚庥编《伪科学曝光》392页）。GB50057-94这个由 建设部批准的强制性国标中许多条文，包括接地工程在内，都没有得到科学验证。 特别是它给出了评定接地工程合格与否的接地电阻值，违反科学基本准则。 6 略评“接地电阻”这个不科学的物理量 任何科学技术都存在量变转化为质变的规律，因此它需要找出一个可以用实 验精确测定的物理量来 清楚描述这种客观存在的规律，这是不以人们意识而存 在的，必可以让任何人进行实验检测并获得相同的测量值。测量仪表的读数应该 是各国统一的，不因人而异， 因此必须有国际公认的计量权威机构制定这个物 理量的国际公认的计量标准器作为度量的基准。 现在国际和国内都采用“接地电阻”这个物理量来定量描写接地工程的优劣 程度，市场上有各种各样的测量接地电阻仪，数以万计的从业人员进行接地电阻 的测量工作，起初大都是电力部门的，近 10余年来则主要是各地防雷中心的， 并且人数猛 增。不同的仪表对一个接地电极可以测得差异极大的值。同一人用 同一块仪表每次测量的读数也各不相同，相差可以超过百倍！凡是认真进行过防 雷接地工程的接地 电阻测量者都会发现这种现象，也都心存疑虑，百思不得其 解却无法深入追根究源。为什么？从电工学等专业基础教材中不难看出，这个物 理量存在已百年了，它的 定义多种多样，原先它是为电力传输行业工作的人身 安全而设的，现今则被延伸到防雷安全领域，迄今还没有一个国际公认的明确的 定义，因此国际计量机构不可能 制出一具“接地电阻”计量标准。尽管测量仪 表的计量标准没有准则，而各种教科书却已推导出相应各种形状接地极的接地电 阻理论计算公式，供设计接地工程的技 术人员作出设计并进行施工，这些定量 的理论计算结果是无法进行实验检验的，可是几十年来接地工程已完成不计其数 了。反正从事接地工程的人都是上述这些教科 书培养的，“萧规曹随”嘛！大 家有工作做，钱是国家支付，彼此相安无事。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 美国专家 G. Sharick于 1981年写了《接地工程》一书，总结了他几十年从 事防雷的经验和心得，被认为是权威之作。该书于 1988年译成中文，成为我国 唯一详细介绍防雷接地的权威专著，他在序言中坦率直言：“接地、搭接和屏蔽 技术不能列为一门精密的科学。在过去很长的时间里，接地技术一直没有固定的 准则，并且在工程实践中成为一个无人关心的课题，……既然我们能研究成功十 分复杂的电子电路……和空间探测技术，那么也必定能使接地搭接和屏蔽成为科 学的一个重要部分，而不再是一个不可捉摸的领域”。这位专家的确具有科学精 神和良好品质，敢于实话实说。可是那些制订 IEC标准和 GB50057－94标准的专 家们却把这个“没有固定准则”“不可捉摸的”领域打扮成可精确测定的领域， 凭防雷中心任何工作人员的手中任何仪器一次测量值（称之为“接地电阻”值） 就可准确判断任何建筑接地工程的优劣程度，岂不是太不严谨、不负责任！！ 作者是物理学教师，从事大学教学 40年，此间只接受过学生从书本中提出 的脱离工程实际的问题，并予以思考和解答。自 1989年我国黄岛油库发生雷击 大火后率队去考察，从 此转入防雷领域，向防雷专家们学习和了解这个领域使 用的术语、原理、观念和技术，还有他们所描述的雷灾状况，综合之后写了两本 专著，发行逾万册。于是有不 少防雷工作者出于对国家、对防雷事业负责向作 者提出质询，迫使作者尽力之所能及查阅各种教科书、期刊、资料，寻根究源， 以解答防雷工程中遇到的疑团。整整 花了 10年时间，才在 G．Sharick称之 为“一个不可捉摸的领域”中找出了一个重要突破口，原来百余年来防雷界和电 力部门习用已久毫不怀疑的极基本又重要的物理量——接地电阻是不可测量的 不合乎科学的物理量！ 电力部门最初创立这个物理量的用意是为了降低导电地面的跨步电压，认为 大地可以简化为一维电工电路，不论电流 I多大，电压 U与 I之比 U／I恒为与 I无关的恒量,仿欧姆定律定义 U／I＝R 地，这就是接地电阻。因此用摇表测量时， 使用任一 I值，只测一次就够了。从物理学看，这是把恒稳电路中的欧姆定律无 条件地推广到三维空间的大地，在科学方法上是完全错误的，作者在《物理通报》 上已作了阐明 【8】 。毕德显院士所著、孟昭英院士审阅作序的教科书《电磁场理 论》是一本理论上非常严谨的高水平教材，可惜书中第 210页关于欧姆定律的说 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 法有疏忽，而在第 231-232页关于接地电阻的叙述和演算则有原则性错误。众多 电工教材模仿之而推导出各种形状接地电极的理论公式，就更是大错了。作者在 参考文献[1]的 82-94页和刊登在 2005年 3、4两期的《中国防雷》 【9】 上已有详 细说明。 7 从经济上分析防雷接地 防雷减灾必须算经济帐，必须选择最经济有效的一种措施。对于个人而言， 问题非常简明：防雷措施所花的钱必须少于被保护的东西的价值。而且雷击是小 概率事件，因此买一台价值 1000元的电视机而配上一只 1000元的 SPD就绝不 可取，不如采用买保险的办法。由此推想到建筑物的防雷接地工程，退一万步说， 即使接地确保它免于雷击，也必须细细算一算接地工程所花的钱是否低于全楼被 保护的 IT设备的价值，这里还不能忽略每年必须交给防雷 中心的接地电阻检测 费和接地网的维护费，因为地下的钢材会腐蚀，化学降阻剂会老化……等。作为 国家建设部和气象局更必须遵照科学发展观，从城市或地区总体 上规划防雷减 灾，对于小概率的雷击事件，各城市每年的落地雷总数不多，可以统计出来，全 城大楼数以万计，遭雷击中的建筑为数很少，即使接地工程确能防避雷 灾，也 毫无必要强制几万幢大楼均耗巨资修筑接地工程。更何况接地工程实际上只起引 雷和加重雷灾的作用。 有比较才能有鉴别，那么算一算绝缘避雷技术需要花多少钱？2005年第 3 期《中国雷电与防护》上发表了许颖同志的论文“也谈‘绝缘避雷’问题”，文 中说：“‘绝缘避 雷’归根到底也是经济问题，‘绝缘’花的钱，是否可从‘避 雷’减灾中收回来？不是理论问题”。这话既有正确的原则，即必须算经济效益； 又有不妥之处，即毋 须理论思考。需知算经济帐时必须有正确的防雷理论作依 据。以路的观念反对‘绝缘避雷’者大都有个共同的错误概念，误认为闪电是恒 压电路，这个电压高达 10 8 伏的闪电到达的地点就必有 10 8 伏高电压，必须用耐 得住 10 8 伏 电压而不会击穿的绝缘物才能抵挡得住，所以‘绝缘避雷’既靠不 住，又太昂贵。他们忘了麦克斯韦电磁场理论最基础的原理，绝缘物的击穿只决 定于电场的力。大 气之变为导电状态而出现闪电，是因为大气中电场强度达到 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 了击穿阈值，而与该处的电压毫无关系，该处的电压则是等于大气电场强度的空 间积分，即 U＝ •dh。由此可见，普通的绝缘材料是不会被闪电击穿 的，因为它们的击穿电场阈值一般高于空气。实际上一块厚 1cm的绝缘板在 闪电击中时所受到的电压为 E 击•l，E 击即为空气的击穿电场阈值，约为 3× 10 4 Vcm -1 ，1cm厚的绝缘板受到的电压只是 30千伏而已。 下 面专谈绝缘地基的经费。一般地基都是先作防水防潮工程，然后铺水泥， 它们均属于绝缘材料。为了美化，可在地表面加上人造大理石，或天然大理石， 或瓷砖，或 者是打了腊的木地板，这些又都是良好的绝缘材料，完全达到绝缘 避雷的要求，毋须添加经费！这种绝缘地基的性能超过千年古建了，不会产生感 应电荷。 楼的地基和楼内各处地面均为绝缘之后，还带来一大好处，使用电器的人身 安全隐患也解除了，科技馆大厅有一精彩物理演示，站在绝缘台上的人用手触及 几十万伏的高电压却安然无恙。 大楼的电路布设也简化、节约了，可省去安全地线。为阻止输电线路闪电感 应的浪涌电压或电流，可设置隔离变压器或其它措施。 建 筑设计还须预估信息技术发展趋势，例如手机和笔记本电脑与固定电话、 台式电脑已并驾齐驱，很有可能取而代之。无线化技术使这些信息设备既不需外 接电源线、 信号线，也不需接地线，智能大厦里大量布设的电源线、信号线、 地线及配置的避雷器、等电位连接等将变为废物！这些连同庞大昂贵的接地工程 是多么大的浪费！ 人无远见，必有近忧！ 8 略谈等离子避雷技术 中国古代经受了历史考验的拒雷技术近年有了新进展，那就是 2002年底在 联合国组织的国际发明博展会上为中国夺得唯一发明特别金奖的等离子避雷技 术，俄、美等国专家誉之 为“对人类生存和保障的最佳发明”。它是国际宇 航科学院院士、中科院空间中心研究员庄 洪春发明的，它的拒雷机理与古代 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn “绝缘避雷技术”完全相同，绝对不需接地。如果建筑物 已装上全套引雷设 施，从避雷针或避雷带到接地网，等离子避雷这项新技术就会在闪电下行先导接 近闪击距离的瞬间自动开启电荷发生器，产生与接闪器上的感应电荷异号的电荷 覆盖其上，使得建筑物外大气电场大大减弱，不可能出现空气击穿和发出迎面先 导， 该建筑四周导电地面上各种物体，包括装有接闪设备的建筑、烟筒、大树、 输电线、移动通信塔……等都有可能发出上行迎面先导与这个接近地面的下行先 导回合， 形成落地雷。庄发明的避雷新技术不仅防避了直击雷并相应地远离了 它产生的脉冲电磁场，而且减弱楼内的金属导体感应电荷产生的电场强度 E，从 而大大减弱了楼内信息设备受到的微波炉效 应。建筑若无接闪器和接地工程， 则仅是混凝土墙面和楼板内有钢筋，它与金属管道会产生感应电荷，若楼顶上有 天线和金属广告牌等，它们也会产生感应电荷，由 于没有接地，与下行先导电 荷异号的感应电荷必分布在楼顶高处，数量显著减少，与先导电荷同号的感应电 荷则不可能入地，而是分布在大楼下部。这时等离子避雷 技术设备就可以大大 减小电荷发生器的供电量也就是功率。具体构造和原理，可阅文献[6]和庄洪春 等发表的论文。 9 结束语 防雷接地是二百多年前富兰克林提出来之后为全世界所接受和无人怀疑的 定论。接地工程 对于任何建筑而言又是占其经费比例不大又无技术难度的小课 题。因此 G.Sharick在 1981年感叹说：“接地……在工程实践中成为一个无人 关心的课题”。最近作者对接地工程提出质疑和否定，引起强烈反响，一石激起 千层浪。有必要在本文作一些说明。 首先必须考虑到：这是 21世纪科技形势所促成。现在已进入信息时代，发 展最迅猛的 科技、产业和大富翁，无不与 IT有关。10年前作者转到防雷领域 时，国内从事防雷的企业 仅 10余家，很小，而目前国内防雷市场已多达 3000 家企业，营业额逾百亿元，都是与 IT紧密关联。5年前国内没有一本防雷杂志， 目前却突增至 5种以上。建筑业的发展也是紧跟 IT的，另外还有专为 IT而 建的构筑物，如雷达站、通讯站、电视转播站……等等，在国民 经济和国防 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 上占有极重要地位。由此可见任何建筑必须重视 IT设备的防雷，为此必须用麦 克斯韦电磁场理论探索建筑防雷问题。 第 二．从建筑学看，万丈高楼从地起，地基工程应是最关键的，地基考虑 不周，后患无穷，因此防雷接地绝非小事。绝缘地基使大批古建保存千年以上， 难道不值得当 今建设部专家们认真研究吗？作者祖籍宁波，深知沿海地带大风 大雨和含盐类的海水对建筑地基的侵蚀严重，采用花岗岩石板地基并把柱子用花 岗岩圆柱体垫起来， 目的是延长建筑寿命，由此而产生“绝缘避雷”技术，作 者认为这是一种巧合。中国古代的众多技术发明几乎都是经验性的总结，而不是 系统科学理论和实验的产 物，后人应该用现代科学去发掘、阐释并保护它，绝 对不可以为了赢利目的，违反科学发展观，导致损坏古文物。 第三.必须敏锐的看到，在进入 21世纪之后，防雷接地已不是局限于建筑业 一个部们范围内仅涉及经济的科技问题，由于 IT技术已广泛渗入一切领域，成 为整个社会的“脑”和“神经系统”，防雷安全就成为涉及国家一切部门的大事， 必须看到雷电脉冲袭击与现代战争运用的战略性武器电磁炸弹之类的脉冲电磁 场袭击是类同的。现行的建筑设计防雷规范 GB50057-94强制执行的接地措施直 接危害了国防安全，总装备部已发现它大大增加了雷达站等要害阵地的雷灾，为 此紧急呼吁修改 GB50057－94，要求以麦克斯韦电磁场理论来审查错误的防雷传 统思维，总装备部年近七旬的防雷专家应洪正与作者合作写的呼吁立刻被两种防 雷杂志刊登。 【10】【11】 由于冲破了这个国标强制执行的接地要求的束缚，获国际发 明特别金奖的防雷高新技术——等离子 避雷技术才在近期得以缓慢推广，首先 受到国防领域的欢迎，因为军用的移动设备如通讯车、飞机等都是无法接地的， 其防避脉冲电磁场必须摆脱传统思维的束缚， 极需展开对防雷接地这个课题的 学术争鸣。 第四.作者不得不坦言，这个课题的学术争论的阻力极大，许多杂志忌讳刊 登作者的观点，各种防雷学术 会议忌讳作者到会发表这一观点，这与等离子避 雷技术难以推广是关联的。科技发展史上这种现象是常见的，带有必然性，其背 后原因就是与现在占统治地位的传统 思想相关联的既得利益的队伍非常庞大。 有好几本杂志的负责人坦言说：“你的文章观点专家们都反对。所以不能刊出”， PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 举几例即明：如果接地电阻这个物理量被 废除，靠测接地电阻为生的几万人以 上的队伍就得下岗；以百万元计的必须接地的形形色色避雷器件商品就成为废品； 以万计的接地工程设计师只能失业；各种描叙 接地电阻计算理论的教材失去销 路……。 诺贝尔物理奖荣获者丁肇中曾对清华大学校刊的记者说过一段话：“自然科 学的研究有着自身的规律。它的进展不是靠投票来决定的，常常是多数服从少数， 而不是少数服从多数。科学的道路上只有第一名，没有第二名” 【12】 。《中国防 雷》）坚持“百花齐放、百家争鸣”的学术原则，敢于接纳不同的声音，第一个 刊出否定接地电阻的文章，这是难能可贵的。 第五.学术争辩过程中真理从少数人转变为大多数所接受，必须经历宣传与 教育这个环节，因此高校的教师与学术刊物起着极为重要的作用。在防雷接地这 个学术研究领域出现的保守状态，恰恰反映出高校中的某些欠缺。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn