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等离子避雷球技术质疑

编辑:浙江鸿盾科技有限公司   时间:2014/04/10   字号:
摘要:等离子避雷球技术质疑

等离子避雷球技术质疑
昆明昆雷电力科学研究所 梅忠恕
云南省防雷中心 李兆华

摘要:本文从技术原理、产品运行维护和性价比的角度出发对“等离子避雷球”提出了几点质疑,以期得读者的讨论和它的发明者庄洪春教授及其合作者虞昊教授的答复。

关键词:等离子避雷,电荷避雷,感应电荷,中和,对消

1、 前言
“等离子避雷球技术”是中科院空间中心的庄洪春教授在云南省和昆明市两级科技厅、局的支持下发明并研制的。2003年12月14日清华大学退休教授虞昊在云南西双版纳主持了“等离子避雷球试用鉴定会”。由虞教授签署的鉴定意见说,“该产品已在2002年召开的国际发明博览会上获得特等金奖,认为它是对人类生存和保障的最佳发明。”可是,在笔者学习和阅读了庄教授近年发表的有关论文后,仍存一些疑问,特提出讨论。若有言词不当之处,请庄、虞俩教授和读者见谅。

2、 球形密闭仓内的等离子气层也能避雷吗
庄教授在《等离子避雷球技术》[1]中说,“若在被保护物表面感应电荷易产生强电场的关键部位覆盖上一层大气等离子气层后,该气层中正、负离子在感应电荷所产生的强电场中极化分离,造成相反方向的电场,削弱了原电场。该气层外又不可能造成固体边界那样的尖端效应而产生电场。因此,被保护物表面,无论气层内或气层外,都不再能造成强电场而击穿空气,因此不易产生上行先导或下行先导的上迎,也就避免了成为雷击点。这种避雷新技术可称为‘离子避雷’或‘等离子避雷’”。
在这篇文章,以及庄教授近期发表的其它论文中,笔者都找寻不到这种避雷装置的结构示意图或外形图。但从一个朋友的一篇尚未发表的文章中看到了这种避雷装置的示意图,如图1所示。
从这幅示意图中可见,避雷球外还有一个球形玻璃钢外罩,大气等离子气层是处于一个密闭的球形仓内运行的。庄教授上面介绍“该气层外又不可能造成固体边界那样的尖端效应而产生电场,”可是,玻璃钢外罩不就是一个固体边界吗?在等离子气层中正、负离子极化分离后,与雷云电荷极性相反的电荷就会聚集在玻璃钢外罩的内表面,形成一个面电荷层。这个电荷层的出现不就与等离子气层原来的功效相悖吗?这样的结构还能实现原来预期的避雷效果吗?

3、 感应电荷能中和或对消吗
关于“电荷避雷”的原理,庄教授解释说:
“用电流回路中的导体表面上集聚的电荷来对消那里的感应电荷是一种行之有效的方法。去掉感应电荷就是避雷,我们称这种对消感应电荷的方法叫‘电荷避雷’”。“导体表面电场强度正比于导体表面的电荷面密度,因此表面电荷面密度也就能表征雷击危险性的大小。使导体表面电荷消失就使遭雷击的危险性消失,使导体表面电荷减少就使遭雷击危险性降低,这是一种避雷的新思路。”[2]
这种所谓的“避雷新思路”能成立吗?它符合科学原理吗?
的确,如果真能找到一种方法,能将防雷目标表面上的因雷云或雷电先导电荷感应生成的异号电荷中和或对消掉,那目标就不会被雷击了,防雷的目的就达到了。但是,怎样对消目标表面的感应电荷呢?庄教授设计了一个复杂的装置,图2是这种装置的示意图。[2]
庄教授描述这个装置的工作原理如下:“倍压整流产生的5万伏直流高压贮存在电容C1上。两球A和B间隙由控制脉冲G触发而击穿导通。高压电由球A传到球B,通过电感L的扼流作用使电压增高至10万伏(?),使两球A、B的间隙导通后立即切断。硅堆D使高压传送给电容C2而不返回到球B,根据闪电的物理过程,从闪击先导到达雷击高度而使触发脉冲送出,导通球隙,输送电荷到用户电容C2上,所需总时间控制在10mS之内。然后C2上的电荷通过电阻R和目标E形成放电回路,放电时间常数大于100mS。目标E表面的中和电荷足以抵消掉雷电感应电荷。目标E就不会遭雷击,从而达到了避雷的目的。”[2]
对于这套装置示意图中的显而易见的问题,如没有标明接地点,电感线圈L怎么能使电压增高一倍,等等,我们暂且不做分析和评论。我们关心的是,目标表面的雷电感应电荷是如何被抵消的。
图2 电荷避雷实用装置示意图

图2没有明确画出这套装置与防雷目标表面是怎样联接的,在庄教授的三篇文章[1、2、3]中也找不到关于目标表面上的感应电荷是如何中和的的描述,含糊的语言是基于商业上的“保密”,还是粗心大意,或是有意回避,我们就不得而知了。
其实我们用不着观看庄教授的这套复杂而含糊的装置,就能直接从电工原理分析感应电荷是否能够被中和,或对消。
从电工基础的知识,我们知道,一个金属导体处于静电场中,例如雷云静电场中,就会受到感应。感应的结果是金属导体中的电荷产生分离,与雷云电荷极性相异的电荷集中在面对雷云,与雷云最靠近的地方,而与雷云电荷极性相同的电荷则跑到金属导体的另一面,背离雷云的远方。在金属导体的两端出现的两种电荷的量+Q和-Q是相同的,它们取决于导体与雷云之间的电容C和电压U:
(1)
如果雷云所带电荷为负,则在金属导体上面对雷云一面的感应电荷就为正+Q。电工基础的知识还告诉我们,这种通过静电感应生成的电荷不是自由电荷。这种感应正电荷+Q与雷云中的负电荷是通过电力线相连系的。如果雷云(或雷电先导)电荷存在,不消失,那这些电力线也存在,不消失,金属导体中的感应电荷就永远存在,不消失。要想往金属导体输入负电荷去中和这些正电荷是办不到的。
这些感应电荷不是一群爬在金属导体上的苍蝇,可以容易地被赶走,或打死消失。
防雷的目标表面,无论是原有的,还是特地为“电荷避雷”安装的绝缘金属屏蔽层,也无论它是直接接地的,还是绝缘的,或是通过一个大的电阻接地的,这个目标导体在雷云电场,或在雷电先导头部电荷的电场的感应下都会产生感应电荷。感应电荷的极性与雷云或雷电先导头部中的电荷极性相反,而另一种极性的感应电荷则通过目标表面的接地电阻泄放到大地,跑得远远的去了。要想往目标表面输入相反极性的电荷去中和它,或对消它,是办不到的。无论你输入多少相反极性的电荷,它们都照样通过接地电阻跑得远远的去了,即使在接地电阻极大的情况下不能在短时间内跑掉,也只能待在目标表面的背面,与感应电荷“牛郎织女”相背不见面。根本不可能中和和对消。
所以,我们说,“电荷避雷”的“新思路”根本不能成为一种避雷方法,它违背了电工基础的科学原理,犯了低级错误!
再之,要想用“电流回路中的导体表面上集聚的电荷”去中和感应电荷也是不科学的和错误的。从电流的连续性原理我们知道,在电路中不可能有电荷的聚集。我们在学电工基础时都记得,如果那里聚集了电荷,那里的电压就会升高,那里的电流要会加大,于是聚集的电荷就会流走。在电流回路中,处处电流相等,这是电流连续性原理。庄、虞俩位教授不会忘记这条电工基础的最基本的原理吧?中学的物理课也有讲这条原理的。

要想中和电容上的电荷,也是违背电流连续性原理的。
4、 等离子避雷球装置做过试验没有?
在等离子避雷球装置研制过程中,我曾同庄教授谈过有必要进行模拟雷电的试验。庄说没有试验条件,我说我原工作单位云南电力试验研究院可以进行此项试验。庄让我联系试验。我向我单位领导请示后,同意为庄教授的避雷球进行试验。可我将此信息告诉庄教授后,庄再也没有提及试验的事。
不知庄教授的等离子避雷球装置后来进行过模拟雷电试验没有?试验的情况如何,可有试验报告?我们在庄教授的论文中从来没有见到过有关介绍。
5、 等离子避雷球装置的技术参数及指标
作为一个防雷保护装置,它的主要技术参数是保护范围和雷电流的级别(或滚球半径),可是等离子避雷球的技术指标却是“避雷灵敏度”、“避雷保护能力”、“保护延时”以及“1次保护时间”等。希能对这些新的指标作出定义或介绍。

6、 等离子避雷球装置的接地问题
等离子避雷球有一项技术指标为“无接地要求”。是可以不接地,还是需要接地,只不过对接地电阻的大小无要求?

7、 等离子避雷球装置运行的安全性问题
等离子避雷球有两套高电压装置,一套为中频高压发生器,用于产生等离子气层;另一套为直流高压发生器,用于“中和”目标表面上的感应电荷。
这两套高电压发生器装置在运行中会带来严重的安全问题,特别是用于“中和”感应电荷的直流高压发生器,它涉及的工作面广,如果没有良好的安全保障,被保护的人和建筑物还没有遭雷击,反而遭它的电击。

8、 等离子气层的浓度与避雷效果的关系
早些时候,庄教授介绍说,要能消除电击,等离子气层的浓度要达到1011 ~10 13个/cm3。可是,在“等离子避雷球试用鉴定验收报告”中的“等离子避雷球主要技术参数及指标”中却没有这项技术参数的具体数据。
在通过鉴定的产品中,等离子气层的浓度达到了上述浓度指标吗?
9、 等离子避雷球装置的电源与运行管理问题
等离子避雷球是一套有源设备,其鉴定报告说,功率达1.2kW。如果长期带电运行,耗电量很可观。如果雷暴来到之时才投入,那不仅需要有一套自投入装置,而且需要有经验的技术人员管理。比较现在所有的防直击雷装置都是无源的,一经安装投入,几十年不需人员维护管理,显然是一大缺点。
雷暴时常因雷击停电,那时这套装置不成了无用的“摆设”。如果为它再增装一套备用电源,投资更大了。

10、 等离子避雷球装置的运行维护问题
带电运行的电子元器件都有一个老化问题,一般都要定期进行试验、维护和修理。这一工作不是一般的用户所能完成的,需要有经验的技术人员才能进行。再之,作为生产者和经销商,还必须建立一套备品备件的供应制度和售后服务体系,否则即使用户买得起,也很难用得好。

11、 等离子避雷球装置的价格问题
这是一套复杂的系统,价格不菲,一般用户能买得起吗?

12、 小结
即使等离子气层在用于航天器的避雷和隐身上得到了成功,要用于地面上的防直击雷也是很困难的。因为航天器在天空飞行,没有接地,处于悬浮(自由)电位;而在地面上的防雷目标固定建在地上,处于地电位。庄教授开发的“等离子球避雷技术装置”不仅是价格高,维护不便,更主要的是它违背了电工基础和物理学的原理,犯了低级错误。评价它“是对人类生存和保障的最佳发明”是有点名不副实的。
13、 参考文献
(1) 庄洪春等14人,等离子避雷球技术,《雷电防护与标准化》,2004年第3期
(2) 庄洪春,《电荷避雷原理》,《防雷世界》,2004年第2期。
(3) 庄洪春,《等离子智能避雷技术中避雷针的保护半径》,《雷电防护与标准化》,2006年第1期。

 

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