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对非常规防雷方法的批评

 

M.A.Uman V.A.Rakov
(郭昌明译自美国气象协会公报,Bulletin AM5,2002年12月号1809~1820页)
译者的话:
   这篇文章是美国两位有工程背景的主要从事雷电物理研究的专家在其国家科学基金的资助下,对2002年前国际上有关消雷器和ESE接闪器文献的综述。可以看出:
1.美国在消雷器及ESE 接闪器方面的做法动向,以及有关的科研工作。
2.在美国并没出现过用接闪器后加串一些特殊部件来使主放电变弱的装置。据推测,是因为在实际上不可能人为显著改变放电参数。地闪的产生是雷暴超高压电源通过超长距离大气放电的结果,任何人工尺度装置不是无法改变原有的放电过程,就是会被击穿而产生不了预想的作用。
3.强调了不能用实验室内放电外推到自然雷电的连接过程。任何有关防雷原理必须与自然闪电的基本过程一致。
4.要注意在一些工程中会改善防雷的诸如增强接地、加装SPD 等的作用,它们其实与接闪器的作用无关。
*没有任何资料及理论支持声称“消雷”和“提前流光发射”技术可比常规防雷装置优越。
1、常规装置
   对地面建筑物正确设计的常规防雷装置,可以提供闪电的连接点和供从闪电连接点处产生的闪电电流无害地流入大地以保护建筑物。这类装置基本上由三部分组成:
1)“接闪器”,它安置在构筑物上的适当位置以拦截闪电
2)“引下线”,它将闪电电流从接闪器引向大地
3)“接地极”它将电流流入大地。
   这三个部件必须连接良好。许多国家及国际标准对常规防雷装置有描述(如NFPA780-1997,此后称NFPA780),对这种常规方法的效能也有描述(如:Harris 1843,14~156;Symons 1882;Lodge 1892;Petors 1915;Covert 1930;Koler 1939;Szpor 1959)。
   对建筑物常规防雷的经典说明见Golde(1973)的著作。部分由于我们对闪电与地面物体相连过程了解得不够完善,所以常规方法的理论论证还十分粗略。因此,常规装置在防止或减少对建筑物的危害上取得成功的历史事实,是它们应用的主要证据。然而,评述一下对闪电过程的现有认识会是很有指导作用的,这种认识与在建筑上应用常规防雷装置所得到的经验是一致的。
   雷云对地闪击的过程始于闪电的梯级先导,它始于雷云的电荷区域(在温带,夏季产生典型下移负电荷闪击的电荷区域高度约为5km)以典型的平均速度105ms-1向下朝大地传播。在这先导通道上的电荷(从云中电荷源处洩漏出来的)会在其近地面时在地面产生电场。这电场又被树木和在建筑物上接了地的接闪器这类突出地表的物体而得到增强。 当先导下移到离地几十到几百米时,此时这电场大到可在先导头部与大地之间或者先导头部与某一凸出物之间产生电击穿。这种长间隙电击穿如果发生在室内实验室条件下,则需每米几百千伏(见:Chowdhuri 1996,226~240;Bazelyan和Raizer2000),其中可包括有一个或多个从大地或从接地物上发出的向上的连接先导。这类先导中的一个与下移先导分叉中的一个相遇,这就在雷云与大地之间建立一导电通道。图1是以避雷针作为接闪器的常规防雷装置所保护的建筑物与闪电相连的一个简化图。
1 、闪电相连过程
(a)梯级先导下降到距离装有常规防雷装置的房屋约100m之内;
(b)上行先导从接闪针和附近的树木发出;
(c)下行梯级先导分支之一与上行先导之一连接,确定最后上行回击的电流路径
注:图(a)中Lightning Rods译为“接闪针”
   现在,我们评述一下常规防雷方法中涉及的一工程模型。人们常用电几何学理论来说明被击物与先导的相连过程。其核心是“击距”概念。这个概念忽略了物理方面的一些重要内容,但对于防雷装置的设计却提供了一种相对来说简单而又实用的技术。击距,定义为先导头与被击中物在最后一个间隙产生击穿电场瞬间的距离,或者说是,当被击物产生上行连接先导时,下行先导与被击物间的距离。当假定一个击距后,就可虚设出在地面及地表物以上的一个面,当下移先导下移到这个面上的任一位置时,下行先导就会被地面或地面物上某一点所“捕获”。这种虚设的表面几何结构可以简单地用一击距为半径的虚构的球在地面或地面物体上滚动而形成。即所谓的滚球法(见Lee,1978;NFPA 780)。所有的滚球中心通过的点构成上述的一个捕获面。而滚球表面碰到的点均可被击中。而那些球碰不上的地面点不会被击中。图2 画出了这种滚球法。在这种方法中,所有在球面下的物体,如图2 虚线下的物体是不会被击到的(得到保护),任何一个穿过此面的接地物可被击中(不受保护)。
   在通常应用的滚球法中,击距是被假设为对地表上任何高度的突出物或大地本身都不变的一个定值。也有一些技术变种,在这里,击距值可以随不同几何结构的物体而改变(见:Eriksson 1987 a,b)。可以用等滚球半径的滚球法去定出建筑物上的接闪器位置,使得这些接闪器之一而不是构筑物的屋顶边缘或其任何其他部分,产生与下行梯级先导相连的上行先导。也就是说下行先导与接闪器间的距离比被保护建筑物上任一部分与下行先导间的距离先达到击距。
   对沿先导通道假定了电荷分布和一击穿场强值后,可以把击距与梯级先导通道上的电荷联系起来。进而,用观测到的电荷与回击电流峰值之间的相关(Berger等1975),就可以在击距和回击电流峰值间找到一相关。给出所有有关假设后,就可知这些必然关系是粗略的。按照IEC61024-1(IEC 1993)国际标准,99%的击距大于20m,而20m 是相应于首次雷击电流峰值约为3kA;91%的击距大于45m,相当于约10kA;84%大于60m,相当于约16kA。当然,这都是十分粗略的估计值。
   典型的首次雷击电流是放电30kA(Berger等1975)。对这个电流,在不同的击穿参数假定下,计算得到的击距在50~100m之间(Golde,1977),这与Uman(1987,99~109,205~230)评述过的典型观测值是相一致的。对于常规防雷装置中接闪器的放置,NFPA780建议使用击距为46m。用更小的击距则保护效果更保守些,结果是要用更多的接闪器。这一点可从图2 推测到,这时有较小电流峰值的闪电放电可被接闪器拦截到。在某些标准中,覆盖在屋顶上的线网可作为接闪器(注意,按滚球法,除非网比屋顶高,否则金属网间的那些部分会被雷击)。例如IEC(1993)指出,15×15m的网距等效于用击距45 m设计的接闪针。显然,网大小与击距间的关系只是经验反映并没什么理论根据。
   图2 高H单杆用滚球法确定的保护范围(取自NFPA780)
2 、非常规装置
   有了对常规防雷的上述简单叙述,我们在下面的叙述中将对非常规防雷方法作些考虑。
一般来讲,对地面建筑物的非常规防雷设计分两类:
1)“消雷”(LE);
2)“提前流光发射”(ESE)。
   用这两种技术的非常规装置可有不同商标名称的商业产品,它们都声称优于前述的常规防雷装置。本文的主要目的是把这两种非常规方法的文献与相关的闪电文献相连系起来作评论。这样我们可以检验一下采用这些技术的装置所用的假设是否如所宣传的那样比前面所述的常规技术优越。我们将会说明非常规方法所建议的优越于常规技术的一些优点并没有实验资料或理论支持。这个结论与Golde(1977)用当时可得到的信息所评论当时的非常规防雷方法的结论相一致。
3 、“消雷”(LE)的一般信息及理论
   支持者的主要论点是消雷装置(LES)(近来改称为“电荷转移装置”CTS)可提供一些条件,在这些条件下闪电要么不产生了,要么不会击中被保护建筑物,这与常规防雷法是拦截逼近的闪电并将其无害地引入大地相反。LES由一组或多组提高的尖端构成,常常与有刺金属丝相似,它们被安装在被保护物上或其附近。它们与常规防雷装置一样要用引下线连接地体。它们的支持者说这种消雷装置的尖端的电晕放电所产生的电荷可以:(1)使上面的雷云放电,而消除任何闪电的发生(这就是为什么有时这种装置被称为消雷装置(DAS)的原因)(2)阻止下行先导与消雷装置被保护建筑物相连接。因为靠它能使消雷装置附近的电场降低,从而抑制了上行先导的产生。
   按照Müller-Hillebremd(1962a)和Golde(1977),关于用多尖端电晕放电来“静悄悄”地使雷云放电,并因此防止发生闪电的这种想法其实早在1754 年由捷克科学家Prokop Divisch 就提出过。他还做了一个“气象机”,上面有200 多个尖端,安装在一7.4m 高的木框结构上;另外早在1751 年弗兰克林在他的小规模室内实验基础上,已建议尖端物体的令人惊奇的效应可能减少或消除闪电的危害效应(Cohen,1990)。Hugheo(1977)提到了,多尖端装置的专利曾在1930 年发给洛杉矶的J.M.Cage。这个专利叙述了在一铁塔上悬挂多根带尖端的导线以保护石油贮罐免遭雷击。1971年以来,类似的装置,一般称之为消散阵列装置(DAS)或电荷转移装置(CTS)作为商品出现在市场上,不过产品名称及厂家名字一直在变(Canpenter 1977;Canpenter 和Auer 1995)。大多数的LES 原本是设计用于高通讯塔的防雷,不过近来已被用于包括变电站、电力线和机场等广泛范围装置的防雷。
   Canpenter 和Auer(1995)对于市场上一主要厂商的DAS 的工作原理提 出了他们的的观点。这种阵列的示意可见图3 ,由下列部件组成:
1)一个有几百个尖端构成的“电离器”;
2)一个“地电流(或电荷)收集器”,它其实就是一接地装置;
3)导体(图3中称为服务线),把电离器与接地装置连起来。
   据称,地电荷收集器用以“中和”地面正电荷,不然的话正电荷会伴随头上的云中负电荷而出现。进一步,又说“成百万被电离的大气分子”从电离器处离开(好像是和地面上“被中和”的正电荷有关)并靠强静电场而流向雷云。由此“在电离器处与雷暴之间产生了一个保护性空间电荷或离子云”。按照Canpenter和Auer(1995)的说法,“有许多人认为空间电荷是第一级防雷模式,还称其另有很像一法拉第屏蔽的作用以提供二级防雷”。不过Canpenter 和Auer(1995)并不支持这些人以定量论点对DAS 工作原理的说明。在一篇与Canpenter 和Auer 文章一起的评述中Zipse指示了树林及草叶也产生电晕放电,它们还常常超过消散阵列,然而它们并没明显地有阻止闪电的作用。关于这一观点,很早就被Zeleny(1934)及Golde(1977)指出过。
   Zeleny(1934)观测到“在瑞士一次雷暴中,一整块森林顶端见到闪耀的光辉,它们重复多次并逐渐变强直到被雷击中。”Ette和Utah(1973),报导了比较高度差不多相同的金属尖端和棕榈树的平均电晕电流值是类似的(见后)。有趣的是,Zipse(2001)说Zipse(1994)原先的结论是“错”的,并称树木的电晕不能产生像CTS那样多的电荷。 Zipse(2001)还说LES可能不会消雷,在这种情况下,它就成了一个常规防雷装置了。
   现在我们来估计一下电晕所产生的电荷以及在典型的闪电放电之间电荷云再生时间(10s量级)(按Chanzy和Soula,1987)内,这些电荷可移动多少距离。在没有下行梯级先导时,带电荷的轻离子和吸附在消散阵列尖端附近湿空气中形成的较重的空气微粒离子均在1)云电荷、其他空间电荷及地面和接地物体上电荷的电场及2)风的作用下移动。雷暴云下地面附近的典型电场值很少超过10kV/m,不过在100m高度以上可达50 kV/m。(Chanzy 等1991;Soula和Chanzy 1991)。大气轻离子的迁移率在10~50 kV/m 的电场中是1~3×10-4m2V-1s-1(Chanzy 和Rennela 1985;Chanzy和Soula 1999)。较重的离子则要慢两个量级。因此,在DAS场强增强区以上,上移轻离子速度可达15ms-1。水平风速在雷暴时,有每秒几米是常事。这样由电晕电荷形成的轻离子还会水平移动。如果DAS 可发射出足够的电荷,那么在阵列附近的局部电场会因此变小,而距相当于阵列大小尺度这么距离的地方的电场会增强,这一效应的大小取决于电晕电流及风的大小。电晕产生的电荷屏蔽了阵列而减少了产生电晕放电的电场,所以电晕电流有一自我抑制作用。
   大多数云地闪的源是云中的负电荷,在温带云中,它们大约处于5km高处,并有几十库仑左右的电荷。在10秒钟的云电荷再生期,阵列发射出的电荷垂直移动了最多150m,如果此时有5m的电荷左右的水平风,它水平移动了50m左右。垂直气流也会有作用(Chalmers,1967,239~262)。离子移出阵列后,它们的屏蔽作用也随之减弱。此时,阵列处电场又会增强。电晕在一慢变化雷云电场中,对引发上行闪电先导的作用曾在理论上被Aleksandrov等人(2001)研究过。不过,他们并没考虑一个实际上十分重要(从防雷角度看)的情况,即下行先导临近时的上行先导的引发。如果一个迫近的下行梯级先导产生的快速度变化电场克服了接地物处电晕空间电荷云的屏蔽作用,那么最后的上行连接先导就会从空间电荷云中逃出并拦截住下行先导,这种情况已在前面常规装置中讨论过。按照CTS支持者提交给IEEE的标准草案(IEEE P1576/D2.01 2001),一个12尖端阵列在雷暴下可产生700μA的电晕电流。Zipse(2001)则报告了在四组三尖端针装在20m 杆上可产生500μA,显然这是在杆近处没闪电时的情况。不清楚是谁及是如何作的这些测量。更重要是的,这些值是平均值还是峰值也不清楚。事实上,从大量尖端上产生的电晕电流取决于这些尖端的间距,因为每个尖端产生的电晕会使其邻近的尖端上的电场变小,而减少其电晕放电(见Chalmers,1967,237~262)。因此,许多紧靠着的尖端并不必然地比几根相距较远的尖端产生更多的电晕电流。Ette和Utah(1973),在可能是迄今为止最佳的雷暴下接地物电晕电流的研究中,发现10m高金属尖端的平均电晕电流是0.5μA,而13m 和18m 高的棕榈树则产生1~2μA的电流。IEEE P1576/D2.01(2001)声称,适宜的阵列设计应有足够多的电晕尖端,使得阵列可产生与梯级先导一样多的电荷,即在10s内5C。这10s即是上面一节中提到的云电荷再生时间。例如,即使假定一个如IEEE P1576/D2.01(2001)所称的并没合适实验验证的一个10尖端阵可产生约1mA电流,那么在10s 内也有10-2C电荷被流入大气中。要在10s产生5C电荷,需要5000个相互间隔较大的尖端。而按Zipse(2001),一个典型的阵列有4000个尖端,不过它们一般均紧靠在一起。
   在文献中,尚没资料说明测量电晕的结果可向大阵列外推,并且也没有任何证明,可说明一个任何实用尺寸的阵列可在10s内产生几库仑电荷。
   Golde(1977)曾建议过,装在高建筑物(一般为高塔)上的DAS将阻止其上行闪电的产生(这种闪电始于建筑物并传向云层的上行先导)。DAS的作用是把原先可能的高建筑物顶上的尖状结构,被弄得不那么尖了。尽管这种建议并不是不合理的,但还没有实际的东西来支持他。上行闪电会从高100m左右(平坦地形)及以上的建筑物上发生,而大多数与高300m及以上的物体有关的闪电是上行闪电(Eriksson 1978,Rakov 和Lutz 1988),按此,DAS 会无意中减少上行雷的出现概率,对非常高的塔所发生的闪击多半是这种上行雷。上行闪击包含有初始的连续电流和常包含有与正常云地闪电相似的后续雷击(见Uman 1987;Rakov2001),这就对电子器件有潜在危险。重要的是要注意到对电子器件的危害可以用所谓电涌保护来阻止或变小,这与建筑防雷不是一回事。本文只讨论结构建筑防雷。塔顶电场减少可由上面讨论过的有效曲率半径的变大来达到。其实,不需要用释放空间电荷来提供屏蔽,也并不需要消散掉云电荷。Golde(1977)的观点为Mousa(1998)所展开,他提出上行闪击的被抑制对于300m以上高塔防雷特别有效,而DAS对小建筑物像变电站和输电线塔的受击频率没任何作用。
   Mousa(1998)曾对声称运用多尖端产生的电晕放电的DAS进行过研究。Mousa(1998)给出了五个不同厂商生产的六个消散器的图。其中之一,伞形消散器,曾经被Bent和
   Llewellyn(1997)描述过,是一个用约300m带刺金属线螺旋状缠在一6m直径的伞框上。沿线,每隔7cm有4个相差90°的2cm长的刺。这种消散器,装在了Florida的Merritt岛上一30.5m高塔上。
   Mousa(1998)还叙述了一种球状消散器、一个电力线的带刺屏蔽金属线、一个锥状带刺金属线阵、一个柱状消散器、一个板状消散器(如钉板)和一个圈状消散器。Mousa(1998)还描述了厂商及安装者应用的加强型接地过程(也见Zipse 2001)。主要的厂商(见Carpenter 和Auer 1995)一般用一环绕建筑物的接地环(图3中地电流收集器),沿环每间隔10m埋设一根1m长的接地棒。在导电土壤中,该厂商用自行设计的化学接地棒,即在中空铜管中塞满了化学材料以溶入土壤并增加土壤电导率。除了建筑物的防雷外,同一厂商强烈地推荐在敏感的电子电路上装SPD,当然是在安装了DAS后再追加的。
   Carpenter(1977)列举了许多用户说装了他制造的装置(大概包括DAS和SPD)后雷害中止了。然而,如Mousa指出的那样,大多数DAS原则上可以提供常规防雷(也见Zipse 2001);就是说,它们可以拦截雷击,并把其电流DAS自身无害地引入大地;如果DAS(起接闪器的作用足够)复盖建筑物,亦可保护该建筑物。进而在建筑物范围内的电子电路因为SPD的安装及良好的接地而排除或减少危害,而这种外加的防护效应都是和消雷部件丝毫不相干的。
   现在我们总结一下观测到的雷击DAS的记录。
   1988和1989年FAA(美国航空管理局)对于DAS和常规防雷装置作了性能试验,地点在三个Florida机场(FAA1990)。可见,在1989.8.27日装在Tompa国际机场中心塔的伞状消散器遭了雷击。Carpenter和Auer(1995)曾经质疑这个FAA(1990)的发现,而Mousa(1998)评论过这个厂商抑制FAA(1990)的企图。Durrett(1977),Bent和Llewellyn(1977)和Rourke(1994)给出过其他一些DAS受击情况。前两篇参考文献各自描述击中Florida肯尼迪航天中心和Eglin空军基地受DAS保护的指挥塔的情况。Rourke(1994)讨论了击中一核发电厂的闪电。在安装DAS以前,这个厂在1988和1989年的两年中遭雷击三次。在安装了以后,在1991和1992年的两年中这个厂又遭了三次雷击。Rourke(1994)指出“没任何证据说明在闪电发生前DAS能靠消散电荷来保护建筑物”。
   Kuwabara 等人(1998)报告了他们对DAS的研究结果。1994年夏季在日本一建筑物顶上两通讯塔上装了DAS。由于在日本大楼建筑条件所限,使安装没安全按厂商要求做。在1991冬到1994年冬没装DAS期间,和在1995年冬到1996年冬已装了DAS期间对于塔上受雷击电流波形作了测量。
   此外,在DAS装后的1997.12到1998.1间照相记录到6次直接雷击。在安装DAS之前的3年中记到26次闪电电流波形,而其后记到16次。它们的峰流从统计上并没什么差别。电流峰值的值在1~100kA间。Kuwabara等人(1998)认为1994年夏季在装了DAS并在改善接地和改善了电涌保护后,由直接雷造成的通讯系统不正常工作再没出现过,而此前常发生这种故障。既然,DAS的存在既没有阻止雷击也没改变雷电流特征,实际上是靠了改善电涌保护及接地才消除了设备受损。
4 、提前流光发射(ESE)的一般信息及理论
   一个接闪器如能产生一较长的上行连接先导,那么其吸引效应就会被加强(见:Rakov和Lutz 1990);先导越长,加强作用越大。ESE是一种类似于常规防雷装置的装置,不过,按照其支持者的说法,可比常规防雷装置在同一处同一安装高度时,要提前一点发射出与正在下行的梯级先导相连的上行先导。这个提前一点引发的上行连接先导被认为可以推进更长的距离。其结果就可提供一个比同高度常规防雷装置更大的保护范围。如果确实如此的话,单个ESE接闪器就可替换掉许多常规接闪器,这也正是ESE支持者所主要宣称的内容。如果没这一点ESE装置就与一般防雷装置一样了。
   现有好几种ESE装置。但它们都称经过特殊设计的这种ESE接闪器可以在其附近产生更强的电离,它们既可以是用放射源,用一特殊安置的无源电子线路和在梯级下行先导临近时产生的高电场中提供一小气隙击穿的电极对,或用一人工电源在接闪器上加一附加电压来产生电离。其中第一个出现的ESE装置叫做放射性杆,即杆上有放射性材料,不过在它当时投入市场时还没被称为ESE这名词。
   按Baatz(1972),在1914年一个叫L.szillard的匈牙利物理学家首先提出了这么个问题,即避雷针的吸引作用是否可因加上一放射源而被加大呢。
   在室内外作的不同测试都说明在雷暴条件下,放射性杆与同高度一般避雷针的作用没什么两样(见Müller-Hille-brand 1962b;Baatz 1972)。Heary等人(1989)出版了一些实验室的实验结果,意思是说明放射性杆比常规杆好,但附在一起的对这篇文章所作的讨论中,五个研究人员(G.Carraca,I.S.Grant,A.C.Liew,C.Menemanlis 和A.M.Mousa)用了同一实验结果,却提出了相反的看法。Mackerras等人(1987)给出了在新加坡用放射性防雷装置失败的例子,在他们的研究期间已有100多个此类装置投入运行。Golde(1977)则引用梵蒂冈 Bernini Colonnade教堂顶在1976年3月6日雷击时被击毁的例子。而距其约150m处已装有一22m高的用以防护它的放射性避雷针。
   承担了NFPA(美国防火协会)的任务,van Brunt等人(1995,亦见van Brunt 等人2000)及Bryan等人(1999)对涉及ESE文献作了调研,他们的工作为独立的调查,目的是看看:NFPA有没有必要如对常规防雷装置已有的NFPA 780一样对ESE装置也定出一美国国家标准。
   在这些调研的基础上,NFPA得出的结论是,“说ESE装置比常规装置提供增强的防护”是没根据的,因此NFPA就没必要对ESE装置发布一个标准了。不过由于用ESE装置对建筑物防雷已有实验室内确证所以现今法国标准(1995)和西班牙标准(1996)。对于这类实验室确证,可以非常明白地指出实验室内火花放电的实验结果是不能延伸到自然雷电这种情况的。例如,在自然雷电中一次梯级先导的长度是几十米,它远比实验室中有的火花间隙长,这种间隙也就是几米。而法国标准(1995)所用的测试间隙不小于2m,且接闪器长是0.25~0.5倍气隙长度。人们恐怕是不可能在一2 m的实验室间隙中适当地模拟出自然雷电的连接过程的。
   另外,还可举一个例子,在自然雷电中下移负先导从云中下来后可以伸展几公里长,而从地面或从高出地面的物体产生的正连接先导要短得多,也就几十到几百米。而在实验室想要模拟雷击接地物体的放电研究中,正先导总比负的要长得多。
   ESE支持者们说ESE接闪针发出的向上正连接先导要比常规接闪针早Δt。这向上的正先导在于与通常云地闪击产生的向下梯级负光导会合。他们并提出这个提前发射出的先导是在较常规接闪针发射先导所需更小的电场时产生的。进一步,他们还把这个Δt转换为一长度ΔL的增加值,即:
             ΔL=νΔt   (ν是上行连接先导的速度)
   ESE支持者假定这个ν在106ms-1(见French Standard法国标准1995)。这个值的确定是随意的,由下面的讨论可知它并没实验资料来支持。对上行正先导速度的仅有的一些测量可见McEachron(1939),Berger 和Vogelsanger(1966,1969)以及Yokorama等人(1990)。
   MacEachron(1939)报导了帝国大厦顶上测得的正上行先导速度为5.2×104~6.4×105ms-1,其先导每级的长度为6.2~23m。Berger 和Vogelsanger(1966,1969)对于7次上行正先导测到的速度为4×104到约106ms-1之间,先导的每一梯级长度4~40m。
   另外,其中4个的值为4-7.5×104ms-1。并且在塔顶上空40~110m处其梯级长度为4~8m间,这个高度预期发生下行与上行先导间的连接。Yokoyama等人(1990)对3种情况测量了上行先导的速度为0.8~2.7×105ms-1。他们给出了一些图片,可以明显地看到上、下行先导呈梯级形式。Yokoyama等人(1990)报告了他们测定其速度的上行连接先导,在其与下行梯级先导连接时的长度在几十到100多米间。他们所作的测量显然是迄今为止仅有的一些实际上真正与云下下行先导相连的上行连接先导速度的测得值,即与上行闪电的上行入云正先导情况不同, Yokoyama等人(1990)测的才是实际的上行连接先导的速度。有趣的是,在实验室中测得的上行正连接先导的速度典型值是104ms-1,要比自然雷电测到的小一个量级,或比ESE 支持者假定的106ms -1要小两个量级(见Berger 1992)。
   Yokoyama等人(1990)还报导了单个先梯级形成的速度,有时ESE的支持者引出这个不相干的测量结果来支持他们随意定的106ms-1 平均上行先导速度。
   Mackerras等人(1997)和Chalmers等人(1999)批评过ESE技术。这两篇文章都提到了一个重要的问题,即如果ESE杆确实比常规杆提前发射出了上行连接先导,也就是说在一较小的电场中被引发了,那么它们是否也能在这较小的电场中传播下去呢。按Mackerras 等人(1997),一旦上行连接先导传播到远离接闪器的空间中,它的继续传播取决于先导头部附近空间电场的能量和将经受击穿的介质的特性。接闪器对这两者均无作用。用了这一论点和几何学的论点,Mackerras等人(1997)得出的结论是“从接闪器产生提前流光发射并不会对其拦截闪电性能产生明显改进”。
   对于ESE支持者说来,必定要给出一任意假定值ν=106ms-1,而使一个Δt约为100μs使从ESE杆发出的向上连接光导比从常规杆发出的长ΔL=100m如果ν=105ms-1,这个值是与现有的实测值一致,那么ΔL只有10m了,这在大多数实际情况下没什么明显效果。
   在支持ESE技术的叙述中,Eybert-Berard等人描述对ESE 商用装置作的两次人工引雷试验被提到过。这个装置的接闪器尖端上有几个火花隙确定在足够高的电场作用下起过作用。在Florida作的第一次实验指示出在一次人工引雷击地前85μs,ESE杆上有维持了2μs 的0.8A峰值电流,击地点离ESE 多远没给出(Eybert-Berard 等人1998)。 ESE 杆没被击中。在这小脉冲后也没伴随有明显的电流流过,这说明这个电流并没伴有上行先导。因此,这个实验与证实ESE装置的作用没什么关系。第二次人工引雷是在法国做的,在同一文章中给出了它的结果,说的是在ESE杆附近进行人工引雷及远处有一常规针。ESE杆是一次先导回击过程的连接点,原因是它放得比常规针更靠近火箭发射器。遗憾的是,没有把ESE 与常规接闪器交换位置做一下,看是否总是靠近的那个,不管是ESE 还是常规针受击,还是一个远离发射器的ESE 杆可与靠近发射器的常规针相竞争。
   因此,事实上,无论在自然雷电或人工引雷实验条件下,并没有支持所推荐的ESE技术结果,相反地,自然雷电研究已经说明ESE 装置并不像其支持者所声称的那样。Moure等人(2000a,b)报告了在New Mexico的一个山顶上他们的研究说明ESE 杆并不比常规针优越。事实上,他们发现在7年的观测中,ESE 杆和较尖的常规针没被雷击过,而12个钝头常规针(直径12.7 到25.4mm)却被击中过。Hartono 和Robiah(1995,1999 文稿提交给了NFPA,此后称HR99;和Hartono 和Robiah2000)指出了在马来西亚的研究中在ESE装置所声称的保护范围内建筑物有过雷害。这些文章中包含有超过两打受害前后的照片,它们对这种ESE装置失败给出了直接证据。有趣的是,Hartono及Robiah(1995)的研究指出了对用常规装置保护的建筑物有相似的雷害。 Hartono 及Robiah(1995,2000,及HR99)得出的结论是ESE装置并没比常规防雷装置好。
   在此,我们不讨论ESE技术的实验室结果,因为我们并不相信实验室的火花可以用来适宜地模拟自然雷电的连接过程。这一点我们在前面已讲述了。
5 、总 结
   从对有常规防雷装置和没设防的建筑物的雷害统计中,已证明了前者的有效性。
   在设计中常用的滚球法是比较粗略的,原因部分是我们对连接过程了解不够。但这种方法是工程上一种确定接闪器数目和位置的有用工具。LES不能阻止雷云产生闪电,也不像是可以挡开已逼近的雷击。并且,这种装置也确实受到过雷击,此时它实际就是一个常规防雷装置。一个全面的LES,往往包括建筑和电涌保护这两部分部件,后者看来是改善了被保护物的防雷性能。
   ESE接闪器没有能比同高度接了地的常规接闪器保护更大空间区域的实验证据(可吸引更远的闪电的能力)。对于支持ESE装置来说,需要一向上连接光导速度ν=106ms-1以得到100m的长度优先,以证明ESE 技术优于常规防雷方法。而测到的典型上行正先导的速度是105ms-1,与上述声称不符。说ESE 装置比常规接闪装置好没什么根据,这么一来,一个合适的设计,也就在使用接闪器的数量上,对ESE 和常规装置的要求是相当的。
 
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