“使感应电荷消失”的一种避雷新思路

【作者】庄洪春  【来源】庄洪春

“使感应电荷消失”的一种避雷新思路

庄洪春

（中国科学院空间科学与应用研究中心，北京，100080）

摘要雷击是雷暴云电荷与地面物体上感应电荷间的电击穿现象。地面上的绝缘体上没有感应电荷，因此不会遭雷击。金属导体是感应电荷的载体，易遭雷击。若能使地面导体上的感应电荷消失，则雷击就不会落到这个地面导体上。这将成为一种新的避雷思路。

关键词避雷感应电荷

1.引言

雷击是空气中的电击穿，电场强度是空气能否击穿的主要或唯一量度。因此雷击危险性大小用电场强度的数值来表征。起始于地面物体的上行先导或下行先导到达雷击高度后地面物体的上迎先导都是起始于那些电场强度最强，首先达到击穿空气的数值的物体表面。导体表面电场强度正比于导体表面的面电荷密度，因此表面电荷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降至零，从而可以成为一种避雷的新思路。

2. 避雷针的思路

避雷针是有较好接地的针形导体。针尖处空气表面电场强度最强，首先达到击穿空气的数值，因此首先产生上行先导或上迎先导，也就首先遭到雷击。这就是避雷针把雷引到自身从而保护建筑物的思路。
避雷针尖端处电场强度最强，是与“尖端放电”的原理一样的现象。大家都知道，即使在逐渐加高的直流高压作用下，尖端放电也是间歇性的，而不是连续的[1]。其原因是一经放电，空气中就形成电离，产生正负带电粒子，这些带电粒子在电场作用之下极化，起到削弱电场的作用，使总电场强度下降，降到空气击穿阈值以下，则放电停止；要等到带电粒子散开，总电场回升到空气击穿阈值以上，就又开始放电。这两种相反因素的作用结果就使得尖端放电成为间歇放电。只有当放电因素绝对压倒抑制放电因素时，击穿才会实现。避雷针尖端存在临界半径也是同样的道理[ 2]。

3. 用电流来中和感应电荷的原理

本文所述避雷技术是使感应电荷消失的技术。电荷是由带电粒子携带的。带电粒子受电场的作用运动。因此，分析电场分布，追踪带电粒子的运动情况，说明感应电荷消失的过程就是从微观上说明本文的避雷思路，不失普遍性。可以用一个特定形状导体中的带电粒子运动的例子来做摸拟计算，见图1。

如图1所示线路：大电阻R和小电阻r串联后接到电池上。在导线和电阻上都会有电荷。所有电荷在空间、导线和电阻上都产生一定的电位。电路知识告诉我们线路上各处的电位。因此从线路各处的电位可以反过来求出电荷。我们把线路分成多段，每一段可看成直线段，长度为2a，均匀地带点，线电荷密度为λ（见图2），则该段直线段空间任一点的电位为[3]：

i=1,2,…n,我们有n个方程，每个方程都是φi关于λi的线性方程。其系数只与线路尺寸和几何位置有关，当线路的尺寸和几何位置一经确定，则系数都是常数。

我们由电路理论，可以很容易地算出线路各处的电位φi 。因为电路理论只用电压概念，零电位可以任意确定。而电荷则是明确的数，没有相对任意性。因此当我们用φi反算线路各处电荷λi时必须先解决φ的任意性，即明确φ＝0的参考点。为了首先定性地得到一个判断，我们先只考虑φi表达式（4）中的主项,由式（2）可知：φi∝λi（5）

电池的作用是使正负电荷极化，使正电极上堆满正电荷，而负电极上堆满负电荷，因此λ1为正电荷密度极大，而λn为负电荷密度极大。因此φ的零点，即λi=0的段应该在电路的

E/2处，这里E是电池电压。

4. 宏观角度

从宏观角度，我们用等效电路法，仍从一个例子说明计算思路。图1的电路可用图3所示的等效电路做分析。电阻R用一串电阻电容来代表，电阻为Ri,电容为Ci。i=1,2,…N。电阻r也可用一串电阻rj 和电容cj来代表j=1,2,…,n。一般任何分布参数电路，都可用电阻、电容和电感的不同组合来模拟。这里，因为用直流电源，所以不加电感。

对于每一个R//C单元,电源电压V产生的电流I:

图3

与a2视为第二个导电体，…,这样整个线路就由N+n+1个导电体组成。利用部分电容的概念[4]，令分割成编号相邻电导电体间电压为1，即ΔU=1,则：

qk=Ck1Uk1+Ck2Uk2+…+CkoUko+…+CknUkn=-(k-1)Ck1-(k-2)Ck2-…

-Ck(k-1)+CkoUko+Ck(k+1)+2Ck(k+2)+…+(n-k)Ckn;（7）

其中Ck1为第一个导电体对第k个导电体的部分电容，Ck2，…，Ckn的含义相似。Uk1为第一个导电体对第k个导电体的电位差，Uk2，…，Ukn的含义相似。而Cko是第k个导体相对于参考零电位“地”间的电容，Uko是第k个导体相对于参考零电位的差。

再由互易性原理有Cij=Cji，故有：

5.场的角度

导体表面上的电荷在周围必然产生电场。电流的存在表明有沿导体表面的电场分量Et,见图4。导体外法向电场分量En正比于表面面电荷密度En∝б,而外切线方向电场强度Et正比于沿导体的电位梯度，即

Et∝▽Φ∝▽б

所以

б∝Φ

与前面分析一样，可以解决电位Φ中的任意常数，为使正电极处б为正极性，而电池负电极处б为负极性，Φ=0的位置应在电池电压E的一半E/2处。

6．实验测量

我们用图5装置做了几种情况的测量。R=680KΩ,r=22KΩ,电池220伏。

⑴开关K1和K2都断开，上板A不接电。

测量电路各处，即D、R、E、r、F、G处的表面电荷密度。看到从电池正电极处开始沿线路测量，正电荷从最大单调减小，降到R中点附近，表面电荷密度降为零，然后成负，而且表面负电荷密度单调增大，直到电池负极处为负极大。

⑵开关K1接通，K2断开，上板A不接电。

仍如⑴那样沿电路表面从D、R、E、r、F测到G。看到测量结果与⑴完全相同，不因接地而改变。

⑶开关K1和K2都接通，上级板A不接电

由于开关K2使D和E间短路，电池电压直接接到r上，所以电流急增，但测量E处的表面电荷，不再是负，而是与D处密度相同的正电荷，在r中间处表面电荷密度为零。可以看到，表面电荷密度不取决于电流大小，而取决于电压。

⑷开关K1和K2都合上，上板A接正高压VA伏.

测量E处表面电荷,数据见表1，表中E为电池电压。表面电荷密度是用美国制的9000型感应式电场仪测量。表中数据即为该电场仪读数，单位为kV/inch,相当于面电荷密度

表1第一行测量数据是没有加电流，只是上板直流高压造成的感应电荷，与高压成正比。当加了电池没有加高压时，E处表面电荷密度为0.4，这是电流在E处造成的表面电荷密度，加上上板高压后，感应电荷被电流电荷对消了部分。

7.使感应电荷消失的时间和极性问题

下行先导由云向地面物体接近的过程是μs量级的快速跳跃形式。为了达到避雷的目的，必须用相反极性的电荷非常及时地中和感应电荷，并要使这种中和维持到雷击危险性消失为止。为此，用一金属球安置在与被保护物同样的雷电环境中，用球的感应电荷信号来控制中和电荷的产生。使得感应电荷的中和完全及时到位，并确保极性正确。另外用慢放电措施确保这种中和维持足够的时间。

8.结语

本文从微观、宏观、场和实验的角度一致地证明了电流在导体表面上产生的表面电荷有如下的性能特点：

1．电流流经导体时，使导体表面积聚电荷。导体表面的电荷密度与那里的电位成正比例，而与电流没有直接关系。电流只有通过电位才与表面电荷密度联系起来。

2．电流在导体上散布的电荷与是否接地无关，与接地点位置也无关。

3．由于电荷与电流无直接关系，因此可以加大电阻降低电流而仍保持同样的表面电荷。

4．当电源或充上电的电容器两端不连接成回路时，两个开路端连线上也存在电荷。但当一端接地时，接地端电荷即消失。

5．电荷迭加原理保证了用电流产生的表面电荷，可以中和掉部分或全部感应电荷，从而起到减少或免除遭雷击的可能性。

[作者简介]庄洪春 1941年生，1964年毕业于中国科技大学应用地球物理系，1967年中国科学院应用地球物理所空间物理专业研究生毕业。研究员，博士生导师。国际宇航科学院院士，中国国际人才开发中心高科技专家委员会副总裁，中科院电工研究所高级顾问。主要从事空间电学研究。近年来，申请了多项发明专利，已经取得成果,正在实施产业化。

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