引雷型消雷针在森林防火中的应用
一、概述
森林火灾是一种突发性强、处置困难、危害性大的自然灾害。特别是在全球气候变化异常的情况下,森林火灾有更加严重的趋向,统计数字表明,雷击是引起森林火灾的一个重大自然因素之一,夏季天气高温干旱、树木干燥，是雷击引起火灾的高发期,为此预防和消除雷击引起的森林火灾是一个具有重大意义的技术项目。
二、森林火灾雷击的成因
积雨云、高温和干燥这三个条件，就是雷暴引发森林火灾的基本条件, 当积雨云层在森林上空时,云层电荷产生雷云电场,雷云电场以光速作用于空间大地上的森林,使森林中的树木表面产生感应电荷,这个感应电荷是由树木本身的自由电荷移动的结果,感应电荷产生的感应势能对雷云电荷的势能相互吸引,当某一树木表面的感应场强达到一定强度时,积雨云的作用场强和树木的感应场强就可能发生接闪（地闪），在该处的直接雷击的击闪火星就可能点燃周边的干燥树木,引发森林火灾,森林火灾的防治措施就是从雷击根源上解决雷击起火的存在隐患。
三、森林雷击起火的基本保护措施分析
根据雷击起火的过程,森林雷击火灾的防治有以下基本的措施设想:
1、消除积雨云。
积雨云所带的电荷是产生雷击地闪的能量根源,消除了积雨云,就消除了雷云中的电荷,但雷雨云是一种随机的自然形成的,下雨是一种自然的消除方式,在现有的条件下要实施一种人为的办法消除积雨云是不可能的,因此这个方式在现有的技术条件下是不能实施的;
2、用定向指向的方式,把雷击闪电引导到我们设定的安全位置上，从而消除森林的雷击火灾；
既然积雨云是一种很难用人工的方式消除的，那么积雨云和森林的地闪就不可避免，如能够用一种人为的方法，把积雨云的闪电从森林中引开，把积雨云中的闪电指向我们设定的安全地点，也是一种很好的措施，要实现这一措施，有最大的定向引雷能力是这一措施可靠性的关键。
四、雷云作用空间物体（保护措施）引雷能力的机理
以金属物体为例，在雷云作用空间的金属物体的引雷能力，决定于金属表面的电荷密度和电势的强度，这个金属物体引雷的先导感应势能W:
W=1/2∫σψdS
－σdS表示金属表面电荷的密度
ψ表示金属表面电荷的电势
从上式可看出，金属物体引雷的先导感应势能W正比于金属表面电荷的密度和金属表面电荷的电势。
当今防雷界普遍公认的金属表面的电荷来源是上行先导所带的电荷：
“从地面建筑物或者物体产生了一个上行的先导。此上行先导向上传播一直到与下行先导会合。此时，闪电电流便流过所形成的通道。地面上的其他建筑物可能会形成好几个上行先导。与下行先导会合的第一个上行先导决定了闪电电击的地点。
这里所指的上行先导是一种上行的电荷,有的资料说明中直接指出, 上行先导是从大地中感应的,被雷云电场作用而上行的,通过避雷针系统输送的,上行先导把大地中产生的异性电荷源源不断的输送到避雷针的接闪体上,中和雷云电荷。”
此直接雷击的引雷原理错误的根本原因在于把雷云作用空间的电场的速度和被雷云电场作用的物体内的定向移动的自由电子的速度混为一谈,实际上雷电场作用的速度为光速,而被雷电场作用的金属物体中定向移动的单个电子的速度仅为0.000006米/秒。
在金属物体中运动的电荷只有一种,那就是避雷针系统本身的自由电子,根本不存在从“大地中产生的异性电荷源源不断的输送到避雷针的接闪体上的中和电荷”。
同理，处在积雨云作用空间中的森林中的所有树木，其引雷的电荷也是产生于这些森林中的树木内表面电荷的移动，在这些树木中移动的电荷会比金属物体复杂些，但移动的速度是相近的，在积雨云电场的极短作用时间里，到达树木表面的感应电荷是树木表面本身移动的电荷产生的。
从雷云空间中的物体的引雷机理上，我们可以看出，空间物体的引雷能力决定于空间物体本身，即空间物体表面的电荷密度和有效的表面积，以及感应电荷相对于大地无限远处的电势强度。
五、全金属针尖式避雷针的保护缺点
避雷针的保护可靠性的前提是要有可靠的吸引雷云先导电场的引雷能力,把被保护物体周围的雷云先导电场吸引到接闪体上,才能保证被保护物体的安全。
而这种针尖式的避雷针只有正向的最小的引雷能力,而没有侧向的引雷能力。
黄岛油库的雷击实实在在的说明了这种针尖式避雷针的技术缺陷。
因此这种针尖式的全金属避雷针在森林系统中应用，很难发挥主动的引雷指向能力。
而且这种避雷针系统的电阻很小，在应用中要求良好接地，很容易发生直接雷击的大电流的击闪，而这个击闪产生的火花会加大森林火灾的概略。
六、一般改进型削雷针的缺点
避雷针发展到今天，世界上已经有了很多改进型的避雷针。有的避雷针已不是针状，而象鸡毛掸子。这种避雷针,中心是一根管子，其顶端引出2000条细细的导线，这些导线呈辐射状分布。这种方式可以更好地驱散聚集在建筑物周围的静电荷。这种设计在我国称它为多短针削雷器。
这些改进型的多针削雷器,其设计的目的是为了提高接闪器的引雷效果,用多短针的形式代替单长针,用更多的针尖产生更强力的电场力,从而减少侧击和绕击的事故。
但实际上这种改进的思路还是没有理解避雷针在雷云空间电场中的作用特点,还是认为产生感应场强的针尖处的电荷来自于上行先导的电荷,没有考虑到产生感应场强的电荷就来自于正对雷云电场的接闪体的表面本身,这些斜的多针,在正对电场力的方向会产生跟雷云相吸的异性电荷,但在这些多针正对电场的另一面,会产生和雷云相同的电荷,在多针内部这些电荷会互相抵消感应的场强,这种方式的多针接闪体并不具有最佳的引雷效果,可能还不如一些引雷结构比较合理的单针避雷器。
那种予放电的形式的保护机理,也是误解了电场的速度和接闪体内电子定向移动速度的概念。其机理是错误的,也就没有实际的效果。
这种类型的避雷针,有的在接闪体和引下线之间串联用于削弱雷电流的感性元件和大功率电阻元件,但这种元件设置的机理还是没有脱离雷电“泄放理论”的束缚,认为采用这种多级阻抗限流的改进技术，通过改变雷电的放电过程，使雷电波头平缓、幅值降低，有效地抑制、削弱地电位反击和二次雷击效应造成的危害。而没有从雷电“消耗”的特性上去采取根本性的解决方案。
实际使用也证明,其体现的使用缺点跟金属引雷型避雷针没有本质的区别，把其设置在广茂的森林中，其引雷的作用是十分有限的。
七、其它电子式消雷针的缺点
这种电子消雷针，最典型的有等离子避雷器，其作用是利用电子避雷针的电荷极性检测功能，检测带电云层的带电的极性，产生相同极性的电荷，覆盖在电子避雷器的接闪层面，从而消除雷击的可能,从有关技术介绍的说明有二种消雷器产品,一种是金属极板式,另一种是气动覆盖式。
极板式消雷器理论依据是同性电荷电场相斥,让物体表面人为的带上一层和雷云电荷相同的电荷,消除雷击的可能;所采取的具体技术方案是在物体的表面覆盖一层金属极板,金属极板和电源的极性变换器相连,利用电子连动功能,让极板上表面带和雷云相同的电荷。实际上,金属极板是不带电子的中性物体,要让金属表面带电荷就要求在正对金属表面的上方有相应的电场力,没有这个电场力就没有相应的电荷移动到表面;电路回路中的电流是电路中的物体的自由电子在电场力作用下全部定向移动,电路的整体是中性的,在技术上不可能在金属极板上人为建立这个和雷云电场相反的电场,这种利用电容极板的原理是不能在极板表面带上和雷云相同的电荷的。
另一种气动式消雷器的理论也是同性电荷电场相斥,让物体表面人为的带上一层和雷云电荷相同的电荷,抵消雷击电场的作用;所采取的具体技术措施是利用气动的方式,吹动被高压电极电离的离子,把和雷云相同的带电离子吹到设置在被保护物上方的球型消雷器的上方内壁上,这种气动方式反应的速度是跟不上雷电场的速度的。
在此假定电子消雷器保护原理是正确的，在不考虑本身安全可靠性的基础上,这种防雷方法没有雷电流流经削雷器，和雷云之间是相排斥的，因此很容易发生绕击的事故隐患，仅是适合对小范围的单个物体的保护，根本不能在广阔保护范围的森林雷击防火的应用要求上。
八、引雷型消雷针的技术可靠性原理
引雷型消雷针的技术关键在于解决接闪体正对雷云电场的有效面积,使接闪体具有一种最大的正向和側向有效表面积的结构，接闪体在雷云垂直矢量场的作用下,在表面产生最大的感应电荷,这个感应电荷在表面产生垂直于表面的感应场强,从而使接闪体具有最大的感应场强,同时兼顾正向和側向的有效表面积,从而使接闪体具有最大的正向和側向保护范围和引雷的能力。
这种避雷针接闪体的有益效果在于：
具有侧向和正向的最大有效表面积,在表面上产生最大的感应电荷,这个感应电荷产生的感应场强具有最大的引雷能力,把带电雷云先导电场吸引在接闪体上的做法，克服了单针针尖式接闪体最小引雷能力的缺点,克服了圆球型接闪体自身消弱感应强度的缺点,克服了多针针尖式接闪体感应场强紊乱、引雷能力更差的缺点,减少了接闪体绕击的安全隐患，扩大了保护的范围，适用范围广,保护可靠性高。
引雷型削雷针的技术关键还在于在最大引雷能力的基础上，在接闪体下部串接耗雷体，把绝大部分的感应雷电能量采用高电势、小电流的消耗方式，消耗在消雷针的耗雷体上。
这种消雷针耗雷体的有效效果在于：
通过消雷针内部系统设置的强大功率的耗雷体，把接闪体上感应的大范围的感应势能通过耗雷体本身消耗，从而实现小电流的消耗能量的目的。
其所采取的措施在技术上存在如下优点：
1、 有比全金属避雷针更大的保护范围；
2、 地跨步电压小；安全性高
3、 消除直接雷击的可能；
4、 无雷声和击闪电弧的火星；
5、 可根据安装位置的土壤结构简单接地；
6、 不影响环境；
引雷型消雷针是一种全新的适合森林系统雷击火灾场合使用的直接雷击保护措施。根据使用的场合合理设置这种消雷针就可以在我们需要保护的森林中根治雷击火灾的事故发生。
九、引雷型消雷针在森林防火的具体实施方案
下面对本引雷型消雷针在森林防火中的应用作进一步的说明。
一种三凌锥的引雷型消雷针，这种结构的消雷针根据地势环境的要求设置在要保护的森林中，一般设置在山顶和山梁上，三凌锥结构的接闪体具有同时兼顾側向(四側)和正向的有效表面积,根据要保护的范围设定三凌锥接闪体的表面积，雷云矢量场垂直于表面积的分量作用于接闪体,使表面积内的自由电子定向移动,在表面产生感应电荷,感应电荷产生的感应场强,吸引接闪体上方或側向的雷电场指向接闪体,从而使避雷针起可靠的定向引雷能力。
为消除直接雷击在接闪体上产生的火星，根据接闪体的尺寸，即保护的范围、积雨云的可能雷电强度和安装位置的土壤导电性选定耗雷体的参数，限定泄放雷电流的强度，避免击闪火星的发生，这样就可以在可靠性的前提下，在森林上空需要的范围内组成一张消雷网。保证森林雷击起火的事故。
一般的我们可以根据森林的地貌选择接闪体的结构形状，达到最佳和最节约的要求。
十、项目推广应用的意义
雷击引起的森林火灾是一个至今未能解决的世界难题，也是今后地球绿地环境更加丰富多彩所必须解决的难题。直接雷击的危害是一直伴随人类的进化过程之中,雷击引起的森林火灾、雷击死人是人们对雷电的最原始认识,古人对雷电危害的认识和了解有一个很长的过程,在这个过程中,某些神秘智人已找到了很好的解决办法,并得以广泛的应用,我们不妨想象一下,雷击并不是击在最高的地方,如很多的高山,总是最早和雷云相接触,但这些地方很少有雷击的现象,但在这些山上一旦有了建筑物体,特别是现代的钢结构的建筑系统,雷击变成了经常的现象,为了减少雷击的危害,我们又增设了良好接地型的避雷针系统,这样做的结果,反而增加了雷击的概略,这就是我们今天所遇到的防雷现状,直接雷击越防越厉害;想象一下,我们的古人择居也是居高而居,肯定领略了雷击的危害，塔、祠是故人最宏伟的建筑,其选址按我们现代人的眼光,应该全部处在易雷击区,解决雷击的危害应该为这些建筑的第一要求,“当时中国新事屋宇的屋脊两头，都有一个仰起的龙头，龙口吐出曲折的金属舌头，伸向天空，舌根连着一根根细的铁丝，直通地下。这种奇妙的装置，在发生雷电的时刻就大显神通，若雷击中了屋宇，电流就会从龙口沿线下行泄至地下，起不了丝毫破坏作用。” 这说明，古代在建筑物顶部安装的宝葫芦状的这些装置就是防雷装置，是用于保护建筑物和周围环境的人员的安全的。而事实上这些易遭雷击区的防雷装置经过几千年的使用,不仅起到了防雷的目的,而且很少有雷击的现象发生,可以说,这些古人采用的方法就是一种很好的建立在消雷基础上的防雷方法。
富兰克林认为:“如果将一根金属棒安置在建筑物顶部，并且以金属细线连接到地面，那么所有接近建筑物的闪电都会被引导至地面，而不至于损坏建筑物。”富兰克林发明避雷针防雷的方法是一种导雷入地的方法。现代的全金属针尖式避雷针就是利用了富兰克林的尖端放电的原理,但引用这个原理的防雷方法,直接雷击总是伴随雷雨天气而光临,这种方法对现代复杂的电子信息系统,其保护的效果很多是弊大于利,对人员、对森林雷击、对重雷区高山的使用更是一种化钱买雷击的保护方法。
直接雷击的保护方法，我们的祖先已有一种很好的解决方法，但他们出于一种神密的目的，使我们的后人无法得以了解这一技术本质，特别是三百年前，富兰克林的错误理解和宣传，使直接雷击的保护方法走进了误区。
应县木塔是我们古人消雷防雷方法的杰作，如果我们不用科学方法总结和继承这一方法，就会让富兰克林的错误永存，本引雷型消雷针在重雷区的森林雷电防火中的引用，在体现的社会价值不仅仅是减少森林火灾的损失，更重要的是引雷型消雷针在这一特殊环境下体现的优异性能，对纠正以富兰克林为代表的雷电错误认识，多了一个例证。
可以相信，随着第一枝引雷型消雷针在森林雷击防火的推广应用，这一产品一定会成为中国人的骄傲，世界人的福音！
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古代,我们常人对雷电的认识,主要是建立在一些表面的现象之上的认识,今天我们对雷电的认识,可以透过这种表面的认识,用微观的电子运动揭示雷电的作用本质,在此我们用一些基本的现代物理知识来分析避雷针的作用特性。
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