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关于雷电及其防护的设想
ASSUMING ON LIGHINING AND LIGHINING PROTECTION
肖明训
湖南省水利水电勘测设计研究院，湖南 长沙 410007
XiaoMing-xun
Hunan Hydro And Power Design Institute，Changsha 410007，China
摘要：本文根据地球具有磁场和云体在地球磁场中运动的事实，提出产生雷电的云体电场是由于云体携带电荷在地球磁场中运动时，受洛仑兹力的作用，使正负电荷发生两极分离而形成的，并非传统所说的是由于云和云以及云与地面相互摩擦的结果。同时作者在文中还阐述了自己对云体电场放电的条件和特点、雷电的防护及现行的防雷接地与等电位连接等方面不同于传统的观点和想法。并详细介绍了作者设计的一种过电压保护接地装置。
ABSTRACE: On the basis of movement of the cloudy body, the cloudy body electric field is put forward in the article. Under the action of LORENTZ’s force, the cloudy body with charge is moving in the earth magnetic field, the two poles of positive and negative charge are separated, the cloudy body electric field is formed. At the same time, condition and characteristic of charging of the cloudy body electric field will be expatiated. With regard to lightning protection and connection of equal electrical potential, new viewpoint will be brought forward. An earthing device of overtension protection will be introduced.
关键词：地球磁场、洛仑兹力、云体电场、防雷接地、等电位、反击电压、接触电势、跨步电势
KEY WORD: EARTH MAGNETIC FIELD, LORENTZ’S FORCE, CLOUDY BODY ELECTRIC FIELD, LIGHTNING PROTECTION AND EARTHING, EQUAL ELECTRICAL POTENTIAL, COUNTERATTACK VOLTAGE, CONTACT POTENTIAL, STEP POTENTIAL.
1. 云体电场的形成
雷电是云体电场的一种放电现象。那么一个具有百万伏特级电势和能释放出万安级电流的云体电场究竟又是如何形成的呢？它是否真的像一直以来人们依据摩擦生电的原理认为的那样，也是由于云和云以及云和地面的摩擦生电所形成的呢？笔者经过反复的研究分析及长期对雷电现象和云体的观察后认为：实际情况可能并非如此。
摩擦生电的实质是在两种相互摩擦的物质之间发生了电荷的转移，其机理是：这两种物质分子的原子具有不同的原子序数和核外电子层数以及不同的最外层电子数，不同序数的原子其原子核对核外电子的引力不同，引力大的容易得到电荷而带正电，引力小的则容易失去电荷而带负电。否则如果摩擦是在同种物质的两个物体之间进行的，那么就不可能发生电荷的转移，它们的摩擦除了磨损和发热以为，是不可能生电的。而云体主要是由空气、尘埃和水蒸气混合而成的，同一云体内和不同云体之间它们的物质属性是基本相同的，它们失去电荷和得到电荷的能力也是基本相等的，所以云体之间通过摩擦能够发生的电荷转移是非常有限的；其次，虽然云层的体积和面积比较大，但其密度和它们相互之间的接触压力都非常小，其摩擦作用自然也是很小的；再者，云体的运动是由气流带动的，受气流和地形的影响，云体的运动是一种不断起伏、翻滚和涡旋的紊乱运动，紊乱的碰撞摩擦不可能形成和维持一个整体的方向不变的云体电场。
笔者认为，云体电场能够达到如此高的强度和具有如此强大的能量，绝不可能是一下子就可以形成的，它必须有一个形成的过程，必须要经过一个长时间的不断累积。而要实现这个累积的过程，在云体的运动中就必须满足两个条件。其一：始终能够保持一个方向不变的云体电场存在；其二：始终有一个能够改变云体内正负电荷运动方向，迫使正负电荷向云体电场的两极分离，从而使云体电场得以不断地累积增强的作用力存在。那么这个云体电场就只有和只能是云体在地球磁场中运动所形成的云体电场，这个作用力也只有和只能是云体携带的电荷在地球磁场中运动时，由地球磁场所产生的洛仑兹力。而对于云体在运动中所发生的局部紊乱摩擦而言，要达到这两个条件是永远不可能的。
地球是一个具有磁场的球体，地球的北极就是其磁场的N极，地球的南极就是其磁场的S极。宇宙空间是一个电荷的海洋，否则电磁波就无法在空中传播。漂浮在地球表面上空的云体必然会携带有大量的自由电荷，它们受气流和地球自转的作用而沿地表上空运动（如图1）。当云体的运动方向与地球磁场方向不平行时，云体在运动的过程中就将不断地切割地球磁场，相当于电荷在磁场中作切割磁力线的运动。在洛仑兹力的作用下，云体携带的正负电荷分别向与磁场方向和云体运动方向垂直的上下两极分离，形成一个其方向与磁场方向和云体运动方向垂直的云体电场（如图2）。
因为地球磁场的方向是不变的，所以只要云体的总运动方向保持不变，这个云体电场的方向也就会保持不变，这样，随着云体沿着同一方向不断地向前运动，在地球磁场的作用下，洛仑兹力就会使云体携带的正电荷不断地向云体电场的正极方向分离，负电荷不断地向云体电场的负极方向分离，从而使云体电场得以不断地累积增强。
云体电场的累积增强也不是无限的，当云体电场对电荷的作用力与地球磁场对电荷的作用力——洛仑兹力相等时，云体携带的正负电荷的分离——云体电场的累积也就停止了。云体电场所能达到的最大强度与地球磁场的强度、云体的运动速度、累积的时间以及云体内的电荷浓度和云体的厚度成正比。
如果云体是由西向东运动（如图2），在地球磁场所产生的洛仑兹力的作用下，云体所携带的正电荷就会向云体的下部分离，负电荷则向上分离，在云体的上下端之间产生一个上负下正的云体电场。如果云体是贴近地面移动的，其被分离到下部的正电荷就会被转移到地表上，分离到上部的负电荷就依附在云体上，从而在地表与云体之间形成一个云体带负极性的电场，这就是我们在地面所测到的由西向东运动的云体电场表现为负极性的原因。如果云体是由东向西运动的，情况则会相反。如果云体是远离地面运动的，其下部的电荷就不会被转移到地表上，云体电场就会保持在其上下两端之间。
2. 云体电场的放电
在云体电场形成以后，当满足使其放电的条件时，云体电场就会发生放电。不仅同一云体的上下两个端面之间会发生放电，由于上下相邻靠近的两层云体一般是在相同的气流作用下作同向运动，位于上方的云体其下端的电场极性与位于下方的云体其上端的电场极性正好相反，又由于整块云体表面形状的凹凸不平，当上下相邻的两个不同云体之间凸凸相对，且两个云体之间的电势差值达到足以击穿该两个电势端之间的间隙时，尖端效应引起电场畸变诱发上行和下行先导，这样上下相邻靠近的两个不同的云体之间也会发生放电，这两种情形的云体电场放电就是常说的“云间雷”。云间雷一般离地面较高，除了对航空器存在危险和对地面通讯有影响外，对地面人员和设施的安全无影响。当带电云体靠近地面，其电场足以击穿云体与地面之间的空气间隙和具备诱发上行和下行先导条件时，云体电场即对地面放电，这也就是通常所说的“落地雷”。落地雷直接危害地面人员和设施的安全。在云体电场的放电中，“云间雷”所占的比例远远大于“落地雷”所占的比例。为了防止和减少雷击的危害，通过引导诱发“云间雷”来消除或者削弱云体电场，从而减少“落地雷”的发生，应作为防雷的一种首选思路。
笔者通过观察还发现，云体电场的放电很多是发生在云体运动速度较慢甚至是静止时，那么为什么云体电场在慢速移动甚至是静止时发生放电的几率要高于其在快速运动时发生放电的几率呢？笔者分析认为这种现象是因为云体电场在前面的运动中虽然已经形成了足够的强度，但是由于云体电场在运动时其电场力与洛仑兹力是相反的，当云体的运动速度较快时，云体电荷所受到的洛仑兹力较大，正负电荷被迫向上下两极分离，云体电场两极之间的距离也被拉得较远，所以也就不容易发生放电；而当云体的运动速度变慢甚至是静止时，云体电荷所受到的洛仑兹力必然相应的同时变小甚至为零，而此时云体电场的电场力却没有变化，在这个电场力的作用下，云体电场两极的正负电荷会互相吸引而靠近，当彼此之间的间隙和间隙内的介电条件不足以隔离维持这个电场时，电场两极的电势就会击穿这个间隙，发生放电。另外云体在山峰和山脊上发生放电的几率并不一定比在山沟、低洼和平地上发生放电的几率高，在不同的地方，比如珠穆朗玛峰上的雷击概率不一定比湛江的雷洲半岛要高，在同一个地域内，山头的雷电概率也不一定比山脚的高，我们许多工程处在峡谷深山照样遭到雷击，这说明单纯地理位置的高低不是决定云体电场放电的主要因素。
3. 云体电场一次放电的范围和多次放电的原因
云体只是电荷的载体，但其整体并不是电荷的良导体，所以云体电场每次放电时释放电荷的云体范围是有限的，一次放电并不能将一大块云体电场的能量〔即云体所携带的电荷〕全部释放完。云体电场放电点一定范围内的电荷被释放以后，云体电场其它区域内的电荷并不会迅速填补到刚放电的区域内，其它区域内仍然保持较强的电场强度，所以放电点就会移到云体电场的其它区域上，这就是一块云体在一个时段内会在不同点发生多次放电的缘故。云体电场一次放电释放电荷的范围的大小与云体中的尘埃和水蒸气的浓度、云体电场的强度和放电间隙的大小等诸多因素有关，它与尘埃和水蒸气的浓度以及云体电场的强度成正比，与放电间隙的介电强度和间隙的距离成反比。
4. 雷电的防护
自从富兰克林发现打雷实际上就是云体电场放电，并且发明了避（引）雷针以来，人们在雷电的防护方面已经想了很多的办法。尤其是在研究被雷打到了以后怎么办这一方面可以说是到了掘地三尺的地步，防雷从设计到施工和相关产品的生产制造都变得越来越复杂。尽管我们为了防雷花钱费力不少，但还是防不胜防。笔者在这里要提出一个换位思考的问题，我们能不能部分摆脱这种被动等着挨打的防雷思路，来一个不是等着它打到我了怎么办，而是在它还没有开始打我之前我如何去把它打掉呢？人们虽然也有对这方面的研究，但其程度远远不如前者，并且到今天也还未见有更多的成果被实际应用，在我国，这方面的工作更是欠缺。
要从被动等着挨打转变为主动出击，首先要建立雷电自动探测（预警）系统，开展雷电实时预警工作，主要是探测近地的云体电场，预警可能落地的雷，为实时有效有的放矢的采取针对性防雷措施提供准确的信息资料。
在通过直观和仪器探测到强烈的近地云体电场后，如何采取措施将其扼杀在摇篮里，也就是将雷消除在落地前，人们也已有过一些尝试，比如说“中和消雷”就是其中一种典型的代表。不过笔者认为这一理论虽然讲得通，但面对具有庞大的面积和体积并具有百万伏特级电势和能够产生万安级电流的云体电场，如何征集到足够数量的电荷“志愿兵”去应战，这个问题解决起来只怕不是所想象的那么一回事，就凭有限面积的接地网从地里能抓出多少个电荷“敢死队”来去与强大的云体电场作自杀性的抵消，恐怕是有点杯水车薪。
笔者认为有两种思路可以考虑，一种是把雷消灭在空中，也就是诱发“云间雷”，比如说发射类似人工降雨一样的炮弹向云体电场内散发大量引导电场放电的物质，或通过遥控飞行器拖带诱发装置在云体电场内反复穿梭来引导云体电场放电。另一种是把雷引落在无设施和人员的安全区，它与通常的独立避（引）雷针不同之处是：它是根据地形、地理以及云体的流向和路径，将引雷针设置在带电云体到达保护区前的必经之路上的专设安全区，在这里可以将引雷针成阵列设置，并且可以在引雷针上设置电磁波发生器和安装放射源来加强引雷作用。这种方法也可以称为“加强法拦截式”引雷。
5. 防雷接地与等电位连接
说到防雷就必然离不开接地。在被雷打到了以后才怎么办的防雷思路下，接地就成了防雷的关键。在过电压保护接地中，现行的方法是在地下0.6至0.8米的深度以下埋设水平和垂直的接地体，通过接地体与大地的接触并降低其接触电阻来降低过电压对地放电时的地面电位，和通过等电位连接的方法来降低过电压对地放电时的地面电位梯度，从而防止过电压对电气设备造成反击破坏和接触电势与跨步电势对人体的危害。
这种传统的接地装置需要耗费大量的金属材料和人力物力，且往往还是很难达到需要的效果。迄今为止，全世界为此至少已经耗费掉了成千上万亿吨的金属材料和无以数计的人力物力。另外由于传统的过电压保护采用均压网进行等电位连接的方法，把过电压在放电点所形成的局部高电位扩散到了整个接地网和均压网，结果使没有发生过电压放电的地方也出现了高地电位，导致发生反击电压对电气设备造成破坏和接触电势与跨步电势对人体危害的范围被大大地扩大了，这种情况对于低压设备的工作条件和绝缘的影响更是严重，因为均压降低的是地面的电位梯度，并不能降低地面电位，只要地面电位升高超过了电气设备的绝缘水平，就会对电气设备造成反击破坏。因此不得不要对所有的电气设备采取重重措施来进行保护，使本来较简单的事情变得越来越复杂，防雷的投资越来越高，而费了大量的人力物力还并不一定能取得好的效果，真可谓费力不讨好。
6. 一种用绝缘导线深引入地的过电压保护接地装置
为了克服上述传统的过电压保护接地装置存在的不足，笔者设计了一种用绝缘导线深引入地的过电压保护接地装置（如图3，4）。
图3、4中①.接地线导体，②.接地线绝缘层，③.接地极，④.接地线与接地极连接器，⑤.保护套管，⑥.上端密封，⑦.设备线夹，⑧.连接螺栓，⑨.设备接地端，⑩.接地孔，⑾.降阻剂，⑿.沥青，⒀.建筑物，⒁.顶部避雷带，⒂.支持绝缘子，⒃.腰部避雷带，⒄.避雷带与下引接地线连接件，⒅.建筑物基础。
该装置根据土壤既导电磁而又具有电磁阻抗的特性，和过电压的电磁能量在土壤中是以释放点（接地极）为中心，成球体向周围放射扩散传播的特点，采用绝缘导线将接地线从地面上一定高度到地面下的一定深度对外绝缘起来，使过电压传递到设备接地部件上的电磁能量被引入到地下深处后才能在地中释放，从而加大地面各点到过电压电磁能量地下释放点（接地极）的球体半径，因此降低了电磁能量扩散传播到达地面时所纳入土壤的电磁能量密度，和加大了电磁能量从释放点（接地极）传导到地面各点的路径阻抗，增大了土壤对电磁能量的衰减作用，使传导和感应扩散到地面各点的电磁能量、进而由它产生的地面电位水平和电位梯度与释放点（接地极）相比得以极大的降低。按球体计算，当释放点从地面下0.6m增加到3m时〔如图5〕，从释放点到地面最近点，半径扩大到了5倍，体积增大到了125倍，球体土壤内的平均电磁能量密度下降到了只有原来的0.8%，从而大大地降低了过电压在地表面的电位，也就大大地降低了地表面的反击电压和接触电势与跨步电势，保护了人体和设备的安全。
图5
图5
图中 R1~R4：以接地极最上点为中心至地面某点的球面半径
Z1~Z4：对应R1~R4时接地极至地面某点之间的电磁阻抗
△R1、△R2：接地极至地面某两点的球面半径差
笔者设计的这种过电压保护接地装置解决其技术问题所采用的技术方案是：接地装置不设接地网和均压网，不对所有设备都接地，也不对建筑物的钢筋和其它金属部件作等电位连接，而只对避雷针、避雷带、避雷器、高压电缆外接端、电抗器和变压器的高压端等容易发生过电压对地放电的设备进行接地。接地装置主要由下引接地线和接地极构成，下引接地线与地和建筑物是绝缘的，接地极为裸导体，下引接地线只通过接地极与土壤进行电接触，下引接地线的上端与容易发生过电压对地放电的设备的接地点进行电连接，下端通过连接器与接地极进行电连接，下引接地线引入地下离地面的垂直深度至少为3米，接地极位于接地线以下。原则上电压等级越高或配电装置的占地面积越大以及地质条件允许和施工容易时，下引接地线引入地下离地面的垂直深度应越深，一般宜取5～8米〔过电压保护接地规程规定地中衰减距离不小于3米〕。如果由于地质条件的限制或施工难度太大的原因，使下引接地线的垂直入地深度达不到离地面以下3米时，可将下引接地线沿地面下0.6米以下外引，至满足接地线引入地下离地面的垂直深度至少为3米的地方设置接地极，或在接地极上方的地表面铺设以接地极为中心半径不小于3米的绝缘层。
下引接地线既可以采用电缆，也可以采用绝缘材料对导体进行包裹而成，并用绝缘套管进行保护。当用于建筑物的防雷接地时，其离地面5米以上部分也可以采用裸导体用绝缘件支撑的方式。
连接器和接地极采用具有良好导电性和耐腐蚀的材料制成，接地极的形状做成有利于其释放电磁能量的形状，其结构既可以做成实心的也可以做成空心的，当采用空心结构时，在空心部分对外开设若干通孔，在空心内装人可释放大量导电离子的材料，通过向土壤中渗入导电离子，增强接地极以下土壤的分流扩散能力。
在实际工程应用中，避雷针或避雷带及其下引接地线与建筑物的导电部分不做等电位连接，而是将它们隔离绝缘开来，在避开建筑物或被接地设备基础的适当位置的地面打一垂直深度至少为3米再加上接地极长度的、直径大于接地极直径的接地孔，在接地孔的底部灌入适量掺有膨胀材料的降阻剂，使接地极埋入地中后与土壤保持紧密的电接触，将接地装置的接地极一端埋入接地孔的底部，用沥青或其它绝缘或高电阻率的材料将接地装置的绝缘导线部分与接地孔之间的间隙填实，接地线沿地面下0.6米以下敷设到建筑物的墙面，并沿墙面上引与设在建筑物上的避雷针或避雷带，或与被接地设备的接地端进行可靠的电连接。
由于本接地装置不需要敷设接地网和均压网，也不对建筑物的钢筋和其它金属部件进行等电位连接，以及减少了接地设备的数量，因此节约了大量的金属材料和人力物力，大大降低了防雷的成本。尤其适用于避雷针、避雷带和输电线路、微波和移动通信等铁塔的防雷接地。（作者联系电话：13975899456）
沙尘暴电场成因探讨
肖明训
(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007)
摘要：根据地球存在磁场、地球周围空间存在对应于地球磁场的空间电场、以及沙尘暴具有自然带电性和沙尘暴运动时切割地球磁场的特点，分析了沙尘暴电场形成的机理和沙尘暴电场的基本特性；提出了解决沙尘暴发生时引发高压电线火花放电和输电网跳闸等问题的方法。
关键词：沙尘暴电场、磨擦生电、地球磁场、空间电场
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所对沙尘暴起电现象利用室内大型风洞进行了模拟研究。研究指出：“沙尘暴电场的形成主要是由于沙粒之间及沙粒与地面之间的碰撞磨擦引起沙粒表面电荷的转移与分离形成的，电场强度的大小从根本上取决于沙粒表面电荷转移量的多少。在不对称磨擦起电过程中，磨擦生热使沙粒表面的正负离子向不同方向迁移，一般大小粒子的碰撞，会使小粒子带负电荷，大粒子带正电荷，沙粒与地面的碰撞会使沙粒带负电荷，而地面带正电荷。而其强度又随沙尘物质运动状态、风速、沙尘物质粒径、含水量、气流稳定度及高度而变化。这种电场结构与沙尘物质在蠕移、跃移和悬移运动过程中电荷生成、转移与分离有关。”；“沙尘暴的发生过程中往往伴有强烈负极性电场”等。对于上述结论和解释，本文提出几点不同的观点，愿与对此感兴趣的人士交流讨论。
1. 磨擦生电
用玻璃棒与丝绸、橡胶棒与裘皮进行磨擦的实验证明磨擦是可以生电的。但这种磨擦是用两种不同的物质，而不是用同种物质如玻璃与玻璃、或橡胶与橡胶来进行的，从物质结构的理论来解释其机理是：组成物质分子的原子具有不同的原子序数和核外电子层数以及不同的最外层电子数的两种物质，其原子核对核外电子的引力是不同的，当这样两种物质相互磨擦时，其中原子核对核外电子引力大的物质的原子容易从原子核对核外电子引力小的物质的原子得到电荷而带负电，引力小的物质的原子则容易失去电荷而带正电，其实质是在两种物质之间发生了电荷的转移。而同种物质分子的原子序数和核外电子层数以及最外层电子数和原子核对核外电子的引力是完全相同的，即其得失电子的能力是完全相等的，它们之间的碰撞磨擦不会发生电荷的转移，所以也就不会“生”出电来。虽然据说曾有人用同种物质来进行过磨擦生电的实验，结果发现在同种物质的不同物体上分别带上的是同种电荷，即同种物质的两个不同物体上都同时得到或失去了同种的电荷，而不是在两个不同的物体之间发生了电荷的转移。对于这种现象其解释是由于物体表面的污染物和氧化层（与物体本身不属于同种物质）脱落带走了异性电荷所造成的，说明这种磨擦实质上还是属于不同种物质之间的磨擦。下面再让我们来分析沙尘暴碰撞磨擦的情形。
2. 沙尘暴的碰撞磨擦
沙尘暴的运动是由气流带动的。在我国，沙尘暴主要起源于西北地区，然后大范围整体随气流由西向东运动。由于沙尘暴颗粒运动的方向是同向的，并非对撞运动，且在同一气流下沙尘暴内相临颗粒的运动速度也不会相差很大，因此沙尘暴颗粒之间相互碰撞磨擦的机率不会很多，碰撞磨擦的能量也是很小的。即使存在一些小能量的碰撞磨擦，其中有的可能是发生在不同种物质之间的，也有的是发生在同种物质之间的，甚至有的碰撞磨擦还会发生正负电荷的中和。沙尘暴内部颗粒之间的碰撞是一种混沌的碰撞，其内部正负电荷的分布也是混沌的，它的本身不会自然形成整体电场。在沙尘暴的运动中有时随气流有局部的翻滚和涡旋运动而可能形成局部的层面磨擦，从而形成一个局部的电场，但该电场的方向是随磨擦面方向的变化而变化的，所以不可能存在一个始终保持方向不变的电场，且这种局部电场极易在不规则的翻滚和涡旋运动中被冲散和搅乱而削弱甚至消失。
3. 沙尘暴的自然带电性
沙尘暴是泥沙粉尘、空气、水雾和其它悬浮物的混合体，泥沙粉尘中又包含有多种不同元素的物质，各种成分近似均匀的混合在一起。除了各种物质的原子其核外带有电子之外，空气中还存在有大量分别带正电荷和带负电荷的自由离子，沙尘暴颗粒很容易捕获这些自由离子自然带电。但在没有电场或磁场等能改变电荷运动方向的外力作用时，由于电荷之间同性相斥和异性相吸的原因，带电的沙尘暴是混沌在一起的，不会产生正负电荷的分离和同性电荷的积聚，从而也就不会形成整体的沙尘暴电场。
4. 地球磁场与空间电场
众所周知，地球是一个具有磁场的球体，地球的北极就是其磁场的N极，地球的南极就是其磁场的S极，地球磁场的磁力线从地球的北半球以北极为中心穿出，经过地球表面上空从地球的南半球以南极为中心穿入返回地球的北极闭合，在整个地球表面上空形成一个与地球自转轴线同轴的球形磁场，其场强的中心壳层是在距地球表面40～80km的范围内。
由于地球的自转运动，相当于位于地球磁场区空间的带电自由离子在地球磁场中运动，因为地球的自转轴与地球磁场轴是一致的，所以地球磁场区空间的带电自由离子是沿地球的纬线运动的，即其在地球磁场中的运动方向与地球磁场的方向是互相垂直的。在地球磁场所产生的洛仑兹力的作用下，位于地球磁场区空间的带正电的自由离子被迫沿与地球磁场方向和地球转动方向都垂直且远离地球的方向偏移，带负电的自由离子被迫沿与带正电的自由离子相反的靠近地球的方向偏移，随着地球的不停转动，带正电的自由离子在地球磁场远离地球的上层区间不断积累，带负电的自由离子在地球磁场靠近地球的下层区间不断积累，这样就在地球上空形成了一个对应于地球磁场的包围地球的空间电场。该球形空间电场远离地球的正极就是常说的存在于地球上空的电离层。靠近地球的一极就是该球形空间电场的负极，这就是电场近地负极性的原因。由于地球的自转方向和地球磁场的方向是不变的，所以地球上空的空间电场方向也是不变的。
5. 沙尘暴电场与空间电场
由于沙尘暴的自然带电性，处在空间电场中的沙尘暴捕获空间电场中的自由离子成为空间电场的载体，表现出空间电场的特性。由于沙尘暴中一般较大颗粒的质量也较大，在运动中飘行的高度较低，质量越小的颗粒飘行的高度也越高，所以沙尘暴中飘行高度较低的大颗粒就处在空间电场靠近地球的一极而呈负极性，飘行较高的小颗粒则处在空间电场远离地球的一极而呈正极性。
携带空间电场自由离子的沙尘暴在运动中不断地切割地球磁场，在地球磁场产生的洛仑兹力的作用下，两极上同电性的自由离子不断累积，使沙尘暴电场的强度得以不断地增大，当沙尘暴电场对电荷的作用力与地球磁场对电荷的作用力——洛仑兹力相等时，正负电荷的分离——沙尘暴电场的累积也就停止了。沙尘暴电场的强度与其所处空间的地球磁场强度、沙尘暴运动速度及沙尘暴飘行的距离成正比。
6. 沙尘暴引起的高压线路短路和放电
沙尘暴引起高压线路短路和放电的主要原因是由于沙尘暴本身尤其是沙尘暴在潮湿状态下具有导电性，当沙尘暴的密度达到一定的程度时，处在高压线路周围和两相导线之间的沙尘暴颗粒使导线周围和导线之间的空气绝缘强度下降，从而导致高压线路的短路和放电，而并非主要是沙尘暴电场引起的。解决这一问题除了通过治沙来防止沙尘暴发生之外，从高压线路本身来说其主要办法就是在沙尘暴经过的区域内，通过加大架空裸导线之间的空气绝缘间隙来提高其绝缘强度，或将架空线路的导线采用绝缘导线亦或敷设电缆线路。
7. 结论
地球磁场和空间电场的作用以及沙尘暴的自然带电性，是沙尘暴形成整体电场的根本原因；沙尘暴电场的近地负极性是由地球磁场方向和沙尘暴运动方向决定的；保持不变的电场方向和切割磁场运动的方向才能使沙尘暴电场强度得以不断累积；只有能够被不断累积的沙尘暴电场才能达到较强的电场强度。
参考文献
［1］屈建军,言穆弘,董光荣,等．沙尘暴起电的风洞模拟实验研究[J]．中国科学D辑:地球科学,2003, 33(6):593-601
［2］寒旱所．寒旱所沙尘暴起电研究获重大进展．http://www.cas.ac.cn/html/Dir/2004/03/24/5766.htm 2004.3.24．
［3］段贵恒．沙尘暴的电力题解．http://www.cpnn.com.cn/ttxw/200809/t20080911_257233.htm．2008.09.11
DISCUSSION ON THE FORMATION CAUSE OF DUSTSTORM ELECTRIC FIELD
Abstract：Based on the characteristic that there is a magnetic field in the earth, and its corresponding electric field, duststorm with electricity moving will cut the earth magnetic field, the paper analyses the principle of formation cause of duststorm and its basic characters, and provide the manners solving the problem of high voltage transmission lines
Key words: duststorm electric field, frictional electrification, earth magnetic field, space electric field
XIAO Mingxun
(Hunan Hydro and Power Design Institute，Changsha 410007，China)
作者简介：肖明训，湖南省水利水电勘测设计研究院机电处，大学，电气工程师，地址:长沙市劳动西路26号湖南省水利水电勘测设计研究总院机电处，电话：13975899456，E-mail：XMX1956818@126.com |
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发表于 2010-2-26 19:42
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发表于 2010-2-23 09:18
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