“滚球法”计算接闪器保护范围

接闪器保护范围滚球法：滚球法的物理图象是，是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。接闪器的布置建筑物的防雷类别滚球半径hr（m）避雷网格尺寸（m）第一类防雷建筑物30≤5×5或≤6×4第二类防雷建筑物45≤10×10或≤12×8第三类防雷建筑物60≤20×20或≤24×16半径为45米的滚球在建筑物上的移动轨迹1992年颁布的英国标准《构筑物避雷的实用规程》BS6651中明确指出:对高度超过20米的构筑物而言，高度在20米以下的任何避雷针的保护角均会是与较低的构筑物相同的。然而对于20米以上的构筑物而言，有这样建筑物在侧面上遭闪击的可能性，可推荐的是，被保护的空间应采用滚球方法予以测定。国际公认滚球理论的基础是Whitehead提出的，学术上称为电气几何法(EGM)。EGM理论认为，雷电先导首先进入哪一物体的雷击距离，就对哪一物体放电，雷击距离是雷电流的函数，可简略地归纳以下三点:(1)滚球法是基于以下的雷闪数学模型(电气—几何模型)：简化为：(2)雷电先导对大地、导线及针形物体的雷击距离是一致的。(3)雷电先导是斜向入射的，其入射角呈概率分布，即g(Ф)=2cos2Ф/п。8.61302IreIh65.010Ihr与hr相对应的雷电流按公式整理后，为：I＝以hr值代入，由于第一类防雷建筑物确立I=5.4kA，二类为I=10.1kA，三类为I=15.8kA，由此计算出第一类防雷建筑物的hr=30m；第二类hr=45m；第三类hr=60m。在使用滚球半径的尺度上，我国标准与国际标准是有差别的。IEC标准将防雷级别分为Ⅰ～Ⅳ类，其该球半径分别为20m、30m、45m和60m。一、单支避雷针的保护范围当避雷针的高度h≤hr（滚球半径）时：（1）距地面处作一平行于地面的平行线；（2）以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线A、B两点：（3）分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面上就是保护范围。图2-5、2-6为单支避雷针保护范围立体图。（4）避雷针在hx高度的xx’平面和地面上的保护半径按下列方法确定：单支避雷针的保护范围计算简图hr-h22xrrhhh22hhhrr由计算推导，单支避雷针的保护范围的计算式确定如下：（3-1）（3-2）式中：rx避雷针在hx高度x-x’平面的保护半径；hr为滚球半径；hx被保护物的高度（m）；r0避雷针在地面上的保护半径。xrxrxhhhhhhr22hhhrr20单支避雷针在hx高度的保护范围单支避雷针的保护范围立体图单支避雷针的保护范围剖面立体图例一：第二类防雷建筑物，计算单支避雷针的保护范围时，滚球半径为45m，若避雷针离地高度为45m，代入公式得避雷针在地面上的保护半径为45m；若避雷针的高度为8m，代入公式得：=25.6(m)若单支避雷针的高度大于滚球半径，则避雷针在地面上的保护半径等于滚球半径，即：r0=hr8452820hhhrr双支避雷针之间的保护范围是按照两个滚球在地面从两侧滚向避雷针，并与其接触后两球体的相交线而得出的。二、双支等高避雷针的保护范围在避雷针高度h小于或等于滚球半径hr时，当两支避雷针的距离D≥时，应按单支避雷针的方法确定；当D＜时，应按下列方法确定（见图）：ABCD外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定；C、E点位于两针间的垂直平分线上。在地面每侧的最小保护宽度bo按下式计算：（3-3）在AOB轴线上，距中心线任一距离x处，其在保护范围上边线上的保护高度hx按下式确定：（3-4）两针间AEBC内的保护范围，ACO部分的保护范围按以下方法确定：在任一保护高度hx和C点所处的垂直平面上，在F点上以hx作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定（见图）。双支等高避雷针保护范围脊线的计算简图应当注意的是，1-1剖面的剖切位置，滚球曲线是半径为hr且通过F、C两点。双支等高避雷针的保护范围立体图（D小于）双支等高避雷针在hx高度的保护范围（在D小于时,hx高度的保护范围的情况）双支等高避雷针在hx高度的保护范围（在D小于时,hx高度的保护范围的情况）例二：一旧建筑物为坡屋顶，屋长40m，宽8m，脊高5.5m，檐高3.5m，采用双支避雷针保护，避雷针装在屋脊上D=30m，针高5m。经测量接地电阻为30欧姆。现用作桶装贮漆间或用作非桶装贮漆间时，需分别对该建筑物进行防雷技术核定，并要求提出审核结论。解：1、用作桶装贮漆间时，为2区爆炸危险环境，经核定该建筑为第二类防雷建筑物，按双支等高避雷针的保护范围进行核定，原避雷两针之间的间距为D=30m，针高度为5+5.5=10.5m。=57.78m＞30m在两避雷针间的垂直平分线上，其上边线的保护高度：=7.38m＞5.5m（满足要求）在山墙的屋脊部位hx=5.5m时，rx===7.33m＞5.0m（满足要求）在避雷针的垂直平分线位置，屋檐的hx=3.5m，虚拟避雷针的高度为7.38m时，rx===7.29m＞4.0m（满足要求）结论一：经防雷审核，用作桶装贮漆间时，原有避雷针可满足要求。5.104525.102hh2h2r22222rrx2305.104545x2Dhhhhxrxrhhhhhh225.54525.55.104525.10xrxrhhhhhh225.34525.338.745238.72、用作非桶装贮漆间时，为1区爆炸危险环境，经核定该建筑为第一类防雷建筑物，按双支等高避雷针的保护范围进行核定，原有避雷两针之间的间距为D=30m，避雷针高度为10.5m。在两避雷针间的垂直平分线上，其上边线的保护高度：=5.398m＜5.5m（不满足要求）在山墙的屋脊部位hx=5.5m时，rx===5.49m＞5.0m（满足要求）结论一：经防雷审核，用作非桶装贮漆间时，原有避雷针不满足要求。22222rrx2305.103030x2Dhhhhxrxrhhhhhh225.53025.55.103025.10例三：一混合结构房屋，屋长60m，宽10m，脊高5.9m，檐高3.4m，如何考虑避雷？解：经审定该建筑物为第三类防雷建筑物：房屋长、而宽度不大时，可选用双支等高独立避雷针保护（如房屋长且宽时可选用多支避雷针保护）。为了安全起见，避雷针离开建筑物3m以上,按4m设置；避雷针距建筑物山墙端部5m，为防止跨步电压及防接触电压，避雷针不要立在人行道上。房屋的物檐使最突出的部位。只要避雷针能够保护屋檐，则对整个房屋起保护作用。设避雷针在房屋两侧成斜线布置，两针中间的最小保护宽度如图所示。hr=60m,h=12.3m,Sa2=4m,W=10m,L=60m,H1=3.4m,H2=5.9m1、计算地面保护半径：r0==36.39m2、两针之间的距离D==53.14m＜2×36.39m3、在H1=3.4m的高度时，r1=16.48m。4、在H2=5.9m高度的保护半径，r2=10.44m,画出两针在该高度的保护范围。3.126023.12hh2hr2250185、结论：A、5.9m高度上的中段屋脊不在保护范围内。B、3.4m高度上的中段屋檐不在保护范围内。C、修改方案是：①、加高避雷针；②、改用避雷线。5、结论：A、5.9m高度上的中段屋脊不在保护范围内。B、3.4m高度上的中段屋檐不在保护范围内。C、修改方案是：①、加高避雷针；②、改用避雷线。双支不等高避雷针的保护范围，在h1小于或等于hr和h2小于或等于hr的情况下：当D≥时，应各按单支避雷针所规定的方法确定；当D＜时，应按下列方法确定：1、ABCD外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定；CE线或HO’线的位置按下式计算（3-5）2、在地面上每侧的最小保护宽度b0按下式计算（3-6）221122hhhhhhrr221122hhhhhhrrDDhhhhDrr2221221211r10Dhh2hEOCOb三、双支不等高避雷针的保护范围3、在AOB轴线上，A、B间保护范围上边线按下式确定：（3-7）式中：x距CE线或HO’线的距离。该保护范围上边线是以HO’线上距地面hr的一点O’为圆心，以为半径所作的圆弧AB。22121xDhhhhrrx212Dhhr4、ACO部分的保护范围按以下方法确定：在hx和C点所处的垂直平面上，以hx作为假想避雷针，按单支避雷针的方法确定（见图）。3、双支不等高避雷针在AO＇B铅垂面上保护范围的计算简图在h1≤hr和h2≤hr情况下：当D≥时，各按单支避雷针方法确定；当D＜时：1）AEBC外侧按单支避雷针方法确定；2）CE线、HO＇按下列方法确定；由图可知：R==221122hhhhhhr221122hhhhhhr2122DDhhr2121Dhhr双支等高避雷针保护范围的计算简图2122DDhhrR==D－D1=D1=将R代入，可得：D1=整理后得：D1=222hhRr212hhRr212122hhDDhhrrDDhhhhhr222212221双支不等高避雷针保护范围的立体图双支不等高避雷针在hx高度保护范围