滚球法确定接闪器保护范围的几何分析.pdf

规代建筑电气MAE
防雷技术?
No. Val, l (serial No4 2014)
滚球法确定接闪器保护
范围的几何分析
吴焕勤,丁望
(常州市气象局,江苏常州213022)
摘要:从立体几何和平面几何原理角度,对利用滚球法确定单支、双支避雷针
保护范围进行了说明与分析。介绍了常州新一代天气雷达站接闪器的设计过程。
经分析、计算,确定安装3支158m等高避雷针和15m高不锈钢护栏作为混合
接闪器,以保证天气雷达站安全、有效。
吴焕勤(1971-男,
工程师,研究方向为
防雷管理和雷电防护
关键词:接闪器;避雷针;滚球法;保护苑围;雷达天线罩
技术
中图分类号:TU856文献标志码:A文章编号:16748417(2010)090029-06
0引言
式中h雷闪的最后闪络距离(击距),即滚
球半径(m)
确定接闪器保护范围的方法有许多种,如直
I与h,相对应的得到保护的最小雷
线法、折线法和滚球法等,但只有滚球法被国家
电流幅值(kA)
强制性规范GB50057~1994《建筑物防雷设计规
把加值代入整理后的模型=(h,/10)中
范深用。本文从立体几何和平面几何原理角得出表1
度,分析如何利用滚球法确定接闪器保护范围。
表1不同防雷类别建筑物得到保护的最小雷电流幅值
1滚球法定义
建筑物防雷类别滚球半径h,/m最小雷电流幅值1/kA
第一类
滚球法又称击距法,是以滚球半径h为半径
第二类
101
的一个球体,沿需要防直击雷的部位滚动,当球
第三类
158
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
在该电气-几何模型中,雷电先导的发展起
能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部初是不确定的,直到先导头部电压足以击穿它与
位时,则该部分就得到接闪器的保护。
地面目标间的间隙时,也即先导与地面目标等于
2滚球法电气-几何模型
击距时,才受地面影响而开始定向,即当雷电流
小于上述数值时,雷电有可能穿过接闪器击于被
滚球法基于以下的雷闪数学模型(电气ー几保护物上;而等于和大于上述数值时,雷电将击
何模型)
于接闪器上。
h,=2/+30(1-e")
或简化为
3滚球法的几何分析
根据滚球法的定义,在利用滚球法确定接闪
丁望(1985-),男,助理工程师,研究方向为雷电防护技术。
MAE代建筑电
Na. 9 Vol,I (Serial No 9 2010)
防雷技术
器的保护范围时,应以滚球半径h为半径的球
体,在装有接闪器的建筑物上滚动,球体被建筑
物上所装的接闪器或地面撑起。这时,球体的弧
与建筑物之间的范围就是该接闪器的保护范围,
如图1所示的带斜纹部分。
图2单支避雷针的保护范围
避雷针、避雷带
组合保护建筑物
避带保
护建筑物
铁塔防雷
图3单支避雷针保护范围的纵剖面图
根据CB50057-1994附41和附42计算
式,单支避雷针在h高度的x平面上和在地面
上的保护半径.按下列计算式确定:
n=√h(2-b)-Ja(2,-h)(3)
图1接闪器的保护范围
式中な一避雷针在高度的x平面上的保
球体被建筑物上所裝的接闪器或地面撑起,
护半径(m)
并不是指球体必须被稳定支撑,而是忽略重力作
h,滚球半径(m),取值同表1
用因素,根据立体几儿何的原理,接闪器或地面能
h,被保护物的高度(m)
确定该已知半径球体的位置,即表明已把球体撑
m一避雷针在地面上的保护半径(m
起。在实际运用中,要充分理解滚球法内涵,根
上述计算式可以用平面几儿何知识来推导。
据立体几何和平面几何的原理,来确定接闪器的但在实际应用中,往往已知被保扩护建筑物的儿何
保护范围。下面以避雷针为例,用几何分析的方
析的方「尺寸和避雷针的安装位置,需要确定避雷针的安
法来理解滚球法。
装高度。图4中,已知被保护点B,高度为h与
31单支避雷针保护范围的几何分析
避雷针的水平距离为m,滚球半径为h,求避雷
在利用滚球法确定单支避雷针的保护范围
时,滚球的支撑点只有地面和针尖。显而易见,
以滚球半径h为半径的球体,置于地面上,在触
及避雷针针尖的情况下,绕避雷针滚动一周,该
滚动球体在针尖到地面支撑点构成的弧面就是
该避雷针的保护范围界面,保护范围是一个对称
的锥体(见图2)。图3为该保护范围的纵削面图。
避雷针高度h≤hn当避雷针高度b>h,时,在避雷
针上取高度h,的一点代替单支避雷针针尖。
图4单支避雷针高度的计算
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No. Val, l (serial No4 2014)
针高度根据滚球法定义,半径为h的ABC弧
线,应与A点、B点触及,与地面相切于C点。应
用平面儿何知识,并作辅助线。
直角三角形OCB中,OB=h,OC=b-ha
故
BC= hm(2 h, -him J
直角三角形OC"A中,OA=h。AC"=m+
图6双支等高避雷针保护范围的纵剖面图
h(2h,-le万,故
下面运用几何原理对其推导。图7是其立体透
(a+Ja2l4ーア(6)「视图,此时该球体同时与AB两针触及,并与地面
CC=OC-00
相切。弧线ANB是该球体被AB两针作为垂直
平面切割形成的圆弧也就是图6中的AB弧线,
避雷针高度为
即双支等高避雷针保护范围的上边线。该圆弧
カ=ー、R.ー(aな2ルーアロ』」国心の在AB的中心线上,与球体圆心の间高
32双支等高避雷针保护范围的几何分析
度,即距地面高度为h。ON、の1和OB都是其
与单支避雷针相同,这里仅分析双支等高避
半径。为便于推导,作辅助线。从图7中可以看
雷针高度h≤h。当避雷针高度h>n时,在避雷
出,O为AB的中心点,高度就是AB避雷针高度
针上取高度ん的一点代替避雷针针尖。两个滚
んAB两针相距D。
球半径h,为半径的球体,分别置于地面上,在触
及对应避雷针针尖的情况下,分别绕该避雷针滚
动一周,两个滚动球体在针尖到地面支撑点构成
的弧面就是该双支避雷针保护范围的界面。
当两针间距D<2√h2,-)(其中,
2,-h)为单支避雷针在地面上的保护半径
时,以上两弧面会产生重叠,而且会发生球体同
时触及两针尖,并与地面相切,形成如图5所示
图7双支等高避雷针保护范围立体透视图
的保护范围。图6为该保护范围在AB两针垂直
在直角三角形0OA中,OO=hrーhAO=
平面的纵剖面图。
D/20A=J(hーh)+(D/2),也就是弧线
ANB的半径。
同样,在图6上作辅助线,可以推导出在
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h按式(8)确定
-(D
掌握了以上几何分析方法就很容易推导双