利用滚球法进行防雷设计的计算方法

利用滚球法进行防雷设计的计算方法

摘要：“滚球法”是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法之一。笔者阐述了利用滚球法进行防雷设计的设计步骤，并给出了r x、bx的计算公式。

关键词：避雷针滚球法保护范围

1 前言

“滚球法”是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法之一。国标GB50057—94《建筑物防雷设计规范》(2000年版)也把“滚球法”强制作为计算避雷针保护范围的方法。滚球法是以h r 为半径的一个球体沿需要防止击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)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。

利用滚球法进行防雷（两支避雷针及以上）设计时，需要确定的因素包括：防雷类别、避雷针在h x高度的保护半径r x值、避雷针在h x高度联合保护的最小保护宽度b x值。下面将对如何利用滚球法进行防雷设计做简单的阐述。

2 滚球半径h x的确定

按GB50057—1994 建筑物防雷设计规范要求，不同类别的防雷建筑物的滚球半径，如表1所示。

表1：不同类别的防雷建筑物的滚球半径

建筑物防雷类别滚球半径hr（m）

第一类防雷建筑物30

第二类防雷建筑物45

第三类防雷建筑物60

3 避雷针在h x高度的xx’平面上的保护半径r x的确定

按GB50057—1994 建筑物防雷设计规范要求，避雷针在h x高度的xx’平面上的保护半径r x值为：

（1）

式中，r x—避雷针在h x高度的xx’平面上的保护半径（m）；

hr—滚球半径（m）；

h x—被保护物的高度（m）；

h—避雷针的高度（m）。

当hx=0时，由公式（1）可以得到避雷针在地面上的保护半径r o值为：

（2）

式中，r o—避雷针在地面上的保护半径（m）。

4 避雷针在hx高度联合保护的最小保护宽度bx值的确定

在防雷设计中，我们不仅需要在图中标注出h值、r x值、D值；而且还要标注出bx值。但在《工业与民用配电手册》和《建筑物防雷设计规范》GB50057—1994(2000年版)中，只给出了rx的计算公式，没有给出b x值的计算公式，下面将对bx的公式进行推导：

4.1 双支等高避雷针联合保护范围的做法

通过设计及个人总结，笔者总结出了双支等高避雷针联合保护范围的做法：

（1）分别以A、B为圆心，r0为半径，做圆弧，两圆弧交于点O、O’；

（2）分别以O、O’为圆心, 以r0- r x为半径做圆，与圆A、圆B切于点C、D、E、F；

（3）则封闭圆弧CDEFC为双支避雷针在hx高度的xx’平面上的联合保护范围（如图1）。

图1

4.2 双支等高避雷针在hx高度联合保护的最小保护宽度bx值公式的推导

（1）由图1 可以计算出，当时，双支避雷针在hx高度联合保护的最小保护宽度bx值为：

（3）

即：（4）

式中，D—双支等高避雷针的距离（m）；

bx—双支等高避雷针在hx高度联合保护的最小保护宽度（m）。

（2）当时，双支等高避雷针的保护范围为各自单针的保护范围，此时两根针没有联合保护范围，如图2所示。

图2

（3）当D≤2rx时，双支等高避雷针的联合保护范围为两根针各自保护范围的交集，如图3所示。

图3

5 工程应用：

在工程设计中，我们经常设置几支等高的避雷针来进行防雷保护。所以，利用上面的方法就可以绘出完整的防雷保护设计图。下面举例进行说明：

滴西10井区气田地面建设工程集气处理站分离换热区为一级防雷，滚球半径为30m，装置区的防雷保护高度为5.0m。本装置区设置了三座25.0m（基础高度0.2m）高的避雷针进行防雷保护。

（1）利用公式1可以求得避雷针在5.0m高度的保护半径rx值为：

（2）利用公式2可以求得地面保护半径r o的值为：

（3）1#避雷针与2#避雷针在5.0m高度联合保护的最小宽度b12值为：

由于两针间的距离D12为47.9m，由公式3可以求得b12为：

同理可以求得：b23=8.6m，b23=6.1m。

（4）利用上面的方法及计算数据，3支25.0m高的避雷针在5.0m高度保护范围如图4所示：图4 3支25.0m高的避雷针在5.0m高度保护范围

6 结束语

随着国民经济建设的日益发展，雷电造成的灾害越来越严重，各行业遭受雷电灾害的频率越来越高，经济损失也逐年加重，尤其是城市高层建（构）筑物、易燃易爆场所、计算机及其场地等极容易遭受雷电袭击。人们也在不断地增强防雷电意识，越来越重视加强雷电的防护，防雷设计的重要性日益凸现。通过上述方法，可以准确地计算出防雷的保护范围，有效地保护设备和避免人员伤亡。

参考文献

1 工业与民用配电设计手册.中国电力出版社，1994.12

2 苏邦礼.雷电与避雷工程，广州：中山大学出版社，1996.11

3 GB50057—9

4 建筑防雷规范(2000年版)，北京：中国计划出版社，2001