三避雷针的高度设计(上)

1．滚球法
GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》附录四滚球法确定接闪器的保护范围，单支避雷针在地面上的保护半径γ0按式（1）计算：
γ0 = √h（2hr-h）（1）
式中h ——避雷针高度；
hr ——滚球半径，取决于建筑物防雷类别，对于第一类、第二类、第三类防雷建筑物，hr的取值分别为30m、45m、60m；
γ0——避雷针在地面上的保护半径。

2．滚球半径和避雷针高度
公式（1）只适用于避雷针高度h小于或等于滚球半径hr，若避雷针高度h大于滚球半径hr时，避雷针的保护范围是否增加，答案是不增加。

例如滚球半径取30m，避雷针固定在地上，针高30m，代入式（1），得出避雷针在地面上的保护半径为30m。

滚球半径仍取30m，避雷针固定在地上，针高若为60m，求避雷针在地面上的保护半径，此时不能采用式（1）计算，对于避雷针高度大于滚球半径时，其在地面上的保护半径等于滚球半径，也就是说，避雷针在地面上的保护半径最大不超过滚球半径。

3．避雷针高度
问题1：一幢高60m的建筑物，在其屋顶上装一支针尖高出屋顶5m的避雷针，用滚球法计算避雷针在屋顶上的保护范围时，避雷针的高度（h）为多少？
观点1。

65m。

理由是：避雷针的高度是指避雷针的针尖离地的高度，避雷针装在建筑物的顶部，因此避雷针离地高度为建筑物高度（60m），加上避雷针高度（5m），总高为65m；
观点2。

5m。

理由是：用滚球法计算避雷针的保护范围时，“地”并非单指大地，“地”是指包括大地在内的与地相连的避雷带等。

建筑物顶部四周设置了避雷带，因此避雷针的高度是指避雷针的针尖离避雷带的垂直高度，即为5m。

问题2：一建筑物高100m，在其屋顶装一支高5m的避雷针，另一建筑物高60m，在其屋顶也装一支高5 m的避雷针，问这两支避雷针在地面上的保护范围哪个大？
观点1。

避雷针装得越高，其保护范围越大，因此装在100m高建筑物顶上的避雷针在地面上的保护范围大；
观点2。

避雷针的地面保护范围最大不超过滚球半径，因此即使按第三类防雷建筑物计算，它们在地面的保护范围也一样大，地面保护半径都是60m。

问题3：建筑物旁边安装了一支独立避雷针，对不同防雷建筑而言，避雷针的保护范围是否一样？
观点1。

一样。

避雷针的保护范围取决于避雷针的离地高度，与被保护建筑物的防雷等级无关；
观点2。

不一样，避雷针的保护范围与建筑物的防雷类别有关，第三类防雷防雷建筑物的保护半径最大。

4．避雷针高度的问题1的正确答案
解答依据：GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》附录四的最后第7条指出：本附录各图中所画的地面也可以是位于建筑物上的接地金属物、其它接闪器。

对问题1，屋顶上的避雷带因为与地作了电气连接，屋顶上还有避雷网格，因此计算避雷针在屋顶上的保护范围时，避雷针高度应是针尖离避雷带的垂直距离，而不是离大地的距离，因此观点2正确，避雷针的高度应以5m计算。

5．避雷针高度的问题2的正确答案
之三避雷针的高度设计（上）黄晓虹上海市防雷中心
解答依据：运用单支避雷针在地面上的保护半径计算式（1）的前题，避雷针高度h小于或等于滚球半径hr，当避雷针高度h大于滚球半径hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。

对问题2，两幢建筑物避雷针的针尖离地高度都大于滚球半径，因此运用式（1）时，避雷针离地高度h应取滚球半径hr进行计算，即避雷针在地面的保护范围等于滚球半径，按第二类防雷建筑物计算，
避雷针在地面上的保护半径为45m，按第三类防雷建筑物计算，避雷针在地面上的保护半径为60m，观点2正确。

6．问题3的正确答案
解答依据：GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》表5.2.1 。

表5.2.1 接闪器布置
建筑物防雷类别滚球半径hr（m）避雷网网格尺寸（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
对问题3，按单支避雷针在地面上的保护半径式（1），在避雷针离地高度h不变时，避雷针在地面上的保护范围γ0，取决于滚球半径hr，即与建筑物的防雷等级有关，观点2正确。

7．避雷针高度设计
避雷针高度如何设计?装得高一点好?还是装得低一点好?
避雷针的原理是引雷，避雷针的作用是防止被保护的建筑和设备受到直接雷击。

从引雷角度考虑避雷针装得越高越好;从防雷角度考虑避雷针不宜装得过高,两者是对立矛盾的。

下面用一个实例来说明，如何设计避雷针的高度。

某建筑物是阶梯型屋面的厂房，屋面最高面离地30m，最低屋面离地20.2 m 。

需要保护的设备全部装在离地高20.2 m的屋面上,此屋面长360m，宽48m。

整个建筑物的屋面都按规范设置了避雷带，如图1所示。

图1 建筑物与设备的布置
为保护20.2 m的屋面上的设备，避雷针的离地高度设计为不大于最高屋顶——30m。

使已安装了避雷带的30m的屋顶，亦成为20.2 m的屋顶上的设备的防雷屏障，因此避雷针的离地高度设计为27.5m,避雷针顶部离设备的最高点距离为5m。

比最高屋顶低2.5 m。

1）避雷针的保护范围
避雷针的保护范围取决于避雷针的高度、所取的滚球半径及被保护物的高度。

在设定避雷针的高度后必须计算避雷针的保护范围。

已知：屋面上设置了避雷带，避雷针顶部离避雷带距离7.3m（27.5—20.2=7.3），避雷针顶部离设备的距离5m，设备离避雷带距离 2.3 m，滚球半径取20m（取20m的原因以后说明），如图2所示。

11．避雷针保护范围计算
图2 避雷针保护范围计算
计算：离避雷带距离为2.3 m高度的避雷针保护范围
γX= √h（2hr-h）-√h X（2hr-h X）
式中γX——避雷针在h X高度上的保护半径
h ——避雷针高度，此题h为7.3 m
hr ——滚球半径，取决于被保护物的重要性，此题 hr的取20m
h X——被保护物的高度，此题h X为2.3 m
把以上数值代入式(1)得：
γX= √7.3（40—7.3）—√2.3（40—2.3）
=15.45 — 9.31
=6.14m
通过计算得到：离避雷带高度为7.3 m的单支避雷针，在离避雷带高度为2.3 m的平面上，其保护半径为6.14m。

2）避雷针数量计算
保护区的面积一定的情况下，避雷针的数量和以下因素有关：
1）避雷针的高度
避雷针的高度直接影响到避雷针的保护区,避雷
针的针尖到保护物最高面的距离小于滚球半径时,避雷针越高,保护区越大,但最大不超过滚球半径.
2）避雷针的设置位置
如果需要保护的区域较小,用单支避雷针就可达到全部保护,那末避雷针应设置在保护区的中央.如果保护区的最长对角线大于滚球半径时,就需要多支避雷针才能达到全部保护的目的,这时就需要合理设计避雷针的的安装位置,才可充分利用每支避雷针的保护范围.
本题保护区长360m，宽48m。

需要安装多支避雷针,计算避雷针的数量时，若采用保护面积的纵向长度和横向长度除以避雷针的2倍保护范围，则计算结果如下表所示。

总共需装4╳30=120支避雷针.
计算没有错,但计算结果是惊人的,避雷针的数量太多了.
在以下几讲里我们将说明:计算避雷针保护设备时,为什么滚球半径取20m,虽然在第二讲的表1中已提到20m的滚球半径,但需要作进一步的说明;为了减少避雷针的数量,我们将引入提前放电式避雷针保护范围的计算方法;本讲计算避雷针数量时,采用保护面积的纵向长度和横向长度除以避雷针的2倍,由于避雷针的保护范围是一个圆,这就会产生保护死区,我们将介绍如何检查是否存在保护死区及消附保护死区的方法.（资料素材和资料部分来自网络，供参考。

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