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雷电防护用保护角法浅析黄旭( 中国石化工程建设公司，北京 100101)摘要: 简要介绍了接闪器定位通常使用的三种方式: 保护角法; 滚球法和网格法以及三种方式的使用范围，并简要介绍了保护角法的演变历程，同时根据滚球法的理论，在保护角法和滚球法保护区域相同的 前提下，通过建立对应的数学模型，详细地介绍了保护角法的数学推导过程，并给出最终计算公式，在满 足条件的情况下，根据给出的数学公式，可以任意计算不同滚球半径下所需要的相关结果，大大简化在实 际工程中的应用。关键词: 保护角法 滚球法 网格法 雷电防护避雷针保护范围的滚球法古已有之。避雷针保护范围的滚球法，又称击距法，是 1938 年由施 瓦格首先提出的，他的理论基于以下假设: “避雷 针和避雷线的保护范围相同，都是按照它们与雷 电先导之间的距离判定的，即在所有电压形式( 交 流、直流和脉冲波形) ，所有火花放电间隙形状下， 其放电电压与击穿距离都是线性的关系; 电极形 状对击穿电压没有影响，都可按照双针间隙的放 电规律 估 算，这些规律是从小到大线性地增长 的”。等效法计算而得，使保护角保护的空间等于滚球法保护的空间。它适用于简单建筑物或较大建筑 物的小部分，但其有几何学上的局限性，不适合于 高度超过所选防雷装置保护级别对应的滚球半径 的建筑物。当根据 gb / t 21714 32008 和表 2 排 除了采用保护角法进行接闪器设计时2，应采用滚 球法确定建筑物的各个部分及区域的被保护空间。 滚球法适合于复杂形状的建筑物。网格法是用防 雷网格形导体以给定的网格宽度和给定的引下线 间距覆盖的需要防雷空间。它是一种老的通用方 法，即法拉第保护型式，特别适用于平面的保护。1规范的要求gb / t 21714 32008雷电防护第 3 部分: 建2推导过程早期的防雷理念中并没有提到任何接闪器的 保护角的方法，是在以后才逐步形成保护角理论， 从而形成所谓的“保护角法”。然而，如果对这一 概念进行详细分析，保护角是从滚球方法应用中 获得的。因此，有必要对“保护角法”进行详细地 介绍。如图 1 所示，根据保护角法的理论，图中显示 在高度为 h 的接闪器周围由点阴影形成的保护区 筑 物的物理损坏和生命危险 ( 等 同 于iec623053 2006) 的相关内容为: 安装设计适当的接闪器，能大大减少雷电流侵入建筑物的概率1。 接闪器可由以下任一部件组成: 杆状接闪器( 包括 独立支座) ; 悬链线; 网状导体。接闪器应安装在 建筑物的角上、暴露在外的点、边缘( 特别是屋顶 边缘) ，接闪器的定位通常有三种方式: 保护角法; 滚球法; 网格法。滚球法适用于任何场所; 保护角 法适用于外形简单的建筑物，但受到滚球半径的 限制; 网格法适用于对平面表面的保护。在设计 接闪器时，可单独或任意组合地采用上述方法。保护角法又称富兰克林保护型式。用许多导 体( 通常是垂直和水平导体) 以给定的保护角盖住 需要防雷空间的方法，它是以滚球法作为基础，以收稿日期:2012 01 05。作者简介:黄旭，男，山东东明人，1985 年毕业于郑州 工学院电力系统及其自动化专业，工学学士，电气专 业副总 工 程 师，现从事电气设计工作。 联 系 电 话:010 84876559; e mail: huangx sei com cn第 29 卷黄 旭 雷电防护用保护角法浅析 5 s = r2 ( r h) 21 /2a = arctan( r h) / s域。另一方面，滚球方法确定附加的阴影区域如图 1 所示。使保护角保护的区域等于滚球法保护 的区域。学者维尔辛格介绍了保护角法保护区域 的推导过程。( 1)( 2)在量化计算，假设的条件是: 保护角法的保护区域面积( aa) 等于滚球法的保护区域面积( as) ，即: aaas。推导过程如下:=aa = ( h2 tanb ) /2( 3)s( r h) /2 r2c / ( 2) ( 4)as = sh +c = arccos( r h) / r( 5)要得到保护角量化计算的一般公式，它取决于 r 和 h 的值，方程式( 3 ) 和方程式( 4 ) 给出满足 假设条件的计算公式，即: 保护角法的保护区域面 积( aa) 等于滚球法的保护区域面积( as) 。图 1 保护角保护区域示意1 保护区域; 2 参考平面如图 2 所示，保护角法的保护区域边界与滚 球法的保护区域边界相正交。因此，保护角的保 护区域是在滚球法的保护区域内，同时滚球法的 保护区域完全包括保护角的保护区域。学者维尔 辛格使用这一模型进行保守计算。然而，在图 3 给出的量化计算图，保护角法的部分保护区域是 在滚球法的保护区域内。图 3 量化计算示意1 保护角法保护区的边界; 2 滚球保护区域的边界; 3 参考平面( h2 tanb) /2 = sh( 2) + s ( r h ) /2 r2 c /( 6)b = arctan 2s / h + s ( r h) / h2 r2 / h2 arccos( r h) / r( 7)图 2 量化计算示意1 保护角法保护区的边界; 2 滚球保护区域的边界; 3 参考平面如图 2，量化计算是由下列所示的方程式进行 计算的，它的假设条件为 rh。量化计算的前提 是保护角的保护区域边界与滚球法的保护区域边 界正切。计算结果根据表 1 中的相关数据，在确定滚球半径和 避雷针有效高度的情况下，查表得到保护范围的 水平距离和保护角的数值，大大简化实际工作的 操作手续，提高效率，有一定的参考价值。3表 1 保护角 b 为 r 和 h 的函数r / m保护角法20304560h( 高度) / mb 角度( )水平距离 / mb 角度( )水平距 / mb 角度( )水平距离 / mb 角度( )水平距离 / m246810111213141570 762 455 950 345 242 840 538 236 033 85 77 78 99 6410 0810 2010 2510 2410 1710 0474 367 662 458 054 052 150 348 646 945 27 19 711 512 7913 7614 1414 4714 7314 9515 1277 271 867 664 160 959 458 056 655 354 08 812 214 616 4417 9518 6019 1919 7220 2020 6478 974 370 767 664 963 662 461 360 159 010 214 217 119 4221 3522 2022 9823 7124 3825 00石 油 化 工 设 计 6 第 29 卷续表 1h: 表示避雷针的有效高度，m; r: 表示滚球半径，m。参考文献:1 李冬根，陈水明，谢琦，等 雷电防护: 第 3 部分建筑物的物 理损坏和生命危险 gb / t 21714 3 2008s 北京: 中国标准出版社，20082 王德言，刘寿先，杨国华，等 雷电防护第 1 部分: 总则 gb / t21714 1 2008s 北京: 中国标准出版社，2008r / m保护角法20304560h( 高度) / mb 角度( )水平距离 / mb 角度( )水平距 / mb 角度( )水平距离 / mb 角度( )水平距离 / m16171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596031 629 527 425 323 29 869 639 348 998 5943 642 040 539 037 536 034 533 131 630 228 827 426 024 623 215 2515 3315 3715 3715 3315 2515 1314 9814 7914 5714 3014 0013 6713 2912 8852 751 550 349 248 046 945 844 743 642 641 540 539 538 537 536 535 534 533 632 631 630 729 828 827 926 926 025 124 223 221 0321 3921 7021 9822 2222 4322 6122 7522 8722 9623 0223 0523 0623 0422 9922 9222 8222 7022 5522 3822 1921 9721 7221 4521 1620 8420 5020 1319 7419 3358 056 955 955 054 053 052 151 250 349 448 647 746 946 145 244 443 642 842 041 340 539 739 038 237 536 736 035 334 533 833323231303029282727262525242325 5926 1226 6327 0927 5227 9228 2928 6228 9329 2129 4729 7029 9030 0930 2530 3830 4930 5930 6630 7130 7430 7530 7430 7130 6630 5930 5030 3930 27