避雷针保护范围分析软件的研制.doc

避雷针保护范围分析软件的研制孙宇新( 江苏大学电气信息工程学院 镇江 212013)王纪俊( 江苏大学理学院 镇江 212013)摘 要利用 MATLAB 设计出对避雷针的防雷安全范围进行图形化显示和计算机辅助分析的应用软件 ,该软件使用方法简洁 ,显示效果直观明了 ,为避雷针防雷范围的确定和避雷针设置的计算机辅助分析及设计提供了一种简便的工具 。关键词避雷针 MATLAB 计算机辅助分析 软件D EVELOPING A SOFTWARE TO ANALYSIS THE SAFE AREA OF THE L IGHTNING RO BSun Yuxin1 Wang J ijun21 ( School of Electrical and Inf ormation Engineering , Jiangsu University , Zhenjiang 212013)2 ( School of Science , Jiangsu University , Zhenjiang 212013)AbstractTakd advantage of the MATLAB to display in picture and emulate the area against thunder strike of the lightning rob visually and clea2rly. It also provides a convenient method to determine the area against thunder strike and computer aid analysis and computer aid design of the instal2lment of lightning rob.Key words Lightning rob MATLAB Computer aid analysis Software为滚球半径) ,以避雷针的针尖为圆心 , hr 为半径作弧线交于平0 引言行线的 A 、B 两点 ,再以 A 、B 为圆心 , h 为半径作弧线 ,该弧线r与针尖相交并与地面相切 ,从弧线起到地面为止就是避雷针的保护范围 。该保护范围为一对称的锥体 。建筑物高度 hx 和对 应的保护范围 rx 的函数关系为 :确定避雷针防雷安全范围是电气设备安置和建筑物设计 ,特别是易燃易爆物库的设计中不可忽视的重要工作 ,但避雷针 对某一建筑物和电气设备能否起到保护作用取决于避雷针高 度 、建筑物高度以及建筑物和避雷针之间的距离 。用多避雷针 大范围安全保护时 分 析 起 来 更 加 复 杂 , 要 分 不 同 区 域 分 别 讨 论 。针对这一问题 ,本文利用 MATLAB 对避雷针的保护范围进 行计算和图形化显示 ,并直接分析出建筑物能否受到避雷针的 保护 。该程序简洁直观 、可视性强 ,可实现避雷针防雷范围的 程序化计算 、分析及设计 。h (2 hr - h) - hx (2 hr - hx )(1)rx =在地面上的保护半径 r0 的表达式 :r0 =h (2h - h)(2)r1避雷针保护范围避雷针的保护范围的确定目前国际上比较通用的是采用 电气几何法 ( EGM) 。用电气几何法确定避雷针的保护范围最 简单 、最易实现的方法是“滚球法”,滚球法就是设想一个半径 为 hr 的球围绕避雷装置左右上下滚动 , 并认为可被此球接触 到的地方均是可被雷电击中并引起损坏的地方 ,而装置附近未 能被此球接触的空间即是有效的保护空间 ,即在此空间内被击 中的概率小 ,击中时也不致引起大的损坏 。国际 GB50057 - 94建筑物防雷设计规范推荐采用滚球法确定避雷针的防雷范 围 。该标准对单支 和 多 支 避 雷 针 保 护 范 围 作 了 明 确 的 规 定 。 本文仅以单支避雷针和双支等高避雷针为例讨论 。单支避雷针的保护范围按下列方法确定 ( 见图 1) : 若避雷图 1 单支避雷针的保护范围的确定图 2 双支避雷针的保护范围的确定双支避雷针的保护范围按下列方法确定 : 在避雷针高度 h小于或等于滚球半径 hr 的情况下 ,当两支避雷针的距离 D 大 于或等于单支避雷针的保护范围 r0 的两倍时 ,各按单支避雷针 的方法确定 。当 D 小于 ro 的两倍时要分区确定 (如图 2) 。(1) A EB C 外侧的保护范围按单支避雷针的方法确定 。收稿日期 :2002 - 09 - 26 。孙宇新 ,讲师 , 主研领域 : 电能应用及电气设备综合自动化 。针高度为 h ,在距地面高度 h 处作一平行于地面的平行线 ( hrr(2) 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 b0 按下式计算 :312 避雷针保护范围的图形显示借助于 MATLAB 的强大的计算和图形处理能力可以把国 际中避雷针防雷范围的公式和相关规定用图形表示出来 ,图 4是单支避雷针的防雷范围图形显示 ,图 5 是其防雷范围的不同高度的等高线图 。利用 MATLAB 中的函数功能把双支避雷针 保护范围表示为一个分区函数 ,在利用 MATLAB 的画图功能画 出其立体图 。图 6 显示了双支避雷针保护范围立体图 ,图 7 是 双支避雷针保护范围的等高线图 。从两图中可以清楚地看出 避雷针的保护范围以及不同的建筑高度所对应的避雷针的保 护范围 。对于三支和多支避雷针的情况同样可以进行图形显 示 。2h (2 hr - h) - ( D/ 2)(3)b0 = CO = EO =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为 :222hx = hr -( hr - h) + ( D/ 2) -(4)x该保护范围的上边线是以中心线距地面 hr 的一点 O 为圆心 ,22以( hr - h) - ( D/ 2) 为半径的圆弧 AB 。(3) 确定 xx平面上保护范围截面的方法 : 以单支避雷针 的保护半径 rx 为半径 ,以 A 、B 为圆心作弧线与四边形 A EB C 相交 ;以单支避雷针的 ( r0 - rx ) 为半径 ,以 E 、C 为圆心作弧线 与上述弧线相接 。见图 2 中的粗虚线 。上述国家标准中对避雷针的保护范围的确定是非常细致 和明确的 ,但具体应用起来比较麻烦 ,利用计算机对上述规定进行程序化计算和 图 形 化 显 示 , 可 使 问 题 变 得 相 对 简 单 和 明了 ,能提高工作效率和准确性 。图 4 单支避雷针的保护范围三维显示图 5 单支避雷针的保护范围等高线图3避雷针保护范围的图形显示和辅助分析311 避 雷 针 保 护 范 围 分 析 程 序 的 GUI 界 面 设 计 和主程序利用 MATLAB 图形用户界面 ( GUI) 功能可设计出方便用户 使用的交互式程序 ,其 GUI 界面如图 3 ,中文下拉式菜单可使普 通人员也能顺利使用 。图 6 双支避雷针的防雷范围立体图图 7 双支避雷针的防雷范围等高线图313 避雷针保护范围的立体显示利用 MATLAB 可以对所显示的避雷针保护范围进行立体 观察 ,通过鼠标拖弋可从不同角度观察不同区域避雷针特别是多避雷针的保护效果 。图 8 是从不同角度双支避雷针的保护 范围的立体图 。图 3 避雷针保护范围确定软件 GUI 界面避雷针保护范围计算和分析主程序如下 :%求避雷针保护范围主程序xplot = linspace ( - xmax ,xmax ,ngrid) ; yplot = linspace ( - ymax ,ymax ,ngrid) ; x ,y = meshgrid (xplot) ;v = qiublzl (x ,y) ;clf ;figure (1) ;meshc (v) ;xlabel (x) ;ylabel (y) ;zlabel (高度) ;title (避雷针保护范围) ;figure (2) , x ,y = meshgrid (xplot) ;contour (x ,y ,v ,20) ,hold on ;xlabel (x) ;ylabel (y) ;title (避雷针保护范围等高线)l = input (l = ) ;m = input (m = ) ;k = input (k = ) ;p = v (l ,m) ;if k = p ,answer = 可以保护else answer = 不能保护end34 图 8 不同视角双支避雷针的防雷范围效果图314 避雷针保护范围的计算机辅助分析利用上述程序可对避雷针的防雷击范围进行计算机辅助 分析 ,方法一 :直接用数学方法计算 ,对上述避雷针保护范围的分区函数在某一点的函数值进行计算 ,与该点处建筑物或拟保护的建筑物的高度 相 比 较 , 从 而 判 断 避 雷 针 能 否 起 到 保 护 作 用 。方法二 :计算机图形直接显示 。利用上述立体图形 ,在图 形中直接显示讨论点的建筑物高度 ,比较两者的高低 ,判断出 能否保护此 建 筑 物 。方 法 三 : 利 用 避 雷针保护范围 的 等 高 线 (下转第 79 页)商务系统 ,不仅可以提高整个系统的 RAS 指标 ,同时还使系统具有很好的灵活性和安全性 。此外 ,由于机群系统和 3 层软件 结构本身所固有的可伸缩性 ,使得用户可以根据实际的业务量 灵活地调整系统的规模 ,确保系统具有最高的性能价格比 ,比 如在初期业务量比较少的时候 ,采用单机或低端服务器 ,等业 务量逐渐增大时 ,相应地增加服务器的档次和数量 。这样 ,不 仅减少了成本 ,也在很大程度上避免了商业风险 。Hong Kong ,May 2001 .2 陈国良 ,并行计算 结构 、算法 、编程 ,高等教育出版社 ,1999 ,1013 Kai Hwang , ZhiWei Xu , Scalable Parallel Computing Technology ,Architec 2ture ,Programming ,机械工业出版社 ,1999 ,514 David E. Culler ,Jaswinder Pal Singh ,Anoop Gupta , Parallel Computer Ar 2 chitecture A HardwareSoftware Approach ( Second Edition) , 机 械 工 业 出 版社 ,1999 ,915 Andrew S. Tanenbaum ,Distribution Operating System , 清华大学出版社 ,1999 ,616 Introducing Windows 2000 Clustering Technologies ,Microsoft Corp . , http :www. microsoft . com/ windows2000/ technologies/ clustering, December29 ,2000 .参 考 文 献1 G. Rossi ,D. Schwabe , and M. Guimaraes ,Designing Personalized Web Ap2plications. In Proceedings of the World Wide Web Conference ( WWW10) .(上接第 30 页) 时 ,摄像机视图以及摄像机和摄影标的坐标分别如图 16 、图 17 、图 18 所示 。肩处的一个电机 。所以 ,应尽量安排在摄像机视图中可以同时看到抓手联轴器和电机联轴器 。 该视图反映抓手电机所在一侧 ( 如图 22 所示) , 这样就可清楚看到通过软轴连接两个联轴器的情况 。此时所对应的摄 像机视图 、摄像机旋转坐标和摄影标位置坐标分别如图 22 、图23 和图 24 所示 。图 16 装配第二臂时对应的摄像机视图图 17 摄像机旋转坐标图 18 摄影标位置坐标需要说明的是 ,展示机器人手腕部分与第二臂装配场景时可采用俯视的方法 , 使 之 能 看 到 预 先 连 接 好 的 手 腕 和 抓 手 部 分 。所以 ,此时应将摄影机放在抓手的上方 ,将摄影标放在抓 手上 ,这样即可清楚地看到手腕的连接过程以及与之相关零件 的装配效果 。操作过程与前述内容相似 ,先调整摄像机 ,准备录制动画 , 再调整零件位置 。在此过程中应特别注意摄像机关键帧的设 置 。此时摄像机的旋转坐标 、摄影标的位置坐标以及摄像机视 图分别如图 19 、图 20 和图 21 所示 。图 22 装配软轴时对应的摄像机视图图 23 摄像机旋转坐标图 24 摄影标位置坐标3 结语在 5 自由度机器人动态装配场景动画制作过程中 ,合理运用 3DS MAX 软件摄像机技术 ,既可使装配细节更具层次性 ,也 可使装配场景更具生动性 ,还可使装配过程更具流畅性 ,而其 技术关键就在于合理掌握摄像机的旋转坐标和摄影标的位置 坐标以及表达物体运动特性关键帧的设置 ,这些关系如能处置 得当 ,就可使装配场景动画按照设计者的意愿作规定路径 、规 定时序的运动 ,从而达到预期的演示效果 。参考文献图 19 摄像机旋转坐标图 20 摄影标位置坐标图 21 装配手腕时对应的摄像机视图1 傅富恒著 ,3D Studio MAX 自学