接闪器保护范围计算演示幻灯片

,第三章接闪器保护范围计算,大气物理学院肖稳安Tel-mail：xiaowenan,第一节滚球法保护原理,一、避雷针保护范围的讨论我国GBJ5783标准，使用了30、45、60的圆锥体，按此方法，避雷针越高，则其覆盖的保护范围就越大。事实上却不是这样，许多高耸的铁塔或建筑物上的避雷针不但无法按圆锥体实现保护，往往自身的中部和下部遭遇雷击。在巴黎的爱菲尔铁塔的中部还架设了向外水平伸出的避雷针，以防备侧面袭来或绕过铁塔顶部避雷针的“绕击雷”。,1、确定避雷针、线、带、网保护范围的分类,图3-1避雷针、线、带、网保护范围的分类,2、滚球法确定避雷针、线、带、网保护范围避雷针和避雷线等接闪器对其周围物体的保护范围，常以它们可能防护直接雷击的空间区域来表示，在此空间区域内被保护物体遭受直接雷击的概率非常小。确定接闪器的保护范围，对于经济可靠地进行建筑物的防雷设计至关重要。从80年代起，经过讨论和研究，世界上大多数国家均已采用滚球法计算避雷针的保护范围（日本除外，仍用45、60保护的圆锥体）。,二、滚球法保护原理在雷云对地放电过程中，下行先导在到达由雷击距所限界定的定向高度范围之前，其发展路径是随机的，直到下行先导头部达到地面上某物体可被雷击的范围时，他才会定向的击向该物体，如图3-2，当先导头部进入建筑物顶上避雷针的雷击范围时，它就定向地向避雷针顶端发展，这样避雷针的顶端即为雷击点。从下行先导头部达到地面上被击物体的距离就称为雷击距。,图3-2雷击距范围（雷击距）,以这种雷击过程为基础，根据下行先导发展的随机性和定向性来确定建筑物上以及地面上可能出现的雷击点，这就是滚球法的基本思想。运用滚球法确定雷击点时，应先选定一个对应于一定雷电流幅值的滚球半径ds，因此，为了确定建筑物上各个可能的雷击点，需要从其上空沿各个方向反复多次地抛投滚球，统计出大量被滚球接触过的点，这一做法可以等值地转变为将滚球沿建筑物屋面连续地滚越建筑物的整体，滚球所能接触到的屋面就是建筑物上可能遭受雷击的区域；滚球不能接触到的地方，则可认为是由建筑物的接闪器能够保护的区域，这一区域称为保护区。如图3-3所示，弧AC和DE以下的空间区域就是保护区。,图3-3滚球法在建筑物面上的连续滚动确定雷击点和保护范围,图3-4用滚球法确定雷击点,从上面的图可看出被雷击的点距下行先导的距离都等于ds，ds称为雷击距，即滚球半径。它是基于以下的雷闪数学模型(电气-几何模型)：,或简化为：,式中hr为滚球半径，I为与hr相对应的得到保护的最小雷电流幅值(kA)。,在电气几何模型中，雷先导的发展起初是不确定的，直到先导头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始定向。与hr相对应的雷电流按上式整理后为,在建筑物的防雷设计中，滚球半径的选择应采用建筑防雷设计规范推荐的数值，计算得到第一类防雷建筑物I=5.4kA，二类为I=10.1kA，三类为I=15.8kA。,滚球半径的大小取决于回击时雷电流幅值的大小，由于雷电流幅值是个随机量，则雷电流幅值变化时，滚球半径也随之变化。建筑物接闪器将能对该区域空间提供保护。对于强雷来说，其雷电流幅值大，相应的滚球半径就大，保护区就较大；对于弱雷来讲，其雷电流幅值小。例如图3-5，当滚球半径由ds2减小到ds1时，保护区将缩小，原先受到保护的B点将会与减小半径后的滚球相接触，从而由被保护点转变为雷击点。应用滚球法可以确定建筑物的空间受雷曲面。,图3-5保护区随滚球半径的变化,应用滚球法可以确定建筑物的空间受雷曲面，如下左图所示。将滚球沿建筑物屋面及突出的接闪器滚遍，其球心运动轨迹即构成了空间受雷曲面。当下行先导发展碰到该曲面时，将会击到该建筑物应屋面。用滚球法，可以方便地确定复杂形状建筑物上易受雷击部位，这也是滚球法一个显著优点。如图3-6表示在给定雷电流幅值所对应半径的球在给定外形尺寸的建筑物屋面接闪器（避雷网）上连续地滚动，遍滚球体所能触及到的地方，即为建筑物上易受雷击的部位，如图3-7阴影区。,图3-6建筑物的空间受雷曲面,图3-7复杂形状建筑物上易受雷击的部位的确定,第二节避雷针保护范围的计算一、单支避雷针的保护范围单支避雷针的高度不大于滚球半径hr确定避雷针保护范围的确定方法如图,其具体步骤如下：a、距地面hr处作一平行于地面的平行线；b、以避雷针的针尖为圆心，ds为半径画圆弧，该圆弧线交于平行线的A、B两点；c、分别以A、B为圆心，hr为半径画圆弧，这两条圆弧线上与避雷针尖相交，下与地面相切。再将圆弧与地面所围面以避雷针为轴旋转180，所得圆弧曲面圆锥体即为避雷针的保护范围。,图3-9单支避雷针的保护范围,图3-8单支避雷针的保护范围计算简图,避雷针在地面上的保护半径r0，可确定为：d、避雷针在hx高度的xx平面上和地面上的保护半径：,式中，ds为滚球半径，h为避雷针的高度，hx为距平面x处的高度，rx在高度为hx处的保护半径，各量的单位均为m。,单支避雷针的保护范围立体图,单支避雷针在hx高度的保护范围,例一：第二类防雷建筑物，计算单支避雷针的保护范围时，滚球半径为45m，避雷针的高度为8m，若避雷针离地高度为45m，求其保护范围？,图3-10单支8.0m避雷针的保护范围计算,例二：某公司在地面上有两台高2.35m的天线，相距3.6m，为了保护这两台天线，在其中间装一支避雷针，问此避雷针的高度应为多高?本例属第二类建筑物，滚球半径取45m，两台天线相距3.6m，避雷针设在中间，因此在2.35m的高度上避雷针的保护范围要大于3.62=1.8m才能保护这两台天线。,答：安装大于4高的避雷针就能保护这两台天线。,例三：假定该建筑物属于第二类防雷建筑物，高28m，屋顶长50m，宽10m，女儿墙高1m，屋顶中央架设了一根高8m的避雷针，不设避雷网、避雷带，求避雷针在建筑物顶部的保护范围。本例避雷针的实际高度为36m(28+8=36m)，小于滚球半径(45m)，屋顶离地高度为28m，计算避雷针在离地28m处的保护半径：,单支8.0m避雷针安装在屋面的保护范围,=44.141.7=2.4(m),在屋顶上敷设避雷网及在女儿墙上装避雷带，此时建筑物的顶部用避雷网、避雷带托住滚球，因此建筑物的顶部也成了“地”。如果在1m高的女儿墙上架设了避雷带，其结果如何呢？如在离避雷针距离为10m，高为1m的女儿墙上敷设了避雷带，如图所示，此时确定保护范围，还是以避雷针针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线；以交点为圆心，hr为半径作弧线，该弧线AF与针尖相交并与女儿墙的避雷带相切。避雷针至避雷带的一段弧线AF下的屋面就是保护区。,女儿墙上避雷带的作用,单支避雷针的高度hds的保护范围ds在避雷针上取高度为ds的一点代替避雷针针尖为圆心，其余的作图步骤同hds的情况。当hds时，避雷针的保护范围不再增大，并在其高出滚球半径的部分，即hds部分，将会出现侧向暴露区，在避雷针的该部分上将会遭到侧面雷击，CD和EF以外的部分就不在保护取。,图3-11hds单支避雷针的保护范围,二、双支等高避雷针的保护范围双支避雷针之间的保护范围是按照两个滚球在地面从两侧滚向避雷针，并与其接触后两球体的相交线而得出的。1、在避雷针高度h小于或等于滚球半径hr时，当两支避雷针的距离D时，滚球则可以在地面上从两针中间自由滚动，双支避雷针之间的保护范围应按单支避雷针的方法确定。,图3-12双支等高避雷针的保护范围,2、当D时，两针之间有共同的保护范围，应按下列方法确定。,图3-13双支等高避雷针的保护范围立体图（D）,ABCD外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定；在两针之间rx垂直平分线上（即C、E点的平分点），在地面每侧的最小保护宽度bo按下式计算：,该保护范围上边线是以中心线距地面hr的一点O为圆心，以为半径所作的圆弧AB。,图3-14双支等高避雷针保护范围的计算简图,o,两针间AEBC内的保护范围，ACO部分的保护范围按以下方法确定：在任一保护高度hx和C点所处的垂直平面上，以hx作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定（图3-15剖面图）。确定BCO、AEO、BEO部分的保护范围的方法与ACO部分的相同。关键是hx的计算。,图3-15双支等高避雷针的保护范围中的1-1剖面图,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hx按下式确定：半径为R的圆弧曲线AOB上任意一点F，假想在该点有一支避雷针，其高度为hx，F点就是避雷针针尖。由图3-16可知，圆弧曲线AOB的半径为：,即在圆弧曲线AOB上任意点F的高hx。,图3-16双支等高避雷针在hx高度的保护范围（在D小于hx高度的保护范围的情况,建筑物顶部突出屋面上避雷针长度的确定建筑物顶部突出屋面的部分是易受直接雷击的部位，常常要装避雷针加以保护，利用滚球法，可以确定所设避雷针的长度。建筑物顶部周边设有避雷带如图为某建筑物顶部的剖面，其左右对称，A为顶部周边屋檐处的避雷带（或可被利用做接闪器的金属物），B为需要保护突出屋面上的最外一点。只要保护到B点，即可实现对突施出屋面部分的保护。先分别以A、B为圆心，以选定的滚球半径ds为半径画两条圆弧，它们相交于C点，再以C点为圆心，以ds为半径，画圆弧交对称轴线于O点，则在O处设立一支避雷针长度确定针，其长度大于OO，即可实现对突施出屋面部分的保护。,图3-17建筑物顶部设避雷,例一：图3-18，一座旧建筑物为坡屋顶，屋长40m，宽8m，脊高5.5m，檐高3.5m，采用双支避雷针保护，避雷针装在屋脊上D=30m，针高5m。现用作桶装贮漆间或用作非桶装贮漆间时，该防雷设施能否对该建筑物进行保护？。,图3-18双支避雷针保护,解：1、用作桶装贮漆间时，为2区爆炸危险环境，可认定该建筑为第二类防雷建筑物，按双支等高避雷针的保护范围进行计算，原避雷两针之间的间距为D=30m，针高度为5+5.5=10.5m。,在两避雷针间的垂直平分线上，其上边线的保护高度：,5.5m（满足要求）,在山墙的屋脊部位hx=5.5m时，,在避雷针的垂直平分线位置，屋檐的hx=3.5m，虚拟避雷针的高度为7.38m时，,结论一：经计算，用作桶装贮漆间时，原有避雷针可满足要求。解2、用作非桶装贮漆间时，为1区爆炸危险环境，可确定该建筑为第一类防雷建筑物，按双支等高避雷针的保护范围进行计算，原有避雷两针之间的间距为D=30m，避雷针高度为10.5m。在两避雷针间的垂直平分线上，其上边线的保护高度计算,5.5m（不满足要求）,rx=,例二：如图所示，在一屋长60m，宽10m，脊高5.9m，檐高3.4m的混合结构房屋安装如图所示位置高12.3m的双支避雷针，该避雷针能否保护这一房屋？并画出平面保护图。,解：根据规范可认定该建筑物为第三类防雷建筑物，hr=60m，避雷针距建筑物山墙端部5m，房屋的脊、檐是最突出的部位，只要避雷针能够保护脊、檐，就对整个房屋起保护作用。,作图画出r1=16.48m保护范围；在h2=5.9m高度的保护半径：,在高度h1=3.4m时的保护半径：,结论：A、5.9m高度上的中段屋脊27.5710.44m，不在保护范围内；B、3.4m高度上的中段屋檐28.6516.48不在保护范围内；C、修改方案是：、加高避雷针；、改用避雷线。,作图画出两针在该高度r2=10.44m的保护范围。,28.65m,图3-19双支不等高避雷针保护范围的立体图,三、双支不等高避雷针的保护范围,、确定四支等高避雷针,图3-20四支等高避雷针方形布置时的保护范围,第三节避雷线保护范围的计算一、单根避雷线的保护范围当单根避雷线的高度h2ds时，避雷线没有保护范围；当单根避雷线的高度h2ds时，应分以下两种情况来确定避雷线的保护范围。A、hds时，避雷线的保护范围如图所示，在距地面ds处作一条地面的平行线，以避雷线位置为圆心，以ds为半径画圆弧交平行线于A、B两点。再分别以A、B两点为圆心画两条圆弧，这两条圆弧与地面相切并与避雷线相交，它们与地面所围面即为保护范围的截面。在距离地面hx高度处xx平面上的保护宽度bx，可由下式来计算：上式中各量的单位均为m。在避雷线两端的保护范围按单支避雷针的方法加以确定。单根避雷线完整的保护范域如图图3-21。,图3-21hds时避雷线的保护范围,B、dsh2ds如图所示，保护范围最高点的高度h0按下式来计算：其作图步骤同于hds时作图步骤。由图可见，当h2ds后，避雷线的保护范围不仅不增大，反而会随h的增大而减小。处在避雷线下方且高度大于h0的范围内将失去避雷线的保护，因为半径ds可以接触到这一范围内的空间点。对于多支避雷针和多根避雷线的保护范围，由于他们的作图步骤较繁，这里从略。,图3-22dsh2ds时避雷线的保护范围,避雷线在hx高度的xx平面上的保护宽度，按下式计算：,式中：bx避雷线在hx高度的xx平面上的保护宽度（m）；h避雷线的高度（m）；hr滚球半径，按各类防雷建筑确定（m）；hx被保护物的高度（m）。避雷线两端的保护范围按单支避雷针的方法确定，保护范围立体图见图3-23。,图3-23单根架空避雷线的保护范围,两根等高避雷线在高度小于hr时的保护范围立体图,二、两根等高避雷线的保护范围,三、建筑物顶设有避雷网如图所示，该图与上面的图类似，但其顶部面积较大，低屋面设置了避雷网。先在避雷网上方作一条平行于避雷网的水平线，两者之间的距离为ds，以突出屋面上最外一点B为圆心，画圆弧交水平线于C点。再以C为圆心，以ds为半径，画圆弧交对称轴于O点，则在O点设立一支避雷针。当设计长度大于OO时，确定避雷针的长度可实现对突出屋面的保护。,图3-24建筑物顶部设避雷网,第四节滚球法与其它方法确定防雷保护范围的比较过去许多年、世界各国在防雷设计中、多使用折线法、网格法、圆锥法等来确定避雷针和避雷线的保护范围。近些年来，人们通过理论研究和实践认为，滚球法是比较好的一种方法，大多数国家，现在都采用滚球法计算避雷针、线、网的保护范围。我国防雷设计曾多年使用折线法来确定避雷针和避雷线的保护范围，1994年颁布的GB500571994建筑物防雷设计规范规定采用滚球法来确定它们的保护范围。以下以避雷针的保护范围为例，对滚球法和折线法作一简单的比较。,A折线法右图为采用折线法来确定单支避雷针保护范围的示意，在高度为hx的水平面上，避雷针的保护半径rx按下式计算：式中rx、h、hx均以m为单位；p考虑避雷针高度对保护范围影响的系数，当h30m时p=1,当30mh120m图中按折线法确定避雷针的保护范围时P=5.5/。按折线法确定的避雷针保护范围实际上是一个以避雷针为轴线的锥体空间域，锥体的母线是由两条折线构成的。锥体在上半部分母线与轴线（避雷针）所夹的角称为保护角，由保护半径rx的计算公式可知：当h30m时，=45；当h30m（但不超过120m）时，随着h的增大，将减小。,按折线法确定避雷针的保护范围,B两种方法的比较为了简单的考察这两种方法所确定保护范围的差异，现对不同高度避雷针的情况加以讨论。如图所示，在该图中，滚球半径取为60m，这也是我国建筑物防雷设计规范中规定的上限值。由于避雷针的保护范围具有对称性，图中各图仅画了保护范围的一半图形。,滚球法与折线法的比较保护范围的作图比较（a）h=0.2ds；（b)h=0.4ds；(c)h=0.6ds（d）h=0.8ds；（e）h=ds；（f）h=1.2ds,第五节采用滚球法计算保护范围设计示例一、设计内容球法计算保护范围防雷设计包括：1、需要保护空间的确定建筑物的保护空间是根据建筑物易受雷击的部位、需要保护的部位、以及需要保护的设备在建筑物内外布置的位置等确定；2、接闪器设计其目的是控制落雷点。由雷电理论可知，不让雷云发生闪击是不可能的，防雷的任务是把闪击引导到无害的部位发生，避免发生在危险的部位。接闪器的作用实质上是吸引雷电，但更重要的是要安全地把雷电送走，这就需要良好的接地网，其中重要的技术是接地网的结构布置和接地电阻值。,下面以某综合教学大楼（图3-25）为例加以讨论。,图3-25综合教学大楼鸟瞰图,二、环境综述综合教学大楼位于南京北郊，建筑红线南北长约225米，东西宽约110米。场地为新开发的校区，综合教学大楼是位于旷野孤立的建筑物，南京市年雷暴日数35.1天/年。,图3-26综合教学大楼总平面图,总平面布局（图3-27）本建筑共分为三个部分。南北两个各自独立的教学楼和一个中部教学楼。南北教学楼首层架空作为自行车停车场。中部教学楼共六层。建筑三个部分用连廊贯通围合成多种“个性”空间。,图3-27综合教学大楼东立面图,三、防雷分类判断1、计算年雷击次数、综合教学大楼建筑每边的扩大宽度H1=18.0+3.0=21.0m；D1=61.3mH2=19.5+3.0=22.5m；D2=63.2mH3=21.0+3.0=24.0m；D3=65.0m,图3-28综合教学大楼楼层平面图,、综合教学大楼等效面积计算Ae1=63.22+2163.22=15194.3Ae2=（68+16）（61.3+8.1+29.1+16.5+6.3）2+56.7=25141.2Ae3=61.32=11805.1Ae4=（61.3+12）（29.1+16.5）2=6685Ae=Ae1+Ae2+Ae3+Ae4=58825.6=0.0588km2、预计雷击次数Ng=0.024Td1.3=0.02435.11.3=2.45（d/a）N=kNgAe=22.450.0588=0.288（次/a）经计算综合教学大楼预计雷击次数大于0.06次a，且属人员密集的公共建筑物，所以将该综合教学大楼划为第二类防雷建筑物。采用第二类防雷建筑物的防雷措施。,、确定滚球半径和接闪器的布置方式。由于该综合教学大楼确定为第二类防雷建筑物，所以布置接闪器采用45m的滚球半径。接闪器全部采用避雷针塔与屋面避雷带的组合方式。,图3-29综合教学大楼等效平面图,四、设计思路。教学大楼由五层的南北楼，六层的中楼三大部分组成，它们中间有二个不锈钢装饰球，是综合教学大楼的制高点，南北楼和中楼之间各有一条沉降缝。中楼既是整座建筑物的主体，又是制高点(有两个30m高的装饰球)，屋面的结构又比较复杂，所以我们先解决中楼；其次，根据中楼的接闪器情况，再分别设计南楼和北楼，将南北楼和中楼三部分的接闪器合成一个整体，使整幢综合大楼及屋面上中央空调设备处于接闪器的保护范围之内。,1、防雷装置布置的方案分析屋面可以利用作为接闪器的金属构件为不锈钢球塔上的避雷针、金属挑檐、屋面水冷机组的金属体。引下线：除屋面连接接闪器的引下线外，在相应的电缆竖井、电梯竖井、玻璃幕墙、各层等电位连接同样设置引下线。接地体：可利用基础承台与钻孔灌注桩内