滚球法及其应用的探讨

滚球法及其应用的探讨[摘要]为了深入理解我国现行《建筑物防雷设计规范》中滚球法确定接闪器的保护范围，文章通过对滚球法的基本理论、计算式的推导，在相同条件下滚球法与折线法所确定的避雷针（线）保护范围的大小进行比较和分析，并提出了进行防雷设计时应注意的问题，及其实际的应用。[关键词]滚球法折线法接闪器保护范围防雷装置建筑物防雷设计一、前言建造房屋以蔽风雨，是人类获得安宁生活的重要进步，但是它却不能遮蔽闪电。几千年来连神庙、佛塔、教堂都累遭雷击。历史上虽不乏能工巧匠，寻求避雷之术，但一直到近代科学技术阐明雷电性质之前，人们是无法躲避雷电的危害的。1752年，美国科学家富兰克林创造了世界上第一根避雷针。今天，避雷针成为建筑物和各种重要设施的行之有效的避雷设施。但在1777年5月15日那一天，伦敦附近普夫里特镇上的一座火药库因雷击而轻微受损。这座库房的避雷装置是由包括富兰克林在内的几位科学家设计的。出事之后，检查发现避雷装置完好无缺。这是他们第一次观察到避雷针保护范围的局限性。因此，人们从这一刻就开始探索怎样来确定接闪器的保护范围。直到近代，国际上许多国家的建筑物防雷标准相继采用折线法、滚球法作为确定接闪器保护范围的基本方法。我国沿用折线法十多年后，94年对规范进行了修订，《建筑防雷规范》（GB50057-94）采纳了滚球法。二、滚球法的介绍（一）、滚球法的基本理论知识滚球法它是以某一规定半径的球体，在装有接闪器的建物上滚过，滚球体由于受建筑物上所安装的接闪器的阻挡而无法触及某些范围，这些范围成为接闪器的保护范围。在此范围的空间之内的物体基本可以免遭雷击，但不是绝对安全的。滚球法的理论依据是以击距理论为基础，根据闪击距离（即放电距离）的大小确定避雷针、避雷线的保护范围。这种方法的保护机理是：当雷电先导达到对避雷针或被保护物的闪击距离以前，击中点是不确定的，而达到闪击距离时，避雷针或保护物就产生向上的迎面先导，雷电先导与迎面先导会合时就形成雷电的主放电，如果避雷针比被保护建筑先达到雷电的闪击距离，就能实现对建筑物的保护。这种理论通过了假定雷电极在不同高度并相对避雷针变化位置时的人工模拟放电试验的验证。滚球法确定保护范围的特点是保护范围由闪击距离决定，不同防雷设计的建筑物有不同的保护范围。（二)、滚球法的计算方法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；滚球法确定接闪器的保护半径的计算式，并没有统一的公式，它是根据避雷针（线）的不同布置情况来决定不同的计算式，如单支避雷针（线）、双支避雷针（线）、矩形布置的四支等高避雷针（线）的保护范围都具有不同的计算式，但我们都可以用立体几何的知识进行滚球法的计算。以下我们就以单支避雷针保护范围的确定为例，对滚球法确定接闪器保护范围的计算式及如何用立体几何的知识进行推导的过程加以说明：1、避雷针高度h滚球半径h此时，按下列方法确定保护范围：（1）距地面h处作一平行于地面的平行线，（2）以针尖为圆心，h为半径，作弧线交于平行线的A、B两点：（3）以A、B为圆心，h半径作弧线，该弧线于针尖相交与地面相切，以此弧线起到地面止就是保护范围：（对称的锥体）（4）避雷针在h高度的平面XY上的保护半径r按下列计算：略r附=爽(m)骗百慰选他秃（捕1劣）终伯梨式中：朵h泽—鸦嘉为滚球半径，纠第一类防雷建以筑趋为柔30m彩解，第二类柱为介45穷m添，第三类规为辈60m幼为被保护物的骨高度。爪（哈5极)擦避雷针在地面容上的保护半径旁r吼为贝:业(正m)护躁（坛2券）研2仁、避雷针高度夸h脾滚球半径腔h异此时，在避雷喉针上截取高度样的一点代替单爷支避雷针针尖敢作为圆心，其斗余的做法同前历。3、说明润从因图碗2草得饮r爪=r霞,验从直角三角衔形追BC恶E镜得：攀r扁=络饺牲怪统（队3婚）压从直角三角言形羞BF四G仁得估y=确=蒸心叮这征（杜4吼）骂将能r蝶,y爹二表达式带入紫r亦=r及则可推导出前洗面的捧（突1粱）式荣关于其它几种堤情况的保护范锁围的表达式都晌可用几何方法纷加以推导，建探筑防雷设计规桃范朵GB5005柄7韵—图9亩4繁中也作了详细杨说明。这里就教不做一一介绍泊。但要特别说拥明的是下面一核种特殊情况：啊当以上各种情互况下陕的弓“望地面上保护范塔围的截缘面瑞”喇的外围线触及劈屋面上的接地臣金属物或其他怕金属物时（此欢时各图中的地制面视为屋面上费接地金属物或激其它接闪器所筐处平面的延伸愚部分），则触宾及点处的保护幅范围仍按各相薄应的同样方法量确定。当接地们金属物或其它惠接闪器是处在创上述外围线之煌内，且位于上策述要保护部位廊的边沿时（如祝屋顶四周的接挣地金属栏杆或墓其重他接闪器与屋歉顶中部高处的羽接闪器有时就每属这种情况）扎，则按以下方浸法确定所需断近面的保护范围资（见殃图单3弃）金1拨、辜以借A止B仔为圆心，为半链径作弧线相交买于击O接点卸；虑湾缩蕉2牙、茧以考O捞为圆心，为半横径作弧闪线起A括B谨，弧润线吐A恰B嫌就是保护范围喘的理临胜突僚界线瓶。估静对麦拥凝锯江矿挺耳这种情况也是也在实际防雷设艺计中最常见的红情况。因为现蛇代高层建筑物冠多采用钢筋混杜凝土结构和钢隐结构。裸露在匠建筑物外部的爪金属物、如钢宏筋、窗户都可效以作为接闪器两来进行防雷。塑具体应用将在腔下文的实例中昌反映。这种情本况对滚球法比探较适用，而对昏折线法在有些沿情况下却不适朽用，例如，当透A透为避雷针，蓄B同为避雷带，用烫折线法时由于捡避雷针和避雷堆带的保护角不错同，不能用折匙线法来确定其警保护范围。下变文我们将对这违两种方法进行理分析比较蛛。蚁皇缺（烈三安)四、滚球法与折席线法的比较传：宣律浅珠菌腰1羽、滚球法与折掩线法确定避雷跪针（线）保护荷范围的理论依险据扣：算段类滚球法的理论等依据在前面已局经详细说明了康。拆线法理论担依据是以经验饲和小雷电冲击宏电流下的模拟桃实验为基础，晶确定避雷针的爪保护范围的。喂这种方法的保根护机理是：当甜雷电先导发展垒初期，随机的惯向任意方向发绞展。但当雷电劈先导到达某一稿地面高度时，员避雷针将会影举响先导的发展记方向，使先导肤放电场发生形靠变，并将先导蝴的发纳展方向引到避干雷针上，实现角对建筑物的保攀护。当避雷针耻（线）的高度宇超针过蚂3肺0军米丑是咐,迁应当记入高度延影响系乏数筹P梯（递P=5.5/遥）山坡上避雷凯针线的保护范闻围也相应的减霸小腾25星%通。呜2殊、滚球法与折母线法确定的保兼护范围的比较锣（袖1幅)淹第一类防雷建院筑物鄙对于第一类防丝雷建筑物，滚穷球法规定其滚控球半径返为求30题m床。当避雷针高同度没为源10睡m默以下时，相同渣高度的避雷针标用滚球法和折宅线法确定的保孕护范围基本相圾同；避雷针气为民30拼m立以下时，折线紧法比滚求法的秘保护范围大很释多；避雷针的方高度超取过程30青m黎时，折线法的兄保护范围随着屠避雷针高度的她增加（最高可沸达腐120兄m搂）继续增大，霸但滚球法的保护护范围不再增帖大。尖对于避雷线，黎高度挡为春10爪m倡以下时，滚球执法比折线法确渗定的保护范围始大；高度刘为床20款m劳以下时，滚球蚂法与折线法的者保护范围基本夺相同；高度硬为用30勤m见以下时，折线筛法比滚球法的景保护范围大；蓝避雷线的高度苦超帮过饥30胳m株时，折线法的筹保护范围随着冬避雷线高度的势增加继续增大喜，但滚球法的均保护范围则减辅小；当避雷针虫的高度慢为驾60举m殖时，折线法的愤保护范围达到正最大值，而滚物球法的保护范梳围减小蒸到湿0排。会（截2关)孔第二类防雷建挖筑物唐乎农对第二类防雷洁建筑物，滚球壮法规定其滚球联半径疮为柳45翼m租。当避雷针高茅度俯为关10陶m磨以下时，相同制高度的避雷针流用滚球法比折漠线法确定的保像护范围大；避三雷针认为勺20咸m列以下时，折线展法与滚球法的虫保护范围基本选相同；避雷针药为削40被m倒以下时，折线灾法比滚球法的宿保护范围大得械多；折线法糖的保护范围随友着避雷针高度怒的增加（最高源可土达盾120吨m裁）继续增大，拜但滚球法的保患护范围不再增幅大。第对于避雷线，熔高度广为桑20上m稻以下时，滚球厌法比折线法确勉定的保护范围忍大；高度凤为宇40里m汉以下时，折线笋法比滚球法的呀保护范围稍大笼；避雷线超蚂过串40袜m贷时，折线法的塔保护范围随着营避雷线高度的罢增加（最高可邀达胃160枣m屿）而增大，但掀滚球法的保护肯范围将减小。垂（撒3至)劈第三类建筑物继遗打滚球法规定其垦滚球半径蛾为膊60亿m讯。当避雷针高锦度停为昌20遇m膨以下时，相同冤高度的避雷针德用滚球法比用喝折线法确定的析保护范围大。安避雷针眉为裕30茄m仇以下时，折线下法比滚球法的汽保护范围要大可，避雷针延为角60淹m狡以下时，折线岭法比滚球法的谈保护范围大得圾多，折线法的话保护范围随着糖避雷针的高度侦增加（最高可兔达亦120勇m率）继续增大，拢但滚球法的保晚护范围不再增委大。纪抗差对于避雷线，忘高度奇为康30单m响以下时，滚球蕉法比折线法确超定的保护范围息大土，啦40妹m征以下时，折线抗法与滚球法的垦保护范围基本越接近感。牛60拦m谱以下时，折线携法比滚球法的漠保护范围稍大盈；避雷线高度朗超肝过似60旁m快时，折线法没川有保护范围，仙滚球法的保护坡范围将减小。狗通过对比可以滑看出：随着建洗筑物防雷等级异的下降，滚球霉法所确定的保妄护范围增大，辱而折线法确定茂的保护范围不箩变，第一、二众、三类防雷建役筑物避雷针高欲度分别框为辆10痕m渠、逆20烦m块、召30屯m箭以下时，两种章方法确定的保恋护范围相近，侨避雷线分别岛为押10洲m斑、任20枣m盯、背30垃m醒以下时，滚球供法比折线法的职保护范围大，披高度分别取为仰20早m可、盈30朝m侵、漠40建m丈以下时，两种梦方法的保护范衰围基本相同。械随着避雷针（溪线）高度的增穿加，折线法比惯滚球法的保护上范围大的越来凯越多。睡3测、滚球法与折绒线法确定的保改护范围的分闷析排斤（雾1差）、滚球法与同折线法所确定培的保护范围的休可靠性助滚球法与折线绒法是雷电理论宋、模拟试验和若雷击事故统计耳等的研究成果郊，它们所的保妈护范春围在一定程度己上是可靠的。换但是，由于它愚们都是雷电统颤计规律的反映付，因此所确定蝇的保护范围的道可靠性都是相叔对的而不是绝赶对的。绝大多滩数高度饥在齐6者0死米以下的建筑撞物避雷针的运驼行经验表明，更折线法确定的杂保护范围是可篮靠的。对淹于淋6免0疼米以上的避雷撕针，折线法没喝有考虑侧击的排影响。因此，慢折线法确定的牙保护范围过大仁，可靠性较差毙。慢一般地说，滚寺球法的保护范导围比折线法小翅，可以认为它府的可靠性比折免线法高。朋滚球法与折线拦法保护范围不宣同的原因；快a波、折线法没有荐考虑雷电侧击啄的影响。折线狱法在实验室的椒模拟试验，仅风仅作了雷电距粮离在避肥雷针高尖度群5今—恭1突0鸡倍时的放电实秃验，而没有考幻虑雷电先导从丙避雷针侧向发锁展且高度较低逐时，发生侧击子的可能。滚球她法是以闪击距萌离（滚球半径五）确定保护范师围的，不考虑堤雷电的放电位奋置，包含了雷馋电侧击的影响诵。这是造成滚技球法的保护范挂围比折线法小君的主要原因。东b绍、滚球法认为锡雷电对避雷针咱、避雷线、地裂面的闪击距离锐都相同。但是按，地面上物体拥的性质和形状够对雷电的发展退是有很大的影例响的。模拟实评验证明，湾棒筝—室—迈棒间隙与阿棒岸—瑞—牢板间隙的击穿朝场强相校差都10蹲%讽—侍16调%车，突棒晃—双—横棒间隙与接棒票—殖—聋导线间隙的击症穿场强也不相讯同，而腹棒询—截—库棒间隙，恐棒春—私—绝板间隙与联棒涂—鲁—补导线间隙放电变，分别相当于事雷电先导对避梁雷针，对地和魔对避雷针放电逢。运行经验也酬表明，避雷针在与避雷线的引度雷作用即屏蔽夏效果是不相同理的。这都说明花雷电对不同的昂物体闪击距离晕是不相同的，附这个因素是滚鞠球法确定的避胸雷针的保护范蒜围过小。也是牺滚球法与折线背法确定的避雷败针的保护范围奏差别很大，而救避雷线的保护常范围差别较小虑的原因。晴（疗2)践、滚球法与折纽线法的主要区旗别在于：边滚球法对不同崇保护级别的建档筑物，规定了献不同的保护范桐围，而折线法投没有对保护范鄙围进行区别。饶滚球法确定的挨避雷针（线）忽的保护范围，楼明确了建筑物器手侧击雷的危伍险性，而折线修法则没有这方锁面的考虑。对炮于相同高度的载避雷针与避雷候线，滚球法所俗确定的保护范覆围相同，而折想线法则不同。住滚球法没有考和虑山地与平原沫地区保护范围霞的不同，而折晴线法作了有关密规定。粥4勉、滚球法与折迈线法的优缺点伸滚球法的优点否是：保护范围阔严格，明确了脾建筑物手侧向族雷击的危险性据，限制了避雷永针（线）的使算用，促使人们线采用可靠性较粪高的避雷带（渗网）等防雷装胀置。缺点是避狮雷针与避雷带田的保护范围相六同，这与运行辨经验不符。响折线法的优点衔是吸：悦6释0扫米以下的避雷抚针保护范围较活实用，保护范蜻围也可靠。缺塔点是投对蜡6可0闪米以上的避雷系针保护范围不采如滚球法严格预。就由于新旧规范背中确定保护范殃围的方法不同驻，所确定的保早护范围也不同波，因此会给防尼雷设社计带来一些新拼问题，因此在亭防雷设计中应凉该注意以下几浮个问题。抹第一类防雷建温筑物用滚球法心确定的保护范揉围过小，除非油这些建筑物是酬低矮的，且面减积较小否则无中法用避雷针保抵护。对这类建躬筑物，建议采敢用架空避雷网剂进行防直击雷夸的保护设计。感由于滚球法对犹于高度超舍过筒6衔0池米的避雷针，兆其我6熟0箭米以上部分保余护角为零度，缺因此超高层建悬筑物不能使用浓避雷针（线）鼓作为防直击雷配的设计。舰避雷针（线）俭无法提供完全侵保护的空间范药围，因此在防列雷设计中多采厨用保护可靠性寨较高的避雷带宿、避雷网及利柄用建筑物结构疼钢筋作为防雷墨装置。食由于山区雷击如活动规律比较猴复杂，避雷针垮（线）的绕击暗率较高，因此兵应首先采用避距雷带、避雷网权等做防雷装置掀，如使用避雷桥针、避雷网等锣防雷时，应适灭当缩小其保护蓝范围，以提高诚可靠性。三、实例分析狭以下就以一个滚实际建筑的防捕雷设计分析为苍例，综合利用锣以上所提各条楚进行分析。装[想建筑物概摩况寨]辆锦华大厦为一谎幢综合大楼，篇该建筑总面积怠为一笼万医敞五百多平方米宫，每层层高群为寇3.恩3缴米，淘共途1墓1嘱层，燕长燥2蚊0鼠米，宽墙为障2旧0吨米，在该建筑秀的顶部有一水答池，疮高骤5之米，娱长教5气米，啊宽沈5次米。在该建筑礼的右侧有一幢扁高旁1永2欢米，号长第8赌米，欣宽申1晕0夸米的建筑与它革相连接。（见霸图树4浮）垫对以上建筑进燃行防雷设计：敲建筑的总体情亿况分析：燥该建筑伪高粗36.3嗽m燕为高层建筑，纪该建筑按防雷抱要求属于第二灶类建筑。该建盛筑采用的是钢鸟筋混凝土结构冶，可利用钢筋防构架作为钢筋显混凝土建筑物喜的防雷设计。腐那么利用建筑珍物的钢筋构架倦作为防雷装置冠让雷直接打到姻建筑物上，会听不会引雷入室哥，危害人身和陷设备的安全呢寺？回答是否定蚊的，只要建筑异物考虑了接闪锋、分流、均压煤、屏蔽、接地尾和布线六项主渡要因素，就能奋做到安全防雷者。检（一）、接闪骗器的选择和布怨置避雷针融根据规范规定坛，该建筑采用廉针降长奋2府m同，圆钢直径不须小侨于筹16m较m席钢管直径不小柴于庸25山m茶的避雷针。避提雷针设置在水疾池顶部正中央屈。粉根据滚球法对护避雷针的保护烟范围进行计算程：踪因为想：饭h=43.3愧mh菊=45m篮h陡=12m蓄根据公式闹（灭1授）骂得谅r缴=14.3扛6m肠而实际值为玩：恐哲r丑=惩12.5+8撇=20.5m傲即理论值小于须计算值，所以兼裙房不能得到恩完全保护，所盖以要在裙房上维安装避雷带。翻在地面上的保戏护半径，由公从式气（宣2敬）可得好r疾=44.96握m者20.5m煌，所以，地面表上的保护半径畏已经达到要求折。避雷带热我国新修订的仰建筑物防雷规炭范中明确提出仅高度超焰过鸡3取0墓米的建筑物要勇注意防侧击雷走，因此，需在君主楼和裙房上煮都安装上避雷笼带。根据规范牺，该建筑要求笔避雷带沿女儿碗墙、屋脊、屋盟檐和檐角等易弃受雷击的部位裤敷设，应在整挤个屋面组成不与大茶于翼10磁m筒的网格，其材岸料采用直洽径辟8接米垦获爽1身0恋米的镀锌圆钢乒。为避免接闪站电流的振动力道可将避雷带支袋起土1形0极—革20c怖m蛋，其间距不应帖大系于沟1.汉5尾米。避雷网殿该建筑物采用榜钢筋混凝土结拌构，其梁、板茧、柱及基础内呜均有大量的钢裙筋，且都是绑蜜扎或焊接联结诊的，其整体建醒筑构架根据法属拉第原理形成抽一个等电位系蔑统称之为笼式烧避雷网。该建悦筑就采用这种进暗装避雷网作斑为该建筑物的探防雷装置。他跳这种笼式避雷阔网比独立避雷贯针有较大的固揪有电容，遭受洁雷击时它所产芹生的电位差显热著的减低。具阔体做法为：利蹦用建筑物混凝炭土内部的结构摩钢筋作为笼式榆避雷网时，设赵计要求建筑物屯内部的所有金坝属物体构成统魂一的电气导通权系统，并要连僚接到接地装置狗上。因此出建寸筑物本身的梁油、柱、墙及楼妨板内的结构钢使筋要互相连接易外，建筑物内冒部存放的大型淹金属机械设备塔、电气设备、初暖气炉片、变震压器的零线，报各种电机外壳徒及相互联通的桨金属管线等都堆必须构成电器坦的连接。桨（二）、引下暮线的分流性能茂引下线的作用锣是将避雷带或喘避雷网接闪的塘电流传到接地途装置上，所以纸设计时应尽可吹能考的虑从接闪起到剪接地体之间引剖下线的路应尽艺可能短而直。素该建筑选用混竖凝土柱结构的汤钢筋主筋作为塑引下线，正适熄合导线短而直骂的要求。同时妥该建筑物屋顶羊设置的避雷网步应与引下线连假接成网，以减练少整体防雷引扁下线的电感，蜘利用雷电流的眯分流，焊接点拒要光滑并作防恼腐处理，以避您免雷电经过时地，焊接点融化极喷射火花而引邪起火灾。引下冤线与各层的等循电位联结母线蛾相连，可使室袄内反击电压显撤著降低。觉（三）、接地缩方式的选择与鹅布置惜接地装置其散秒流作用，其性保能取决于它的旅结构形式布局我和材料，即取油决于它的实际易散流电阻值。乌大厦打下的基戚础管桩，由于绍埋的深，电阻脊值小且稳定，麻是良好的接地另极。基础钢管猛桩的上部用裸艇钢绞线一圈圈君连接起来，圈女连圈、圈套圈殊。这种周围式绩接地方式优越妙于独立式接地晌方式。同时大雅厦与裙房的接宗地既要连成一疫体。苍（四）、均压临和等位联结燥为保证该建筑恭物内部不产生自反击和危险的益接触电压、跨颗步电压，应当厕使建筑物的地巾面、墙面和金餐属管、线路等崭处于同一电位矮，该建筑物应初在各层的适当曲位置预埋与房打屋结构内防雷悼导体相连的等畜位连接板，以诉便与主干线相境连。同时必须包考虑在建筑物读伸缩缝、沉降托缝和抗震缝等缓处做防雷跨越哥导线。汁（五）、合理隶的屏蔽措施冶该建筑为综合副大楼，楼内可昨能有微电子设屠备，而作屏蔽除的主要目的是乖对微子设备的躲保护。不管是付该建筑物遭到暂雷击、还是远奥处的建筑物或停空中发生雷击桨，都会产生类塑电磁脉冲侵入渔建筑物中。应旬此，对该建筑业物房间采取屏西蔽措施，使该仇建筑物内的仪赚器处于无干扰开的状态。同时煤，为防球雷的勒进入，将门窗卷的金属框接地嘴和加金属网即普可。埋（六）、合理丢布线与进线保座护伐为达到防雷的恳目的，我们认套为建筑物内非挪防雷系统的各劫种电气线路宜件采用铁管穿线矿，因为铁管的闭屏蔽效果最好纯，防止反击事殊故的能力强，蛙适用于各种建蜂筑结构。由于担作为引下线的捡钢筋混凝土柱始子内的的钢筋痛和全楼的屏蔽察网都在外墙处些，雷电流由此雷处钢筋引到接伶地装置上，所泪以外墙处雷电悬流密度大，其保周围电磁场强石。因此