滚球法及其应用的探讨

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1、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

2、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

3、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

4、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)、滚球法的计算方法第9页共9页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

5、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

6、针在h高度的平面XY上的保护半径r按下列计算：（1）式中：h—为滚球半径，第一类防雷建筑为30m，第二类为45m，第三类为60m为被保护物的高度。（5)避雷针在地面上的保护半径r为:2）2、避雷针高度h＞滚球半径h第9页共9页此时，在避雷针上截取高度的一点代替单支避雷针针尖作为圆心，其余的做法同前。3、说明从图2得r=r,从直角三角形BCE得：r=（3）从直角三角形BFG得y==（4）将r,y二表达式带入r=r则可推导出前面的（1）式关于其它几种情况的保护范围的表达式都可用几何方法加以推导，建筑防雷设计规范GB50057—94

7、中也作了详细说明。这里就不做一一介绍。但要特别说明的是下面一种特殊情况：当以上各种情况下的“地面上保护范围的截面”的外围线触及屋面上的接地金属物或其他金属物时（此时各图中的地面视为屋面上接地金属物或其它接闪器所处平面的延伸部分），则触及点处的保护范围仍按各相应的同样方法确定。当接地金属物或其它接闪器是处在上述外围线之内，且位于上述要保护部位的边沿时（如屋顶四周的接地金属栏杆或其他接闪器与屋顶中部高处的接闪器有时就属这种情况），则按以下方法确定所需断面的保护范围（见图3）第9页共9页1、以AB为圆心，为半径作弧线相交于O点；2、

8、以O为圆心，为半径作弧线AB，弧线AB就是保护范围的临界线。这种情况也是在实际防雷设计中最常见的情况。因为现代高层建筑物多采用钢筋混凝土结构和钢结构。裸露在建筑物外部的金属物、如钢筋、窗户都可以作为接闪器来进行防雷。具体应用将在下文的实例中反映。这种情况对滚球法比较适用，而对