小议某泄水闸建筑物防雷设计

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摘要：本文对某泄水闸建筑物屋面的防雷电的措施等的设计作出详细说明，通过两种防雷范围计算方法初步证明设计方案的合理性。

关键词：防雷、保护范围、接闪装置

中图分类号：TU856文献标识码： A

一 泄水闸及建筑物的防雷概况

泄水闸启闭机廊桥建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类。本工程泄水闸廊桥建筑物计算年预计雷击次数为N=0.032次/a＜0.25次/a，划为第三类防雷建筑物。滚雪半径为60米。

泄水闸启闭机长廊长296.3m，宽8.215m，高8.7m，中间共19孔，西电站侧设5.2m×5.2m的三层高塔楼,东电站侧设14m×8.215m检修间。根据拦河坝长廊长而窄的特点，设计中采用半坡屋顶与全坡屋顶相结合的方式。

第三类防雷建筑物外部防雷的措施采用装设在建筑物上的接闪带及接闪杆组成的接闪器。接闪带及接闪杆沿屋角、屋脊和檐角等易受雷的部分敷设。泄水闸长廊屋面如下图所示：

图1-1泄水闸平面示意图

图中各高程均为珠基高程，闸底板地面高程为7.8米，以此作为计算地面的基准高程。西岸高塔屋顶高程为31.15米（距地面23.35米），四座景观塔楼屋顶高程为28.984米（距地面约21.2米）。根据建筑物屋面的布置，在屋面屋脊和檐角布置接闪带，利用Φ10热镀锌圆钢采用焊接固定水平及斜面敷设时支架间距为1米，转弯处为0.5米。外露高度为0.15米。

在5处塔楼屋面顶端布置接闪杆（避雷针），利用Φ16热镀锌圆钢在顶部安装，高度待计算。需要被保护的高度为屋面通道高程为23.2米（距地面约15.4米）和交通桥桥面高程15米（距地面约7.2米），其中交通桥外侧距接闪杆中心线的水平距离为10.5米。

二 防雷计算方法的选择

计算室外防雷设施的保护范围，常用方法为折线法和滚球法。

1 滚球法

滚球法是一种计算接闪器保护范围的方法。它的计算原理为以某一规定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，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，把这些范围认为是接闪器的保护范围。

该方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；我国在正实施的《建筑防雷设计规范》（GB50057-94）开始（现已更新GB50057-2010）采纳了“滚球法”。其计算首先规定以下几个条件：

1）滚球半径为R（根据GB50057-94可选30、45、60m，分别对应第一、二、三类防雷建筑物）。

2）地面无论坡度θ多大均为绝对平面。

3）避雷针高度H指针尖竖直至地面的距离，针尖以下部分均视为接闪器。针杆均为竖直安装，即避雷针与竖直轴重合。

2 折线法

折线法在电力系统又称为“规程法”，即以避雷针（接闪杆）的保护范围是一个避雷针为轴的折线圆锥体。《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）标准规定了折线法的计算方法。

3 两种方法的比较

滚球法好处在于由立体几何的知识即可进行"滚球法"的计算。借助某些软件在计算机上可以使计算的过程及计算结果的表述变得更加简易。内容形式更加丰富，复杂的场景可通过计算机建模来编程运算。

折线法的主要特点有设计直观，计算简便，节省投资，但是不适用与较高的建筑物。

目前，在电力行业的变配电所和电力线路防雷保护仍然惯用传统的折线法，而建筑行业等已经采用更为精确的滚球法作为防雷保护范围的计算方法。

本工程的防雷保护主要涉及建筑物及其内部各电气设备防止直击雷电的保护，因此采用滚球法作为计算的主要方法，并利用折线法验算结果。

三 滚球法计算接闪杆的保护范围和高度

由于西岸高塔屋面高于其它四处观景塔楼屋面，因此接闪杆的保护范围计算分为两种：两支等高接闪杆的和两支不等高接闪杆的。计算步骤为：1）先按照经验设定接闪杆的高度；2）根据公式计算出各关键建筑物高度的保护范围；3）复核接闪杆高度是否满足工程要求，若不满足重新设置接闪杆的高度。

1 两支等高接闪杆的保护范围

两支接闪杆的距离。设接闪杆的高度为，在满足判定单支接闪杆在hx为7.2米的高度xx’平面上的保护半径按公式（3-1）计算：

，（3-1）

，46.27（m）

确定在7.2m平面的保护范围截面图。以单支接闪杆的保护半径rx（17.8m）为半径，以A、B为圆心做弧线与四边形AEBC相交；以单支接闪杆的r0-rx（28.47m）为半径。以E、C为圆心做弧线与上述弧线相交（图中细点划线）。作图如下：

图3-1 闪杆保护范围计算示意图

说明当两支等高接闪杆高度为21.8m时，在高度为7.2m的交通桥在两针之间没有保护范围。

继续作图会发现，若为了满通桥全部在保护范围的话，接闪针的高度需要在26.2米，即接闪杆长度为5米。保护范围如下图示：

图3-2 闪杆保护范围计算示意图

接闪杆长度设定5米是极不合理的，与建筑物的整体不协调，在抗风力作用下稳定性差。在工程设计中不采纳该计算结果。

实际上，上述计算仅为接闪杆的作用，加上在屋面屋脊和檐角布置接闪带的保护范围（接闪带高度为15.55m，每个点在7.2m的交通桥的保护半径为11.5m，点面连成线面），在两支等高接闪杆之间的交通桥均在接闪杆、接闪带的保护范围内。

计算高度为15.4米屋面通道的保护范围。人在通道走过时，头顶一般会高出接闪带（15.55米），因此屋面的接闪带在屋面通道没有保护范围。按照上面计算当两支等高接闪杆在屋面通道的保护范围。

即长度为0.6米的接闪杆在廊桥屋面通道面上没有保护范围（塔楼屋顶宽约7.5米）。因此在雷雨天，人员应禁止在廊桥屋面通道上逗留，避免遭受雷击危险。

2 两支不等高接闪杆的保护范围

两支接闪杆的距离。设接闪杆A的高度为h1（），接闪杆B的高度为h2（），在满足判定条件D小于时，接闪杆的保护范围按下列方法确定。

AEBC外侧的保护范围，按单支线接闪杆的方法确定。

B接闪杆在hx为7.2米的高度xx’平面上的保护半径按公式（3-1）计算：

，（3-1）

，47.96（m）

2）CE线或HO’线的位置按公式（3-2）计算：

（3-2）

3）确定在7.2m平面的保护范围截面图。以单支接A、B接闪杆的保护半径rx（17.8m及23.43）为半径，以A、B为圆心做弧线与四边形AEBC相交；以A、B接闪杆的（r0-rx，）分别为半径。以E、C为圆心做弧线与上述弧线相交。

说明当两支不等高接闪杆高度为21.8m和23.95m时，在高度为7.2m的交通桥在两针之间保护范围，每侧最小保护宽度约为5.8m。基本满足防雷的要求。

四 折现法验算接闪杆的保护范围和高度

1 验算两支等高接闪杆的保护范围

已知接闪杆的高度h为21.8m，两支接闪杆的距离。

1）两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧确定，圆弧的半径为点为假想接闪杆的顶点，其高度按公式（3-3）计算：

（3-3）

P为高度影响系数，

得到，两针间保护范围上部边缘最低点高度为10.96m，即廊桥屋面（高程为15.4m）没有保护范围，验算结果相同。

2）两针间（7.2m）水平面上保护范围的一侧最小宽度按照“两等高h接闪杆间保护范围的一侧bx与D/haP的关系”图确认。

查图表得：约为0.56，即为8.2米。

得到：在高程7.2m处，接闪杆的保护半径为8.2米，未能满足地面每侧的最小保护宽度10.5米的要求。

2 验算两支不等高接闪杆的保护范围

两支不等高接闪杆的保护范围先按单支接闪杆的计算方法，先确定较高接闪杆1的保护范围，然后又较低避雷针2的顶点，作水平线与接闪杆1的保护范围相交于点3，取点3为等效接闪杆的顶点，再按等高接闪杆的计算方法确定接闪杆2和3间的保护范围。

图3-3闪杆保护范围计算示意图

通过接闪杆2、3顶点及保护范围上部边最低点的圆弧，其弓高按公式（3-4）计算：

（3-4）

结果说明，两针之间的保护范围约在高程15.4面上，即廊桥屋面（高程为23.2m）处没有保护范围，验算结果与滚球法结果一致。

计算bx值，同上查表得：约为0.71，即为10.4米。

得到：在高程7.2m处，接闪杆的保护半径为10.4米，基本满足地面每侧的最小保护宽度10.5米的要求。

五 小结

综上所述，滚球法与折线法在计算防雷保护范围基本一致，滚球法的精确度更高一些。相比较而言，用折线法计算的裕度更大。

按照上述计算结果，布置廊桥屋面防雷设施理论满足建筑防止雷电（闪电）侵入的要求，下一步待建成后接受大自然的检验。

参考文献

[1] 工业与民用配电设计手册/中国航空工业规划设计研究院等编.北京：中国电力出版社，2005 ISBN 7-5083-3034-X

[2] GB 50057-2010，建筑物防雷设计规范.北京：中国计划出版社出版，2011

[3] 建筑物电气装置500问/王厚余编著.北京：中国电力出版社，2008

[4] 全国民用建筑工程技术措施 电气/建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究所编.北京：中国计划出版社出版，2003.2

田荔丽（1983-12）女河南唐河人本科中级工程师从事水利电气设计