防雷装置的保护范围

防雷装置的保护范围是指防雷装置保护其对象，被雷电击中的概率在0．1％以下的范围。

在防雷装置中，只对避雷针和避雷线确定其空间保护范围，而避雷网和避雷带，因为是直接设在建筑物表面上，已构成了确定的平面保护范围，不须要再计算确定。避雷针、避雷线的保护范围与布局形式和高度有关。避雷针、避雷线的布局形式取决于被保护物的结构尺寸(高度和面积)，通常有单支、双支、三支等高，双支不等高避雷针和单根、两根平行等高，两根平行不等高避雷线等布局形式。

避雷针和避雷线的保护范围确定方法有两种，一种是折线圆锥体法，另一种是滚球法。对于同一结构的避雷针和避雷线，滚球法比折线圆锥体法核算的保护范围要小些，即滚球法比折线圆锥法对避雷针和避雷线的保护作用要求更严格一些。

一、避雷针的保护范围

(一)单支避雷针的保护范围的确定

1．单支避雷针折线圆锥体法保护范围的确定，按下式计算：

r0＝1．5h(m)

式中：h——避雷针的高度(m)。

r0——避雷针在地面上的保护半径

hr 高度为 x水平面上的保护半径x

1

当hx≥2h时 hx=k(h—hx)

1

当hx≤2h时 rx=k(1．5h—2hx)

式中：k——高度影响系数

h≤30m， k=1； 30m如图5—10所示，为单支避雷针的折线圆锥体确定保护范围，其作图方法是：作避雷针的水平底线，在底线中点作长度避雷针高度h的垂线；从针的项点向下，按避雷针保护物防雷要求角度(一般为45°)，作斜线至1/2h处。即构成圆锥体的上半部分；在底线上取距避雷针1．5h的点，向上作斜线与前一斜线在1/2h处相交，即构成了折线圆锥体。

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图5—10 单支避雷针折线圆锥体法的保护范围

某一高度hx的保护半径．则作高度为hx的水平线共XX′相交于圆锥体母线，避雷针至交点的水平距离即为该高度的平面保护半径rx。

依据地面保护半径r=1．5h和hx水平面上的保护半径rx，可作出单支避雷针保护范围的俯视图。

通过上述作图可以看出，高度一定的单支避雷针随着保护平面的升高，避雷针的保护范围减少，要想增加其保护范围就必须增加避雷针的高度。另外，为使单支避雷针的保护空间得到充分利用，单支避雷针应安装在被保护物的纵向；单支避雷针与被保护半径物的最短距离，在符合安装规定的情况下，应尽量靠近建筑物。 2．单支避雷针滚球法保护范围的确定：

滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物)或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物)而不触及需要保护的部件时，则该部件就得到接闪器的保护，见图5—11。

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图5—11 单支避雷针滚球法的保护范围

滚球半径hr的取值与建筑物防雷类别有关，第一类防雷建筑物的滚球半径hr规定为30m，第二类防雷建筑物的滚球半径hr规定为45m。

(1)避雷针高度h≤hr时；

①距地面hr处作一平行于地面的平行线；

②以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；

③以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；

④避雷针在hr高度为XX′平面上的保护半径rx为避雷针轴线至锥体母线交点的水平距离，可按下列公式计算：

rx=h(2hr−h)−hx(2hr−hx)

式中：rx——避雷针在hx高度的XX′平面上的保护半径(m)； hr——滚球半径(m)；

hx——被保护物的高度(m)。

(2)当避雷针高度h>hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖为圆心，其余的作法同上。

(二)双支等高避雷针的保护范围

1．双支等高避雷针折线圆锥体法保护范围的确定

双支等高避雷针的两针外侧的保护范围按单支避雷针确定，两针间的保护范围，应通过两针的高度h和两针间的距离D确定。

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两针之间保护范围边缘最低点的高度计算式为：

D

当h≤30mm时， h0=h—7

D

当h>30mm时， h0=h—7k

式中：h——避雷针的高度(m)。 D——两针间的距离(m)。

h0——两针间保护范围边缘最低点的高度(m)。 k——两度影响系数、取值同单支避雷针。 两针间在XX′平面上中心线每侧的最小保护宽度为：

bx=1．5(h—hx)

0

式中：bx——两针间在h高度的XX′平面上中心线每侧的最小保护宽度(m)。

由计算式可以看出，当两针之间距离增至D=7kh时，h0=0，两针间不再构成联合保护范围。因此，两针间距离D不宜过大，一般情况下，两针间距离与针高之比D／h不宜大于5。

如图5—12所示，为双支等高避雷针的折线圆锥体法确定的保护范围，方法为：(1)作避雷针水平底线，在水平底线上确定两针距离D，作出高度为h的两针垂线及两针距离中点处高度为h0=h—d/7k(k值同单支避雷针)的垂线OO′，通过两针顶点作AOB弧线。其O点为两针间保护边缘的最底点，h0是两针间保护范围边缘最低点的高度。(2)上图中的右边、以h0为高度，以1．5h0为地面保护半径，作假想避雷针保护范围的OO′截面圆锥图。(3)在图上，作高度hx的XX′水平面，得出hx高度的XX′平面上的保护半径rx和两针中线每侧的最小保护宽度bx。(4)作以两针为圆心，rx为半径的圆与两侧宽度为bx的两针中心线端点相切，即为双支等高避雷针在高度为bx的XX′平面上的保护范围。

图5—12 双支等高避雷针折线圆锥体法的保护范围

2．双支等高避雷针滚球法保护范围的确定

双支等高避雷针的保护范围，在h≤hr的情况下，当两支避雷针之间的水平距离D≥2 h(2hr−h)时，由于两针之间形成不了联合保护范围，各支避雷针的保护范围按单支避雷针的方法确定；当D<2 h(2hr−h)时，两针之间形成了一定的联合保护范围，见图5—13。

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图5—13 双支等高避雷针滚球法的保护范围

双支等高避雷针保护范围的确定方法是：

(1)AEBC外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定。

(2)C、正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按下列公式计算：

2

b0=CO=EO=h(2hr−h)−(D/2) 在AOB轴线上，距中心线任一距离X处，其保护范围上边缘的保护高度hr按下列确定：

hx=hr−(hr−h)+(D/2)−x

222

实际上，该保护范围上的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。

(3)两针间AEBC内的保护范围，ACD、BCO、AEO、BEO各部分是类同的，以ACO部分的保护范围为例，按以下方法

h确定；在任一保护高度x作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定(见图5—13“1—Ⅰ剖面图”)。

(三)双支不等高避雷针保护范围

1．双支不等高避雷针折线圆锥体法保护范围的确定

双支不等高避雷针的两针外侧的保护范围按单支避雷针确定，两针间的保护范围，应先按单支避雷针规定的方法作出较高避雷针的保护范围，(如图5—14所示)然后经过较低避雷针的顶点B作水平线相交于较高避雷针保护范围的A′点，取A′点作为一支等效避雷针的顶点，BA′之间的保护范围按双支等高避雷针的方法确定。其最低点高度为：

h0=hB—D′／7k

式中：hB——较低避雷针的高度；

D′——较低避雷针与等效避雷针之间的距离。

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图5—14 双支不等高避雷针折线圆锥法的保护范围

2．双支不等高避雷针滚球法保护范围的确定

双支不等高避雷针的保护范围，在h1≤hr和h2≤hr的情况下，当D≥

h1(2hr−h1)+h2(2hr−h2)时，各支避雷针

的保护范围按单支避雷针的方法确定；当D图5—15 双支不等高避雷针的保护范围

其保护范围的确定方法：

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(1)AEBC外侧的保护范围。按照单支避雷外的方法确定。 (2)CE线或HO′线的位置按下列公式计算：

D1=[2hr(h1−h2)−h+h+D]/2D

(3)在地面上每侧的最小保护宽度按下式计算：

2122

2

b0=CO=EO=h1(2hr−h1)−D

在AOB轴线上，A、B间保护范围上边线按下列公式确定：

21

hx=hr−h−h1(2hr−h1)+D−X

2r21

2

式中X为距CE线或HO′线的距离。实际上，该保护范围上边线是以HO′线上距地面hx的一点O′为圆心，以

h−h1(2hr−h1)+D为半径所作的圆弧。

2r21

(4)两针间AEBC内的保护范围，ACO与AEO是对称的，BCO与BEO也是对称的，以ACO部分的保护范围为例，按以下

hh方法确定：在x和C点所处的垂直平面上，以x作为假想避雷针，按单支避雷针的方法确定，如图5—15“Ⅰ-Ⅰ剖面图”

(四)多支避雷针保护范围

1．多支避雷针成直接布置时，应区别等高或不等高两种情况，分别按双支等高或不等高避雷的方法，两两组合确定其保护范围。

2．三支避雷针形成三角形布置时，应区别等高或不等高两种情况，其三角形内侧保护范围，按相邻两支等高或不等

b高避雷针的方法确定；如各相邻两支避雷针的最小保护宽度x≥0时，则全部面积均受到保护。见图5—16。

3．四支及四支以上避雷针形成四角形或多角形布置时，可先将其分成两个或几个三角形，然后按三支避雷针成三角

b形布置的情况，确定其保护范围；如各边的最小保护宽度x≥0时，则全部面积均受到保护。

图5—16 多支避雷针保护范围

例：某仓库有一栋地面库房见图5—17，原已在库房后墙距墙5m处安装了一支高为20m的避雷针，试校核该库房是否在避雷针的保护范围内?若未被保护可采取什么措施?

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图5—17 地面库的形状及尺寸

解1：校核避雷针的保护范围

根据避雷针尺寸和库房尺寸，见图5—18。

图5—18 库房避雷针保护范围图

由图可知，在hx=9m(屋脊高度)的水平面上的屋角和hx=5m(屋檐高度)的水平面上的檐角，均未在该避雷针的保护范围内，即该库房不能全部受到避雷针的保护。 解2：采取加高单支避雷针的措施保护库房

(1)hx=9m时，按屋角被保护的半径hr确定单支避雷针的高度。

已知避雷针设置在后墙5m处，避雷针每侧的库房长度为31／2=15．5m，避雷针至屋脊线的垂直距离为10m。 由三角形定理求避雷针至屋角的半径为：

22

rx=15.5+10=18.45m

由hx≤1/2h时，rx=1．5h-2hx可求出避雷针高度h为：

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h=(rx+2hx)/1．5=(18．45+2×9)/1．5=24．3m

(2)hx=5m时，按檐角被保护的半径rx确定单支避雷针的高度。

已知避雷针每侧的库房长度为31／2=15．5m，避雷针至前屋檐线的垂直距离为15m。由三角形定理求避雷针至前檐角

r的半径x为：

rx=15.5+15=21.05m

由hx≤1/2h时，rx=1．5h-2hx可求出避雷针高度h为：

22

h=(rx+21h)/1．5=(21．57+2×5)/1．5=21．05m

若要使库房全面受到保护，避雷针的高度应取上述两个极点计算值的较高者。即单支避雷针的高度为24．3m，考虑

到一定的保险系数，可再加0．5～1m的余量，该避雷针的高度应按25m设置。 解3：改用双支等高避雷针保护库房 (1)确定避雷针的安装位置

为了避免产生雷电反击现象和在库房得到保护的前提下使避雷针的高度最低，双支等高避雷针应分别安装在库房两山墙的外侧且离开库房5m处。

(2)确定两针之间保护边缘最低点的高度h 由题设库房尺寸可知

hb 在屋檐高度x=5m的平面上，每侧的最小保护宽度x=10/2=5m。 由公式：bx=1．5(h0—hx)

求出：h0= hx/1．5+hx=5/1．5+5=8．3m

在屋脊高度hx=9m的平面上，屋脊为一条直线，其最小保护宽度应满足bx≥0 由公式bx=1．5(h0－hx)可知，当bx≥0时，则h0≥hx=9m。

依据上述，两避雷针之间保护边缘最低点的高度h0应取其中较高者，即h0≥9m。

(3)确定避雷针高度h

已知：两针间距离D=31+2×5=41m。 取h0=9m，高度影响系数k=1 由下式计算避雷针高度 ∵ h0=h－D/7k

∴ h=h0+D/7k=9+41/7×1=14．9mm

考虑到一定的保险系数，可再加高0．5～1m的余量，取该双支等高避雷针的高度为15．5m为宜。 二、避雷线保护范围

(一)单根避雷线保护范围

1．单根避雷线折线圆锥体法保护范围的确定，见图5—19。

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图5—19 单根避雷线折线圆锥体法的保护范围

避雷线在地面上投影线每侧的最小保护宽度，按下式计算：

b＝1．2h 式中：b——避雷线在地面上投影线每侧的最小保护宽度(m)。 h—避雷线最大弧垂点的高度(m)。

避雷线在hx高度上的XX′平面上投影线每侧的保护范围按下式确定。 当hx≥1／2h时， bx=0．7(h－hx)k

当hx<1／2h时， bx=(1．2h—1．7hx)k 单根避雷线端部的保护范围以bx为半径作半圆弧。 2．单根避雷线滚球法保护范围的确定

单根避雷线的保护范围是当避雷线的高度h≥2hr时，无保护范围；当避雷线的高度h<2 hr时，保护范围见图5—20。

在确定架空避雷线的高度时要考虑弧垂的影响，在无法确定弧垂的情况下，可考虑架空避雷线中点的弧垂为：当等高支柱距离小于120m时的中点弧垂为2m，距离为120～150m时的中点弧垂为3m。 图5—20中确定单根避雷线滚球法保护范围的方法是：

图5—20 单根避雷线滚球法保护范围

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(1)距地面hr处作一平行于地面的平行线；

(2)以避雷线为圆心hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；

(3)以A、B为圆心hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切并与地面相切。从该弧线起到地面止就是其保护范围； (4)当2hr＞h＞hr时，保护范围最高点的高度h0按下列公式计算：

h0=2hr—h

(5)避雷线在hx高度XX′平面上的保护宽度，按下列公式计算：

bxh(2hr−h)−hx(2hr−hx)

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(m)； hx——被保护物的高度(m)。

D

当h≤30m时， h0=h—4

(6)避雷线两端的保护范围按单支避雷针的方法确定。

(二)两根平行等高避雷线保护范围

1．两根平行等高避雷线折线圆锥体法保护范围的确定

两根平行等高避雷线的外侧保护范围按单根避雷线确定。两线间的保护范围如图5—21所示。应通过两线最大弧垂点A、B和中心O的圆弧确定，O点是两线间保护范围边缘的最低点，其高度h0应按下式计算。

D

当h＞30m时， h0=h—4k

式中：D——两线间的距离(m)。

h0——两避雷线间保护范围边缘的最低点的高度(m)。

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图5—21 两根平行等高避雷线折线圆锥体法保护范围

2．两根等高避雷线滚球法保护范围的确定

(1)在避雷线的高度h图5—22 两根等高避雷线在h确定两根等高避雷线保护范围的方法是：

①两极避雷线的外侧，各按单根避雷线的方法确定；

②两根避雷线之间的保护范围按以下方法确定：以A、B两避雷线为圆心、hr为半径作圆弧交于O点，以O点为圆心、

hr为半径作圆弧交于A、B点；

③两避雷线之间保护范围最低点的高度h0按下列公式计算：

h0=2hr−(D/2)+h−hr

22

④避雷线两端的保护范围按双支避雷针的方法确定，但在中线上h0线的内移位置按以下方法确定(Ⅰ—Ⅰ剖面)：以双

′22h支避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度0=hr−(hr−h)+(D/2)作为假想避雷针，将其保护范围的延长弧线

与h0线交于E点。内移位置的距离x也可按下列公式计算：

X=h0(2hr−h0)−b0

式中b0按双支等高避雷针的方法确定。

(3)在避雷线高度为hr＜h≤2hr，而且避雷线之间的距离为2hr＞D>2[hr—h(2hr−h)]的情况下，两根等高避雷线的保护范围见图5—23。

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图5—23 两根等高避雷线在hr＜h≤2hr时滚球法的保护范围

图5—23中确定两根等高避雷线保护范围的方法是：

①距地面hr处作一与地面平行的线；

②以避雷线A、B作为圆心、hr为半径弧线相交于O点并与平行线相交或相切于C、E点； ③以O为圆心、hr为半径作弧线交于A、B点；

④以C、E为圆心、hr为半径作弧线交于A、B并与地面相切。 ⑤两避雷线之间保护范围最低点的高度h0按下列公式计算：

h0=hr−(D/2)+h−hr

⑥最小保护宽度bm位于hr高处，其值按下列公式计算：

22

bm=h(2hr−h)+D/2−hr

⑦避雷线两端的保护范围按双支高度hr的避雷针确定，但在中线上h0线的内移位置按以下方法确定(图5—23“Ⅰ—Ⅰ”剖面)：以双支高度hr的避雷针所确定的中心保护范围最低点的高度h0=(hr−D/2)作为假想避雷针，将其保护范围的延长弧线与h0线交于F点。内移位置的距离X也可按下列公式计算；

′

X=h0(2hr−h0)−hr−(D/hr)

22

以上介绍的是几种类型的避雷针和避雷线以滚球法确定保护范围的方法。这里还要说明的是，滚球法的各图中所画的地面也可以是位于建筑物上的地金属物、接闪器。当“地面上保护范围的截面”的外周线触及接地金属物、接闪器时，各图的保护范围均适用于这些接闪器，当接地金属物、接闪器是处在外周线之内且位于被保护部位的边沿时，按图5—24确定所需断面的保护范围。

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图5—24 建筑物上任两接闪器所需断面的保护范围

图5—24中确定建筑物上任两接闪器在所需断面上的保护范围的方法是：

h a．以A、B为圆心、r为半径作弧线相交手点

b．以为圆心，hr为半径作弧线AB，弧线AB就是保护范围。

当外周线触及的是屋面时，各图的保护范围仍有效，但外周线触及的屋面及其外部得不到保护，内部得到保护。

----中国物资出版社2004年1月出版发行

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