避雷针保护范围交互式教辅软件设计及应用

李天鹏 宣兆龙 姚恺

摘要：避雷针设置的教学过程中，针对其保护范围的计算公式繁琐、显示图像复杂的特点，利用MATLAB设计避雷针保护范围教辅软件，可对建筑物尺寸、避雷针位置、保护范围等要素进行工程计算和三维显示，并能对建筑物是否在保护范围做出判断。通过应用，有效提高教学效率，增强工程实践能力，对激发学生学习兴趣和创新性思维起到一定作用。

关键词：避雷针保护范围 MATLAB 设计 应用

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）02（b）-0000-00

雷电是自然界中一种常见的自然现象[1]，由于它能在短时间内形成强大的电流，导致雷电每年给电力、建筑等行业带来巨大的经济损失和人员伤亡，因此如何开展雷电防护工作一直是人们迫切需要解决的问题。

按照传播方式，雷电分为直击雷、感应雷、雷电波入侵三类，其中直击雷是直接击中建筑物、其他物体或防雷装置，能够产生电效应、热效应和机械力。防直击雷的主要措施是合理设置避雷针，而避雷针能否起到保护作用，其保护范围计算是重要影响因素之一。目前，在避雷针设置教学过程中，学生对单支避雷针保护范围的分析能在纸上计算与作图，但对于多支避雷针的保护范围，缺乏空間想象能力，造成分析上的困难。采用MATLAB工具设计避雷针保护范围教辅软件，能够为避雷针保护范围的计算和理解提供直观、可靠的三维图像显示，可以有效激发学生的学习热情。

1避雷针保护范围教学分析

避雷针保护范围的计算方法主要有折线法和滚球法两种[2，3，4]。教学过程中，针对两种方法涉及的计算原理、计算方法、适用范围进行分析，并通过实例对折线法和滚球法保护范围进行对比，使学生能够在特定地域选择合适的方法进行避雷针保护范围计算。

折线法：根据雷电流屏蔽效果的统计规律，采用放电模拟试验方法确定；保护范围计算过程中采用不同的避雷针高度影响系数；主要适用于电力系统，例如《DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘》。

滚球法：根据击距理论，采用计算放电距离方法确定；保护范围计算过程中采用不同的滚球半径；主要适用于建筑物，例如《GB50057-94建筑物防雷设计规范》。

2避雷针保护范围教辅软件设计

2.1 MATLAB软件介绍

MATLAB是集计算、可视化和编程功能于一体的工程计算软件，现已发展成为功能强大的仿真平台[5]。利用提供的三维图形函数，可编程绘制三维空间曲线、曲面和网格图形。同时，显示图形可以利用鼠标拖动变换观察角度。另外，MATLAB还提供了图形用户界面制作工具，使用者可以根据自己的需求编写程序，制作菜单和控件，设计图形界面。根据建筑物避雷针保护范围的计算方法，利用MATLAB软件，设计避雷针保护范围教辅软件。

2.2软件功能设计

避雷针保护范围教辅软件功能设计，主要包括显示模块、计算模块、演示模块、判断模块和解释模块等五部分，如图1所示。

显示模块：通过输入建；筑物的长、宽、高，可显示建筑物三维图像；通过输入避雷针与建筑物之间距离，可显示避雷针三维图像；通过选择计算方法、建筑物尺寸、避雷针位置及避雷针支数，可自动显示避雷针保护范围。

计算模块：通过选择计算方法和建筑物防雷类别，输入建筑物尺寸、避雷针位置及避雷针支数，可自动计算避雷针保高度。

演示模块：通过输入避雷针的高度及其距墙尺寸，可显示双支不等高避雷针保护范围。

判断模块：通过避雷针保护范围计算及避雷针保护范围三维图像进行立体观察，结合标准程序，判断现有的避雷针高度能否起到保护作用。

解释模块：可对第一类防雷建筑物、第二类防雷建筑物、第三类防雷建筑物的涵盖范围进行解释。

图1 教辅软件功能设计框架图

利用MATLAB的图形用户界面制作工具，设计避雷针保护范围教辅软件的图形化界面；利用MATLAB的编程工具，设计避雷针保护范围工程计算和三维分析的程序。结合程序与界面，实现教辅软件的参数选择、工程计算、绘制图像和判断分析等功能。教辅软件界面如图2所示。

图2 教辅软件界面

2.3 软件功能演示

图3、图4和图5分别是教辅软件在不同条件下的功能演示。

图3 建筑物与避雷针三维图像

图4 建筑物高8m，宽4m，高4.5m，滚球半径30m

保护范围三维图像（单支避雷针）

图5 单支避雷针高度20m的三维图像

上图为折线法，下图为滚球法（滚球半径30m）

3避雷针保护范围教辅软件应用

3.1 课堂教学

在讲授避雷针设置这一节时，首先简要介绍折线法、滚球法计算避雷针保护范围的方法，然后采用该教辅软件对建筑物形状、避雷针位置、保护范围覆盖等进行三维图像仿真演示。在演示的过程中，注重启发学生对避雷针设计注意事项的思考，加深学生对避雷针保护范围的理解，提高学习效率。在教学实践过程中，学生可通过教辅软件输入实际环境中避雷针相关参数，检验其保护范围的有效性，达到学以致用的目的。

3.2 工程应用

在实际工作中，遇到建筑物有关避雷针保护范围计算的问题时，运用该教辅软件可以较容易的根据建筑物的长、宽、高准确计算出能够保护建筑物的避雷针高度，而不需用去查阅书籍或记住背繁琐的计算公式。通过输入相应的参数，点击相应按钮可得到计算结果，这为避雷针设计和改造工作带来极大的方便。在安装避雷针的过程中，需根据场地的大小对避雷针安装的位置、数量和高度进行配置，利用该教辅软件可实况模拟安装避雷针后的整体状貌，为避雷针的合理安装提供参考。

参考文献

[1] 吴薛红，濮天伟，廖德利.防雷与接地技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]张彼德，周菲菲.避雷针保护范围教学辅助软件开发及应用[J].高等教育研究，2008，25（2）.

[3]杨可.折线法和滚球法在变电所防雷设计中的应用[J].电气化铁道，2011，（6）.

[4]虞俊.折线法和滚球法确定避雷针保护范围的实例分析[J].中国新技术新产品，2012，（11）.

[5]周建兴，岂兴明，等.MATLAB从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2008.