避雷針保護范圍交互式教輔軟件設計及應用

李天鵬 宣兆龍 姚愷

摘要：避雷針設置的教學過程中，針對其保護范圍的計算公式繁瑣、顯示圖像復雜的特點，利用MATLAB設計避雷針保護范圍教輔軟件，可對建筑物尺寸、避雷針位置、保護范圍等要素進行工程計算和三維顯示，并能對建筑物是否在保護范圍做出判斷。通過應用，有效提高教學效率，增強工程實踐能力，對激發學生學習興趣和創新性思維起到一定作用。

關鍵詞：避雷針保護范圍 MATLAB 設計 應用

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）02（b）-0000-00

雷電是自然界中一種常見的自然現象[1]，由于它能在短時間內形成強大的電流，導致雷電每年給電力、建筑等行業帶來巨大的經濟損失和人員傷亡，因此如何開展雷電防護工作一直是人們迫切需要解決的問題。

按照傳播方式，雷電分為直擊雷、感應雷、雷電波入侵三類，其中直擊雷是直接擊中建筑物、其他物體或防雷裝置，能夠產生電效應、熱效應和機械力。防直擊雷的主要措施是合理設置避雷針，而避雷針能否起到保護作用，其保護范圍計算是重要影響因素之一。目前，在避雷針設置教學過程中，學生對單支避雷針保護范圍的分析能在紙上計算與作圖，但對于多支避雷針的保護范圍，缺乏空間想象能力，造成分析上的困難。采用MATLAB工具設計避雷針保護范圍教輔軟件，能夠為避雷針保護范圍的計算和理解提供直觀、可靠的三維圖像顯示，可以有效激發學生的學習熱情。

1避雷針保護范圍教學分析

避雷針保護范圍的計算方法主要有折線法和滾球法兩種[2，3，4]。教學過程中，針對兩種方法涉及的計算原理、計算方法、適用范圍進行分析，并通過實例對折線法和滾球法保護范圍進行對比，使學生能夠在特定地域選擇合適的方法進行避雷針保護范圍計算。

折線法：根據雷電流屏蔽效果的統計規律，采用放電模擬試驗方法確定；保護范圍計算過程中采用不同的避雷針高度影響系數；主要適用于電力系統，例如《DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣》。

滾球法：根據擊距理論，采用計算放電距離方法確定；保護范圍計算過程中采用不同的滾球半徑；主要適用于建筑物，例如《GB50057-94建筑物防雷設計規范》。

2避雷針保護范圍教輔軟件設計

2.1 MATLAB軟件介紹

MATLAB是集計算、可視化和編程功能于一體的工程計算軟件，現已發展成為功能強大的仿真平臺[5]。利用提供的三維圖形函數，可編程繪制三維空間曲線、曲面和網格圖形。同時，顯示圖形可以利用鼠標拖動變換觀察角度。另外，MATLAB還提供了圖形用戶界面制作工具，使用者可以根據自己的需求編寫程序，制作菜單和控件，設計圖形界面。根據建筑物避雷針保護范圍的計算方法，利用MATLAB軟件，設計避雷針保護范圍教輔軟件。

2.2軟件功能設計

避雷針保護范圍教輔軟件功能設計，主要包括顯示模塊、計算模塊、演示模塊、判斷模塊和解釋模塊等五部分，如圖1所示。

顯示模塊：通過輸入建；筑物的長、寬、高，可顯示建筑物三維圖像；通過輸入避雷針與建筑物之間距離，可顯示避雷針三維圖像；通過選擇計算方法、建筑物尺寸、避雷針位置及避雷針支數，可自動顯示避雷針保護范圍。

計算模塊：通過選擇計算方法和建筑物防雷類別，輸入建筑物尺寸、避雷針位置及避雷針支數，可自動計算避雷針保高度。

演示模塊：通過輸入避雷針的高度及其距墻尺寸，可顯示雙支不等高避雷針保護范圍。

判斷模塊：通過避雷針保護范圍計算及避雷針保護范圍三維圖像進行立體觀察，結合標準程序，判斷現有的避雷針高度能否起到保護作用。

解釋模塊：可對第一類防雷建筑物、第二類防雷建筑物、第三類防雷建筑物的涵蓋范圍進行解釋。

圖1 教輔軟件功能設計框架圖

利用MATLAB的圖形用戶界面制作工具，設計避雷針保護范圍教輔軟件的圖形化界面；利用MATLAB的編程工具，設計避雷針保護范圍工程計算和三維分析的程序。結合程序與界面，實現教輔軟件的參數選擇、工程計算、繪制圖像和判斷分析等功能。教輔軟件界面如圖2所示。

圖2 教輔軟件界面

2.3 軟件功能演示

圖3、圖4和圖5分別是教輔軟件在不同條件下的功能演示。

圖3 建筑物與避雷針三維圖像

圖4 建筑物高8m，寬4m，高4.5m，滾球半徑30m

保護范圍三維圖像（單支避雷針）

圖5 單支避雷針高度20m的三維圖像

上圖為折線法，下圖為滾球法（滾球半徑30m）

3避雷針保護范圍教輔軟件應用

3.1 課堂教學

在講授避雷針設置這一節時，首先簡要介紹折線法、滾球法計算避雷針保護范圍的方法，然后采用該教輔軟件對建筑物形狀、避雷針位置、保護范圍覆蓋等進行三維圖像仿真演示。在演示的過程中，注重啟發學生對避雷針設計注意事項的思考，加深學生對避雷針保護范圍的理解，提高學習效率。在教學實踐過程中，學生可通過教輔軟件輸入實際環境中避雷針相關參數，檢驗其保護范圍的有效性，達到學以致用的目的。

3.2 工程應用

在實際工作中，遇到建筑物有關避雷針保護范圍計算的問題時，運用該教輔軟件可以較容易的根據建筑物的長、寬、高準確計算出能夠保護建筑物的避雷針高度，而不需用去查閱書籍或記住背繁瑣的計算公式。通過輸入相應的參數，點擊相應按鈕可得到計算結果，這為避雷針設計和改造工作帶來極大的方便。在安裝避雷針的過程中，需根據場地的大小對避雷針安裝的位置、數量和高度進行配置，利用該教輔軟件可實況模擬安裝避雷針后的整體狀貌，為避雷針的合理安裝提供參考。

參考文獻

[1] 吳薛紅，濮天偉，廖德利.防雷與接地技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2]張彼德，周菲菲.避雷針保護范圍教學輔助軟件開發及應用[J].高等教育研究，2008，25（2）.

[3]楊可.折線法和滾球法在變電所防雷設計中的應用[J].電氣化鐵道，2011，（6）.

[4]虞俊.折線法和滾球法確定避雷針保護范圍的實例分析[J].中國新技術新產品，2012，（11）.

[5]周建興，豈興明，等.MATLAB從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2008.