一种确定高大防雷体系直击雷防护效率的方法与流程

本发明属于雷电防护领域，涉及一种确定高大防雷体系直击雷防护效率的方法。

背景技术：

对于高大建筑物的直击雷防护，主要采用避雷针、避雷线盒避雷网来拦截雷闪，使被保护建筑物免受雷击。现有防雷系统防直击雷的计算方法主要有折线法和滚球法。

折线法是在避雷针上、下两个半高度空间分别确定两段具有固定斜率的直线段，以其所构成的折线来确定保护范围。按折线法确定的避雷针保护范围实际上是一个以避雷针为轴线的锥形空间域，椎体的母线是由两条折线构成。折线法使一种全经验做法，所用的经验系数固定，由实验室内模拟实验确定，在实际应用中，无法再折线计算步骤中引入概率统计算法，不能从雷电随机性这一固有自然特征出发来估算防雷系统的防护效率。

滚球法是在折线法的基础上，采用弧形边界来代替直线边界的类似算法。他是以雷击过程为基础，根据下行先导发展的随机性和定向性来确定建筑物或地面上可能出现的雷击点，即以雷击距为半径，假想一个球在安装有接闪器的建筑物上滚动，滚球触及的地方就是雷击点，受建筑物上所安装的接闪器的阻挡而无法触及的区域被认为是保护区域。该方法虽然加入了雷电随机性的概念，但其计算是按照统一的雷击距，即假设雷电流幅值不变的情况下的一种算法，没有考虑雷电电流幅值随机性。

技术实现要素：

发明所要解决的课题是，现有的折线法与滚球法均不能从雷电随机性这一固有自然特性出发来计算防雷系统的保护范围和防护效率，本发明通过改进现有折线法和滚球法的部分缺陷，为模拟高大建筑物防雷系统受到雷击时计算保护范围和防护效率，提出统计滚球法。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种确定高大防雷体系直击雷防护效率的方法，包括以下步骤：

步骤1、将地面取防雷系统的等效受雷面积作为计算范围，并对该范围内地面进行等距离划分，得到若干个划分结点且将每一个结点作为一个预计落地面雷点；

步骤2、将雷电先导的空间方向用水平和竖直方向的角度进行表征，并计算获得各方向的角度下概率密度分布值，及对每次雷击进行加权处理，得到每次雷击的等值次数；

步骤3、对地面取防雷系统中的竖直和水平接闪导体运用滚球运算，做出各接闪导体的扩展受雷表面，及将各接闪导体的扩展受雷表面与雷电先导相交的点视为等值雷击点；

步骤4、对各个预计落地面雷点沿水平和竖直方向角度进行统计计算，将各接闪导体的等值雷击点数s和保护系统内部等值雷击点数t进行统计累加，得到保护系统的防护效率；以及，根据各接闪导体的等值雷击点数s和实际落雷密度n、所设等值受雷面积内的落雷点数m计算获得地面取防雷系统的年雷击次数。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中计算竖直方向的角度下概率密度分布值p(α)采用公式：

其中，α为雷电先导的竖直方向的角度。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中得到每次雷击的等值次数n为：

其中，p(α)为竖直方向的角度下概率密度分布值；α为雷电先导竖直方向的角度；θ为雷电先导水平方向的角度。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：，所述步骤4中得到的保护系统的防护效率e为：

其中，i表示预计落雷点统计序号，si为各接闪导体的等值雷击点数；ti为保护系统内部等值雷击点数。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤4中计算地面取防雷系统的年雷击次数采用公式：

其中，；所述ti为保护系统内部等值雷击点数；y为等值落雷点数m相当于实际上落雷点数n的倍数。

发明效果为：

本发明的确定高大防雷体系直击雷防护效率的方法，为基于雷电流幅值概率密度的统计滚球计算方法，通过该方法，计算出防雷系统的防护效率，确定最优直击雷防护系统方案。与现有技术相比，本发明存在的优点有：

(1)在雷电防护中采用的电气集合模型充分考虑地面落雷密度、雷暴日数、雷击距和雷电先导入射方向角灯因素对雷击时间的影响，能够更好地反映雷击时间的放电发展性。

(2)引入了雷电流幅值概率密度函数，在很大程度上为更准确地反映雷击时间的随机性提供了必要支撑。

(3)在传统滚球法的基础上提出了“统计滚球法”的概念，定量地计算出防雷系统的临界绕击电流、绕击概率与防雷系统的防护效率，使防雷系统的设置更加合理化。

附图说明

图1为本发明计算范围内的划分结点示意图。

图2为本发明雷电先导到达预计落雷点的空间方向角示意图。

图3为本发明确定等值雷击点示意图。

图4为本发明雷电流幅值大于i累积概率曲线图。

图5为本发明雷击距示意图。

图6为本发明雷击距累积概率密度曲线图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

本发明提出一种确定高大防雷体系直击雷防护效率的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在发射工位防雷系统所在地面取防雷系统的等效受雷面积为计算范围，在该计算范围内，认为地面落雷密度是均匀的，对该范围内地面进行等距离密集划分，得一系列的若干个划分结点，如图1所示，并将每一个结点作为一个预计落地面雷点。

步骤2、对于每一个预计落雷点，认为雷电先导可能以任意空间方向到达该落雷点，雷电先导的空间方向用两个方向角度来表征，如图2所示。

将雷电先导的空间方向用水平方向的角度θ和竖直方向的角度进行表征，并计算获得各方向的角度下概率密度分布值，即先导水平方向的角度θ在0～360°的概率内取为均匀分布，竖直方向的角度α在0～90°按以下概率密度分布：

运用方向角度α和θ的概率值，对每次雷击进行加权处理，得到每次雷击的等值次数。一个落雷点代表一次雷击，则某一确定方向的等值次数为：

步骤3、对地面取防雷系统中的竖直和水平接闪导体运用滚球运算，做出各接闪导体的扩展受雷表面，及在该受雷表面上，将各接闪导体的扩展受雷表面与雷电先导相交的点即视为等值雷击点，如图3所示。

步骤4、首先计算保护系统的防护效率。反复对计算范围内的各个预计落地面雷点沿水平方向角度θ和竖直方向角度α进行统计计算，将各接闪导体的等值雷击点数s(即防雷系统拦截成功的次数)和保护系统内部等值雷击点数t(即防雷系统拦截失效次数)进行统计累加，得到保护系统的防护效率e，具体为：

其中i表示预计落雷点统计序号。si为各接闪导体的等值雷击点数；ti为保护系统内部等值雷击点数。

然后，计算年拦截失效次数和遭受一次雷击的年数。根据各接闪导体的等值雷击点数s和实际落雷密度n、所设等值受雷面积内的落雷点数m计算获得地面取防雷系统的年雷击次数。计算所设等值受雷面积内的落雷点数m会远多于实际落雷密度n，防雷系统的年拦截失效次数(年雷击次数)n1为：

式中y为则所选的等值落雷点数，ti为保护系统内部等值雷击点数，m相当于实际上落雷点数n的倍数

则计算等效为遭受一次雷击的年数y1为：

上述通过计算出防雷系统的防护效率和年均拦截失效次数，可以分析防雷系统的防护效果。

本发明可以快速对防雷系统的防雷效率以及年雷击次数进行分析对比，通过计算结果，选取最优化的工程建设方案。及可依据如图4所示的雷电流幅值大于i累积概率曲线，如图5所示的雷击距，及如图6所示的雷击距累积概率密度曲线，得出本发明可以避免传统算法中没有考虑雷电随机性这一因素，高度模拟实际雷击发生时雷电防护系统的防护效率，有利于工程实施，适用于不同地区、不同规模的防雷系统优化计算，适用范围广。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。