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摘 要 利用MATLAB设计出对避雷针的防雷安全范围进行图像化显示和计算机辅助分析的应用软件，使用方法简洁，显示效果直观明了，为避雷针防雷范围的确定和避雷针设置的计算机辅助分析设计提供了一种简便的方法。
关键词 避雷针 MATLAB 防雷保护
1 避雷针保护范围
避雷针的保护范围的确定目前国际上比较通用的是采用电气几何法（EGM）。用电气几何法确定避雷针的保护范围最简单、最易实现的方法是“滚球法”，滚球法就是设想一个半径为hr的球围绕避雷装置左右上下滚动，并认为可被此球接触到的地方均是可被雷电击中并引起损坏的地方，而装置附近未能被此球接触的空间即是有效的保护空间，即在此空间内被击的概率小，击中时也不致引起大的损坏。国球GB50057－94《建筑物防雷设计规范》推荐采用滚球法确定避雷针的防雷范围。国标中对单支和多支避雷针保护范围作了明确的规定。本文仅以单支避雷针和双支等高避雷针为例讨论。
单支避雷针的保护范围按下列方法确定（见图1）：若避雷针高度为h，在距地面高度hr处作一平行于地面的平行线（hr为滚球半径，根据不同建筑物的防雷等级而确定，第一类防雷建筑物对应的滚球半径为30 m，第二类防雷建筑物对应的滚球半径为45 m，第三类防雷建筑物对应的滚球半径为60 m），以避雷针的针尖为圆心，hr为半径作弧线交于平行线的A、B两点，再以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，从弧线起到地面为止就是避雷针的保护范围。该保护范围为一对称的锥体。建筑物高度hx和对应的保护范围rx的函数关系为：
双支避雷针的保护范围按下列方法确定：在避雷针高度h小于或等于滚球半径hr的情况下，当两支避雷针的距离D大于或等于单支避雷针的保护范围r0的两倍时，各按单支避雷针的方法确定。
当D小于r0的两倍时要分区确定（如图2）。
（1）AEBC外侧的保护范围按单支避雷针的方法确定。
（2）C、E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b0按下式计算：
（3）两针间AEBC内的保护范围，ACO部分的保护范围按以下方法确定：在任一保护高度hx和C点所处的垂直平面上，以hx作为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定。确定BCO、AEO、BEO部分的保护范围的方法与ACO相同。
（4）确定xx平面上保护范围截面的方法：以单支避雷针的保护半径rx为半径，以A、B为圆心作弧线与四边形AEBC相交；以单支避雷针的（r0－rx）为半径，以E、C为圆心作弧线与上述弧线相接。见图2中的粗虚线。
上述国家标准中对避雷针的保护范围的确定是非常细致和明确的，但具体应用起来比较麻烦，利用计算机对上述规定进行程序化计算和图像化显示，可使问题变得相对简单和明了，能提高工作效率和准确性。
2 MATLAB语言简介
MATLAB语言最早是1980年由美国MathWorks公司的Cleve．Moler博士研制的，通过不断地充实和完善，其功能更强，应用范围更广，成为当今最为流行的科学计算语言。MATLAB是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言之一，能够满足科学计算、工程计算、模拟仿真和绘图的需求。与其它计算机语言相比，其特点是简洁和智能化，特别适合科技人员的思维方式和书写习惯，使得编程和调试效率大大提高，已成为很多科研人员和工程技术人员习惯使用的计算和辅助分析的工具。
MATLAB语言的强大的数值运算功能、数学计算功能、数据可视化功能、2D／3D绘图功能都为数据分析和处理提供了可靠的保证。利用2D／3D绘图功能可对数据结果进行图象化显示。图像结果处理后利用鼠标拖动可任意变换观察角度以寻找最佳观察角度，这一功能也是很多其它语言不具备的。
MATLAB语言的图形用户界面（GUI）可以使程序变成通用化的应用软件，引导用户进行计算和分析，用户可以利用事先设计的用户界面通过其上的按钮和菜单与计算机直接进行信息交流，选择所需要的功能完成各种计算和分析。
3 避雷针保护范围的图像显示和辅助分析
3．1 避雷针保护范围分析程序的GUI界面设计和主程序
利用MATLAB图形用户界面（GUI）功能可设计出方便用户使用的交互式程序，其界面如图3，中文下拉式菜单可使普通人员也能顺利使用。
避雷针保护范围计算和分析主程序如下：
％求避雷针保护范围主程序
3．2 避雷针保护范围的图像显示
借助于MATLAB的强大的计算和图像处理能力可以把国标中避雷针防雷范围的公式和相关规定用图像表示出来，图4是单支避雷针的防雷范围图像显示，图5是其防雷范围的不同高度的等高线图。利用MATLAB中的函数功能把双支避雷针保护范围表示为一个分区函数，再利用MATLAB的画图功能画出其立体图。图6显示了双支避雷针保护范围立体图，图7是双支避雷针保护范围的等高线图。从两图中可以清楚地看出避雷针的保护范围以及不同的建筑高度对应的避雷针的保护范围。对于三支和多支避雷针的情况同样可以进行图像显示。
3．3 避雷针保护范围的立体显示
利用MATLAB可以对所显示的避雷针保护范围进行立体观察，通过鼠标拖弋可从不同角度观察不同区域避雷针特别是多避雷针的保护效果。图8是从不同角度双支避雷针的保护范围的立体图。
3．4 避雷针保护范围的计算机辅助分析
利用上述程序可对避雷针的防雷击范围进行计算机辅助分析，方法一：直接用数学方法计算，对上述避雷针保护范围的分区函数在某一点的函数值进行计算，与该点处建筑物或拟保护的建筑物的高度相比较，从而判断避雷针能否起到保护作用。在图像中直接显示讨论点的建筑物高度，比较两者的高低，判断出能否保护此建筑物。方法三：利用避雷针保护范围的等高线图可查出不同高度hx所对应的避雷针保护区域，从而判断建筑物或电气设备是否安全。
由于MATLAB是主要用C语言开发的，可以很方便地形成嵌入式文件移植到其它的应用程序中，从而方便地和其它应用程序结合实现更广泛的计算机辅助设计和辅助分析。
4 结论
（1）该应用程序界面友好，对不了解MATLAB语言和编程的工程人员也可方便使用。 （2）可以方便地实现避雷针保护范围的计算机图像显示，从而快捷地判断避雷针的防雷范围及判断讨论点建筑物和电气设备的防雷安全问题，为实现避雷针防雷技术的计算机辅助设计和辅助分析开辟了一条新途径。
（3）和建筑工程制图软件结合可在建筑物设计的同时对避雷针的保护范围进行确定。
参考文献
1 杨珏等．MATLAB应用指南．北京：人民邮电出版社，1999
2 中华人民共和国国家标准GB50057－94．建筑物防雷设计规范．北京：中国计划出版社，1994
3 刘介才．工厂供电．北京：机械工业出版社，1998
4 苏金明等．MATLAB6．1实用指南．北京：电子工业出版社，2002 |
