基于MATLAB的避雷针保护范围可视化设计与分析

摘要： 利用MATLAB设计避雷针保护范围可视化程序与界面，对避雷针保护范围采用折线法和滚球法进行对比分析，并对避雷针保护范围进行可视化判断与显示分析，为提高避雷针工程应用效率和课堂教学质量提供一种手段。

Abstract： MATLAB was used to design the visualization programmers and interface for the protecting area of lightning rod. The protecting area of lightning rod was analyzed by the polygon method and the rolling sphere method， and was also judged and displayed visually. It offered a measure for improving the efficiency of engineering application and the quality of classroom teaching about the lightning rod.

关键词： 避雷针；保护范围；可视化；MATLAB

Key words： lightning rod；protecting area；visualization；MATLAB

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0050-03

0 引言

雷电是自然界中一种常见的自然现象，具体表现为带有不同电性的云层之间或带电云层与大地之间的放电过程。由于雷电能量巨大，在目前科技水平下还不能被人类所利用，导致雷电每年给各行业带来巨大的经济损失和人员伤亡，因此雷电防护一直是人们关心的问题。

避雷针作为建筑物雷电防护的主要措施之一，尤其在防护直击雷方面具有重要作用[1]。避雷针能否起到保护建筑物的作用，其保护范围的合理计算是其影响因素之一。采用MATLAB工具设计避雷针保护范围可视化软件，可以为避雷针的设计和改造提供直观、可靠的图像显示，并有利于分析不同情况下关于建筑物的避雷针设计要求，进而合理设计避雷针。

1 避雷针保护范围简介

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]。

折线法，又称为规程法或放电模拟法，以实验室放电模拟为准，兼顾运行统计结果。其单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的折线圆锥体。多年来，我国各行业一直采用折线法确定避雷针保护范围。目前，主要在电力装置设计规范上要求采用折线法计算。

滚球法就是以h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）或接闪器和地面（包括与大地接触能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护，也就在避雷针的保护范围之内，不同类别的防雷建筑物的滚球半径有所不同，见表1。目前，建筑物遵循《建筑物防雷设计规范》的要求采用滚球法计算。

2 避雷针保护范围可视化设计

2.1 MATLAB工具介绍 MATLAB将计算、可视化和编程功能集成在非常便于使用的环境中，是一个交互式的、以矩阵计算为基础的科学和工程计算软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示等功能于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境，是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件。

MATLAB现已发展成为功能强大的仿真平台和系统，除了可生成二维图形外，还提供了可以生成三维图形的各种函数。利用这些函数，可轻松实现在三维空间中绘制空间曲线、曲面和网格图形。图形结果处理后，还可以利用鼠标拖动可任意变换观察角度以寻找最佳观察角度。同时，MATLAB还提供了强大的图形用户界面GUI制作工具，可以制作用户菜单和控件，使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面[2，4]。

2.2 可视化软件功能设计 利用MATLAB的GUI制作工具，设计避雷针保护范围三维分析的图形化界面；利用MATLAB的编程工具，设计避雷针保护范围工程计算与三维分析的程序。结合程序与界面，实现可视化软件的参数选择、绘制仿真图像和判断分析等功能，如图1所示。

2.2.1 参数选择

①方法选择。可选择用折线法或滚球法来计算和显示避雷针的保护范围；②避雷针支数选择。可对避雷针的支数进行选择（单支或者双支）；③避雷针高度选择。可输入每支避雷针的高度；④建筑物选择。可输入建筑物的长、宽、高（根据实际测量）；⑤距离选择。可输入避雷针与建筑物之间的距离（根据实际测量）；⑥滚球半径选择。可对滚球半径进行选择，包括30m，45m，60m（见表1）。

2.2.2 避雷针高度计算 根据建筑物的实际尺寸、避雷针距建筑物的尺寸、建筑物的防雷类别，借助MATLAB的计算功能，可视化软件可计算避雷针的高度。

2.2.3 绘制仿真图像 根据建筑物的实际尺寸、避雷针距建筑物的尺寸、建筑物的防雷类别，以及计算的避雷针高度，借助MATLAB 的图形处理能力，可单独或者组合绘制保护范围仿真图像，建筑物仿真图像和避雷针仿真图像。

2.2.4 分析判断 利用仿真图像可对所显示的避雷针保护范围进行三维观察，通过鼠标拖动可从不同角度观察不同区域避雷针对建筑物的保护效果。根据仿真图像功能和软件自动判断功能，可对避雷针保护效果进行判断和显示。

3 避雷针保护范围可视化分析

3.1 折线法与滚球法可视化对比分析 图2是避雷针高度为8m的折线法和滚球法的效果对比分析图。可以显示当避雷针的高度h？燮0.293hr时，折线法确定的保护范围小于滚球法确定的保护范围，这与保护范围原理计算结果相符。

同理，可以显示当避雷针的高度h=（0.293～0.4）hr时，折线法确定的保护范围与滚球法确定的保护范围基本相同；当避雷针的高度h>0.5hr时，折线法确定的保护范围大于滚球法确定的保护范围，这些仿真结果与保护范围原理计算结果相符。

3.2 避雷针保护范围可视化判断分析 图3和图4是建筑物高8m，宽4m，高4.5m，滚球半径30m的双支避雷针保护范围三维图像。在建筑物相同的条件下，通过调节避雷针的高度，可以清楚的判断出建筑物是否在被保护范围之内。

3.3 避雷针保护范围可视化显示分析 图5中，rx为避雷针在hx高度平面上的保护半径；h为避雷针的高度；hr为滚球的半径；hx为建筑物的高度[1]。根据图5可以计算出不同高度的避雷针保护范围，但图像显示效果较差，不容易理解。图6是单支避雷针保护范围计算仿真图像。根据建筑物的实际尺寸、避雷针距建筑物的尺寸和建筑物的防雷类别，可绘制建筑物、避雷针及其保护范围三维仿真图像，同时可确定避雷针的高度，其三维图像效果较好，容易接受和理解。

4 结束语

本文提出的基于MATLAB软件开发的避雷针保护范围可视化软件，能够较好满足避雷针合理设计与保护范围检测的需求，对避雷针的工程应用提供了保护范围的可视化分析手段，同时为防雷系统的信息化教学提供了一种渠道，具有较高的实际应用价值。

参考文献：

[1]吴薛红，濮天伟，廖德利.防雷与接地技术.北京：化学工业出版社，2008：1-29.

[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.高等教育研究，2008，25（2）：43-44.

[3]杨可.折线法和滚球法在变电所防雷设计中的应用.电气化铁道，2011，（6）：17-20.

[4]周建兴，岂兴明，等.MATLAB从入门到精通.北京：人民邮电出版社，2008：1-7.