Consideration of protection angle method and lightning protection rules for sides of high-rise buildings in IEC 62305 standard
Yasuo Kishimoto
NTT Facilities Research Institute Inc.
Ueno Tosei Bldg., 4-27-3, Higashi-Ueno, Taitoh-ku, Tokyo 110-0015, Japan.
Abstract-- The protection angle and protection rules for lightning flashes to the sides of tall buildings described in the IEC 62305 standard were considered. The penetration depth of a rolling sphere into the cone of the protection angle is estimated. Non- negligible flash frequency to the unprotected sides is indicated. Key words: lightning protection, IEC 62305, protection angle, rolling sphere, collection volume, high-rise building
- INTRODUCTION
Since the late 1960s, we have seen the verticalization of buildings in the urban areas of Japan continue to rise. As a result, external lightning protection systems (external LPSs) technology for high-rise buildings is needed.
In Jan. 2006, IEC TC81 issued a new lightning protection standard, IEC 62305[1], which integrated the previous lightning standards. Although the rolling sphere method (RSM), the protection angle method(PAM) and the mesh method(MM) are included in this standard, the rolling sphere method is considered to be the best tool for designing lightning protection systems[2].
The protection angle under the new standard, IEC 62305, is precisely defined to approximate the protected regions defined by the RSM method. However, this method has a problem in that the rolling sphere penetrates into the presumed protected area in comparison with the risk posed by using the RMS method, this introduces an additional risk of lightning strikes.
Although the former standard, IEC 61024-1, which is applicable to structures with heights up to 60 m, stipulates that the sides of structures for LPL I to LPL III (LPL二 lightning protection level) be protected, the new standard regards the
O
r
r
r
r
r
r
risk of strikes to the sides as negligible for heights up to 60 m, requires the protection of the upper part of structures taller than 60 m (i.e. the topmost 20% of the height of the structure), and recommend the protection of all the parts which may be endangered above 120 m for structures over 120 m.
The equations for the penetration depths of a rolling sphere into the protected region presumed by the PAM method are considered here. The estimated results on the validity of the protection rules for the sides of a high-rise building, when using the Probability Modulated Collection Volume (PMCV) method[3] for rectangular structure models, are described.
- ESTIMATION OF PENETRATION DEPTH OF ROLLING SPHERE
Some relational expressions for the striking distance r (m) with the peak value of lightning current I (kA) are proposed in the following form[4]:
r A I b , (1)
where A 二 10 and b 二 0.65 in the IEC 62305 standard.
The protection angle that satisfies the RSM method conditions is given by the angle () between the perpendicular line drawn from the contact point, which is made when a rolling sphere contacts with the top of an air terminal, and the tangent plane of the sphere at the contact point. However, the boundary line of the presumed protected region by the angle would be too different from that of the RSM method in the point far away from the contact point.
The protection angle in the German standard, DIN VDE 0185 Part 100, is defined[5] so that the area of the protected region presumed by the PAM method is equal to that presumed by the RSM method (Fig. 1). This may be a realistic method for defining the protection angle.
By this definition, the protection angle can be expressed as follows:
2rH H 2
丁 1 r
r 2
r H
arctan｜ ＋ ｜
｜ ｜
arccos
, (2)
Protected region
人 H
H 2
人 H
r
Air terminal 。
H alpha;
H
H
H
H
H
by RSM
where r is the radius of a rolling sphere, H is the height of an air terminal (m), and alpha; is the protection angle (rad).
This angle alpha; is described in Fig. 2, using angle () for comparison, where each curve corresponds to an LPL level.
As this angle alpha; coincides with the value of the plotted protection angle in IEC 62305-3 within an error of reading
Fig. 1 Description of protection angle alpha; and angle e
with protected region by RSM. ( H lt; r )
(土0.5°), it is assumed that the protection angle in IEC 62305-3
is defined by Eq. (2), although the values of the plotted protection angle in IEC 62305-3 are a little different within about 土3° than those in Table 1 of IEC 61024-1.
However, as this method defines a protection angle larger than the angle (), the rolling sphere should penetrate the protected area presumed by this method.
If the penetration depth from the surface of the cone produced by the protection angle is denoted as d, this is expressed by the following equation (Fig. 3):
standard and does not need this condition.
Therefore, if the distance of the ridge of the reference plane from the air terminal is short enough for the rolling sphere to contact with both the top of the air terminal and the ridge as expected for high-rise buildings, the penetration depth is larger than that determined by using Eq. (3) (Fig. 3).
The maximum penetration depth in this condition, is
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
IEC 62305标准中关于高层建筑物保护角法和防雷规定的思考
Yasuo Kishimoto
NTT设施研究所公司
Ueno Tosei Bldg, 4-27-3, Higashi-Ueno, Taitoh-ku, Tokyo 110-0015, Japan
摘要：考虑了IEC 62305标准中描述的高层建筑边角的防护角度和保护规则。我们估计了滚动球体进入保护角锥的穿刺深度。结果表明：没有保护措施的角遭受闪击的次数是不可忽略的。
关键词：闪电防护，IEC 62305，保护角度，滚球，采集量，高层建筑。
0 引言
自上世纪60年代末以来，我们看到日本城市地区的建筑物垂直化进程不断增加，因此，高层建筑的外部防雷系统（外部LPS）技术是很有必要的。
在2006年1月，IEC TC81颁布了新的防雷标准，IEC 62305【1】，他集合了以前的防雷标准。尽管滚球法（RSM），保护角法（PAM）和网格法（MM）都包含在本标准中，但滚球法仍被认为是设计雷电保护系统的最佳工具【2】。
在新标准IEC 62305下，保护角被精确的定义为近似于由RSM方法定义保护的的区域。然而，与使用RSM方法造成的风险相比，这种方法存在的问题是滚动球体会渗入假定的保护区域，从而引入额外的雷击风险。
前标准IEC 61024-1适用于高度60m建筑结构，并且前标准规定LPL I和LPLIII（LPL=防雷等级）的建筑结构侧面应受到保护，而新标准关于高度60m的建筑物的侧面遭受袭击的风险忽略不计，新标准要求对高于60m的结构上部（即结构高度的最高20%）进行保护，并且建议对超过120m的建筑中可能遭受危险的超过120m的所有部分进行保护。
这里我们仔细考虑了PAM法中假定滚球进入受保护区域的穿透深度方程，该方程描述了对矩形结构模型使用“概率调制收集体积”（PMCV）方法【3】时，高层建筑侧面保护规则有效性的估计结果。
2 滚球的渗入深度估算
下式提出了与雷电流I（kA）的峰值和撞击距离r（m）相关的部分关系表达式：
r=A·Ib （1）
其中A=10和b=0.65符合IEC 62305标准。
满足RSM方法条件的保护角度由一个角度theta;给出，这个角度是由滚球与一个空气终端顶部相接触，从这个接触点引出的垂直线和滚球与接触点相切的切线组成。然而，在远离接触点的某一点上，我们推测然的受保护区域的边界线和角度的边界线与RSM方法的边界线太不相同。
德国标准DIN VDE 0185第100部分中的保护角度定义为，由PAM方法推测的受保护区域的面积与RSM方法（图1）推定的面积相等时的角度【5】。这可能是定义保护角度的现实方法。
图1 用RSM描述保护角alpha;和受保护区域的角度。（Hlt;r）
通过这个定义，保护角度可以表示如下：
其中r是滚球的半径，H是空气终端的高度（m），alpha;是保护角（rad）。
该角度alpha;在图2中描述，使用角度theta;进行比较，其中每条曲线对应于LPL水平
图2 滚球的渗入深度说明 （Hlt;r）
由于该角度alpha;与IEC 62305-3中绘制的保护角度值在读数误差（土0.5°）内一致，因此认为IEC 62305-3中的保护角度由公式（2）给出。尽管IEC 62305-3中绘制的保护角的值在约3°内与IEC 61024-1的表1中的保护角有些不同。
但是，由于该方法定义的保护角度大于角度theta;，所以滚球应穿透由该方法推测的保护区域。
如果由保护角产生的锥体表面的穿透深度用d表示，则可用下式表示（图3）：
图3将滚球插入指定的保护区域的深度。每条线对应于LPL I至IV。
通过使用方程式（3）确定d对空气高度的依赖性，在图4中描述。穿透深度d在10m以下的高度近似与高度成正比。高度10m时LPL I〜IV为0.65〜0.70m，高度低于20m时为其的7〜8％。
图4收集区域Ad、设置为等于Ad H=60m（W=L=50m）。
尽管这种保护角度是基于存在足够大的实际参考平面来支持球体，但PAM方法与标准中的RSM方法无关，因此不需要此条件。
因此，如果参考平面的凸脊距空气终端的距离足够短以使得滚球的预期顶端与高层建筑物的顶端都接触，则穿透深度大于通过使用公式（3）确定的穿透深度。（图3）
在这种情况下的最大穿透深度由以下等式给出：
穿透深度d与由公式(4)估算的空中终端高度的相关性,也在图3中描述。滚球的最大穿透深度在10米以下近似与高度成正比。高度为10米时，LPL I至IV为1.2至1.3米，当高度低于20米时，高度为其的11至16％。
因此，在最坏的情况下，滚球的穿透深度大约是参考平面足够大以支撑球体时的两倍。
在IEC 62305标准中，去除了前IEC标准中60 m结构的高度限制。因此，当将PAM方法应用于上述高层时应牢记在心。因此，穿透深度应作为设计空气终端系统的余量。
3 结构侧面闪络频率的估计
3.1 条件
假设对于雷击的击打距离和峰值电流的关系等式（1），其中不区分与之有关的结构和环境。根据这个假设，半径等于围绕结构的冲击距离的滚球的中心的轨迹定义了表面S（I），称为雷电峰值电流I的曝光区域。
假定在防雷保护中非常重要的第一短冲程电流的独特概率密度分布位于结构周围空间中的任意点处。根据IEC 62305标准，其中假定极性比率为正值10％和负值闪烁90％，第一次冲程电流的概率密度分布表示如下：
其中n (I )是负的第一短冲程电流的分布函数，并且 p （I ）是正的第一短冲程电流的分布函数。
标准中对雷电流参数的概率取对数正态分布，并给出当前参数值的常用对数的平均值mu;和离差sigma;log。对于负的第一短冲程电流，（mu;，sigma;log）的给定值分别为（61.1kA，0.576）（lt;20kA）和（33.3kA，0.263）（gt; 20kA），对于正的第一短冲程电流则为（33.9kA，0.527）。
3.2 估算条件
结构Nd, I 主 Imin的平均年闪频率和结构Nd的最小峰值电流以上的平均年闪频率表示如下：
这里Ng是平均年地面频闪密度，（Ng ≌Td·0.1，Td是每年雷暴天数）Cd是环境因素，Ad是收集区域（W：宽度，L：长度，H：高度）
结构Nd, UP side的未受保护侧的平均年闪击频率和结构Nd, UP side, I ge;Imin未受保护侧的最小峰值电流以上的平均年闪击频率相近，则表明积分中的最大电流对于结构的侧面影响是有限的。
因此，Nd, UP side, I 主 Imin与Nd, I 主 Imin的比率表示如下：
3.3 采集区域
虽然在某些关于距离的模型中考虑了采集区域[6]，但本文采用下面的表达式，如IEC 62305标准所定义的：
Ad =W·L 6H·(W L) 9pi;H2, (9)
然而，收集区域的表达式也可能是下面那个，因为在方程（1）中雷击距离被定义
A d由A d ,top构成，顶部为结构顶部，Ad ,side为结构侧面。因子k是与Ad.相关的系数。虽然它在H = 0m时显然必定等于1，但当H = 60m时，A d设为等于Ad”，W = L = 50m时，它变为了2.12随着高度H的增加，Adlsquo;,top收敛到比W·L稍大的值，并且随着H值的增大，Arsquo;d，side线性增加（图4）。
3.4 预期的结果
3.4.1 闪击频率的结构
计算各种区域的平均年闪频率与结构Nd, UP side的比率，宽度W与长度L（1：1和10：1）之间的两个不同比率，以及Td高度达200m处时 =25（日本的典型值）和Cd = 1。对于高层建筑，当Hgt; W，L时，闪光频率与高度的二次方成正比，这从Ad的函数形式中得以表现。W = L = 50 m，H = 60和150 m的结构的闪光率为约为0.35次闪烁/年（H = 60 m）和1.82次闪烁/年（H = 150 m）。
估计高于最小峰值电流的平均年闪频率与结构Nd, I ge; Imin相对于结构Nd的平均年闪频率的比率如下：
a）如果Hgt;rImin，那么它的高度几乎是恒定的。
b）如果Hgt; rImin,，则与宽度W和长度L之间的比率相关性低，并且差异在1％
c）如果对于每个LPL水平Hgt; rImin,，则其gt; 99％（LPL I），98％-99％（LPL II），94％-97％（LPL III），89％-93％（LPL IV）。
这里用LPL中的滚球的半径，因此，Nd和Nd, I ge;Imin N之间的差值在Nd的约10％以内，如预期那样相对较小。
3.4.2 结构两侧的闪击频率以及对抗措施的影响
发现了对高层建筑的上部具有明显的保护效果。当考虑LPL I的最小雷电流（3kA）以上的雷电流闪电时，90米以下的结构对于高于最小峰值电流PUP side, I ge;Imin的电流，闪光频率对结构侧面与整个结构侧面影响之比基本上小于6%。但是，它以0.3%/m的速度增长到超过90m（图5）。这里电流限制在最低水平，这个结果基本上来自比率Ad ,side / Ad，其中Ad ,side和Ad边在C节中解释。如果结构的最高20％的高度受到保护，那么增加率被抑制到2/3（0.2Omega;/ m）。宽度W和长度L（1：1和10：1）之间的比率的增加率在5％以内一致。因此，可以说，宽度W和长度L之间具有不同比率的高层结构在最高20％的保护效应方面几乎相等。
图5 建筑物一侧最高20％的保护与建筑物无保护侧（W=L=50m）对闪电频率的影响的比率。每条线对应于LPL级别。
对于高度低于150米的结构，由于20％的保护规则，当电流超过最小峰值电流时，雷电闪电的减少率为51-59％或LPL I至LPL IV（图5）。也就是说，该规则估计具有将结构的未受保护侧的闪击频率与整个结构的闪击频率之比降低到50％以下的效果。
对于高于150米的建筑结构，推荐的保护规则对于120米以上的所有部件是有效的（图6）。
图6 保护范围在120m以上的区域，最高20%的规则对建筑物侧面的保护仍有效（W=L=50m）。每条线对应LPL级别
然而，对于150米高（W=L=50m），最高20％保护的结构，年均闪光频率Nd为每年1.82次闪光，未保护侧闪光频率Nd,UP side为每年0.21次闪光，因此Nd到Nd,UP side的比率为11.5％。仅当LPL I至III的任何水平应用于整个结构时，这个速率大于可容忍的屏蔽失效率，其为2-10％。
因此，如果上述估算是合理的，尽管计算模型的假设很简单，那么也应该降低结构侧面受保护部件的最低位置。此外，也应考虑LPL I至IV的保护效率之间的差异。
4 结论
这里考虑了PAM方法的保护角度以及在新的IEC防雷标准中结构两侧闪击的保护规则。结果总结如下：
4.1 PAM法
a.在最坏的情况下，滚球渗透到推测的受保护区域的深度可能大约是标准中预期的两倍。
b. 最好设计一个使用渗透深度作为余量的空气终端系统。
4.2 建筑结构层侧面闪击的防护
a.根据Ad的函数可以得出，高层建筑物的闪击频率（H）W,L）随着高度与高度的二次方成正比急剧增加。
b.根据最高20％的保护规则，150米以下的建筑物估计可以有效地将建筑物未受保护侧的闪击降至50％以下。
c.根据最高的20％保护规则，建议保护所有超过120米的部件的规则对高于150米的建筑结构仍有效。
d. 与标准中规定的LPS的保护效率相比，在最高的20％保护下150m高的建筑结构侧的估计闪击频率
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[22167]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
