弱電設備防雷電危害與抗干擾研究

錢良楚

（深圳市廣工電梯有限公司，深圳 518000）

深圳寶安金安廣場（以下稱金安廣場）于2006年3月曾遭遇受一次嚴重的雷電襲擊，其監(jiān)控中心機房設備及部分閉路電視的攝像機均因雷電而遭致?lián)p壞，該廣場雖有防雷網(wǎng)、避雷針等設施，但對弱電設備幾條無采取任何防護措施，這便是造成這次事故的原因。

事后，金安廣場管理處聘請筆者對該廣場防雷設施進行了全面的檢查，并主持了該廣場防雷設施的重新設計和改造工程，在原安裝的攝像頭基本都損壞的情況下，筆者著手對整個系統(tǒng)進行整改，增加了相當部分弱電防雷設施，并在以后多個弱電工程項目中加以推廣應用，取得了一定的效果，受到該管理處的好評。筆者就該部分弱電設備（特別是閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)）防雷所做工作和對弱電抗干擾實驗研究及其所采取的相關(guān)技術(shù)措施進行介紹。

1 雷擊弱電設備的成因及防護措施的原理分析

1.1 對可能遭受雷電襲擊造成弱電監(jiān)控設備損壞的幾種可能性進行研究與分析

1）若雷電直接擊中弱電外部設備上，因電效應、熱效應和機械力效應等直接可導致?lián)p壞弱電的外部設備。

2）雷電在對地放電時會在附近的電源線路、信號線路、埋地管道、接地系統(tǒng)地線上產(chǎn)生靜電和電磁感應電壓，當感應電壓高達一定程度并串到弱電回路中同樣也會損壞弱電的設備。

筆者認為安裝在金安廣場室外監(jiān)控攝制機遭受直擊雷襲擊的可能性很大，但這種威脅也可能通過電源或信號線危害到室內(nèi)弱電設備。

1.2 增設室外監(jiān)控攝制機的避雷針并加裝好其可靠有效的接地裝置

1）在弱電設備的電源、信號端加裝類似限壓、泄流的避雷裝置以減少其危害。

2）金安廣場樓臺頂雖有避雷針、避雷帶、接閃器在接雷后通過接地網(wǎng)的引下線把雷電引入大地，雖然保護了樓房，但這一同時也產(chǎn)生了很大的瞬變的電磁場，該瞬變的電磁場產(chǎn)生的電磁脈沖波輻射對附近的弱電設備也是會產(chǎn)生的致命性的破壞。

1.3 針對雷電危害的第三種情況，防雷的措施主要是采用相應的屏蔽、隔離及限壓手段等，以減少其危害程度

1）由于雷擊大地或接地體，使得無雷擊時處于低電位的接地裝置的地電位上升，就可能波及附近的電子設備，形成電位差使各設備損壞。當雷電發(fā)生時，建筑物接閃裝置在接閃雷電時，引下線立即產(chǎn)生高電位，會對防雷系統(tǒng)周圍的尚處于地電位的導體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡，這時特別是接閃裝置的距離達不到規(guī)定的安全要求并使其電位升高時，就會對各弱電設備構(gòu)成嚴重的危害。

2）減少這種危險最簡單的辦法是采用均壓環(huán)，將處于地電位的導體用等電位連接起來，一直到接地裝置，也就是將室內(nèi)的金屬設施、電氣裝置和電子設備，等都進行等電位連接，將各個內(nèi)層保護區(qū)的界面處局部等電位連接，并最后與等電位連接母線排相連。這樣做法達到要求后，即使是在閃電電流通過時，室內(nèi)的所有設施立即形成一個“等電位島”，可保證導電部件之間不會產(chǎn)生有害的電位差，不發(fā)生旁側(cè)閃絡放電。

3）大家知道，雷電流是一種頻率極高的高頻脈沖電涌，通常其頻率大于是 1MHz，持續(xù)是時間不超過 100μs，也就是說防雷等電位是高頻等電位連接，它顯然不同于防電擊工頻50Hz等電位聯(lián)結(jié)線，不可忽視其連接線對其產(chǎn)生的電抗，此時電抗的作用遠遠大于其電阻，其原因是由于交變電流不同于直流電流，前者在導體中流動時，其分布是不均勻，其在導體表面電流密度較大，越靠近導體中心，電流密度越小，這便是通常所講的交變電的集膚效應（又稱趨膚效應）。此效應隨頻率和截面的增大而更加明顯，由于此集膚效應的影響電流基本上在導體或?qū)Ь€表面流動，所以要求防雷等電位連接線應具有足夠的截面積和表面積。例如當采用銅帶做連接線時，要求其寬厚比大于或等于 5，此外還要求連接線的走線盡量短直，各導體間應考慮做多次做相互連接，應盡量利用建筑物內(nèi)大量的金屬構(gòu)件或金屬管道作連線的并聯(lián)通路，在選擇連接線時要考慮的此問題。

采取上述措施后，就可以有效地降低防雷等電位連接系統(tǒng)的高頻阻抗，基本上達到目的。

總之，完善的等電位連接可以減少雷電電流入地時造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊產(chǎn)生的可能性，對各弱電設備的防雷是極其有效的措施。

通過現(xiàn)場分析得出結(jié)論，金安廣場的室外攝像機的損壞是多半是因為遭受直擊雷襲擊而損壞，而機房內(nèi)主機設備的損壞則由于電磁感應相伴的沖擊過電壓和過電流沿著電源線或信號傳輸線，侵入弱電設備后所導致的可能性要大一些。

2 有針對性地探討防雷方案

大家都知道弱電系統(tǒng)（包括閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)）防雷是一項綜合性工程，根據(jù)國標GB50343—2004《建筑物電子系統(tǒng)防雷規(guī)范》中說明弱電防雷是包括外部防雷和內(nèi)部防雷兩個方面防范措施要求，該金安廣場已設計施工完成的防雷系統(tǒng)初步檢查也基本安裝到位?？紤]到金安廣場的多數(shù)閉路電視監(jiān)控攝像機長年安裝在室外立柱上，又遠離該廣場大樓，就是個別有靠近大樓處安裝，也不在金安廣場大樓的避雷裝置的保護范圍內(nèi)，所以不能抵擋直擊雷的入侵，為此在防雷方案中要對其加以補救措施。

建筑物內(nèi)部防雷系統(tǒng)是為保護建筑物內(nèi)部的設備以及人員的安全而設置的，主要以空間屏蔽、等電位連接、減少接近耦合、限壓保護等措施，通過在需要保護設備的前端安裝合適的，即過電壓保護，使設備、線路與大地形成一個有條件的等電位體，將可能進入的雷電流阻攔在外，將因雷擊而使內(nèi)部設施所感應到的雷電流得以安全泄放入大地。檢查現(xiàn)場，此內(nèi)容的防范措施在金安廣場的弱電設備中原根本就沒有考慮進去，所以必須對其加裝。有了理論依據(jù)，采取一系列具體措施都是圍繞上述原理所展開的。

3 弱電設備防雷具體方法與主要部件選用

3.1 弱電設備在電源方面的防雷措施

1）在弱電監(jiān)控主電源的配電房低壓輸出端并聯(lián)安裝一套B級電源防雷箱CP100B/B4（深圳生產(chǎn)），用于監(jiān)控機房整體設備的電源的防雷初級保護。

2）在監(jiān)控機房電源總進線處或者 UPS處，采用并聯(lián)安裝一套電源二級防雷箱CP40B/B2（深圳生產(chǎn)），作為中心機房內(nèi)設備的電源第二級防雷保護。

3）在監(jiān)控機房內(nèi)重要設備電源進線處，采用串聯(lián)安裝電源第三級插座式防雷器 CD010-6（深圳生產(chǎn)）措施，作為室內(nèi)設備的電源末級防雷保護，形成了第三級防雷保護。

其中 CD010-6（深圳生產(chǎn)）是用于監(jiān)控機房硬盤錄像機等設備的電源末級防護，其目的是將雷電及其他浪涌電壓限制到對設備沒有損害的水平，同時還可對日常發(fā)生的電源系統(tǒng)操作過電壓、電源高次諧波等也具有限制和保護作用，可以延長設備的正常使用壽命，減少運行維護成本。

3.2 對弱電設備的傳輸信號線加裝防雷措施

為更好的保護其他弱電設備不受雷電的侵襲，應對監(jiān)控系統(tǒng)及其他弱電設備兩端作有效的防雷保護，應采取如下措施。

1）機房內(nèi)對輸出視頻信號設備的視頻線出線端子加裝視頻信號防雷器，根據(jù)金安廣場的攝像頭連接形式、線路特性阻抗、工作電壓等參數(shù)，筆者選用插入損耗小、駐波比小的CS12L/BNC（深圳生產(chǎn)）防雷器。在硬盤錄像機的視頻信號線都安裝視頻信號防雷器。

2）機房內(nèi)輸出控制信號的控制線出線端部也加裝控信號防雷器，根據(jù)金安廣場的閉路電視監(jiān)控的編、解碼連接形式、線路特性阻抗、工作電壓等參數(shù)選擇插入損耗小、回波損耗大的防雷器，考慮選定為CS12L/P2（深圳生產(chǎn)）。

3）在考慮成本允許條件下，對防雷要求高的弱電信號線盡可能采用光纜。（因光纜傳送的是光信號，其受雷電破侵害的可能性就?。?。若為其它弱電電纜則要考慮對所有信號系統(tǒng)進入樓房的電纜芯線對地盡量加裝專用防雷器，設備前端再加裝專用防雷器，這些防雷器材統(tǒng)一采用深圳產(chǎn)品。

4）為減少雷電產(chǎn)生的耦合現(xiàn)象及線路產(chǎn)生互感電流發(fā)生，弱電設備各系統(tǒng)的布線安裝在金屬屏蔽線槽內(nèi)，并將金屬線槽兩端與大樓的建筑物接地網(wǎng)進行可靠的聯(lián)接，金屬線槽接頭處做接地跨接，同時所有電源線路與弱電信號線路應分線槽走線，其間距保持300mm以上，在弱電豎井內(nèi)，弱電線槽盡量避開作為防雷引下線的柱子，達到線路屏蔽、隔離、防耦合的目的。

5）為了更進一步完全防止線路感應和雷電侵入弱電設備，對弱電傳輸線采取的措施還包括：如線路盡可能短、盡可能不要架空，有條件時應產(chǎn)盡量采取穿管埋線。

3.3 弱電設備機房接地與等電位連接的雷電防護做法

建筑物內(nèi)的弱電機房，遭受直擊雷的可能性比較小，在此處除了應采用各種防雷器進行防護外，還采用等電位聯(lián)結(jié)方式作為防雷保護的補充。就是將各弱電裝置諸金屬外殼用導線連接起來，以減少雷電流在它們之間的電位差，減少其間擊穿的可能性，正如談到過等電位聯(lián)結(jié)是防止雷電波侵入和雷電感應的一種有效辦法，采取的具體措施有以下兩方面。

1）在機房內(nèi)設防靜電地板，也就是采用目前國內(nèi)最新防靜電地面材料（防靜電瓷磚）。還對機房內(nèi)的部分裝修材料改為也是防靜電的，內(nèi)墻和頂棚表面使用防靜電防火墻板或噴涂導靜電環(huán)氧涂料，送風管道和送風口使用導電三聚氰氨材料，目的是為了避免空氣流動時會產(chǎn)生靜電積聚。

2）在監(jiān)控中心機房防靜電地板下，沿著地面上布置40×4mm的銅線排，形成閉合環(huán)接地匯流母排，將各種進出機房線路的金屬水管、金屬管、金屬橋架、屏蔽線槽、配電箱金屬外殼、電源地、避雷器地端、機柜外殼、金屬門窗、金屬隔斷、防靜電地板下的隔離架進行多點以最短路徑就近連接在等電位匯流排上，同時將電氣保護的PE地也接至等電位連接體匯流排上，此外，在機房內(nèi)找出大樓建筑物的主鋼筋引下線的伸出連接點，經(jīng)測試其確與避雷帶連接良好，接地電阻值達到要求，另用 φ14鍍鋅圓鋼通過銅鐵轉(zhuǎn)換接頭將接地匯流排與之相連接。

考慮到前述的雷電產(chǎn)生的集膚效應特點，各處均注意到防雷等電位連接線最小截面積的要求，并做到走線盡量短直。

另外在遇到建筑物地網(wǎng)情況較差時，由于接地電阻太高，就采用另立地網(wǎng)措施進行補救，保證接地電阻小于弱電設備要求的1?以下。

3.4 室外攝像機的雷電防護措施

監(jiān)控攝像頭有室外和室內(nèi)安裝兩種，安裝在室內(nèi)一般不會遭受直擊雷的侵害，只需考慮雷電過電壓對設備的侵襲，而室外還要防止直擊雷的威脅。具體操作是采用攝像機立桿上部安裝一個簡易避雷針，也就是在該立桿的頂端豎立一根約 1.2m的短針，其與立桿頂部焊接好，并做好接地，桿中間設一個防雷器。其二是選用桿中間的防雷器時要考慮到攝像頭有兩種類型，必須根據(jù)其不同的參數(shù)與之相適應。對金安廣場安裝的20個帶云臺動點攝像機和固定18個攝像機都應分別加以選用。

1）對于動點攝像機，采用在帶云臺攝像機的視頻線、控制線與電源線處串聯(lián)安裝CMOS三合一監(jiān)控專用防雷器CPSS12A220（深圳生產(chǎn)）。此款防雷器具有視頻線防雷，控制線防雷，電源線防雷與一體的功能，安裝方便，容易維護。

2）對于定點攝像機，只考慮視頻線和電源線的防雷保護，即在進入攝像機的視頻線、電源線處串接CMOS二合一防雷器 CPS12D12（深圳生產(chǎn)），它集視頻、電源防雷與一體，安裝極為方便，從而保證基本上達到了有效地保護前端攝像機設備的目的。

3）另外，防雷器的引下接地裝置，考慮到攝像機均安裝在立桿上，立桿又是金屬所制，也就是把攝像機與防雷器的地線直接引接在立桿上，同時將Φ40鍍鋅鋼管長度為2.5m 2根，垂直埋深0.8m以下做接地極，垂直地極之間間距為5m，采用40mm×4mm鍍鋅扁鐵焊接成的復合接地網(wǎng)，金屬桿做引下線采用φ10鍍鋅圓鋼引接到大地接地極上，兩端應采用焊接連接，焊接處應刷瀝青油防腐，接地電阻小于4?，如無法達到接地電阻要求，可再多加單根垂直接地體，當然有條件時，立桿基礎做好后接地線也可以就近和附近的建筑物的接地網(wǎng)直接相連以解決接地問題就更好。

4）為防止電磁感應對室外攝像機的損害，把攝像機的電源線和信號線都穿在金屬套管內(nèi)，使之達到金屬屏蔽的效果。

總之，通過安裝簡易裝置及其配套接地措施能使室外攝影機安裝在避雷針滾球半徑的保護范圍內(nèi)，可減少室外監(jiān)控攝像機遭受直擊雷的損害的機會。

4 對其他各處設備（包括弱電機房）的屏蔽防護處理等做法

對弱電設備外部防感應雷可用屏蔽等手段，也就是把雷電電磁脈沖從空間感應入侵通道加以阻斷，筆者采取了以下技術(shù)措施。

1）所有弱電設備均應考慮屏蔽，最好將重要的弱電設備均設在機柜內(nèi)，且機柜外殼應接地良好，且接地電阻滿足小于1?。（接地電阻如經(jīng)測試達不到要求，則采用加裝接地極和加降阻劑或改良土壤方法來解決，這里就不再作詳細說明）。

2）均壓等電位連接（包括弱電機房，其內(nèi)容前面已有詳細的論述），其目的是為了徹底消除雷電引起的各處的電位差，消除設備可能存在的地電位反擊問題。

3）設置安全距離要求，即要求各弱電設備應盡量遠離建筑物的梁、柱等位置，主要考慮到柱內(nèi)鋼筋在泄放雷電流時可能產(chǎn)生較強的電磁場，從而造成了設備的損壞。

4）考慮到弱電設備與其它強電設備在防雷電接地方面最大不同特點是在于其設備的工作頻率很高，也就是說接地線和連通回路的高頻阻抗已不可忽視，為此筆者做到對各弱電設備其間的連線盡可能短直，各金屬結(jié)構(gòu)、管道都可能就近接于建筑物的接地母線，其目的是盡可能減少接地回路的阻抗（原理前面已闡明）。

5 弱電設備防雷及抗干擾屏蔽的研究及其應用

由于建筑群以外的自然環(huán)境及建筑內(nèi)部環(huán)境中存在著大量的電磁干擾，使弱電設備產(chǎn)生誤碼、錯碼、誤動作，使信號系統(tǒng)受到污染、產(chǎn)生噪聲，會使設備性能下降，導致弱電設備無法正常工作，尤其是雷電發(fā)生時所伴隨產(chǎn)生強烈的電磁脈沖時就更為嚴重。這些情況筆者在深圳寶安的金安廣場和深圳福田區(qū)錦銹小區(qū)的電氣設備安裝調(diào)試中就曾多次遇到過，因此，弱電系統(tǒng)必須實施有效的抗電磁屏蔽措施才能保證其正常運轉(zhuǎn)。

這部分內(nèi)容因牽涉到很多方面，也很復雜，在這里我僅描寫其中小部分，只做粗淺的分析，僅介紹我在抗干擾屏蔽方面所做的小部分工作內(nèi)容。

1）對當弱電系統(tǒng)外殼為非金屬外殼時，采用一個鎳銅合金絲編織成金屬網(wǎng)作屏蔽網(wǎng)，金屬屏蔽網(wǎng)與等電位點可靠地連接在一起，此金屬屏蔽網(wǎng)對10MHz左右的電磁干擾按理論計算一下大約有90dB的衰減，如要求進一步衰減，則必須采用雙層金屬屏蔽網(wǎng)。 把弱電系統(tǒng)的小機柜用上述金屬屏蔽網(wǎng)包起來，同時處理好接縫，解決信號線出入口等問題，就可取得較好的電磁屏蔽效果。

2）當強、弱電設備都安裝在一起時弱電設備受干擾的情況比較明顯，因考慮到柜內(nèi)強電回路與弱電回路相隔距離很小，信號連線還相互交錯，弱電系統(tǒng)受到強電系統(tǒng)電磁干擾幾率很大的因素，為此在兩個相互干擾的導電體間插入接地良好的金屬板，這塊金屬板的材料采用導磁率較高的鐵鎳合金做成（因其導磁率u=5000～10000，是銅和鋁的u值幾千倍），就因為這塊金屬板置于在電磁場中，利用其吸收和反射效能從而達到屏蔽的最終效果。

3）抗干擾措施還可采用如隔離、接地和濾波等，常見的具體方法還有：

（1）弱電機房內(nèi)的金屬門與吊頂內(nèi)的龍骨進行多次連接。

（2）采用金屬管等電位聯(lián)結(jié)，與屏蔽措施相配合，所有的弱電信息設備盡可能與建筑物保持 1m遠的距離，可有效地屏蔽電磁干擾。

（3）對接地及公共阻抗帶來的干擾，其有效的抑制方法是使各種接地之間盡可能不構(gòu)成回路

（4）弱電系統(tǒng)機房盡可能遠離強功率發(fā)射及電梯機房，避免設在建筑物高層，而盡可能選擇在建筑物的低層中心位置。

（5）為防止市電電網(wǎng)急劇變化或雷擊出現(xiàn)過電壓，調(diào)試中用的電源方面我盡量使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源供電。

（6）施工中普通信號的電纜屏蔽層都做到進行接地處理，其接地位置可選擇在接地信號源或接收器一側(cè)進行接地；而傳遞控制信號的電纜屏蔽層也進行接地處理，其接地位置一般選在對地電容大的一端進行接地，以減少信號電纜對地電容的影響。

（7）將受干擾電路和干擾電路隔開或分開。

（8）照明裝置的供電線路上設置電源線路濾波器，供電端子進行屏蔽。

（9）在電源的進出線端口處加低通濾波器以消除電網(wǎng)中的高頻干擾。

（10）建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋保持電氣的連續(xù)性。

總之，理論和實驗都證明了屏蔽是阻擋電磁干擾經(jīng)空間傳輸?shù)淖詈梅绞剑绕涫钱斃纂娨u擊到來前能夠把弱電設備屏蔽起來這種措施就尤其顯得重要，很顯然采用屏蔽措施對弱電防雷和抗干擾兩方面有著雙重功效。

通過以上相關(guān)技術(shù)措施，可初步達到弱電防雷及相關(guān)弱電設備抗干擾的效果，正由于原有弱電設備遭受雷擊后，筆者所在的單位加強了弱電防雷的技術(shù)力量，除安排了筆者管理建筑強弱電施工管理外，另外專門負責全部項目的防雷工作，也就是在后來承接的建筑工程的每個弱電項目中包括福田錦繡小區(qū)、南山月亮灣小區(qū)等，筆者盡可能采用上述技術(shù)措施對弱電系統(tǒng)尤其是閉路電視監(jiān)控制設備進行完善補充，此外筆者還把這部分防雷及弱電抗干擾措施也應用于計算機房、門禁對講、消防弱電、背景音樂、電梯控制系統(tǒng)等多個弱電系統(tǒng)中，其取得了比較明顯的效果。

[1] 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].GB50343-2004(12-13)中國建筑工業(yè)出版社.

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[5] 電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范[S.]GB50169- 92(2-4).中國計劃出版社出版.

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