安防監(jiān)控系統(tǒng)的雷電防護設(shè)計

代建新

摘 要：近年來，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，安防監(jiān)控系統(tǒng)在生產(chǎn)生活各個方面的使用越來越廣。在實際生活中，人們往往對監(jiān)控系統(tǒng)的防雷考慮不夠，一旦有雷電波侵入，設(shè)備損壞一般是巨大的，造成無可挽回的損失。所以，監(jiān)控設(shè)備防雷保護就顯得尤為必要。該文以河南省鄭州市金域華府為例對監(jiān)控系統(tǒng)遭受雷擊損害的主要原因以及雷電可能的侵入途徑進行了分析，進而對監(jiān)控系統(tǒng)使用中存在的問題現(xiàn)象進行了初步的總結(jié)和梳理，提出了監(jiān)控系統(tǒng)防雷設(shè)計問題的相關(guān)解決措施，針對監(jiān)控系統(tǒng)防雷設(shè)計應該注意的問題給出了一些建議。

關(guān)鍵詞：安防監(jiān)控系統(tǒng) 雷電防護 接地 等電位連接

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0035-04

在社會管理中，隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，安防監(jiān)控系統(tǒng)得到了更為廣泛的普及應用，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備因雷擊破壞的可能性就大大增加。如果前期監(jiān)控系統(tǒng)防雷保護設(shè)計存在缺陷，其后果可能會使整個監(jiān)控系統(tǒng)運行失靈，并造成難以估計的經(jīng)濟損失?，F(xiàn)在，大多單位的監(jiān)控攝像頭布置在室外，若無防雷措施，極易遭到雷電危害，或引起室內(nèi)監(jiān)控主機等設(shè)備損壞。因此，對監(jiān)控系統(tǒng)的防雷是十分必要的。為了準確、有效的對監(jiān)控系統(tǒng)采取防雷保護措施，首先應準確了解監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，明確監(jiān)控系統(tǒng)遭受雷擊損害的主要原因以及雷電可能的侵入途徑。以鄭州市金域華府小區(qū)的安防監(jiān)控系統(tǒng)為例，在分析其損壞原因的基礎(chǔ)上，正確選擇防雷設(shè)計方案和使用防雷保護裝置，研究和探討合理的信號、電源線路布線，明確屏蔽，以及正確接地方式，對小區(qū)的安防系統(tǒng)進行良好的防雷。

分析鄭州市1951年—2010年的雷暴觀測資料發(fā)現(xiàn)：鄭州市初雷日一般出現(xiàn)在每年的4月中下旬，9月以后，雷暴日數(shù)明顯減少，終雷日一般在每年的9月底。一年中雷暴日主要集中在夏季的6～8月，約占全年總雷暴日數(shù)的77.8%，且以主汛期的7月為最多（占夏季雷暴日數(shù)的45.3%），占全年總雷暴日數(shù)的35.2%（年平均各月雷暴日分布如圖1）。而鄭州市的強對流天氣一般也是出現(xiàn)在汛期的6～8月之間，據(jù)統(tǒng)計，有90%以上的雷暴天氣同時伴有降雨、短時大風、冰雹等強對流天氣。雖說鄭州市不屬于多雷區(qū)，但是對于雷電災害這方面仍需防護。金域華府位于鄭州市農(nóng)業(yè)西路，地勢平坦，周圍起伏不大。

1 安防監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成以及遭受雷電災害的主要原因

1.1 金域華府安防監(jiān)控系統(tǒng)的概述

安防監(jiān)控系統(tǒng)是應用光纖、同軸電纜或微波在其閉合的環(huán)路內(nèi)傳輸視頻信號，并從攝像到圖像顯示和記錄構(gòu)成獨立完整的系統(tǒng)[1]。它能實時、形象、真實地反映被監(jiān)控對象，并通過錄像機記錄下來。同時報警系統(tǒng)能對非法入侵進行報警。金域華府監(jiān)控機房位于大門保衛(wèi)處，整個小區(qū)共有24個攝像頭，其中4個球機，20個槍機。除小區(qū)所有主要通道及停車位外，還兼顧所有單元進出門。一旦有雷擊災害，損失將是巨大的。小區(qū)監(jiān)控分布圖如圖1所示。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2.1 前端部分

前端完成模擬視頻的拍攝，探測器報警信號的產(chǎn)生，云臺、防護罩的控制，報警輸出等功能。主要包括攝像頭、電動變焦鏡頭、室外紅外對射探測器、雙監(jiān)探測器、溫濕度傳感器、云臺、防護罩、解碼器、警燈、警笛等設(shè)備。

1.2.2 傳輸部分

傳輸部分主要由同軸電纜組成。傳輸部分要求在前端攝像機攝錄的圖像進行實時傳輸，同時要求傳輸具有損耗小，可靠的傳輸質(zhì)量，圖像在錄像控制中心能夠清晰還原顯示。

1.2.3 終端部分

該部分是安防監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它完成模擬視頻監(jiān)視信號的數(shù)字采集、MPEG-1壓縮、監(jiān)控數(shù)據(jù)記錄和檢索、硬盤錄像等功能。它的核心單元是采集、壓縮單元，它的通道可靠性、運算處理能力、錄像檢索的便利性直接影響到整個系統(tǒng)的性能[2]。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)遭受雷擊損害的主要原因

現(xiàn)代的安防監(jiān)控設(shè)備均系微電子化產(chǎn)品，這些監(jiān)控設(shè)備具有高密度、高速度、低電壓和低功耗等特性。因安防監(jiān)控電子設(shè)備的精密，耐過電壓能力下降，其對各種諸如雷電過電壓、電力系統(tǒng)操作過電壓、靜電放電、電磁輻射等電磁干擾非常敏感，使得監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備極易遭雷擊過電壓破壞，造成整個監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。

雷電具有極大的破壞性，從雷電產(chǎn)生和對監(jiān)控系統(tǒng)危害特點看，雷電可分為以下三種：直擊雷、雷電侵入波、雷電感應[3]。

（1）直擊雷。直接擊中露天的攝像機，直接損毀設(shè)備；直接擊在線纜上，造成線纜熔斷、損壞。

（2）雷電侵入波。也稱作雷電浪涌，由于雷電波侵入或人為操作不當引起過電壓、過電流，即浪涌。這種浪涌則可沿著各類金屬導體侵入監(jiān)控系統(tǒng)，進而造成監(jiān)控設(shè)備損壞。監(jiān)控系統(tǒng)的電源線、信號傳輸線或進入監(jiān)控室的其它金屬線纜遭到雷擊或被雷電感應時，雷電波沿這些金屬導線、導體侵入設(shè)備，導致高電位差使設(shè)備損壞。通常這種入侵主要有以下三條途徑：①雷電的地電位反擊電壓通過接地體入侵；②由交流供電電源線路入侵；③由通信信號線路入侵。不管通過哪種形式，哪種途徑入侵，都會使監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備受到不同程度的損壞，甚至引發(fā)嚴重的事故。

（3）雷電感應。也稱為感應雷或者感應過電壓。分為電磁感應和靜電感應，統(tǒng)稱二次雷。①電磁感應：當附近區(qū)域有雷擊閃絡時，在雷擊落地通道周圍會產(chǎn)生強大的瞬變電磁場。處在電磁場中的監(jiān)控設(shè)備和傳輸線路會感應出較大的電動勢，以致?lián)p壞、損毀設(shè)備。②靜電感應：由于帶電積云接近地面，在監(jiān)控系統(tǒng)架空線路導線或其他導電凸出物頂部感應出大量電荷引起靜電感應。在帶電積云與其他客體放電后，架空線路導線或?qū)щ娡钩鑫镯敳康碾姾墒ナ`，以大電流、高電壓沖擊波的形式，沿線路導線或?qū)щ娡钩鑫飿O快地傳播，損壞監(jiān)控設(shè)備。近20年來人們的研究表明，放電流柱也會產(chǎn)生強烈的靜電感應。電磁感應和靜電感應引發(fā)的雷擊現(xiàn)象發(fā)生的機率大，據(jù)統(tǒng)計，感應雷擊事故約占雷擊事故的80%以上。感應雷對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的損害沒有直擊雷來的猛烈，但它要比直擊雷發(fā)生的機率大得多。endprint

2 安防監(jiān)控系統(tǒng)的防雷

2.1 安防監(jiān)控系統(tǒng)防雷原則

防雷保護的措施也有很多種，如使用接閃器、引下線、接地裝置，并使用共地、等電位連接、屏蔽及電涌保護器（SPD）等，但防雷保護不能僅靠某一個設(shè)備來完成，而是需要對系統(tǒng)整體進行考慮和設(shè)計，限制雷電引起的過電壓對設(shè)備的影響，使其達到防雷保護能力[4]。

監(jiān)控系統(tǒng)因受到直接雷害的威脅，需要設(shè)置避雷針等直擊雷防護裝置，雷電流通過引下線泄入大地中，并且外場設(shè)備由于有防護罩或機箱的屏蔽，基本處于LPZ1 防雷區(qū)內(nèi)，此區(qū)無法避免反擊雷、感應雷對其的破壞作用，需要使用等級較高、可以泄放直接雷的電涌保護器及良好的接地系統(tǒng)。通過第一級的泄放，大部分雷電流能量已釋放，但線路中的殘壓對設(shè)備仍有破壞作用，需要設(shè)置另一級電涌保護器件來徹底泄放殘余的雷電流。

監(jiān)控設(shè)備都存在電磁脈沖侵入的威脅，不管是處于監(jiān)控中心或是外場，雷電流通過電力電纜或通信電纜侵入設(shè)備系統(tǒng)中，會對設(shè)備造成損壞。所以，監(jiān)控設(shè)備供配電電纜及通信線路也要采取相應的防雷保護措施。

2.2 安防監(jiān)控系統(tǒng)的防雷措施

2.2.1 前端設(shè)備的防雷

前端設(shè)備應置于接閃器（避雷針避雷帶或其它接閃導體）有效保護范圍之內(nèi)，由于建筑物已有防雷接地系統(tǒng)，避雷針和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的接地應與周圍建筑物的防雷接地系統(tǒng)共地連接。獨立架設(shè)的攝像機，避雷針與攝像機之間的最小水平間距應大于3米。帶金屬桿的避雷針也可以架設(shè)在攝像機的支撐桿上[5]（如圖2），引下線可直接利用金屬桿本身（也可選用Φ10的鍍鋅圓鋼或25*4mm的鍍鋅扁鋼），為防止電磁感應，沿桿引上攝像機的電源線和信號線時應穿金屬管敷設(shè)，線纜的屏蔽外層或金屬管應與金屬桿有良好的電氣連接并良好接地。這樣絕大部分直擊雷都會擊在接閃器上，而擊到攝像機上的概率很小，可以起到保護攝像機的作用。為防止雷電波沿線侵入前端設(shè)備、應在設(shè)備前的每條線路上加裝合適的避雷器。

接閃桿保護半徑計算：

rx=-

r0=

其中：

rx為接閃桿在hx高度的xx'平面的保護半徑（m）；

hx為滾球半徑，按照GB50057-2010第5.2.1條確定；

r0為接閃桿在地面上的保護半徑

經(jīng)過計算，目前攝像機塔桿上的接閃桿高度和距離無法滿足防雷要求，應重新設(shè)計為：以目前攝像機水平面為基準，反方向探出1 m，攝像機與接閃桿水平距離為1.3 m，攝像機高度為0.3 m，接閃桿的應高出攝像機1.5 m以上（滾球半徑為45 m）。

為防止高電位反擊設(shè)備，前端設(shè)備的雷電浪涌保護器應安裝在前端設(shè)備的線路接口處。信號線傳輸距離長，耐壓水平低，極易感應雷電流而損壞設(shè)備，為了將雷電流從信號傳輸線傳導入地，信號過電壓保護器須快速響應。室外的前端設(shè)備應有良好的接地，接地電阻越小越好，最大不超過4 Ω。

2.2.2 傳輸系統(tǒng)的防雷

安防監(jiān)控系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)因為監(jiān)控系統(tǒng)中的放大器、混頻器以及顯示器等內(nèi)部有很多電子元器件，耐壓水平很低，易被雷電感應電壓擊穿而損壞。所以防止雷電感應是至關(guān)重要的。

在小區(qū)室外傳輸系統(tǒng)中，視頻信號傳輸線均采用普通的單屏蔽同軸電纜，一般緊貼金屬支桿明敷，引下至支桿底部后穿一段鋼管進入室內(nèi)接收設(shè)備，有的甚至沒有穿管就直接引入室內(nèi)。當雷電擊在監(jiān)控設(shè)備附近時，對此段電纜產(chǎn)生的感應高電壓會導入室內(nèi)擊壞監(jiān)控接收設(shè)備。若室內(nèi)的監(jiān)控接收設(shè)備無有效地防雷電感應措施，便會被擊穿。為了防止雷電感應，要對監(jiān)控傳輸線采用屏蔽措施，因為，傳輸線埋地敷設(shè)并不能阻止雷擊設(shè)備的發(fā)生，大量的事實顯示，雷擊造成埋地線纜故障，大約占總故障的30%左右，即使雷擊比較遠的地方，也仍然會有部分雷電流流入電纜[6]。所以采用帶屏蔽層的線纜或線纜穿鋼管埋地敷設(shè)，保持鋼管的電氣連通。如電纜全程穿金屬管有困難時，可在電纜進入終端和前端設(shè)備前穿金屬管埋地引入，在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管同防雷接地裝置相連，這樣可使監(jiān)控傳輸線上的雷電感應降低到最低程度。

2.2.3 終端部分的防雷

在小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控室的防雷最為重要，監(jiān)控中心防雷是整個監(jiān)控系統(tǒng)防雷的核心。由于監(jiān)控中心涉及建筑物防雷、監(jiān)控設(shè)備防雷，因此只有采用綜合防雷措施才能有效防止雷擊。經(jīng)證實，監(jiān)控室所在建筑物已經(jīng)有防直擊雷的避雷裝置。

進入監(jiān)控室的各種金屬管線應接到防感應雷的接地裝置上。架空電纜線直接引入時，在入戶處應加裝電涌保護器，并將線纜金屬外護層及自承鋼索接到接地裝置上。監(jiān)控室內(nèi)應設(shè)置一等電位連接板，該等電位連接板應與建筑物防雷接地、PE線、設(shè)備保護地、防靜電地等連接到一起防止出現(xiàn)危險的電位差。各種電涌保護器的接地線應以最直和最短的距離與等電位連接母排進行電氣連接。由于有80%雷擊高電位是從電源線侵入，為保證安全，一般電源上應設(shè)置二級避雷保護，這樣才能全方位的保護監(jiān)控中心安全。

2.2.4 防雷接地系統(tǒng)

所有防雷保護系統(tǒng)均應有可靠、有效的接地。接地系統(tǒng)是防雷系統(tǒng)必要組成部分之一。安防監(jiān)控系統(tǒng)前端、終端設(shè)備均應有良好的防雷接地，接地系統(tǒng)應符合規(guī)范要求。一般獨立于監(jiān)控機房所在建筑物的前端設(shè)備均須設(shè)有獨立接地。

視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)的主電源宜按一級或二級負荷來考慮。當發(fā)生停電或意外事故時要能啟用備用電源，并自動切換。為了保護系統(tǒng)免受外來的雷電沖擊等和系統(tǒng)的操作使用安全，應采用TN—S交流電供電系統(tǒng)。

根據(jù)GB50343—2012[7]知，安防系統(tǒng)的防雷與接地應符合以下規(guī)定。

（1）置于戶外攝像機的輸出視頻接口應設(shè)置視頻信號線路浪涌保護器。攝像機控制信號線接口處（RS485，RS424等）應設(shè)置信號線路浪涌保護器。解碼箱處供電線路應設(shè)置電源線路浪涌保護器。endprint

（2）主控機、分控機的信號控制線，通信線、各監(jiān)控器的報警信號線，宜在線路進出建筑物LPZ0A或者LPZ0B與LPZ1邊界處設(shè)置適配的線路浪涌保護器。

（3）系統(tǒng)視頻，控制信號線路及供電線路的浪涌保護器，應分別根據(jù)視頻信號線路、解碼控制信號線路及攝像機供電線路的性能參數(shù)來選擇，信號浪涌保護器應滿足設(shè)備傳輸速率、帶寬要求，并與被保護設(shè)備接口兼容。

（4）系統(tǒng)的戶外供電線路、視頻信號線路、控制信號線路應有金屬屏蔽層并穿鋼管埋地敷設(shè)，屏蔽層及鋼管兩端應接地。視頻信號線屏蔽層應單端接地，鋼管應兩端接地。信號線與供電線路應分開敷設(shè)。

（5）系統(tǒng)的接地宜采用共用接地系統(tǒng)，主機房宜設(shè)置等電位連接網(wǎng)絡，系統(tǒng)接地干線宜采用多股銅芯絕緣導線。

2.2.5 等電位連接

等電位連接是內(nèi)部防雷裝置的一部分，其目的在于減少雷電流所引起的電位差。

機房應根據(jù)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第6.3.4條規(guī)定：所有進入建筑物的外來導電物均應在LPZ0A或LPZ0B 與LPZ1區(qū)的界面處做等電位連接[8]。

為消除金屬線路與設(shè)備出現(xiàn)的雷電暫態(tài)高電位差，需對室內(nèi)各種金屬構(gòu)件進行等電位連接，將進入室內(nèi)的各種金屬管道，設(shè)備金屬外殼，通信、信號和電源等線纜的金屬（屏蔽）護層，SPD的接地端，建筑物的金屬構(gòu)架連接在一起，并接入建筑物的防雷接地系統(tǒng)，這樣就可以在發(fā)生雷擊時，避免在不同金屬外殼或設(shè)備之間出現(xiàn)暫態(tài)電位差，使得彼此間等電位，并維持地電位的水平，形成均壓。

在直擊雷非防護區(qū)（LPZOA）或直擊雷防護區(qū)（LPZOB）與第一防護區(qū)（LPZ1）的交界處，應設(shè)置總等電位接地端子板，每層樓宜設(shè)置樓層等電位的接地端子板，監(jiān)控室應設(shè)置局部等電位接地端子板[9]。各等電位接地端子板應設(shè)置在便于安裝和檢查的位置，不得設(shè)置在潮濕或有腐蝕性氣體及易受機械損傷的地方。等電位接地端子板的連接點應滿足機械強度和電氣連續(xù)性要求。監(jiān)控室的局部等電位連接圖如圖3。

共用接地系統(tǒng)由接地裝置和等電位連接網(wǎng)絡組成。接地裝置由自然接地體和人工接地體組成，共用接地裝置應與總等電位接地端子板連接，通過接地干線引至樓層等電位接地端子板，由此引至監(jiān)控室的局部等電位接地端子板[10]。監(jiān)控室的局部等電位接地端子板應與預留的樓層主鋼筋接地端子連接。

3 結(jié)論

雷電對安全監(jiān)控系統(tǒng)的損害途徑是多方面的[11]。該文主要以鄭州市金域華府的整體環(huán)境為參考分析了安防監(jiān)控系統(tǒng)遭受雷擊損害的主要原因，同時對安防監(jiān)控系統(tǒng)的防雷保護技術(shù)進行了相應的介紹。需要說明的是，防雷保護是一個比較復雜的問題，對安全監(jiān)控系統(tǒng)的防雷保護設(shè)計不僅取決于防雷裝置的性能，更重要的是在監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計施工之前，就要考慮到監(jiān)控系統(tǒng)所處的地理環(huán)境，設(shè)計合適的線纜布放方式、屏蔽及接地方式[12-13]?？傊?，防雷保護所采取的措施應綜合考慮，才能獲得良好的效果。

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