監(jiān)控系統(tǒng)雷電災(zāi)害防御技術(shù)研究與應(yīng)用

龔 偉 李衣長 吳月惠 巫圣燦

(1.福建省三明市氣象局 福建三明 365000； 2.將樂縣氣象局 福建三明 353300)

監(jiān)控系統(tǒng)雷電災(zāi)害防御技術(shù)研究與應(yīng)用

龔 偉1李衣長1吳月惠2巫圣燦1

(1.福建省三明市氣象局 福建三明 365000； 2.將樂縣氣象局 福建三明 353300)

通過對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理分析，并對2008～2017年10年期間三明市氣象局收集到一些雷擊造成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備損毀事件的研究分析，總結(jié)雷擊災(zāi)害原因，提出必須重視戶外監(jiān)控設(shè)備安裝“直擊雷防護(hù)”措施，因地制宜采取“線纜屏蔽與接地”與“供配電系統(tǒng)防雷 ”等雷電防御技術(shù)措施。

直擊雷；雷擊電磁脈沖；監(jiān)控系統(tǒng)；雷電防御；技術(shù)研究

0 引言

當(dāng)今時代，隨著電子科技的高速發(fā)展，安防技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)作為安防工作的一項重要手段被廣泛使用。然而，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)因其集成度高、耐過電壓、過電流和抗雷電電磁脈沖能力差等原因，極易遭受雷電的危害，尤其是戶外監(jiān)控設(shè)備更是容易遭受雷擊，引發(fā)一系列安全問題。近年來監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的雷電防御工作引起了有關(guān)部門的高度重視，但雷電災(zāi)害防御是一門綜合性的邊緣學(xué)科，因雷擊產(chǎn)生的強(qiáng)大雷電流，暫態(tài)高電位以及伴隨雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，都會對監(jiān)控設(shè)施造成嚴(yán)重的安全威脅。所以，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的雷電防御工作是一項重要而又復(fù)雜的技術(shù)難題。本文通過對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理分析，并對一些雷擊造成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備損毀事件的研究分析，開展了對監(jiān)控系統(tǒng)雷電災(zāi)害防御技術(shù)研究，希望對以后監(jiān)控系統(tǒng)防雷安裝工程能夠起到一定的指導(dǎo)作用。

1 資料來源和方法

1.1監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備雷電災(zāi)害資料

來源于福建省三明市氣象局收集的2008年～2017年10年期間雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)，由于雷電災(zāi)情資料收集不夠全面，對研究結(jié)論準(zhǔn)確性會有一定影響，但仍具有代表性和使用價值。

1.2方法

(1)統(tǒng)計學(xué)分析法

主要統(tǒng)計近10年的雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(2)災(zāi)情解析法

將近10年的雷電災(zāi)情進(jìn)行歸納整理，通過分析找出主要的雷擊途徑。

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、終端系統(tǒng)組成。前端系統(tǒng)通常指前端攝像機(jī)(高速球、云臺攝像槍、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和普通攝像槍)，包括：一臺或多臺攝像機(jī)以及與之配套的鏡頭、云臺、防護(hù)罩、解碼驅(qū)動器等。傳輸部分包括電纜和光纜，以及可能的有線/無線信號調(diào)制解調(diào)設(shè)備等。終端部分主要包括視頻切換器、云臺鏡頭控制器、操作鍵盤、各類控制通信接口、電源以及與之配套的控制臺、監(jiān)視器柜等。終端部分顯示記錄設(shè)備主要包括監(jiān)視器、錄像機(jī)、多畫面分割器等。安防監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖

監(jiān)控系統(tǒng)由電源系統(tǒng)集中供電，前端攝像設(shè)備通過電纜或光纜，以及有線/無線信號調(diào)制解調(diào)設(shè)備將視頻圖像信號傳到終端設(shè)備，實現(xiàn)視頻圖像的實時監(jiān)控，其工作原理如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理示意圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)遭雷擊損壞的幾種主要途徑分析

3.1直擊雷

直擊雷是指雷電直接擊在戶外監(jiān)控設(shè)備或與戶外監(jiān)控設(shè)備相連的金屬桿塔、金屬裝置上，造成戶外監(jiān)控設(shè)備、傳輸線路和終端設(shè)備燒毀或損壞?；蚴抢纂姄粼趹敉獗O(jiān)控設(shè)備附近的金屬設(shè)施上，因雷電閃絡(luò)(雷電反擊)造成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、線路燒毀損壞，直擊雷方式造成的破壞最嚴(yán)重，但出現(xiàn)的概率并不是最高的。直擊雷損毀監(jiān)控系統(tǒng)示意圖，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)直擊雷損毀示意圖

3.2閃電感應(yīng)

閃電感應(yīng)分為閃電靜電感應(yīng)和閃電電磁感應(yīng)兩種。由于雷云的作用，使戶外監(jiān)控設(shè)施或傳輸線路上感應(yīng)出與雷云符號相反的電荷，當(dāng)雷云主放電時，先導(dǎo)通道中的電荷迅速中和，戶外監(jiān)控設(shè)施或傳輸線路如未采取良好的接地措施，則其上感應(yīng)的電荷無法就近泄入地中而產(chǎn)生很高的電位，從而造成因閃電靜電感應(yīng)現(xiàn)象損毀監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)雷電擊在戶外監(jiān)控設(shè)施的金屬支撐桿或接閃桿上時，因雷電流迅速變化會在金屬支撐桿或接閃桿導(dǎo)體周圍空間產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場，使戶外監(jiān)控設(shè)施或電源線、信號線閉合回路上感應(yīng)出很高的電動勢，從而出現(xiàn)閃電電磁感應(yīng)破壞監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)象，閃電感應(yīng)造成的破壞沒有直擊雷危害大，但出現(xiàn)概率卻非常高[5]。

3.3閃電電涌侵入

當(dāng)雷電擊在監(jiān)控系統(tǒng)架空線纜上(電源線或視頻信號傳輸線)，強(qiáng)大雷電流沿線路侵入前端系統(tǒng)、傳輸線路和終端系統(tǒng)，造成戶外監(jiān)控設(shè)施、傳輸線路和終端設(shè)備損壞現(xiàn)象，就是閃電電涌侵入造成監(jiān)控系統(tǒng)損毀現(xiàn)象。其可能造成線纜熔斷，從而影響安防監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行，也可能因雷電流沿這些線路侵入設(shè)備，造成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備損壞[6]，閃電電涌侵入損壞監(jiān)控系統(tǒng)示意圖，如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)閃電電涌侵入損毀示意圖

3.4雷擊電磁脈沖

雷擊地面建(構(gòu))筑物或金屬設(shè)施(如金屬接閃桿)時，會在雷擊點附近產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁脈沖場。閃電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖干擾通常是通過各種導(dǎo)線、金屬體以阻性、感性及容性等方式耦合至監(jiān)控電子設(shè)備的輸入端，然后再進(jìn)入監(jiān)控設(shè)備，影響甚至損壞監(jiān)控設(shè)備。雷擊電磁脈沖包括閃電電涌和輻射電磁場，監(jiān)控設(shè)備耐輻射電磁能力較弱。據(jù)試驗表明：當(dāng)監(jiān)控設(shè)備處雷電電磁強(qiáng)度達(dá)到2.4GS時，監(jiān)控設(shè)備就會出現(xiàn)損毀現(xiàn)象。雷擊電磁脈沖造成監(jiān)控設(shè)備損毀現(xiàn)象往往容易被忽視。

3.5地電位反擊

雷電擊在戶外監(jiān)控設(shè)備附近的金屬設(shè)施上時，強(qiáng)大的雷電流瀉放入地時，在其防雷引下線、接地體以及與它們相連接金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生非常高的瞬時電壓，會與附近沒有進(jìn)行等電位連接的監(jiān)控設(shè)備之間產(chǎn)生巨大的電位差。這個電位差足以造成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備損毀。這種反擊不僅會損壞監(jiān)控設(shè)備，也可能造成人身傷害或火災(zāi)爆炸事故。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備遭受雷擊狀況分析

據(jù)不完全統(tǒng)計，2008～2017年期間，福建省三明市氣象局共收集到因雷擊造成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備損毀事件22起。通過對雷擊途徑分析，發(fā)現(xiàn)主要是由于直擊雷、閃電感應(yīng)、閃電電涌侵入、雷擊電磁脈沖、地電位反擊等雷擊原因造成監(jiān)控設(shè)備損毀現(xiàn)象，一次監(jiān)控設(shè)備損毀事件可能會由幾種雷擊途徑共同引發(fā)。通過統(tǒng)計分析，得到三明市2008年～2017年10年期間雷擊造成監(jiān)控設(shè)備損毀情況分析表，如表1所示。

表1 2008年～2017年期間雷擊造成監(jiān)控設(shè)備損毀情況分析表

表1分析可知:2008年～2017年期間,三明市氣象局所收集到的22起雷擊監(jiān)控設(shè)備中：閃電電涌侵入引起的達(dá)到19起，達(dá)到86.4%，為最大雷擊途徑；閃電感應(yīng)引起的14起，達(dá)到63.6%,為二大雷擊途徑。直擊雷、雷擊電磁脈沖、地電位反擊引起的分別為：8起、7起和5起，分別占雷擊總次數(shù)的36.4%、31.8%和22.7%。具體分析如圖5所示。

圖5 不同雷擊途徑所占比例分析圖

5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備防雷安全技術(shù)要求

通過對以上一些雷擊造成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備損毀事件的研究分析，可得出在進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備防雷設(shè)計、安裝時，應(yīng)考慮到監(jiān)控設(shè)備長期處于直接雷擊和雷電電磁場威脅的雷擊環(huán)境。以及雷電活動頻繁、設(shè)備對閃電感應(yīng)、閃電電涌侵入和雷擊電磁脈沖的抗擾度低，雷擊容易造成設(shè)備損毀等特點[2]，科學(xué)合理安裝防雷設(shè)施，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。基此，建議需采取以下3項防雷安全技術(shù)措施。

5.1規(guī)范安裝直擊雷防護(hù)措施

首先要規(guī)范安裝監(jiān)控設(shè)備的防直擊雷措施。戶外監(jiān)控設(shè)備應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057-2010)規(guī)定的第二類防雷建筑物設(shè)計安裝直擊雷防護(hù)措施，比較有效的做法是在戶外監(jiān)控設(shè)備上方安裝雷電防護(hù)罩，雷電防護(hù)罩利用支撐桿就近接地。室外架設(shè)的設(shè)備及立桿應(yīng)良好接地，其接地電阻不得大于10Ω[4]。為防止電磁感應(yīng)，沿桿引上監(jiān)控設(shè)備的電源線和信號線應(yīng)穿金屬管屏蔽，安裝示意圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控設(shè)備防直擊雷安裝示意圖

5.2做好監(jiān)控設(shè)備線纜屏蔽與接地

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的各種電源線、信號線等應(yīng)穿金屬管屏蔽埋地引入，金屬管的一端應(yīng)與配電箱和PE線相連，另一端應(yīng)與監(jiān)控設(shè)備外殼、防雷保護(hù)罩相連。當(dāng)金屬管應(yīng)連接設(shè)備而中間斷開時應(yīng)采用金屬線跨接，并應(yīng)在金屬管兩端采取接地措施，這樣才能有效防范閃電電涌侵入對監(jiān)控設(shè)備的危害[3]。

5.3規(guī)范安裝供電系統(tǒng)防雷措施

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備對供電質(zhì)量要求較高，對于由市電直接供電的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備來說，應(yīng)經(jīng)常檢查供電的質(zhì)量和穩(wěn)定性。如果市電電壓明顯偏高或偏低，或是電壓起伏較大，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞，應(yīng)考慮安裝穩(wěn)壓裝置。對于零地電壓偏高的監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)在總配電箱處進(jìn)行重復(fù)接地處理，并應(yīng)采取合理布線等措施。

6 結(jié)論

防雷安全是監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備正常、穩(wěn)定運行的重要保障，通過不斷開展對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備雷擊災(zāi)害事件的調(diào)查、鑒定與分析，不斷總結(jié)經(jīng)驗，科學(xué)合理采取雷電災(zāi)害防御措施，才能真正提高監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的防雷安全水平，保證監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的正常運行。

[1] GB50057-2010 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2010：8-9.

[2] GB50343-2012 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010：13-32.

[3] 肖穩(wěn)安.雷電和防護(hù)及防雷工程管理[M].北京：氣象出版社,2009:242-243.

[4] GB50198-94 民用閉路監(jiān)控電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].國家技術(shù)監(jiān)督局、中華人民共和國建設(shè)部, 1994.

[5] GA/t367-2001視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求[S].中華人民共和國公安部,2001.

[6] GB50395-2007 視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2007.

Researchandapplicationoflightningdisasterpreventiontechnologyinmonitoringsystem

GONGWei1LIYichang1WUYuehui2WUShengcan1

(1.Fujian Provincial Meteorological Bureau of Sanming City, Sanming 365000; 2.Sanming Jiangle County Meteorological Bureau, Sanming 353300)

In this article, through analysis on the structure and working principle of equipment monitoring and control system, and in 2008-2017 during the 10 years in sanming weather bureau collected some lightning monitoring system equipment damage caused by event study analysis, summary of lightning disaster reason, proposed must pay attention to the outdoor monitoring equipment installation "lightning protection" measures to adjust measures to local conditions to take "cable shielding and grounding" and "power supply and distribution system lightning protection" lightning defensive technical measures.

Direct lightning; Lightning strikes the electromagnetic pulse; Monitoring system; Lightning defense; Technical research

TU855

A

1004-6135(2017)11-0087-04

龔偉(1984.8- ),男，助理工程師。

E-mail:790218618@qq.com

2017-07-28