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當前位置:安防工程“防雷與接地”設計中的重大技術漏洞
  下列文章是我公司EIE實驗室根據公司產品開發、實驗、工程等實踐經驗及數據所寫,均為原創文章。希望能與廣大同行進行交流。未經我公司許可不得轉載。
 
安防工程“防雷與接地”設計中的重大技術漏洞
---本篇文章已被發表在“中國公共安全” 2010年8月刊——安防市場
 

  攝像機立桿避雷針化防雷設計概況

  目前安防行業流傳最多的“專業防雷廠家”設計,是這樣描述的:

  “前端設備,如攝像頭應置于接閃器(避雷針或其它接閃導體)有效?;し段е?。當攝像機獨立架設時,原則上為了防止避雷針及引下線上的暫態高電位,避雷針最好距攝像機3-4米的距離。如有困難,避雷針也可以架設在攝像機的支撐桿上,引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ 8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應,沿電線桿引上的攝像機電源線和信號線應穿在金屬管內以達到屏蔽作用,屏蔽金屬管的兩端均應接地”

還有更明確的描述:
   “室外金屬立桿攝像機需不需要與立桿絕緣?不需要,且必須進行可靠的等電位連接。當金屬立桿遭受直接雷擊或泄放雷電流時會在金屬立桿周圍產生一磁場,這一磁場達到一定強度時會對附近的電子設備放電;而攝像機外殼與金屬立桿連接后不存在電位差;攝像機更安全?!?/p>

我們把這類設計稱為“攝像機立桿避雷針化設計”,它的典型架構如圖1所示。

  安防行業許多工程的防直擊雷,就是照此設計的。前面第一個多次被雷劈了的案例就是這么做的。然而這種看似可以很好的防雷設計,在不少工程中運用中并不防雷,不僅造成了設備的損害,甚至還影響到工程的整體質量。

  安防行業還有一種流行做法和觀點:防雷就要接地,接地就可以防雷,接地就可以防干擾。把接地當成了安防系統防雷、防干擾的“法寶”,導致多點接地的安防系統屢見不鮮。

  大量工程案例表明,不打雷不下雨,還會莫名其妙的燒毀設備,燒毀抗干擾器、避雷器等。對上述這些現象,EIE實驗室經過多年的模擬實驗研究和典型工程案例分析,初步揭開了其中的奧秘。

  防雷器、浪涌?;て魘欠裾婺芊闌だ諄?/p>

  許多“專業防雷廠家”介紹,要在立桿避雷針攝像機端和主機視頻輸入點,安裝他們的“防雷器”或浪涌?;て?。這有用嗎?曝光的案例是:連防雷器一起被燒毀.這種“專業防雷廠家”視頻通道的防雷設計,有幾個疑點值得關注:

  1)先看前端串接在攝像機輸出端的視頻信號防雷器:防雷器上端接視頻線的輸入輸出;另有一個接地點,常態下與視頻線開路(有的產品做成了常態短路),高壓時,內部元件將視頻線短路接地,泄放雷電流,如圖二所示。
這里應該注意到:攝像機立桿接閃時,視頻信號防雷器放電通道是:“避雷針體—攝像機—視頻短線—防雷器內部放電元件短路—接地點—接地網”;接閃時,避雷針體與防雷器這兩個“雷電流放電通道”,是并聯向地網放電的。

  2) 立桿避雷針接閃時,巨大的放電電流,在避雷針體上形成巨大的“雷電反擊電壓”;視頻信號防雷器的上端也同樣加有這個“雷電反擊電壓”。如果這個防雷器能夠把40萬伏以上的“雷電壓”,削減到十幾伏,幾伏以下,那么這個防雷器泄放雷電流的能力必需大大超過避雷針,使雷電流“主要通過防雷器泄放”,而不是主要通過避雷針泄放。很難想象,“防雷器用≥2.5mm2的絕緣多股銅芯黃綠色軟線直接與地網連接”,它的放電能力能遠遠超過金屬立桿?顯然不可能,后果只能是“引雷自毀”;

  3) “專業防雷廠家”介紹的防雷器,都是防感應雷的,沒有介紹可以有效防“雷電反擊電壓”而又不被燒毀的。但是他們積極推出的“安防防雷系統設計”,卻敢于這么應用,說明這類設計缺乏起碼的安防系統概念。如果真有這么厲害的防雷器,那避雷針就可以不用了。

  4) 把“雷電反擊電壓”直接引入安防系統,到底是防雷還是引雷?對這個問題,2年多來的安防論壇追蹤,沒有一個“專業防雷廠家”能作出正面解釋,他們一律采取回避態度。到目前為止,只見過一些“專業防雷廠家”,積極倡導安防工程這樣設計和應用,沒有見過哪個專業廠家的防雷器(浪涌?;て鰨┎?,敢于宣傳“泄放雷電流的能力可以超過避雷針”,可以安全的限制“雷電反擊電壓”。

安全隱患一:
   攝像機立桿避雷針化設計

  攝像機立桿避雷針化,就是指立桿按照避雷針設計,并強調攝像機外殼必須與金屬立桿等電位連接。我們來分析防直擊雷的“攝像機立桿避雷針化”,對安防系統的影響,其設計原理如圖3所示。

  這里的要害問題是:攝像機是安防系統的有機組成部分,與主機和全系統有著緊密的電氣連接關系,“攝像機立桿避雷針化”后,避雷針也就“正式”成了安防系統的有機組成部分,避雷針也與主機和全系統,有著緊密的電氣連接關系。這是安防工程的現實,也是“專業防雷廠家”有意無意回避或忽略的問題。

  1)當立桿避雷針處于接閃狀態時,巨大的放電電流,使大地A點的避雷針呈現出暫態高電位——也就是避雷針的“雷電反擊電壓”,這里我們簡稱 “雷電壓”;

  2)這類立桿避雷針的接地電阻,根據地質條件的不同,一般規定為4歐姆,10歐姆,20歐姆;假定避雷針放電的雷電流為100KA,這個“雷電壓”就是400KV以上,也就是40萬伏以上,這還不是最大可能數值。這一點每個“專業防雷廠家”都十分清楚;

  3)安防系統的主機,有安全接地點B,地電位為零,40萬伏的“雷電壓”,就通過視頻線直接引到了視頻主機上。這時的地電位環路等效原理,可簡化如圖4所示;

   4)空氣的擊穿電壓大約為30KV/cm, 400千伏的“雷電壓”加在攝像機和視頻電纜屏蔽層上,殃及全系統所有電氣連接設備,足以擊穿攝像機、解碼器、電源設備的電路板,燒毀電子元件,擊穿線纜的絕緣,主機系統設也難逃厄運;

  安防系統,是一個設備安裝區域廣泛、并有著電氣連接關系的信息系統。任意一個立桿避雷針接閃,都會與其他接地點形成這種“雷電壓”電位差,都可能直接威脅整個安防系統的安全。

  立桿避雷針接閃,產生“雷電壓”,“雷電壓”又是通過地環路對安防系統起到威脅作用,攝像機與立桿“等電位聯接”是問題根本癥結。
   所以,筆者認為攝像機立桿避雷針化的防雷設計,是把“雷電反擊電壓”直接引入安防系統,是安防系統的重大安全隱患,是給安防系統人為安裝的一顆“定時炸彈”。

安全隱患二:

  給安防系統制造“地環路”

  首先這些“專業防雷”設計者,允許并制造了安防系統多點接地,大量制造了系統的“地環路”。電網引起的地電位差,在非雷電氣象條件的“和平時期”,也是客觀存在的。工程中“地電位環路”的一般表現為對圖像的“地環路干擾”。

  有關“地電位環路”形成原理,這里就不詳細介紹了,這里只介紹一下“地電位環路”的主要概念:

  第一,地電位差的出現,主要是由三相電網不平衡造成的;電網形成的地電位差,可以通過“地環路”入侵到安防系統中?;瘓浠八擔喊卜老低扯嗟憬擁匭緯傻摹暗鼗仿貳?,給“地電位差”入侵安防系統提供了充分條件。

  第二,地電位差是不穩定的,電網正常時表現很小,對視頻的干擾不明顯;有時又比較大,對視頻的干擾就很嚴重,可以引起“上下移動的橫杠干擾、圖像扭曲或圖像切割”,甚至造成主機“視頻丟失”; 當電網發生變壓器故障、斷相、短路、大電機碰殼等重大電網故障時,地電位差可以瞬間突變到幾十伏,幾百伏。

  第三,電網故障引起的地電位差,盡管遠沒有雷電壓高,但它是“連續的,持久的,直到電網故障有效排除”,浪涌?;て?,防雷器等會由于持久放電被燒毀,更可以瞬間燒毀安防設備。

  第四,多點接地形成的“地環路”,是威脅安防系統安全運行的“人造殺手”;

  所以,筆者認為攝像機立桿避雷針化的防雷設計,又給安防系統制造了地環路安全隱患,這是威脅安防系統安全運行的又一個“人造殺手”,也是給安防系統安裝的第二顆“定時炸彈”。

  值得關注和深思的問題

  用于安防系統的立桿避雷針化設計,在業內已經廣為流傳,并且還在繼續擴散;這種設計的影響,不僅是對某些具體工程的傷害和損失,更由于這種設計的“專業防雷廠家”參與了GA/T670-2006《安全防范系統雷電浪涌防護技術要求》的起草和形成,而影響到了行業標準具體條款,使這種“隱患設計”更加“標準化”、“合法化”、“權威化”,影響的廣度和深度還將會繼續擴大;

  視頻信號防雷器,是防感應雷用的,準確說是針對雷電電磁輻射,由視頻電纜接收到的高頻脈沖干擾而設置的防雷措施(控制線與電源線接收原理也一樣)。那么視頻信號防雷器“接地”用于“泄放雷電流”的作用和原理也就值得懷疑了。對于系統中不處于接閃狀態的前端攝像機來說,立桿避雷針的性質也變成了“接收雷電干擾的天線”,防雷器的接地線,也變成了“接收雷電干擾的天線”,它們都增大了攝像機和視頻線接收雷電電磁干擾的“天線有效面積”,也就增大了接收雷電干擾的信號強度。所以,視頻信號防雷器所謂“泄放雷電流”的接地,對高頻電磁感應來說,是無效而有害的,這是基本的電磁場概念。

  從原理上講,安防系統大量設置接地防雷器,希望有雷電浪涌時通過瞬態接地來“泄放雷電流”。但從另一個角度看,同時也就給安防系統制造了“瞬態多點接地”的地環路隱患,這個問題,有待進一步探討,也希望能引起大家的思考和關注。

 

 面對問題該如何改進現狀

  針對上述的闡述,安防系統存在的重大安全隱患,總結為前端攝像機安裝在避雷針上和系統存在多點接地的“地環路”。那么面對著兩大隱患和防雷誤區,我們需要如何改進呢?

  首先,要像了解安防系統各類產品一樣,只有了解一定的防雷基本原理,才能設計出具有有效防雷功能的安防系統,才能讓防雷技術更好的在安防系統安全運行中發揮作用。值得慶幸的是,許多安防工程廠家,已經從實踐中發現了一些問題,并創造出一些合理有效地防雷設計。但是較多的還是輕信、并“照葫蘆畫瓢”采用了這類“隱患設計”,給工程造成了嚴重損失。有的工程盡管隱患沒有發作,但這并不能代表“可行”,只能說沒有發生過雷擊接閃而已。

  其次,防雷設計的重要性。防雷技術和產品要應用到安防系統,“專業防雷”還需要更多的了解安防系統集成原理,設計原則和運行特點,要有一個完整的安防系統概念,才能為安防系統設計出有效地防雷系統。廠家要多介紹安防防雷系統設計工作的原理,與安防行業多溝通,相互學習,不斷完善防雷設計;

  再次,突出防雷在整個安防系統的重要性。防雷不是一個獨立和孤立的技術和產品,在安防系統中,防雷只是安防“系統技術”中的一部分。安防系統防雷設計的最終主體,不是專業防雷廠家,而應該是安防行業系統設計單位;防雷設計和產品不同于一般的安防產品,一般的安防產品即使是假貨,也只是這一個產品出問題,對系統一般不會造成傷害。而防雷設計和產品,影響的是全系統的安全,可以造成瞬間燒毀設備,造成系統癱瘓。所以,對安防系統防雷設計的宣傳和產品介紹,應該有更嚴格,更規范并有法律依據的措施;

  安防系統防雷與接地設計的幾點參考建議

1) 防直擊雷:安防系統室外攝像機及其立桿,要設置在獨立避雷針有效?;し段?,又盡可能遠離避雷針。攝像機不能安裝在避雷針體上,攝像機立桿不要做成避雷針方式,攝像機要與立桿絕緣,千萬不要接大地,正確方式如圖5所示。

2)安防系統前端攝像機都必須和大地絕緣。防感應雷應選用防雷器,有的防雷器有接大地點,但不能把前端“視頻信號地(攝像機外殼,BNC外殼,視頻線屏蔽層)接地?!笆悠敵藕諾亍背L鹵匭胗氪蟮鼐?。但要注意這里面還可能有“瞬態多點接地”隱患問題;

3)不管考慮防雷、防干擾、防靜電,安防系統前端都不應直接接大地,即:不允許系統中存在“地環路”。安防系統接地設計原則是“單點接地”,系統只能有一個接大地點:系統主機接大地,這是安全接地,也用于泄放系統靜電;

4)系統攝像機也必須和鋼結構建筑物,金屬吊頂天花板,線槽,電梯轎廂等保持絕緣。

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