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安防工程防雷与接地设计中的安全隐患及解决办法

摄像机立杆避雷针化防雷设计概况

  目前安防行业流传最多的“专业防雷厂家”设计是这样描述的:“前端设备,如摄像头应置于接闪器(避雷针或其它接闪导体)有效保护范围之内。当摄像机独立架设时,原则上为了防止避雷针及引下线上的暂态高电位,避雷针最好距摄像机3-4米的距离。如有困难,避雷针也可以架设在摄像机的支撑杆上,引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ8的镀锌圆钢。为防止电磁感应,沿电线杆引上的摄像机电源线和信号线应穿在金属管内以达到屏蔽作用,屏蔽金属管的两端均应接地”。

  还有更明确的描述:“室外金属立杆摄像机需不需要与立杆绝缘?不需要,且必须进行可靠的等电位连接。当金属立杆遭受直接雷击或泄放雷电流时会在金属立杆周围产生一磁场,这一磁场达到一定强度时会对附近的电子设备放电;而摄像机外壳与金属立杆连接后不存在电位差;摄像机更安全。”

  我们把这类设计称为“摄像机立杆避雷针化设计”,它的典型架构如图1所示。

  

安防工程防雷与接地设计中的重大漏洞

  安防行业许多工程的防直击雷就是照此设计的,一个多次被雷劈了的案例就是这么做的。然而这种看似可以很好的防雷设计在不少工程中运用中并不防雷,不仅造成了设备的损害,甚至还影响到工程的整体质量。

 

  安防行业还有一种流行做法和观点:防雷就要接地,接地就可以防雷,接地就可以防干扰。把接地当成了安防系统防雷、防干扰的“法宝”,导致多点接地的安防系统屡见不鲜。

  大量工程案例表明,这样的工程不打雷不下雨还会莫名其妙的烧毁设备,烧毁抗干扰器、避雷器等。对上述这些现象,EIE实验室经过多年的模拟实验研究和典型工程案例分析,初步揭开了其中的奥秘。

  防雷器、浪涌保护器是否真能防护雷击

  许多“专业防雷厂家”介绍,要在立杆避雷针摄像机端和主机视频输入点安装他们的“防雷器”或浪涌保护器。这有用吗?曝光的案例是:连防雷器一起被烧毁。这种“专业防雷厂家”视频通道的防雷设计有几个疑点值得关注。

  1)先看前端串接在摄像机输出端的视频信号防雷器:防雷器上端接视频线的输入输出,另有一个接地点常态下与视频线开路(有的产品做成了常态短路),高压时内部元件将视频线短路接地泄放雷电流,如图2所示。

  

安防工程防雷与接地设计中的重大漏洞

  这里应该注意到:摄像机立杆接闪时,视频信号防雷器放电通道是:“避雷针体—摄像机—视频短线—防雷器内部放电元件短路—接地点—接地网”;接闪时,避雷针体与防雷器这两个“雷电流放电通道”是并联向地网放电的。2)立杆避雷针接闪时,巨大的放电电流在避雷针体上形成巨大的“雷电反击电压”;视频信号防雷器的上端也同样加有这个“雷电反击电压”。如果这个防雷器能够把40万伏以上的“雷电压”,削减到十几伏、几伏以下,那么这个防雷器泄放雷电流的能力必需大大超过避雷针,使雷电流“主要通过防雷器泄放”,而不是主要通过避雷针泄放。很难想象,“防雷器用≥2.5mm2的绝缘多股铜芯黄绿色软线直接与地网连接”,它的放电能力能远远超过金属立杆?显然不可能,后果只能是“引雷自毁”。

 

  3)“专业防雷厂家”介绍的防雷器都是防感应雷的,没有介绍可以有效防“雷电反击电压”而又不被烧毁的。但是他们积极推出的“安防防雷系统设计”却敢于这么应用,说明这类设计缺乏起码的安防系统概念。如果真有这么厉害的防雷器,那避雷针就可以不用了。

  4)把“雷电反击电压”直接引入安防系统,到底是防雷还是引雷?对这个问题,2年多来的安防论坛追踪,没有一个“专业防雷厂家”能作出正面解释,他们一律采取回避态度。到目前为止,只见过一些“专业防雷厂家”,积极倡导安防工程这样设计和应用,没有见过哪个专业厂家的防雷器(浪涌保护器)产品敢于宣传“泄放雷电流的能力可以超过避雷针”,可以安全的限制“雷电反击电压”。

  安全隐患一:把“雷电反击电压”直接引入安防系统

  摄像机立杆避雷针化,就是指立杆按照避雷针设计,并强调摄像机外壳必须与金属立杆等电位连接。我们来分析防直击雷的“摄像机立杆避雷针化”,对安防系统的影响,其设计原理如图3所示。

  

安防工程防雷与接地设计中的重大漏洞

  这里的要害问题是:摄像机是安防系统的有机组成部分,与主机和全系统有着紧密的电气连接关系,“摄像机立杆避雷针化”后,避雷针也就“正式”成了安防系统的有机组成部分,避雷针也与主机和全系统有着紧密的电气连接关系。这是安防工程的现实,也是“专业防雷厂家”有意无意回避或忽略的问题。

1)当立杆避雷针处于接闪状态时,巨大的放电电流使大地A点的避雷针呈现出暂态高电位——也就是避雷针的“雷电反击电压”,这里我们简称“雷电压”。

  2)这类立杆避雷针的接地电阻,根据地质条件的不同一般规定为4欧姆、10欧姆、20欧姆;假定避雷针放电的雷电流为100KA,这个“雷电压”就是400KV以上,也就是40万伏以上,这还不是最大可能数值。这一点每个“专业防雷厂家”都十分清楚。

  3)安防系统的主机有安全接地点B,地电位为零,40万伏的“雷电压”,就通过视频线直接引到了视频主机上。这时的地电位环路等效原理,可简化如图4所示;

  

安防工程防雷与接地设计中的重大漏洞

  4)空气的击穿电压大约为30KV/cm,400千伏的“雷电压”加在摄像机和视频电缆屏蔽层上,殃及全系统所有电气连接设备,足以击穿摄像机、解码器、电源设备的电路板,烧毁电子元件,击穿线缆的绝缘,主机系统也难逃厄运。

 

  安防系统,是一个设备安装区域广泛,并有着电气连接关系的信息系统。任意一个立杆避雷针接闪都会与其他接地点形成这种“雷电压”电位差,都可能直接威胁整个安防系统的安全。

  立杆避雷针接闪产生“雷电压”,“雷电压”又是通过地环路对安防系统起到威胁作用,摄像机与立杆“等电位联接”是问题根本症结。

  所以,笔者认为摄像机立杆避雷针化的防雷设计是把“雷电反击电压”直接引入安防系统,是安防系统的重大安全隐患,是给安防系统人为安装的一颗“定时炸弹”。

  安全隐患二:地环路造成地电位差安全隐患

  首先这些“专业防雷”设计者,允许并制造了安防系统多点接地,大量制造了系统的“地环路”。电网引起的地电位差,在非雷电气象条件的“和平时期”,也是客观存在的。工程中“地电位环路”的一般表现为对图像的“地环路干扰”。

  有关“地电位环路”形成原理,这里就不详细介绍了,这里只介绍一下“地电位环路”的主要概念:

  第一,地电位差的出现,主要是由三相电网不平衡造成的;电网形成的地电位差,可以通过“地环路”入侵到安防系统中。换句话说:安防系统多点接地形成的“地环路”,给“地电位差”入侵安防系统提供了充分条件。

  第二,地电位差是不稳定的,电网正常时表现很小,对视频的干扰不明显;有时又比较大,对视频的干扰就很严重,可以引起“上下移动的横杠干扰、图像扭曲或图像切割”,甚至造成主机“视频丢失”;当电网发生变压器故障、断相、短路、大电机碰壳等重大电网故障时,地电位差可以瞬间突变到几十伏,几百伏。

  第三,电网故障引起的地电位差,尽管远没有雷电压高,但它是“连续的,持久的,直到电网故障有效排除”,浪涌保护器,防雷器等会由于持久放电被烧毁,更可以瞬间烧毁安防设备。

  第四,多点接地形成的“地环路”,是威胁安防系统安全运行的“人造杀手”。

  所以,笔者认为摄像机立杆避雷针化的防雷设计,又给安防系统制造了地环路安全隐患,这是威胁安防系统安全运行的又一个“人造杀手”,也是给安防系统安装的第二颗“定时炸弹”。

  值得关注和深思的问题

  用于安防系统的立杆避雷针化设计在业内已经广为流传,并且还在继续扩散。这种设计的影响,不仅是对某些具体工程的伤害和损失,更由于这种设计的“专业防雷厂家”参与了GA/T670-2006《安全防范系统雷电浪涌防护技术要求》的起草和形成,而影响到了行业标准具体条款,使这种“隐患设计”更加“标准化”、“合法化”、“权威化”,影响的广度和深度还将会继续扩大。

  视频信号防雷器是防感应雷用的,准确说是针对雷电电磁辐射,由视频电缆接收到的高频脉冲干扰而设置的防雷措施(控制线与电源线接收原理也一样)。那么视频信号防雷器“接地”用于“泄放雷电流”的作用和原理也就值得怀疑了。对于系统中不处于接闪状态的前端摄像机来说,立杆避雷针的性质也变成了“接收雷电干扰的天线”,防雷器的接地线,也变成了“接收雷电干扰的天线”,它们都增大了摄像机和视频线接收雷电电磁干扰的“天线有效面积”,也就增大了接收雷电干扰的信号强度。所以,视频信号防雷器所谓“泄放雷电流”的接地,对高频电磁感应来说,是无效而有害的,这是基本的电磁场概念。

  从原理上讲,安防系统大量设置接地防雷器,希望有雷电浪涌时通过瞬态接地来“泄放雷电流”。但从另一个角度看,同时也就给安防系统制造了“瞬态多点接地”的地环路隐患,这个问题有待进一步探讨,也希望能引起大家的思考和关注。

  面对问题该如何改进现状

  针对上面的阐述,安防系统存在的重大安全隐患,总结为前端摄像机安装在避雷针上和系统存在多点接地的“地环路”。那么面对着两大隐患和防雷误区,我们需要如何改进呢?

  首先,要像了解安防系统各类产品一样,只有了解一定的防雷基本原理,才能设计出具有有效防雷功能的安防系统,才能让防雷技术更好的在安防系统安全运行中发挥作用。值得庆幸的是,许多安防工程厂家已经从实践中发现了一些问题,并创造出一些合理有效地防雷设计。但是较多的还是轻信、并“照葫芦画瓢”采用了这类“隐患设计”,给工程造成了严重损失。有的工程尽管隐患没有发作,但这并不能代表“可行”,只能说没有发生过雷击接闪而已。

  其次,防雷设计的重要性。防雷技术和产品要应用到安防系统,“专业防雷”还需要更多的了解安防系统集成原理,设计原则和运行特点,要有一个完整的安防系统概念,才能为安防系统设计出有效地防雷系统。厂家要多介绍安防防雷系统设计工作的原理,与安防行业多沟通,相互学习,不断完善防雷设计;

  再次,突出防雷在整个安防系统的重要性。防雷不是一个独立和孤立的技术和产品,在安防系统中,防雷只是安防“系统技术”中的一部分。安防系统防雷设计的最终主体不是专业防雷厂家,而应该是安防行业系统设计单位。防雷设计和产品不同于一般的安防产品,一般的安防产品即使是假货,也只是这一个产品出问题,对系统一般不会造成伤害。而防雷设计和产品影响的是全系统的安全,可以造成瞬间烧毁设备,造成系统瘫痪。所以,对安防系统防雷设计的宣传和产品介绍应该有更严格,更规范并有法律依据的措施。

  安防系统防雷与接地设计的几点参考建议

  1)防直击雷:安防系统室外摄像机及其立杆,要设置在独立避雷针有效保护范围内,又尽可能远离避雷针。摄像机不能安装在避雷针体上,摄像机立杆不要做成避雷针方式,摄像机要与立杆绝缘,千万不要接大地,正确方式如图5所示。

  

安防工程防雷与接地设计中的重大漏洞

  2)安防系统前端摄像机都必须和大地绝缘。防感应雷应选用防雷器,有的防雷器有接大地点,但不能把前端“视频信号地(摄像机外壳,BNC外壳,视频线屏蔽层)接地。“视频信号地”常态下必须与大地绝缘。但要注意这里面还可能有“瞬态多点接地”隐患问题。

 

  3)不管考虑防雷、防干扰、防静电,安防系统前端都不应直接接大地,即不允许系统中存在“地环路”。安防系统接地设计原则是“单点接地”,系统只能有一个接大地点:系统主机接大地,这是安全接地,也用于泄放系统静电。

  4)系统摄像机也必须和钢结构建筑物,金属吊顶天花板,线槽,电梯轿厢等保持绝缘。

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