安防监控系统的雷电防护设计

代建新

摘 要：近年来，随着微电子技术的不断发展，安防监控系统在生产生活各个方面的使用越来越广。在实际生活中，人们往往对监控系统的防雷考虑不够，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，造成无可挽回的损失。所以，监控设备防雷保护就显得尤为必要。该文以河南省郑州市金域华府为例对监控系统遭受雷击损害的主要原因以及雷电可能的侵入途径进行了分析，进而对监控系统使用中存在的问题现象进行了初步的总结和梳理，提出了监控系统防雷设计问题的相关解决措施，针对监控系统防雷设计应该注意的问题给出了一些建议。

关键词：安防监控系统 雷电防护 接地 等电位连接

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0035-04

在社会管理中，随着电子技术和网络技术的发展，安防监控系统得到了更为广泛的普及应用，监控系统设备因雷击破坏的可能性就大大增加。如果前期监控系统防雷保护设计存在缺陷，其后果可能会使整个监控系统运行失灵，并造成难以估计的经济损失。现在，大多单位的监控摄像头布置在室外，若无防雷措施，极易遭到雷电危害，或引起室内监控主机等设备损坏。因此，对监控系统的防雷是十分必要的。为了准确、有效的对监控系统采取防雷保护措施，首先应准确了解监控系统的系统构成，明确监控系统遭受雷击损害的主要原因以及雷电可能的侵入途径。以郑州市金域华府小区的安防监控系统为例，在分析其损坏原因的基础上，正确选择防雷设计方案和使用防雷保护装置，研究和探讨合理的信号、电源线路布线，明确屏蔽，以及正确接地方式，对小区的安防系统进行良好的防雷。

分析郑州市1951年—2010年的雷暴观测资料发现：郑州市初雷日一般出现在每年的4月中下旬，9月以后，雷暴日数明显减少，终雷日一般在每年的9月底。一年中雷暴日主要集中在夏季的6～8月，约占全年总雷暴日数的77.8%，且以主汛期的7月为最多（占夏季雷暴日数的45.3%），占全年总雷暴日数的35.2%（年平均各月雷暴日分布如图1）。而郑州市的强对流天气一般也是出现在汛期的6～8月之间，据统计，有90%以上的雷暴天气同时伴有降雨、短时大风、冰雹等强对流天气。虽说郑州市不属于多雷区，但是对于雷电灾害这方面仍需防护。金域华府位于郑州市农业西路，地势平坦，周围起伏不大。

1 安防监控系统的构成以及遭受雷电灾害的主要原因

1.1 金域华府安防监控系统的概述

安防监控系统是应用光纤、同轴电缆或微波在其闭合的环路内传输视频信号，并从摄像到图像显示和记录构成独立完整的系统[1]。它能实时、形象、真实地反映被监控对象，并通过录像机记录下来。同时报警系统能对非法入侵进行报警。金域华府监控机房位于大门保卫处，整个小区共有24个摄像头，其中4个球机，20个枪机。除小区所有主要通道及停车位外，还兼顾所有单元进出门。一旦有雷击灾害，损失将是巨大的。小区监控分布图如图1所示。

1.2 监控系统的构成

1.2.1 前端部分

前端完成模拟视频的拍摄，探测器报警信号的产生，云台、防护罩的控制，报警输出等功能。主要包括摄像头、电动变焦镜头、室外红外对射探测器、双监探测器、温湿度传感器、云台、防护罩、解码器、警灯、警笛等设备。

1.2.2 传输部分

传输部分主要由同轴电缆组成。传输部分要求在前端摄像机摄录的图像进行实时传输，同时要求传输具有损耗小，可靠的传输质量，图像在录像控制中心能够清晰还原显示。

1.2.3 终端部分

该部分是安防监控系统的核心，它完成模拟视频监视信号的数字采集、MPEG-1压缩、监控数据记录和检索、硬盘录像等功能。它的核心单元是采集、压缩单元，它的通道可靠性、运算处理能力、录像检索的便利性直接影响到整个系统的性能[2]。

1.3 监控系统遭受雷击损害的主要原因

现代的安防监控设备均系微电子化产品，这些监控设备具有高密度、高速度、低电压和低功耗等特性。因安防监控电子设备的精密，耐过电压能力下降，其对各种诸如雷电过电压、电力系统操作过电压、静电放电、电磁辐射等电磁干扰非常敏感，使得监控系统设备极易遭雷击过电压破坏，造成整个监控系统瘫痪。

雷电具有极大的破坏性，从雷电产生和对监控系统危害特点看，雷电可分为以下三种：直击雷、雷电侵入波、雷电感应[3]。

（1）直击雷。直接击中露天的摄像机，直接损毁设备；直接击在线缆上，造成线缆熔断、损坏。

（2）雷电侵入波。也称作雷电浪涌，由于雷电波侵入或人为操作不当引起过电压、过电流，即浪涌。这种浪涌则可沿着各类金属导体侵入监控系统，进而造成监控设备损坏。监控系统的电源线、信号传输线或进入监控室的其它金属线缆遭到雷击或被雷电感应时，雷电波沿这些金属导线、导体侵入设备，导致高电位差使设备损坏。通常这种入侵主要有以下三条途径：①雷电的地电位反击电压通过接地体入侵；②由交流供电电源线路入侵；③由通信信号线路入侵。不管通过哪种形式，哪种途径入侵，都会使监控系统设备受到不同程度的损坏，甚至引发严重的事故。

（3）雷电感应。也称为感应雷或者感应过电压。分为电磁感应和静电感应，统称二次雷。①电磁感应：当附近区域有雷击闪络时，在雷击落地通道周围会产生强大的瞬变电磁场。处在电磁场中的监控设备和传输线路会感应出较大的电动势，以致损坏、损毁设备。②静电感应：由于带电积云接近地面，在监控系统架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起静电感应。在带电积云与其他客体放电后，架空线路导线或导电凸出物顶部的电荷失去束缚，以大电流、高电压冲击波的形式，沿线路导线或导电凸出物极快地传播，损坏监控设备。近20年来人们的研究表明，放电流柱也会产生强烈的静电感应。电磁感应和静电感应引发的雷击现象发生的机率大，据统计，感应雷击事故约占雷击事故的80%以上。感应雷对监控系统设备的损害没有直击雷来的猛烈，但它要比直击雷发生的机率大得多。endprint

2 安防监控系统的防雷

2.1 安防监控系统防雷原则

防雷保护的措施也有很多种，如使用接闪器、引下线、接地装置，并使用共地、等电位连接、屏蔽及电涌保护器（SPD）等，但防雷保护不能仅靠某一个设备来完成，而是需要对系统整体进行考虑和设计，限制雷电引起的过电压对设备的影响，使其达到防雷保护能力[4]。

监控系统因受到直接雷害的威胁，需要设置避雷针等直击雷防护装置，雷电流通过引下线泄入大地中，并且外场设备由于有防护罩或机箱的屏蔽，基本处于LPZ1 防雷区内，此区无法避免反击雷、感应雷对其的破坏作用，需要使用等级较高、可以泄放直接雷的电涌保护器及良好的接地系统。通过第一级的泄放，大部分雷电流能量已释放，但线路中的残压对设备仍有破坏作用，需要设置另一级电涌保护器件来彻底泄放残余的雷电流。

监控设备都存在电磁脉冲侵入的威胁，不管是处于监控中心或是外场，雷电流通过电力电缆或通信电缆侵入设备系统中，会对设备造成损坏。所以，监控设备供配电电缆及通信线路也要采取相应的防雷保护措施。

2.2 安防监控系统的防雷措施

2.2.1 前端设备的防雷

前端设备应置于接闪器（避雷针避雷带或其它接闪导体）有效保护范围之内，由于建筑物已有防雷接地系统，避雷针和监控系统设备的接地应与周围建筑物的防雷接地系统共地连接。独立架设的摄像机，避雷针与摄像机之间的最小水平间距应大于3米。带金属杆的避雷针也可以架设在摄像机的支撑杆上[5]（如图2），引下线可直接利用金属杆本身（也可选用Φ10的镀锌圆钢或25*4mm的镀锌扁钢），为防止电磁感应，沿杆引上摄像机的电源线和信号线时应穿金属管敷设，线缆的屏蔽外层或金属管应与金属杆有良好的电气连接并良好接地。这样绝大部分直击雷都会击在接闪器上，而击到摄像机上的概率很小，可以起到保护摄像机的作用。为防止雷电波沿线侵入前端设备、应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器。

接闪杆保护半径计算：

rx=-

r0=

其中：

rx为接闪杆在hx高度的xx'平面的保护半径（m）；

hx为滚球半径，按照GB50057-2010第5.2.1条确定；

r0为接闪杆在地面上的保护半径

经过计算，目前摄像机塔杆上的接闪杆高度和距离无法满足防雷要求，应重新设计为：以目前摄像机水平面为基准，反方向探出1 m，摄像机与接闪杆水平距离为1.3 m，摄像机高度为0.3 m，接闪杆的应高出摄像机1.5 m以上（滚球半径为45 m）。

为防止高电位反击设备，前端设备的雷电浪涌保护器应安装在前端设备的线路接口处。信号线传输距离长，耐压水平低，极易感应雷电流而损坏设备，为了将雷电流从信号传输线传导入地，信号过电压保护器须快速响应。室外的前端设备应有良好的接地，接地电阻越小越好，最大不超过4 Ω。

2.2.2 传输系统的防雷

安防监控系统传输系统因为监控系统中的放大器、混频器以及显示器等内部有很多电子元器件，耐压水平很低，易被雷电感应电压击穿而损坏。所以防止雷电感应是至关重要的。

在小区室外传输系统中，视频信号传输线均采用普通的单屏蔽同轴电缆，一般紧贴金属支杆明敷，引下至支杆底部后穿一段钢管进入室内接收设备，有的甚至没有穿管就直接引入室内。当雷电击在监控设备附近时，对此段电缆产生的感应高电压会导入室内击坏监控接收设备。若室内的监控接收设备无有效地防雷电感应措施，便会被击穿。为了防止雷电感应，要对监控传输线采用屏蔽措施，因为，传输线埋地敷设并不能阻止雷击设备的发生，大量的事实显示，雷击造成埋地线缆故障，大约占总故障的30%左右，即使雷击比较远的地方，也仍然会有部分雷电流流入电缆[6]。所以采用带屏蔽层的线缆或线缆穿钢管埋地敷设，保持钢管的电气连通。如电缆全程穿金属管有困难时，可在电缆进入终端和前端设备前穿金属管埋地引入，在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地装置相连，这样可使监控传输线上的雷电感应降低到最低程度。

2.2.3 终端部分的防雷

在小区安防监控系统中，监控室的防雷最为重要，监控中心防雷是整个监控系统防雷的核心。由于监控中心涉及建筑物防雷、监控设备防雷，因此只有采用综合防雷措施才能有效防止雷击。经证实，监控室所在建筑物已经有防直击雷的避雷装置。

进入监控室的各种金属管线应接到防感应雷的接地装置上。架空电缆线直接引入时，在入户处应加装电涌保护器，并将线缆金属外护层及自承钢索接到接地装置上。监控室内应设置一等电位连接板，该等电位连接板应与建筑物防雷接地、PE线、设备保护地、防静电地等连接到一起防止出现危险的电位差。各种电涌保护器的接地线应以最直和最短的距离与等电位连接母排进行电气连接。由于有80%雷击高电位是从电源线侵入，为保证安全，一般电源上应设置二级避雷保护，这样才能全方位的保护监控中心安全。

2.2.4 防雷接地系统

所有防雷保护系统均应有可靠、有效的接地。接地系统是防雷系统必要组成部分之一。安防监控系统前端、终端设备均应有良好的防雷接地，接地系统应符合规范要求。一般独立于监控机房所在建筑物的前端设备均须设有独立接地。

视频安防监控系统的主电源宜按一级或二级负荷来考虑。当发生停电或意外事故时要能启用备用电源，并自动切换。为了保护系统免受外来的雷电冲击等和系统的操作使用安全，应采用TN—S交流电供电系统。

根据GB50343—2012[7]知，安防系统的防雷与接地应符合以下规定。

（1）置于户外摄像机的输出视频接口应设置视频信号线路浪涌保护器。摄像机控制信号线接口处（RS485，RS424等）应设置信号线路浪涌保护器。解码箱处供电线路应设置电源线路浪涌保护器。endprint

（2）主控机、分控机的信号控制线，通信线、各监控器的报警信号线，宜在线路进出建筑物LPZ0A或者LPZ0B与LPZ1边界处设置适配的线路浪涌保护器。

（3）系统视频，控制信号线路及供电线路的浪涌保护器，应分别根据视频信号线路、解码控制信号线路及摄像机供电线路的性能参数来选择，信号浪涌保护器应满足设备传输速率、带宽要求，并与被保护设备接口兼容。

（4）系统的户外供电线路、视频信号线路、控制信号线路应有金属屏蔽层并穿钢管埋地敷设，屏蔽层及钢管两端应接地。视频信号线屏蔽层应单端接地，钢管应两端接地。信号线与供电线路应分开敷设。

（5）系统的接地宜采用共用接地系统，主机房宜设置等电位连接网络，系统接地干线宜采用多股铜芯绝缘导线。

2.2.5 等电位连接

等电位连接是内部防雷装置的一部分，其目的在于减少雷电流所引起的电位差。

机房应根据GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》第6.3.4条规定：所有进入建筑物的外来导电物均应在LPZ0A或LPZ0B 与LPZ1区的界面处做等电位连接[8]。

为消除金属线路与设备出现的雷电暂态高电位差，需对室内各种金属构件进行等电位连接，将进入室内的各种金属管道，设备金属外壳，通信、信号和电源等线缆的金属（屏蔽）护层，SPD的接地端，建筑物的金属构架连接在一起，并接入建筑物的防雷接地系统，这样就可以在发生雷击时，避免在不同金属外壳或设备之间出现暂态电位差，使得彼此间等电位，并维持地电位的水平，形成均压。

在直击雷非防护区（LPZOA）或直击雷防护区（LPZOB）与第一防护区（LPZ1）的交界处，应设置总等电位接地端子板，每层楼宜设置楼层等电位的接地端子板，监控室应设置局部等电位接地端子板[9]。各等电位接地端子板应设置在便于安装和检查的位置，不得设置在潮湿或有腐蚀性气体及易受机械损伤的地方。等电位接地端子板的连接点应满足机械强度和电气连续性要求。监控室的局部等电位连接图如图3。

共用接地系统由接地装置和等电位连接网络组成。接地装置由自然接地体和人工接地体组成，共用接地装置应与总等电位接地端子板连接，通过接地干线引至楼层等电位接地端子板，由此引至监控室的局部等电位接地端子板[10]。监控室的局部等电位接地端子板应与预留的楼层主钢筋接地端子连接。

3 结论

雷电对安全监控系统的损害途径是多方面的[11]。该文主要以郑州市金域华府的整体环境为参考分析了安防监控系统遭受雷击损害的主要原因，同时对安防监控系统的防雷保护技术进行了相应的介绍。需要说明的是，防雷保护是一个比较复杂的问题，对安全监控系统的防雷保护设计不仅取决于防雷装置的性能，更重要的是在监控系统的设计施工之前，就要考虑到监控系统所处的地理环境，设计合适的线缆布放方式、屏蔽及接地方式[12-13]。总之，防雷保护所采取的措施应综合考虑，才能获得良好的效果。

参考文献

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[13] F P DAWALIBI，W G FINNER. Transmission line tower grounding performance in non uniform soil[J].IEEE Trans on PAS，1980，99（2）：471-479.endprint