从不合理的防雷接地来看监控系统的接地-中国防雷技术论坛|防雷检测论坛

防雷设计 发表于 2009-3-14 09:03:31

从不合理的防雷接地来看监控系统的接地

安防系统的接大地，一般出于三点考虑：安全，抗干扰，防雷。安防行业有关防雷的文章和帖子很多，但有些概念不够准确，甚至是错误的，在工程设计参考时让人感到有些无所适从。
    【有关防雷的两类观点】
    我们先看看有关防雷常见的“第一类观点”：
1） “监控室内应设置等电位连接母线（或金属板），该等电位连接母线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危险的电位差。各种电涌保护器（避雷器）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”——总之一句话：主机系统机壳接大地。
2） “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Φ 8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”。
3） “根据GB50343－2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的以上条款分析：监控系统的防雷接地应与系统的交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置，接地电阻不得大于1Ω”。
    看了这一段论述，有一点是明确的：监控主机系统要接好大地。但是前端摄像机机壳到底是接大地还是不接大地呢？第二条里没有明确，按第三条理解，似乎应该和防雷接地“共用一组接地装置”。
    再看一个防雷厂家最有代表性、最明确、最典型，也被广为转载的论述，这是“第二类观点”，节引如下：
    1.“什么是等电位连接？摄像机等电位连接怎么做？
    GB50057-94对等电位连接定义：将分开的装置、诸导电物体等用等电位连接导体或电涌保护器连接起来，以减小雷电流在它们之间产生的电位差。就摄像机等电位而言，等电位是指摄像机的金属外壳、机架、金属管、槽、屏蔽线缆外层、设备防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器接地（SPD）接地端等均应与等电位连接端子连接。等电位连接的目的：降低设备各部件之间的电位差及统一系统的零电位参考点。”
    2.“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。”
    防雷厂家要求安防工程设计时，考虑防止直击雷的接闪问题、电力系统的防雷问题，要求安防系统所有市电接口，通信接口，视频接口，直流电源接口等等，凡是有“口的地方”都要加防雷器，都要做好接大地；防雷投入是近几年安防工程设计者很伤脑筋的问题。 不少“只懂弱电的安防人”诚实地按照这类防雷厂家的“指导”，设计了安防系统的防雷工程：到处接大地，处处安避雷器。
    “实践是检验真理的唯一标准”，一个这样布满防雷器的安防工程系统，干扰却十分严重，用抗干扰器也很难解决问题；但有时把防雷器拆了，不用抗干扰器干扰也没有了；有的抗干扰器暂时能够抗掉了干扰，后来却又出现了干扰，甚至发生成批烧毁抗干扰器，烧毁了避雷器的问题；打雷照样烧毁设备，不打雷也烧毁设备，问题到底出在哪里？ 
    笔者认为，这第二类防雷厂家的意见，没有一点弱电系统概念和观念，没有区域大系统电磁兼容观念和意识，对远离主机的前端摄像机设备照搬了建筑物等电位连接的教条，把监控系统的安全置于死地。
    本文就针对这类问题做些分析，提供一些工程参考意见，以求引起安防行业的朋友注意和思考。 【监控系统如何考虑防雷】
    笔者的观点是：
1） 全面防雷不是安防工程应该考虑的问题。有些防雷的文章，让安防工程全面考虑接闪，防静电和防雷电电磁感应问题，弄得安防弱电工程商头都大了，无所适从，只好把防雷任务交给“防雷专业厂家”设计。安防工程属于弱电工程，属于建筑物建设项目完工后的工程。建筑物的区域防雷和避雷，建筑物电力系统的防雷和避雷，都是建筑物统一设计施工的，都有安全标准和完工验收标准。入住的人员，常用设备，都应该在它们的有效保护之下安全运行，包括在它们有效保护范围之内的安防系统的安全运行。所以建筑物避雷接闪问题和电力电源取电中的雷电感应浪涌问题，都应视为已达到并符合安全标准要求。这就是常用家电都不用加装防避雷设施的原因和惯例；
2） 安防工程设计时，应该考察甲方建筑物和供电系统的防雷避雷系统的验收报告，了解有效防护范围，明确这些防雷责任在甲方；
3） 静电感应——带电云层对地面的静电感应会在局部地面形成与云层带电相反的电荷积累，从而引起地电位的剧烈变化，这一现象是靠避雷针有效放电的“中和反应”来消除并确保安全的。多数情况下避雷针有效放电的“中和反应”是随着带点云层的靠近，实时、逐步进行的，这就避免异性电荷的大量积累，避免闪电现象的发生，是在不知不觉中“避雷”的。上面引述的“防雷专家”意见，要求把摄像机壳“等电位”接大地，说“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”；这就是说，有带电云层对地面静电感应时，也要把摄像机作为“大电流放电”通道。这等于说雷雨天气，把自己脚腕上绑一根导线接大地，让带电云层通过人体，以低电阻、大电流对地放电。这不是防雷，是引雷，让大电流融化摄像机。还有，安防工程是一个涉及区域广大的电气连接系统，这A点发生了静电感应，摄像机与接地立杆是“等电位”了，但是远处没有发生静电感应区域B的接大地的摄像机或主机，二者之间却制造了“不等电位的环路连接”——这就是上面说的“没有区域大系统电磁兼容观念和意识”造成的错误；
4） 雷电电磁感应指的是雷电电磁波对导线的电磁感应。暴露在外部空间的导线——电力线、监控传输线，金属立柱，金属支架等等，都可以“接收到” 雷电电磁波的感应电流或电动势。雷电电磁波脉冲是毫微秒级的“高压短脉冲”，它的频谱，可以扩展到几十到几百兆赫以上。这么高的频谱，接地线也都失去了常规的“接地”意义。一根几米几十米长的接地线，此时也变成了“接收天线”，对高频来说，它们增大了“天线有效接收面积”，可以使系统接收的电磁脉冲能量更大，更高。对于这种雷电电磁感应，传统的避雷针系统是无能为力的。所以，这才是弱电系统、安防工程必须考虑的现实问题；
5） 对于室外、超出已有防避雷系统有效保护范围的一些监控点应该考虑设独立“避雷针”，使这些点位的摄像机等安防器材在“避雷针”有效保护之下安全运行。实在要把摄像机系统支架安装在避雷针立柱或塔架上时，必须做好摄像机机壳，视频线BNC头，电源线，控制线等与避雷针接地立柱的绝缘，要高强度的绝缘.这应该是上面引用的“第一类观点”所说：“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”的正确理解——屏蔽线缆、与大地绝缘。而“第二类观点”错误的把它们接在一起——接大地；
6） 安防系统的防雷是为了保护安防系统的安全运行，这应该是第一原则。前面引述的所谓前端“等电位连接”接大地的意见，其实践结果是引雷，是制造地环路，制造安防系统的安全隐患（后面有进一步分析）。
7） 防雷厂家的产品，包括某些“X合一防雷器”厂家，都没有公开明确自己产品的接地关系，有的就是把视频防雷器的接大地点与视频信号地（摄像机壳、BNC外壳、电缆屏蔽层）短路。如果不考虑地环路问题，这种防雷器连接方式还不如就拉根接地导线更简单，更方便，更便宜！
    我国的防雷源于强电系统，但防雷进入安防行业就应研究安防行业的特点和实际情况，那些“有口就接大地”的做法，只能是“专业的外行做法”。把建筑物防雷采用的“等电位体”概念，错误的用到“安防系统”，天真的设想出一种“区域系统等电位体”，这不仅是异想天开的错误，更是系统安全的杀手；下面来分析这个问题。【什么是地环路】
1） 地面不同点的电位是不相等的，简单说来，这是与电网系统用电平衡状态，接地点方式和位置，零线和地线的关系（开路或短路），大功率用电设备运行状态、接电方式和接地方式，线缆长度和类型等等因素都有关系。由于导线存在电阻，地电位相等是相对的，电位波动和不相等是绝对的。当三相电网发生不平衡故障时会引起地电位剧烈变化，局部地电位可以瞬间升高几十到几百伏，直到故障排除。对于工程应用，我们只需知道“不同点的地电位是不同的，波动的”，这是客观现实。
2） 室外摄像机A,安装在户外一个金属立柱上，监控室主机系统设备机壳做了安全接大地，视频线把摄像机和主机用BNC联系起来.这时，就会形成“摄像机——视频线——主机——地面——摄像机”的电气连接回路，这就是地环路的概念。假如A点地电位，相对于主机点的大地有10VAC电位差，这个电压就加在了视频电缆的屏蔽层两端了，于是在摄像机和主机之间的视频信号地线上，就可以等效出一个“干扰电压信号源和一个地电阻”，这个电压可以通过视频传输电路两端的匹配电阻与芯线构成环路，在75欧姆负载上产生“干扰信号”，这就是常见的“地环路干扰”。如下面原理图所示。      
<IMG style="BORDER-RIGHT: #000000 1px solid; BORDER-TOP: #000000 1px solid; BORDER-LEFT: #000000 1px solid; BORDER-BOTTOM: #000000 1px solid" alt=地环路干扰原理图 src="http://img.hc360.com/security/info/images/200903/200903131540495541.jpg" border=0>
地环路干扰原理图
 
 3） 一个监控系统如果有多个摄像机安装在金属立柱、金属塔架上，这些摄像机就都接了大地，系统就会形成许多复杂的“地环路”。如果说安防工程商这种接大地是“无意的”接大地，那么上面引述的防雷厂家“第二类观点”——前端“等电位连接”，就是一种人工制造“地环路”的典型例子。 4） 一个典型的地环路“干扰”照片
<IMG style="BORDER-RIGHT: #000000 1px solid; BORDER-TOP: #000000 1px solid; BORDER-LEFT: #000000 1px solid; BORDER-BOTTOM: #000000 1px solid" alt=典型的地环路“干扰”照片 src="http://img.hc360.com/security/info/images/200903/200903131541529334.jpg" border=0>
典型的地环路“干扰”照片
 
    【地环路是安防系统最大的安全隐患】
    由于存在“地环路”，当地电位差较低时，可能表现为对图像的“干扰”。模拟实验表明，在视频75欧姆负载上，干扰信号低于20毫伏左右时，一般感觉“没有干扰”，大于20毫伏就可以看到干扰，幅度越大，画面的干扰越明显；500—1000毫伏以上时，图像不稳，扭曲，甚至DVR显示器“感觉无视频信号”了。“地环路”干扰不属于常规意义上的“无线”电磁干扰，它是典型的把地电位人为引入弱电系统的错误设计和施工引起的“假干扰”。多数抗干扰器对抑制这种“干扰”有一定效果，但是这种“抑制”，实际只是“掩盖”，并没有消除安全隐患。
    当电网发生不平衡故障时，这个“地电位差和干扰”就会突变到几十伏，几百伏或更大，加在视频电缆两端的摄像机输出电路和主机的输入电路上，设备可以在瞬间被烧毁，被击穿，造成永久性损坏。据了解，安防系统很多所谓“被雷击坏了”案例，实际上多数是这类地环路问题造成的。
    地环路是安防工程重要的“系统杀手”，抗干扰器也难逃厄运，曾有一个系统6套抗干扰器同时瞬间烧毁的案例，包括无源电路的75欧姆电阻、电位器都被烧毁。烧毁摄像机，烧毁采集卡的工程案例每年都屡见不鲜。值得注意的是：和雷电电磁感应ns级的脉冲不同，这类地环路高压冲击是持续性的，直到电网故障排除为止。
    上述“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”的做法，由于制造了许多地环路，当雷电袭来时，同样制造了巨大的电位差，对监控系统同样会造成破坏。
    地电位差的事先考察和测量方法目前还未见报道。地电位差是不稳定的，平时可能很小，可能看不出有什么影响，但不要因此就麻痹大意、失去警惕。除非你能保证运行电网永远不发生故障。
    防雷器的实用功能也应该是防雷电电磁感应，指闪电电磁波对线缆的电磁感应脉冲也能防范。但是如果你买的防雷器对于视频信号地和接大地点是短路的，那可要小心了，因为它将是制造监控系统地环路安全隐患的元凶，这种东西是典型的“品牌假货”。
    【安防系统接大地应该怎么做】
    EIE实验室的模拟实验和几年来工程经验总结，对安防工程设计施工中的接地提出如下建议：
1） 安防系统可以，也应该在建筑物和供电防避雷系统保护范围之内安全运行，保护责任在甲方，不在安防工程方。在已有防避雷系统保护范围之外的室外摄像机和传输线缆都应该设立独立避雷针，穿金属管或埋地保护，并保持绝缘关系。
2） 安防系统“单点接地原则”：即只有主机系统一点接大地，这是安全接地，确保操作人员安全；这也是泄放系统“静电”的安全通路；
3） 系统所有前端摄像机都要和大地绝缘，包括摄像机外壳，BNC外壳，视频信号地，直流电源地，解码器的地等都要和大地绝缘。系统中如果远处有分控点，“分控机壳”也不要接大地，这也从工程案例中得到证实。
4） 摄像机，传输设备，数据通信设备等，本身已经具有防雷电电磁感应功能的，就不需要再加防雷器了。没有防雷电电磁感应功能的设备，可以选用合格的防雷器解决。值得注意的是：自带防雷电电磁感应功能的设备，如果能紧密结合实际电路设计，其有效性要优于通用防雷器性能。这里我们不做进一步探讨。
    本文“从防雷接地谈监控系统的接地”的结论很简单，这就是安防系统“单点接地”原则。

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