安防系统安全设计与防雷设计解决方案

      

      十多年来,安防行业的“防雷设计”几乎是“专业防雷”的一统天下,“防雷必须接地,不接地就不能防雷”的设计思想几乎“深入人心,天经地义”,贯彻“专业防雷”设计思想的相关标准还在实行;许多安防防雷“样板工程”的立杆避雷针还在“昂然屹立”,许多“专业防雷设计”的重点工程还在作为示范工程让人效法。 

  照此“专业防雷”设计——有安全隐患,不照做——难以通过验收。今后还会面临很多人为的、规范方面的困惑和难题,让人无所适从。本文将对此类“安全隐患设计”从原理和实践上进行较深入地分析。 


  第一部分:大地电磁环境——关于“地电位”的认识与实践 

  十多年来,有一种貌似科学的安防工程“专业防雷”设计,其设计要点是: 

  1)防直击雷,室外摄像机立杆要按照“把立杆做成避雷针”的方式设计,包括做优质的接地网; 

  2)防雷电感应(感应雷),在系统每条视频线、控制线、电源线两端,都要安装“接地防雷器”,每个防雷器都需要做良好的低电阻接地,以实现“接地泄放雷电流”; 

  这两项“专业防雷”设计,人为制造了系统多点接地,形成了纵横交错的“地电位环路”;安防论坛里每年多次曝光的所谓“雷击”烧毁安防设备的案例,烧毁防雷器的案例和引入地电位环路干扰的案例屡屡发生,究其原因,由“系统多点接地”,制造地环路,引入了地电位造成的案例占有绝大部分比例。 

  接地——大地是什么?“接地点”永远是稳定的大地“0电位”吗?“防雷必须接地,不接地就不能防雷”的观点,接地可以消除干扰的观点,给监控系统制造多点接地的现象,只能说明对“大地电磁环境”还没有起码的认识;不了解大地电磁环境,就不可能做好安防系统的接地问题;安全隐患就是源于对大地电磁环境还没有基本认识,特别是对“电网地电位”没有清醒认识和警惕,防雷目的没达到,却给安防系统造成了重大安全隐患。 

  安防行业防雷工程盲目上当的事实,同样表明安防行业自己对地电位和系统安全设计,也缺乏基本认识。这里我们先分析一下影响最大的“雷击地电位”和“电网地电位”。


  1-1雷击地电位 

  雷电击中地面物体向大地放电,在地表雷击点周围形成暂态地电位分布区——跨步电压区。以避雷针接闪为例:避雷针接闪电流从几十到几百千安,不同的避雷针接地电阻1~10欧姆,形成的雷电反击电压Uo高达几十到上千千伏,我们以1000千伏,即100万伏为例。跨步电压区内雷击暂态地电位呈指数衰减,大约10~20米半径以外衰减到大地0电位。




      立杆a:是摄像机安装在立杆避雷针体上,接闪时立杆和摄像机等电位,都带有100%的雷电反击电压Uo,这就是“专业防雷”的“立杆避雷针化设计”,其原理描述是:摄像机与立杆始终保持等电位,就像小鸟站在高压线上一样“是安全的”。至于摄像机的视频线、电源线、控制线是与主机“零电位”连接的事实就“不谈了”——小鸟尾巴用导线接地了,他们没考虑。 

 “专业防雷”对立杆避雷针设计还有进一步的“科学解释”:视频线两端都加有“接地防雷器”,可以保护摄像机和主机的安全。他们没有说明:摄像机端的防雷器接地点选在那里?“防雷器”接地的放电能力如果不能比避雷针放电能力大10万倍以上,怎么能把避雷针上百万伏的放电电压分流到摄像机要求的安全电压呢? 

       至少,他们自己提供的“视频防雷器”、“N合一防雷器”都还不具备这种能力。这种把雷电反击电压Uo100%的引入监控系统的设计,即使摄像机与立杆绝缘,百万伏以上的雷电反击电压也可以轻易击穿绝缘,构成系统重大安全隐患。 

       我们认为,室外孤立摄像机立杆,如果确实要防直击雷,应该用独立避雷针保护,而不是把摄像机立杆做成避雷针,造成雷电反击电压对安装的摄像机和系统的直接攻击。 

  立杆b:是摄像机立杆安装在跨步电压区内,距离避雷针5~10米,立杆和摄像机上带有部分雷电反击电压,例如:当Uo=1000KV;如果Uob=1000KV*10%=100KV;为了防止避雷针直接放电闪击(又称反击)摄像机立杆,还要注意雨天绝缘下降,空气击穿强度为常规30kV/cm几倍的距离,可以估算出立杆和避雷针间隔距离,摄像机立杆b要设置在离避雷针3、4米以外的地方,摄像机要与立杆绝缘;例如,即使有100kV,常规闪击距离也达到3.3cm,雨天潮湿可达到10~20cm以上,如绝缘垫直接被雨淋,问题更大了,这一点必须谨慎对待。二是采用绝缘材料制作的立杆和支架,并考虑好全天候雨淋潮湿时的绝缘防护问题。 

  立杆c:是摄像机立杆安装在跨步电压区以外,摄像机立杆与大地等电位(0电位)。但是距离太远,要求避雷针的高度越高,成本投入越高。 

  安防系统,摄像机与主机间有视频线、控制线、电源线连接,系统主机接大地。系统的“广域”特点,决定了局部可以等电位,但无法解决广域系统的等电位问题。 

  雷击地电位认识要点:云地雷击放电,可以造成大地局部暂态地电位——跨步电压区;“专业设计”的立杆避雷针或者给避雷针旁的摄像机立杆做“可靠接地”,从“雷击地电位”考虑,不仅不能做到“零电位、等电位”,还可能“引火烧身”。


  1-2电网地电位 

  电网地电位的形成和特点 

  大地是一个超大的“静态等电位体”,大地“零电位”只是一个宏观平均概念;不仅雷击可以造成局部地电位变化,电网系统故障也能以更高的发生概率影响着局部地电位。 

  电网系统有多种接地方式,例如:工作接地就是将变压器的中性点接地;保护接地是指将电气装置不带电的金属壳体接地;保护接零是指电气设备不带电金属壳体与系统零线连接等;防雷接地是指电气线路和设备防雷器的接地。 

  电网是有直接电气连接关系的超广地域分布系统,电网和设备多点、多种接地方式是“电网地电位”形成的主要原因。我们应该对电网地电位形成和特点有所认识,有所了解: 

  1)电网多点接地:图16是摘录的一种电网安全运行接地和防雷接地典型原理图。从中可以了解到,高压线塔最顶端有架空防雷地线,常规运行电网还有变压器零线(中线)接地,大功率用电设备(如电机)机壳接地,还有建筑物内供电线路的零线接地等,这都是电网常见的接地措施。从安防系统设计考虑,我们只需了解,当电网三相供电平衡时零线电流为零;当三相供电不平衡时出现零线电流,零线上产生电压,零线不同接地点之间便形成与不同的电位差。


       2)电网失衡产生地电位:当供电系统或大型电力设备发生故障,如高压线断线碰地、一路相线短路或火线碰地、大电机“碰壳(绕组碰机壳)等等,都会出现地电位突然升高。高压变压器或高压电机碰壳故障,接地点可产生超高压的地电位突变,在接地点周围形成“跨步电压区”——地电位扩散区。 

  3)电网地电位波动幅度大:电网运行指标要求地电位差少于2V为正常,平衡是相对的(较低),不平衡是绝对的。电网故障地电位波动和突变可以从几伏几十伏,到几百伏,甚至几千伏。造成电网运行不平衡的主客观因素很多,随机性很大,突发性电网重大故障造成严重不平衡并不罕见。 

  4)电网地电位持续时间长:电网有自动保护设计,如跳闸或保险丝保护,但是需要注意,这大多是从高压、大功率电力设备安全保护出发设计的,对弱电系统设备来说这种保护的“反应时间太长”了,弱电设备早已烧毁了。相对于持续时间“微秒级”的雷击暂态地电位来说,“秒级”以上的电网地电位可以看成是长时间的,持续性的。 

  5)电网地电位发生概率高:相对于地面设备发生雷击概率来说,电网发生严重和比较严重故障的概率要高成千上万倍以上。雷击只在雷雨天气发生,电网地电位却不管是阴雨还是晴空万里天气,一年四季都可能发生。 

  6)电网地电位涉及地域广泛:一般说来,供电系统和设备的接地,都是用于故障发生时向大地泄放浪涌电流,起到保护作用,但浪涌电流泄放过程中,也同时引起地电位的突变。凡是电网到达的地方就会有电网地电位存在。举例说,某车间的一个大型电机碰壳故障,如图17所示:电机B相绕组碰壳,机壳接地点便立即带有B相绕组碰壳点的电压,大地会形成一个地电位扩散区。车间接地钢结构与电机壳接地“等电位连接”,摄像机就安装在接地钢结构上,这时摄像机外壳也带有这个“地电位”电压。电机有高低压之分,低压有2相220V电机,3相380V电机、660V电机等,高压电机有3000V电机、6000V电机等;不同电压的电力设备故障、不同故障性质引起的地电位变化是不同的。几乎所有建筑物配电系统,都有“接地点”,也就都可能发生地电位变化。建筑物内的“联合接地”、“等电位接地网”,又延伸、扩大了地电位的影响范围。 

       7)电网地电位的不可预测性:一个多点接地监控系统,对于系统中哪个接地点,什么时间,发生多大的地电位突变目前还没有预测办法,这是因为电网故障在什么位置发生,什么时间发生,发生什么性质的故障都是事先难以预料的。有人说:我把摄像机接地了,没事。可是谁能保证电网永不发生故障,或者发生故障时,不会影响到这个接地点的地电位呢?


 

  8)电网地电位的信号特征:电网地电位信号基本是50赫兹市电信号特征,少数也有高频脉冲群特征,画面表现为横向水平宽带状短线,示波器波形为一群一群脉冲,脉冲群对应市电正弦波两个顶部,这是变频电机电流开关谐波影响,多见于变频电梯的摄像机与接地轿厢没做绝缘的情况,或自动供水系统、集中空调系统的变频电机环境。 

  “电网地电位”的认识要点:第一,电网地电位是客观普遍存在的;第二,电网地电位难以预测;信息系统的“广域”特点,决定了是不可能实现“全系统等电位连接的”。 

  地电位——这是安防系统安全设计、抗干扰设计必须认识和认真对待的问题,也是安防防雷设计必须认识和认真对待的问题。


  1.3地电位环路 

  安防工程是一个跨越区域较大、并有紧密电气连接关系的广域弱电系统。 


  1)地环路的基本概念 

  一条传输线A、B两端接大地,就构成了地环路,如图18A所示,图18B为视频线地电位环路等效电路图。 

  如图所示:假定A端大地是高电位VA,接地线把传输线A端电位提高到VA,B端大地是0电位,地电位VA便通过地环路影响传输线连接的系统设备。如果系统有多点接地,就可以构成更多的、纵横交错的地环路,例如多个摄像机接大地的系统。地环路给地电位入侵安防系统提供了可靠的入侵路径。



       2)地电位入侵视频传输回路原理分析 

       图19示出了视频传输回路等效原理:




    1.A点存在高电位VA;主机端有安全接大地,假定V0=0; 

  2.摄像机端接地开关K开路,代表摄像机不接地,摄像机和视频线始终和主机等电位,与主机地电位一起浮动; 

  3.摄像机端接地开关闭合,代表摄像机接大地,构成地环路,VA高电位加在视频线屏蔽层上;因视频线屏蔽层两端通过75欧姆匹配电阻与芯线构成回路,所以在两端负载上就必然有地电位的分压,一端入侵到摄像机输出电路,一端入侵到主机输入电路,轻则形成干扰,重则烧毁设备。 

  4.安防系统多点接地产生的地环路的因素有: 

  ○1接地摄像机——接地主机之间构成地环路; 

  ○2接地摄像机——其他接地摄像机之间构成地环路; 

  ○3包括视频设备、交直流电源设备和控制设备接地点,凡是有直接电气连接关系的系统,所有接地点之间都可以构成“地环路”。 


  3)安防工程引入地电位的常见工程案例 

  1.摄像机与金属立杆没绝缘,直接引入地电位(通常摄像机的外壳为金属结构,是视频信号的参考地和直流电源的参考地); 

  2.接地防雷器引入地电位,涉及视频线、电源线、控制线设备接大地,构成系统复杂的地电位环路关系,地电位可以触发防雷器导通,把地电位引入系统设备; 

  3.墙壁安装摄像机,金属螺丝碰到建筑物钢筋; 

  4.摄像机安装在室外接地的广告牌或金属钢结构上; 

  5.摄像机与电梯轿厢没绝缘; 

  6.金属钢结构厂房,摄像机安装在金属架构上; 

  7.金属防水盒内与立杆连接接地,监控设备固定在防水盒上,接大地。 


  4)系统地电位环路传导 

  工程中经常遇到BNC头带电、麻手,有静电,有交流电压等现象,大都属于地电位传导现象。



       ○1如图20所示的一个小系统,有摄像机a、b、c、d、e和一个主机(O点),视频线在主机上汇接。摄像机C和E接大地,主机和其他摄像机不接地。假设只有C点地电位Vc≠0,其他点都为0电位。 

  ○2地电位差Vc加在C、E电缆两端,假设主机在中间,主机机壳电位就大约是:Vo=Vco=Veo=Vc/2;BNC头“带电”了,这对设备和主机操作人员来说,有安全隐患。 

  ○3显然,c和e两路电缆两端都加有Vc/2电压,这个电压都通过两端匹配电阻与芯线构成回路,在主机负载上形成干扰电压,这两路视频出现地电位干扰。 

  ○4这时a、b、d三路摄像机由于没接大地,电位随主机浮动,没有地电位干扰。 

  ○5a、b、d三路摄像机,哪一路如果再接大地,也同样会出现干扰,都接大地都有干扰,这就是“地电位环路传导”的概念:把一个C点的地电位通过地环路传导到系统其他设备。 

  ○6如果把主机机壳接大地,接地电阻为0,这时c点地电位就只影响c路,对其他路没有影响。主机接大地后隔离(屏蔽)了对其他各路的影响,主机操作是安全的。显然,这给查找工程“错误接地点”也带来了方便。 

  ○7如果系统只有主机一点接大地,所有前端设备、分控设备、显示设备都不再接大地,全系统电位随主机接地点一起“浮动”,这就可以切断所有地电位入侵路径。


  5)注意“隐蔽的”电网地电位入侵 

  当安防系统前端摄像机与大地已经做好绝缘了,所用电源是就地取电,但是所用的电源适配器前后没有隔离,也就是说开关电源没有输入输出端的光隔离,或线性电源次级“地”与初级接地短接,这就把“电网地电位”引进了安防系统。这类“故障”很隐蔽,很难查找。 

  防止隐蔽的电网地电位入侵设计的基本原则是:“系统所用交流电源与电网是电气隔离的”,即220VAC或24VAC都不分火线和零线(地线),都是“平衡传输的交流电压”,例如变压器初次级隔离,开关电源输入输出端有光隔离,主机所用UPS电源,输出端与输入零线、地线没有连接关系。 

  【结论】“地电位”是客观存在的物理现象,“雷击地电位”属于特殊天气条件、特殊地点下的“偶发事件”,“电网地电位”是影响大地电磁环境的“常态因素”。“地电位”入侵安防系统的路径是多点接地形成的“地环路”,安防系统设计本身不需要多点接地,防雷也没有理由采用多点接地,广域信息系统多点接地属于错误认识和安全隐患设计。




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