基于網絡的監(jiān)控系統(tǒng)雷電綜合防護體系設計與實現

摘 要：隨著城市和園區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)向數字化、網絡化、智能化、綜合化發(fā)展，大量的大規(guī)模集成電路和低耐壓器件在系統(tǒng)中廣泛應用，雷電對監(jiān)控系統(tǒng)的危害也越來越大。雷電防護已成為保證監(jiān)控系統(tǒng)安全運行的重要問題。綜合雷電防護方法是在全面考慮雷電損壞監(jiān)控設備的各種可能途徑的前提下，綜合采用外部防護、等電位連接、接地、屏蔽、合理布線、使用浪涌保護器等多種方法來解決這類問題。通過對某城區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實施，證明了雷電綜合防護的有效性。

關鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng) 接地 等電位連接 雷電綜合防護

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2011）12（a）-0000-00

新一代數字化監(jiān)控系統(tǒng)的前端監(jiān)控設備、網絡傳輸設備、視頻監(jiān)控中心設備系統(tǒng)采用了大量的集成電路元件，在雷擊發(fā)生時，傳輸線路感應到雷電磁場產生過電壓，可高達數千伏，對集成電路元件有較大的危害，所以有必要對視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的設備進行雷電綜合防護。

一般來說，雷電的防護措施有隔離、等電位、鉗位、均壓、濾波、屏蔽、過壓過流保護、接地等方法，主要是將雷電過電壓、過電流及雷擊電磁脈沖消除在設備外圍，從而有效地保護各類設備。目前主要采用氣體放電管、放電間隙、高頻二極管、壓敏電阻、瞬態(tài)二極管、晶閘管、高低通濾波器等元件根據不同頻率、功率、傳輸速率、阻抗、駐波、插損、帶寬、電壓、電流等要求，組合成電源線、天饋線、信號線系列電涌保護器安裝在微電子設備的外連線路中，地線按共用接地原則接入系統(tǒng)的地線，才不至于造成電位反擊。在方案中還采用了設計合理、安裝合格的電涌保護器進行有效的雷電防御。

1 設計參考標準

本方案是針對某城區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)[1]進行的雷電防護體系設計，并主要參考了如下規(guī)范和標準：

（1）IEC61024《建筑物防雷》

（2）IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》

（3）ITU K25《光纜的防雷》

（4）GB50343《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》

（5）GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》

（6）GB50174-93《電子計算機機房設計規(guī)范》

（7）GB50198-94《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術規(guī)范》

2 直擊雷防護

監(jiān)控系統(tǒng)前端設備包括監(jiān)控前端等設備，這些設備安裝在室外，比較容易受到雷擊，因此要安裝防直擊雷系統(tǒng)，需在戶外做獨立防雷接地網?？紤]到系統(tǒng)前端設備數量多，結合技術經濟性比較，按設備的最小值要求，接地電阻R≤4Ω來考慮。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)前端設備直擊雷防護措施

（1）在戶外監(jiān)控攝像機的桿頂安裝一支避雷針，避雷針的引下線利用鋼結構立柱做泄流線，并在桿底座旁與獨立防雷接地網相連。取立桿高度為5～7米，避雷針長度為1.5米，利用滾球法計算可知攝像機在避雷針的保護范圍內[2]。見圖1.

圖1. 用滾球法確定單支避雷針的保護范圍

（2）戶外攝像機接地及接地網

如果攝像機附近有地網，則就近引接地線至附近接地網，如果附近沒有地網，則要另外建造獨立地網，地網組建方案如下：

A、在攝像機立桿周圍分別埋設數根熱鍍鋅角鋼接地極（50×50×4.0mm），每根長度為2.5米，間距為5米。埋設角鋼的數量要依立桿周圍土壤電阻率決定。

B、角鋼接地極用40×4.0mm扁鋼組成網并連通。

C、將接地系統(tǒng)和立桿底座連接。

（3）接地網施工程序：施工前首先要充分了解施工現場的地形地貌、地質結構及性質，然后根據方案設計和現場情況定出各處接地極的孔位和連接導體溝槽，再進行施工安裝。注意避開電纜溝、管道和其它導電裝置。

A、挖溝：合理使用挖掘工具，采取逐層下挖法，溝槽深度距地面至少0.8米，溝槽寬度以能挖深為宜。

B、打入：采用適當工具打入角鋼接地極。接地極頭部平溝槽底部。

C、連接：把安裝好的角鋼接地極用40×4.0mm扁鋼連接起來并進行防銹處理，形成網狀；全部連接處采用可靠焊接。

D、引入：將接地系統(tǒng)接到立桿底座。

E、回填：先填凈土，逐層夯實，整理并恢復地面。

3 感應雷防護

3.1 設備前端的感應電防護

雷擊電磁脈沖（LEMP）所產生的感應電動勢通過侵入通道疊加在線路信號上產生瞬間高電壓，擊毀各類用電設備和微電子芯片，因此在實施防雷工程時必須將防感應雷作為重點，進行有效防御。在設計綜合防雷時，應從以下通道進行重點防護，同時做好等電位連接和共用接地系統(tǒng)。

（1）前端攝像機的感應雷防雷措施：攝像機前端安裝網絡信號防雷器以及攝像機電源防雷器。

（2）防雷器接地線：防雷器用≥2.5mmsup2;的絕緣多股銅芯黃綠色軟線直接與地網連接，接地線和用作直擊雷引下線的立桿之間要彼此絕緣，并且盡量做到短而直，接地線宜放置在立桿內。

3.2 傳輸線路的防護

基于網絡的安防監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸線路主要有光纖、雙絞線。在系統(tǒng)防雷時應針對不同的傳輸線路分別做不同的防護。光纖作為傳輸線路時，由于本身不是導體，對雷電流沒有感應，所以線芯不考慮做防雷措施，但對其加強芯應做重復接地處理。

雙絞線做傳輸線路時，應該在傳輸線路端安裝數據信號避雷器，并盡量對傳輸線路進行穿鋼管埋地敷設，在線路的兩端對鋼管分別接地。

3.3 傳輸線路的布線

安防監(jiān)控系統(tǒng)傳輸線路主要是信號線和電源線。室外攝像機的電源從所屬匯聚端設備處引入；如條件容許，預算充足，則可考慮由UPS系統(tǒng)統(tǒng)一供電。

傳輸部分的線路采用帶屏蔽層的線纜或線纜穿鋼管埋地敷設，保持鋼管的電氣連接，這樣對防護電磁干擾和電磁感應比較有效。如電纜全程穿金屬管有困難時，可在電纜進入終端和前端設備前穿金屬管埋地引入，但埋地長度不得小于15米，在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管跟防雷接地裝置相連。當條件不允許時，可采用通信管道或架空方式，此時傳輸線纜與其它線路其溝的最小間距和與其它線路共桿架設的最小垂直間距，可參照GB50198-94《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術規(guī)范》進行敷設。如：傳輸線纜與220V交流電線線路共溝（隧道）的最小間距為0.5米，與通訊電纜的最小間距為0.1米；傳輸線纜與1～10KV電力線共桿架設的最小垂直間距這2.5 米，與1KV以下電力線最小垂直間距為1.5米，與廣播線最小垂直間距為1.0 米 ，與通信線最小垂直間距為0.6 米。

從防雷角度看，套金屬管埋設方式防雷效果最佳，架空線最容易遭受雷擊，并且破壞性大，波及范圍廣，為避免首尾端設備損壞，架空線傳輸時應在每一電桿上做接地處理，架空線纜的吊線和架空線纜線路中的金屬管道均應接地。

3.4 監(jiān)控機房設備防雷措施

安防監(jiān)控機房主要設備包括服務器、存儲設備、核心交換機及監(jiān)控中心電源等。監(jiān)控系統(tǒng)設備機房位置應選擇在樓棟一層以上區(qū)域但避免設在建筑物的頂三層內；當建筑物天面部分的避雷網格尺寸不符合系統(tǒng)抗干擾的要求時，應在天面加裝屏蔽層。使用非屏蔽電纜，入戶前應穿金屬管并埋入地中水平距離10米以上。如受條件限制無法穿金屬管埋地入戶，則應加長入戶屏蔽管或棧橋長度，金屬管或棧橋的兩端以及在雷電防護區(qū)交界處要做等電位連接和接地。監(jiān)控系統(tǒng)設備為金屬外殼時，應用最短的導線將其與等電位連接帶連接。如是非金屬外殼，當設備所在建筑物屏蔽未達到設備的電磁兼容性要求時，應加裝金屬網或其它屏蔽體對設備屏蔽，金屬網應與等電位連接帶進行等電位連接。計算機、通信、監(jiān)控機房的設備應與建筑物外墻保持0.5米以上距離。以防止大樓遭到直擊雷時沿外墻內鋼筋泄流入地的引下線在周圍產生較強的電磁場而損壞微電子設備。

3.5 監(jiān)控中心電源系統(tǒng)的防雷措施

根據有關資料統(tǒng)計，有70％雷擊高電位是從電源線侵入的。為保證設備安全，一般電源上應設置三級避雷保護。

a. 分別在監(jiān)控中心所在樓宇配電屏總開關和監(jiān)控中心配電柜處安裝一、二級電涌保護器。

b. 監(jiān)控中心設備前安裝單相三級電源防雷器，作為精細電源防雷保護，實現對電源箝位和濾波。

系統(tǒng)屏蔽措施

埋地線路的金屬線管、PE線、信息線路金屬外皮應在入戶端良好接地。如入戶前架空或無屏蔽者，宜在進戶端前20米套裝金屬線管屏蔽，并把屏蔽層與防雷地可靠連通。監(jiān)控中心內，應將金屬電腦桌、電腦設備、控制設備金屬外殼與防雷接地裝置可靠連接。室外攝像機到交換機之間的外露信號線，應套不銹鋼或銅金屬管，并將攝像機金屬屏蔽外殼及防水箱金屬屏蔽外殼與引下線的柱桿可靠連接。

屏蔽[3]是減少電磁干擾的基本措施。本系統(tǒng)設計時采取以下措施：外部屏蔽措施、合理敷設線路路徑、線路屏蔽，當然這些措施可聯(lián)合使用。

（1）為改善電磁環(huán)境，所有與建筑物組合在一起的大尺寸金屬部件都應進行等電位連接，并與接地裝置相連。如屋頂為金屬表面、立面金屬表面、混凝土內鋼筋和金屬門窗框架，都必須進行等電位接地。

（2） 在需要保護的空間，當采用屏蔽電纜時，其屏蔽層至少在兩端并宜在雷電防護區(qū)交界處做等電位連接。當微電子設備系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時，可將屏蔽電纜穿金屬管引入，金屬管在一端做等電位連接。

（3）建筑物之間的連接電纜應敷設在金屬管道內，這些金屬管道從一端到另一端應保證全線電氣貫通，并連到各建筑物的等電位連接帶上，電纜屏蔽層也應作同樣處理。

等電位連接與共用接地

等電位連接是現代防雷技術重要的防護措施之一。將進入監(jiān)控中心的各類管線的屏蔽層、設備等在進入大樓前進行等電位連接后接地。在進入設備前再進行二次等電位連接后接地。將戶外攝像頭輸出的線纜的外層和其它管線外層在進入大樓前進行等電位連接后接地。

(1)將分散的外表導電裝置用等電位連接導體后接地，以減少系統(tǒng)設備所在的建筑物金屬構件與設備之間或設備與設備之間因雷擊產生的電位差。利用鋼筋混凝土結構的建筑物內所有金屬構件的多重連接，建立一個三維的連接網絡是實現等電位連接的最佳選擇。為方便等電位連接施工，應在一些地方預埋等電位連接預留件。

(2)進入系統(tǒng)所在建筑物的各類水管、采暖和空調管道等金屬管道的金屬外層在進入建筑物處應做等電位連接，戶內金屬管道可參加等電位連接，并與建筑物組合在一起的大尺寸金屬件連接在一起，按GB50054的要求做等電位連接之后，接向總等電位連接帶，并可靠連通接地。

(3)在建筑物入口處進行總等電位連接后接地，在后續(xù)的雷電防護區(qū)交界處按總等電位連接的方法進行局部等電位連接，連接主體應包含系統(tǒng)設備本身（含外露可導電部分）、線纜、機柜、機架、電氣和電子設備的外殼、直流工作地、防靜電接地、金屬屏蔽線纜外層、管道、屏蔽槽、電涌保護的接地等均應以最短的距離就近與這個等電位連接帶直接連接。連接基本方法應采用網型（M）結構或星型（S）結構。網型結構的環(huán)行等電位連接帶應每隔5米經建筑物墻內部鋼筋、金屬立面與接地系統(tǒng)連接。當采用S型等電位連接網絡時，系統(tǒng)的所有金屬組件除在接地基準點，即ERP處連接外，均應與共用接地系統(tǒng)的各組件有足夠的絕緣（大于10KV，1.2/50μs ）。

(4) 避雷器連接導線應短而直，連接導線不宜大于0.5米，當長度大于0.5米時應適當加粗線徑。

(5)使用含有金屬部件的光纜，如供抗拉強度的加強金屬芯、金屬潮層、防嚙齒動物外層或修理維護時使用的金屬通信設施等均應可靠接地，應接通光纜沿線的所有接頭，再生器等處的擋潮層（金屬層），并在光纜每一端進行直接接地。

6 結語

對基于網絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，綜合考慮外部防護、屏蔽、等電位連接、接地、合理布線、使用浪涌保護器等系統(tǒng)防雷措施是很有必要的。這些措施的綜合運用，可以有效改善信號設備的電磁環(huán)境，減少雷電電磁脈沖對弱電設備的影響，是一種行之有效的方法。該系統(tǒng)經過1年多的運行，經受了南方多次雷暴雨惡劣氣候的考驗，運行正常， 證明綜合防雷效果良好。同時，以上雷電綜合防護方案的設計，對監(jiān)控領域或其他弱電系統(tǒng)防雷設計有著重要的參考意義。

參考文獻

［1］李亞萍.基于網絡的智能化安防監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現[J].科技創(chuàng)新導報.2011

［2］TB 10007-99 鐵路信號設計規(guī)范.

［3］(日）高橋健彥.圖解接地技術[M].科學出版社.2003