安全監(jiān)控系統(tǒng)雷擊損壞分析及整改措施

盧彥彰 羅家林 黃凱敏

（珠海市防雷設(shè)施檢測所，廣東 珠海 519000）

雷電具有巨大的破壞性，雷電放電的瞬時(shí)電壓可達(dá)500kv以上，閃電電流幅值可達(dá)100～300KA。受強(qiáng)大的電荷感應(yīng)和電磁場感應(yīng)影響，強(qiáng)雷電流可經(jīng)線纜侵入電子終端，造成系統(tǒng)損毀等巨大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)今閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中，矩陣切換器、數(shù)碼硬盤錄像機(jī)、攝像機(jī)和解碼器等關(guān)鍵部件中的核心器件為CMOS的IC，其擊穿電壓僅為幾十伏的量級，也極易受雷擊損毀。因此，防雷保護(hù)就顯得尤為重要。

1 雷擊災(zāi)害概況

2010年9月20日1011號臺風(fēng)凡亞比中心自東向西經(jīng)過廣州，中心氣壓998百帕，中心風(fēng)力16米/秒（7級），陣風(fēng)21米/秒（9級），雖已減弱為熱帶低壓，且沒有正面襲擊珠海，但由于中心與珠海市區(qū)最小距離僅為137公里，凡亞比的內(nèi)部環(huán)流還是為珠海帶來了一系列不穩(wěn)定的天氣。凡亞比對珠海的影響主要是引起了暴雨和雷暴，廣東省雷電探測分析系統(tǒng)20日捕獲的數(shù)據(jù)顯示當(dāng)日珠海境內(nèi)閃電數(shù)約為2200個(gè)。珠海氣象臺發(fā)布了黃色暴雨和雷暴預(yù)警。當(dāng)天下午16：30分左右，地址位于珠海市唐家灣鎮(zhèn)的某公司遭受強(qiáng)雷電閃擊，據(jù)被調(diào)查人對事件描述情況：當(dāng)時(shí)廠區(qū)上空電閃雷鳴，雷暴活動頻繁，突然一陣?yán)纂婇W擊后，看見廠區(qū)院子里出現(xiàn)火球。隨即保安室空氣開關(guān)跳閘，安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視器上的一些監(jiān)控區(qū)域無圖像顯示，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)原因是攝像機(jī)和其變壓器損壞，系統(tǒng)的畫面分割器、監(jiān)視器、控制設(shè)備等其余部件無損壞。此次雷擊事故造成公司損壞攝像機(jī)10臺，直接經(jīng)濟(jì)損失約1萬元。雷擊事故導(dǎo)致公司監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓，存在極大

2 氣象資料的分析

對廣東省雷電探測分析系統(tǒng)捕獲的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得出各主要時(shí)段閃電分布情況如下：安全隱患。因此，做好此次雷災(zāi)事故的調(diào)查分析十分必要，提出整改措施，以減少類似事故發(fā)生的機(jī)率。

以上四個(gè)小時(shí)發(fā)生的閃電數(shù)總和占全天閃電數(shù)的98.5%，可以認(rèn)為20日的雷暴過程幾乎只發(fā)生在16-19時(shí)這個(gè)時(shí)間段里。該公司的雷災(zāi)事故發(fā)生在16:30左右，而此時(shí)正是珠海雷暴始發(fā)期。

對廣東省雷電探測分析系統(tǒng)捕獲珠海9月20日大氣電場變化圖，16-19時(shí)這個(gè)時(shí)間段里大氣電場突變較大（如圖1所示），說明了該時(shí)段雷暴活動較為頻繁。

凡亞比在福建再次登陸后，路徑顯得較為曲折，呈現(xiàn)了西南偏西→西北→偏西→西南偏西，最后往西這樣的走向（如圖2所示）。按照此路徑結(jié)合地理位置，凡亞比內(nèi)部云系將首先進(jìn)入我市東北部地區(qū)，該公司正是處于珠海東北部的唐家灣（如圖3所示），所以首當(dāng)其沖。

從雷達(dá)圖上看到（如圖4所示），13:30珠海上空清朗明凈，只是凡亞比云團(tuán)主體已經(jīng)在東部壓境；16:30分本市境內(nèi)幾乎全部被云團(tuán)覆蓋，而該公司所在的唐家灣科技創(chuàng)新海岸正處于強(qiáng)回波區(qū)之下。這條長約16公里的紅色高亮回波帶在4小時(shí)內(nèi)貫穿并橫跨了我市所有行政區(qū)域，20時(shí)才完全脫離珠海范圍。但直到21日凡亞比結(jié)束對珠海的影響，代表可能有持續(xù)降雨的綠色弱回波才逐漸消散。

并不是每個(gè)臺風(fēng)登陸后都會有雷暴生成，必須要有強(qiáng)對流天氣的存在。形成雷雨云要具備一定的條件，即空氣中要有充足的水汽，要有使?jié)窨諝馍仙膭恿Γ諝庖墚a(chǎn)生劇烈的對流運(yùn)動。而紅色的強(qiáng)回波區(qū)所覆蓋的區(qū)域?qū)α鬟\(yùn)動非常旺盛，這是由于珠海地處海岸線邊沿，暖濕的海風(fēng)與臺風(fēng)內(nèi)部氣旋交匯后，加強(qiáng)了輻合上升運(yùn)動，從而促進(jìn)了對流運(yùn)動的增強(qiáng)，也是這次凡亞比攜同強(qiáng)雷暴襲擊珠海的原因。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架

電視監(jiān)控系統(tǒng)（Closed CircaitTelevisiow，簡稱CCTV）一般由以下3部分組成：

3.1 前端部分：主要由黑白（彩色）攝像機(jī)、鏡頭、云臺、防護(hù)罩、支架等組成。

3.2 傳輸部分：使用同軸電纜、電線、多芯線，采取架空、埋地或沿墻敷設(shè)等方式傳輸視頻、音頻或控制信號等。

3.3 終端部分：主要由畫面分割器、監(jiān)視器、控制設(shè)備等組成。

4 防雷裝置概況

監(jiān)控機(jī)房設(shè)在保安室，保安室天面上無防直擊雷設(shè)施，室內(nèi)也無等電位聯(lián)結(jié)端子。前端設(shè)備（如攝像機(jī)）有室內(nèi)安裝和室外安裝兩種情況。室外安裝的攝像機(jī)采用不銹鋼管作為支架，支架沒有進(jìn)行接地處理，且攝像機(jī)無接閃器保護(hù)。攝像機(jī)的電源線和信號線穿塑料管沿桿引上，入設(shè)備前無加裝避雷器保護(hù)。監(jiān)控系統(tǒng)電源由保安室配電箱供給，配電箱內(nèi)無浪涌保護(hù)器（SPD），攝像機(jī)的電源使用交流220V，經(jīng)變壓器整流后變?yōu)橹绷?4V。閉路監(jiān)視線采用屏蔽同軸電纜，但屏蔽層并無接地，控制信號傳輸線采用多芯屏蔽軟線，屏蔽層亦無接地，電源、視頻、信號線路均采用穿PVC管保護(hù)埋地敷設(shè)，線路無浪涌保護(hù)器（SPD）保護(hù)。

5 監(jiān)控系統(tǒng)雷災(zāi)成因

5.1 直擊雷

雷電直接擊在露天的攝像機(jī)上造成設(shè)備損壞；雷電直接擊在架空供電線纜和信號傳輸線纜上造成線纜熔斷。

5.2 雷電波侵入

第一種是直擊雷直接擊中室外的金屬導(dǎo)線，使閃電的高電壓以脈沖波的形式沿導(dǎo)線侵入室內(nèi)。

第二種是雷電感應(yīng)：當(dāng)雷擊避雷針時(shí)，在引下線周圍會產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁場。處在電磁場中的監(jiān)控設(shè)備和傳輸線路會感應(yīng)出較大的電動勢。這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。當(dāng)有帶電的雷云出現(xiàn)時(shí)，在雷云下面的建筑物和傳輸線路上都會感應(yīng)出與雷云相反的電荷。這種感應(yīng)電荷在低壓架空線路上可達(dá)100kv，信號線路上可達(dá)40至60kv，這種現(xiàn)象叫靜電感應(yīng)。電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)稱為雷電感應(yīng)。它對設(shè)備的損害沒有直擊雷來得猛然，但比直擊雷發(fā)生的幾率大得多[1]。

第三種是由于云地閃電擊在建筑物上或建筑物附近時(shí)，因雷電流通過引下線流入接地體時(shí)，在接地體上會產(chǎn)生幾十千伏至幾百千伏的高電壓，這種形式的高電位可通過電路中的零線、保護(hù)接地和綜合布線中的接地線，以脈沖波的形式侵入室內(nèi)，并沿著導(dǎo)線傳播，殃及更大的范圍。

5.3 雷電電磁脈沖

第一種是傳導(dǎo)耦合，閃電干擾通過各種導(dǎo)線、金屬體、電阻和電感及電容等阻抗耦合至電子設(shè)備的輸入端，然后再進(jìn)入設(shè)備。

第二種是輻射耦合，閃電電磁輻射通過空間以電磁場形式耦合到電子設(shè)備的天線上、電纜設(shè)備上。

6 雷災(zāi)原因分析

根據(jù)該日氣象資料，并結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)自身特征、防雷裝置安裝情況綜合分析，我們認(rèn)為此起為一起經(jīng)典的雷暴過程引起的雷災(zāi)事故，我們采用"排除法"確定此雷災(zāi)事故的原因。室內(nèi)設(shè)備一般不會遭受直接雷擊，室外設(shè)備無受直接雷擊的痕跡，故排除直擊雷損壞可能。監(jiān)控系統(tǒng)線路埋地敷設(shè)，排除直擊雷直接擊中室外金屬導(dǎo)線的情況。監(jiān)控室無設(shè)置防雷引下線，雷電擊在建筑物上或附近建筑物上，因雷電流通過引下線流入接地體形成高電位的可能性也較小，故可排除雷電波侵入的三種途徑。因此引起本次雷災(zāi)事故的原因是：廠區(qū)空中發(fā)生強(qiáng)烈雷擊，在閃擊通道周圍產(chǎn)生巨大的瞬變電磁場，由于監(jiān)控系統(tǒng)屏蔽、接地、過電壓保護(hù)或相關(guān)保護(hù)措施不完善，其設(shè)備內(nèi)部電路因耦合產(chǎn)生過電壓，致使某些部分元器件電位升高，當(dāng)電壓超過集成電路模塊等耐壓水平時(shí)，即造成該部件擊穿損壞。

7 整改措施

7.1 前端設(shè)備的防雷

前端設(shè)備（如攝像機(jī)）應(yīng)置于接閃器（避雷針或其他接閃導(dǎo)體）的有效保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)攝像機(jī)獨(dú)立架設(shè)時(shí)，避雷針最好距攝像機(jī)3米以上。避雷針也可以架設(shè)在攝像機(jī)的支撐桿上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用φ8mm以上的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應(yīng)，金屬支撐桿應(yīng)進(jìn)行接地處理，接地電阻≤4Ω，沿桿引上攝像機(jī)的電源線和信號線應(yīng)穿金屬管屏蔽。

為防止雷電波沿線路侵入前端設(shè)備，應(yīng)在設(shè)備前的每條線路上加裝與其配合的避雷器，如電源線、視頻線、信號線和云臺控制線。

7.2 傳輸線路的防雷

從防雷效果看，在各種敷設(shè)方式中直埋敷設(shè)方式的防雷效果最佳，但埋地敷設(shè)并不能阻止雷擊設(shè)備現(xiàn)象的發(fā)生。即使雷擊發(fā)生在比較遠(yuǎn)的地方，仍然會有部分雷電流流入線路。所以應(yīng)采用帶屏蔽層的線纜或線纜穿鋼管埋地敷設(shè)方式，其屏蔽層和鋼管的兩端應(yīng)可靠接地，這對防護(hù)電磁脈沖干擾和電磁感應(yīng)非常有效。當(dāng)線纜全程穿金屬管有困難時(shí)，可在線纜進(jìn)入終端設(shè)備和前端設(shè)備前穿金屬管埋地引入，但埋地長度不得小于15m，而且在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管同防雷接地裝置可靠近接在一起[2]。

高電位引入是雷電高壓通過金屬導(dǎo)線引入室內(nèi)造成破壞的雷害現(xiàn)象，這種雷害現(xiàn)象占雷害的絕大部分。為保證設(shè)備安全，一般電源線上應(yīng)設(shè)置三級電涌保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)，室外攝像機(jī)的視頻傳輸線、信號控制線、電源線進(jìn)入前端設(shè)備之前或進(jìn)入中心控制臺前也應(yīng)加裝相應(yīng)的避雷器保護(hù)。建議在變配電室低壓母線處使用波形8/20μs，In≥65KA的SPD；樓層配電箱內(nèi)設(shè)波形8/20μs，In≥40KA的SPD；在弱電系統(tǒng)用電配電箱內(nèi)設(shè)波形8/20μs，In≥15KA的SPD。在信號線上采用波形8/20μs，In≥3KA的SPD。

在電源線和信號傳輸線上安裝變壓器可以對雷電高電壓引入起到有效的抑制作用，原理是：當(dāng)強(qiáng)大的雷電波輸入變壓器時(shí)，由于雷電波電壓比變壓器正常的電壓高很多倍，使得激勵(lì)磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵芯允許通過的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm，因而變壓器鐵芯飽和，變壓器的磁-電變換暫時(shí)失效，雷電高電壓不能傳輸?shù)阶儔浩鞯母崩@組，從而保護(hù)了用電設(shè)備。所以，凡是裝了變壓器的電子儀器比未裝變壓器的電子設(shè)備被雷擊損壞的概率小得多。此方法也稱之為隔離變壓器法。

監(jiān)控系統(tǒng)在室內(nèi)布線時(shí)，要注意避免出現(xiàn)較大的線路回路，應(yīng)使電源線與信號線平行布置構(gòu)成小回路。

7.3 終端設(shè)備的防雷

監(jiān)控室所在建筑物應(yīng)有防直擊雷的避雷針，避雷帶或避雷網(wǎng)。進(jìn)入監(jiān)控室的各種金屬管線應(yīng)接到防雷接地裝置上。監(jiān)控室內(nèi)應(yīng)設(shè)置一等電位接母線（或金屬板），該等電位連接母線應(yīng)與建筑物防雷接地，防雷保護(hù)線PE，設(shè)備保護(hù)地以及防靜電地等連接在一起以防止產(chǎn)生危險(xiǎn)的電位差。各種電涌防護(hù)器（避雷器）的接地線應(yīng)以最短的距離與等電位連接母排進(jìn)行可靠電氣連接。良好的接地是防雷中至關(guān)重要的一環(huán)。接地電阻值越小，過電壓值越低。監(jiān)控室可利用建筑物原有地網(wǎng)作為共用接地體，其接地電阻大得大于4Ω，若阻值達(dá)不到，可外接人工地網(wǎng)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

在雷電發(fā)生區(qū)的其他電子設(shè)備，由雷電電磁脈沖造成的故障和損壞是最常見的。大部分事故是雷電電磁脈沖經(jīng)電源線和信號線侵入設(shè)備造成的。

一個(gè)信息系統(tǒng)是否需要防雷電磁脈沖，應(yīng)在完成直接、間接損失評估和建設(shè)、維護(hù)投資預(yù)測后認(rèn)真分析綜合考慮，做到安全、適用、經(jīng)濟(jì)。

[1]梅衛(wèi)群，江燕如.建筑防雷工程與設(shè)計(jì)[M].北京：氣象出版社，2004.

[2]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.電子信息系統(tǒng)防雷接地技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局.GBS0057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2000.