監控系統雷電災害防御技術研究與應用

龔 偉 李衣長 吳月惠 巫圣燦

(1.福建省三明市氣象局 福建三明 365000； 2.將樂縣氣象局 福建三明 353300)

監控系統雷電災害防御技術研究與應用

龔 偉1李衣長1吳月惠2巫圣燦1

(1.福建省三明市氣象局 福建三明 365000； 2.將樂縣氣象局 福建三明 353300)

通過對監控系統設備的結構與工作原理分析，并對2008～2017年10年期間三明市氣象局收集到一些雷擊造成監控系統設備損毀事件的研究分析，總結雷擊災害原因，提出必須重視戶外監控設備安裝“直擊雷防護”措施，因地制宜采取“線纜屏蔽與接地”與“供配電系統防雷 ”等雷電防御技術措施。

直擊雷；雷擊電磁脈沖；監控系統；雷電防御；技術研究

0 引言

當今時代，隨著電子科技的高速發展，安防技術也得到迅猛發展，監控系統作為安防工作的一項重要手段被廣泛使用。然而，以微電子技術為基礎的監控系統因其集成度高、耐過電壓、過電流和抗雷電電磁脈沖能力差等原因，極易遭受雷電的危害，尤其是戶外監控設備更是容易遭受雷擊，引發一系列安全問題。近年來監控系統設備的雷電防御工作引起了有關部門的高度重視，但雷電災害防御是一門綜合性的邊緣學科，因雷擊產生的強大雷電流，暫態高電位以及伴隨雷電產生的雷電電磁脈沖，都會對監控設施造成嚴重的安全威脅。所以，監控系統設備的雷電防御工作是一項重要而又復雜的技術難題。本文通過對監控系統設備的結構與工作原理分析，并對一些雷擊造成監控系統設備損毀事件的研究分析，開展了對監控系統雷電災害防御技術研究，希望對以后監控系統防雷安裝工程能夠起到一定的指導作用。

1 資料來源和方法

1.1監控系統設備雷電災害資料

來源于福建省三明市氣象局收集的2008年～2017年10年期間雷電災情數據，由于雷電災情資料收集不夠全面，對研究結論準確性會有一定影響，但仍具有代表性和使用價值。

1.2方法

(1)統計學分析法

主要統計近10年的雷電災情數據，再對這些數據進行分析。

(2)災情解析法

將近10年的雷電災情進行歸納整理，通過分析找出主要的雷擊途徑。

2 監控系統結構和工作原理

監控系統主要由前端系統、傳輸系統、終端系統組成。前端系統通常指前端攝像機(高速球、云臺攝像槍、網絡攝像機和普通攝像槍)，包括：一臺或多臺攝像機以及與之配套的鏡頭、云臺、防護罩、解碼驅動器等。傳輸部分包括電纜和光纜，以及可能的有線/無線信號調制解調設備等。終端部分主要包括視頻切換器、云臺鏡頭控制器、操作鍵盤、各類控制通信接口、電源以及與之配套的控制臺、監視器柜等。終端部分顯示記錄設備主要包括監視器、錄像機、多畫面分割器等。安防監控系統的基本構成如圖1所示。

圖1 監控系統基本構成示意圖

監控系統由電源系統集中供電，前端攝像設備通過電纜或光纜，以及有線/無線信號調制解調設備將視頻圖像信號傳到終端設備，實現視頻圖像的實時監控，其工作原理如圖2所示。

圖2 監控系統工作原理示意圖

3 監控系統遭雷擊損壞的幾種主要途徑分析

3.1直擊雷

直擊雷是指雷電直接擊在戶外監控設備或與戶外監控設備相連的金屬桿塔、金屬裝置上，造成戶外監控設備、傳輸線路和終端設備燒毀或損壞。或是雷電擊在戶外監控設備附近的金屬設施上，因雷電閃絡(雷電反擊)造成監控系統設備、線路燒毀損壞，直擊雷方式造成的破壞最嚴重，但出現的概率并不是最高的。直擊雷損毀監控系統示意圖，如圖3所示。

圖3 監控系統直擊雷損毀示意圖

3.2閃電感應

閃電感應分為閃電靜電感應和閃電電磁感應兩種。由于雷云的作用，使戶外監控設施或傳輸線路上感應出與雷云符號相反的電荷，當雷云主放電時，先導通道中的電荷迅速中和，戶外監控設施或傳輸線路如未采取良好的接地措施，則其上感應的電荷無法就近泄入地中而產生很高的電位，從而造成因閃電靜電感應現象損毀監控系統。當雷電擊在戶外監控設施的金屬支撐桿或接閃桿上時，因雷電流迅速變化會在金屬支撐桿或接閃桿導體周圍空間產生瞬變的強電磁場，使戶外監控設施或電源線、信號線閉合回路上感應出很高的電動勢，從而出現閃電電磁感應破壞監控系統現象，閃電感應造成的破壞沒有直擊雷危害大，但出現概率卻非常高[5]。

3.3閃電電涌侵入

當雷電擊在監控系統架空線纜上(電源線或視頻信號傳輸線)，強大雷電流沿線路侵入前端系統、傳輸線路和終端系統，造成戶外監控設施、傳輸線路和終端設備損壞現象，就是閃電電涌侵入造成監控系統損毀現象。其可能造成線纜熔斷，從而影響安防監控系統的正常運行，也可能因雷電流沿這些線路侵入設備，造成監控系統設備損壞[6]，閃電電涌侵入損壞監控系統示意圖，如圖4所示。

圖4 監控系統閃電電涌侵入損毀示意圖

3.4雷擊電磁脈沖

雷擊地面建(構)筑物或金屬設施(如金屬接閃桿)時，會在雷擊點附近產生很強的電磁脈沖場。閃電產生的雷電電磁脈沖干擾通常是通過各種導線、金屬體以阻性、感性及容性等方式耦合至監控電子設備的輸入端，然后再進入監控設備，影響甚至損壞監控設備。雷擊電磁脈沖包括閃電電涌和輻射電磁場，監控設備耐輻射電磁能力較弱。據試驗表明：當監控設備處雷電電磁強度達到2.4GS時，監控設備就會出現損毀現象。雷擊電磁脈沖造成監控設備損毀現象往往容易被忽視。

3.5地電位反擊

雷電擊在戶外監控設備附近的金屬設施上時，強大的雷電流瀉放入地時，在其防雷引下線、接地體以及與它們相連接金屬導體上產生非常高的瞬時電壓，會與附近沒有進行等電位連接的監控設備之間產生巨大的電位差。這個電位差足以造成監控系統設備損毀。這種反擊不僅會損壞監控設備，也可能造成人身傷害或火災爆炸事故。

4 監控系統設備遭受雷擊狀況分析

據不完全統計，2008～2017年期間，福建省三明市氣象局共收集到因雷擊造成監控系統設備損毀事件22起。通過對雷擊途徑分析，發現主要是由于直擊雷、閃電感應、閃電電涌侵入、雷擊電磁脈沖、地電位反擊等雷擊原因造成監控設備損毀現象，一次監控設備損毀事件可能會由幾種雷擊途徑共同引發。通過統計分析，得到三明市2008年～2017年10年期間雷擊造成監控設備損毀情況分析表，如表1所示。

表1 2008年～2017年期間雷擊造成監控設備損毀情況分析表

表1分析可知:2008年～2017年期間,三明市氣象局所收集到的22起雷擊監控設備中：閃電電涌侵入引起的達到19起，達到86.4%，為最大雷擊途徑；閃電感應引起的14起，達到63.6%,為二大雷擊途徑。直擊雷、雷擊電磁脈沖、地電位反擊引起的分別為：8起、7起和5起，分別占雷擊總次數的36.4%、31.8%和22.7%。具體分析如圖5所示。

圖5 不同雷擊途徑所占比例分析圖

5 監控系統設備防雷安全技術要求

通過對以上一些雷擊造成監控系統設備損毀事件的研究分析，可得出在進行監控系統設備防雷設計、安裝時，應考慮到監控設備長期處于直接雷擊和雷電電磁場威脅的雷擊環境。以及雷電活動頻繁、設備對閃電感應、閃電電涌侵入和雷擊電磁脈沖的抗擾度低，雷擊容易造成設備損毀等特點[2]，科學合理安裝防雷設施，做到安全可靠、技術先進、經濟合理。基此，建議需采取以下3項防雷安全技術措施。

5.1規范安裝直擊雷防護措施

首先要規范安裝監控設備的防直擊雷措施。戶外監控設備應按照《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010)規定的第二類防雷建筑物設計安裝直擊雷防護措施，比較有效的做法是在戶外監控設備上方安裝雷電防護罩，雷電防護罩利用支撐桿就近接地。室外架設的設備及立桿應良好接地，其接地電阻不得大于10Ω[4]。為防止電磁感應，沿桿引上監控設備的電源線和信號線應穿金屬管屏蔽，安裝示意圖如圖6所示。

圖6 監控設備防直擊雷安裝示意圖

5.2做好監控設備線纜屏蔽與接地

監控系統設備的各種電源線、信號線等應穿金屬管屏蔽埋地引入，金屬管的一端應與配電箱和PE線相連，另一端應與監控設備外殼、防雷保護罩相連。當金屬管應連接設備而中間斷開時應采用金屬線跨接，并應在金屬管兩端采取接地措施，這樣才能有效防范閃電電涌侵入對監控設備的危害[3]。

5.3規范安裝供電系統防雷措施

監控系統設備對供電質量要求較高，對于由市電直接供電的監控系統設備來說，應經常檢查供電的質量和穩定性。如果市電電壓明顯偏高或偏低，或是電壓起伏較大，容易導致設備損壞，應考慮安裝穩壓裝置。對于零地電壓偏高的監控系統，應在總配電箱處進行重復接地處理，并應采取合理布線等措施。

6 結論

防雷安全是監控系統設備正常、穩定運行的重要保障，通過不斷開展對監控系統設備雷擊災害事件的調查、鑒定與分析，不斷總結經驗，科學合理采取雷電災害防御措施，才能真正提高監控系統設備的防雷安全水平，保證監控系統設備的正常運行。

[1] GB50057-2010 建筑物防雷設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2010：8-9.

[2] GB50343-2012 建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010：13-32.

[3] 肖穩安.雷電和防護及防雷工程管理[M].北京：氣象出版社,2009:242-243.

[4] GB50198-94 民用閉路監控電視系統工程技術規范[S].國家技術監督局、中華人民共和國建設部, 1994.

[5] GA/t367-2001視頻安防監控系統技術要求[S].中華人民共和國公安部,2001.

[6] GB50395-2007 視頻安防監控系統工程設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2007.

Researchandapplicationoflightningdisasterpreventiontechnologyinmonitoringsystem

GONGWei1LIYichang1WUYuehui2WUShengcan1

(1.Fujian Provincial Meteorological Bureau of Sanming City, Sanming 365000; 2.Sanming Jiangle County Meteorological Bureau, Sanming 353300)

In this article, through analysis on the structure and working principle of equipment monitoring and control system, and in 2008-2017 during the 10 years in sanming weather bureau collected some lightning monitoring system equipment damage caused by event study analysis, summary of lightning disaster reason, proposed must pay attention to the outdoor monitoring equipment installation "lightning protection" measures to adjust measures to local conditions to take "cable shielding and grounding" and "power supply and distribution system lightning protection" lightning defensive technical measures.

Direct lightning; Lightning strikes the electromagnetic pulse; Monitoring system; Lightning defense; Technical research

TU855

A

1004-6135(2017)11-0087-04

龔偉(1984.8- ),男，助理工程師。

E-mail:790218618@qq.com

2017-07-28