安全监控系统雷击损坏分析及整改措施

2013-03-14卢彦彰罗家林黄凯敏

中国新技术新产品 2013年5期

卢彦彰罗家林黄凯敏

（珠海市防雷设施检测所，广东珠海 519000）

雷电具有巨大的破坏性，雷电放电的瞬时电压可达500kv以上，闪电电流幅值可达100～300KA。受强大的电荷感应和电磁场感应影响，强雷电流可经线缆侵入电子终端，造成系统损毁等巨大的经济损失。当今闭路电视监控系统中，矩阵切换器、数码硬盘录像机、摄像机和解码器等关键部件中的核心器件为CMOS的IC，其击穿电压仅为几十伏的量级，也极易受雷击损毁。因此，防雷保护就显得尤为重要。

1 雷击灾害概况

2010年9月20日1011号台风凡亚比中心自东向西经过广州，中心气压998百帕，中心风力16米/秒（7级），阵风21米/秒（9级），虽已减弱为热带低压，且没有正面袭击珠海，但由于中心与珠海市区最小距离仅为137公里，凡亚比的内部环流还是为珠海带来了一系列不稳定的天气。凡亚比对珠海的影响主要是引起了暴雨和雷暴，广东省雷电探测分析系统20日捕获的数据显示当日珠海境内闪电数约为2200个。珠海气象台发布了黄色暴雨和雷暴预警。当天下午16：30分左右，地址位于珠海市唐家湾镇的某公司遭受强雷电闪击，据被调查人对事件描述情况：当时厂区上空电闪雷鸣，雷暴活动频繁，突然一阵雷电闪击后，看见厂区院子里出现火球。随即保安室空气开关跳闸，安全监控系统监视器上的一些监控区域无图像显示，经检查发现原因是摄像机和其变压器损坏，系统的画面分割器、监视器、控制设备等其余部件无损坏。此次雷击事故造成公司损坏摄像机10台，直接经济损失约1万元。雷击事故导致公司监控系统瘫痪，存在极大

2 气象资料的分析

对广东省雷电探测分析系统捕获的闪电数据进行筛选，得出各主要时段闪电分布情况如下：安全隐患。因此，做好此次雷灾事故的调查分析十分必要，提出整改措施，以减少类似事故发生的机率。

以上四个小时发生的闪电数总和占全天闪电数的98.5%，可以认为20日的雷暴过程几乎只发生在16-19时这个时间段里。该公司的雷灾事故发生在16:30左右，而此时正是珠海雷暴始发期。

对广东省雷电探测分析系统捕获珠海9月20日大气电场变化图，16-19时这个时间段里大气电场突变较大（如图1所示），说明了该时段雷暴活动较为频繁。

凡亚比在福建再次登陆后，路径显得较为曲折，呈现了西南偏西→西北→偏西→西南偏西，最后往西这样的走向（如图2所示）。按照此路径结合地理位置，凡亚比内部云系将首先进入我市东北部地区，该公司正是处于珠海东北部的唐家湾（如图3所示），所以首当其冲。

从雷达图上看到（如图4所示），13:30珠海上空清朗明净，只是凡亚比云团主体已经在东部压境；16:30分本市境内几乎全部被云团覆盖，而该公司所在的唐家湾科技创新海岸正处于强回波区之下。这条长约16公里的红色高亮回波带在4小时内贯穿并横跨了我市所有行政区域，20时才完全脱离珠海范围。但直到21日凡亚比结束对珠海的影响，代表可能有持续降雨的绿色弱回波才逐渐消散。

并不是每个台风登陆后都会有雷暴生成，必须要有强对流天气的存在。形成雷雨云要具备一定的条件，即空气中要有充足的水汽，要有使湿空气上升的动力，空气要能产生剧烈的对流运动。而红色的强回波区所覆盖的区域对流运动非常旺盛，这是由于珠海地处海岸线边沿，暖湿的海风与台风内部气旋交汇后，加强了辐合上升运动，从而促进了对流运动的增强，也是这次凡亚比携同强雷暴袭击珠海的原因。

3 监控系统的构架

电视监控系统（Closed CircaitTelevisiow，简称CCTV）一般由以下3部分组成：

3.1 前端部分：主要由黑白（彩色）摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成。

3.2 传输部分：使用同轴电缆、电线、多芯线，采取架空、埋地或沿墙敷设等方式传输视频、音频或控制信号等。

3.3 终端部分：主要由画面分割器、监视器、控制设备等组成。

4 防雷装置概况

监控机房设在保安室，保安室天面上无防直击雷设施，室内也无等电位联结端子。前端设备（如摄像机）有室内安装和室外安装两种情况。室外安装的摄像机采用不锈钢管作为支架，支架没有进行接地处理，且摄像机无接闪器保护。摄像机的电源线和信号线穿塑料管沿杆引上，入设备前无加装避雷器保护。监控系统电源由保安室配电箱供给，配电箱内无浪涌保护器（SPD），摄像机的电源使用交流220V，经变压器整流后变为直流24V。闭路监视线采用屏蔽同轴电缆，但屏蔽层并无接地，控制信号传输线采用多芯屏蔽软线，屏蔽层亦无接地，电源、视频、信号线路均采用穿PVC管保护埋地敷设，线路无浪涌保护器（SPD）保护。

5 监控系统雷灾成因

5.1 直击雷

雷电直接击在露天的摄像机上造成设备损坏；雷电直接击在架空供电线缆和信号传输线缆上造成线缆熔断。

5.2 雷电波侵入

第一种是直击雷直接击中室外的金属导线，使闪电的高电压以脉冲波的形式沿导线侵入室内。

第二种是雷电感应：当雷击避雷针时，在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场。处在电磁场中的监控设备和传输线路会感应出较大的电动势。这种现象叫电磁感应。当有带电的雷云出现时，在雷云下面的建筑物和传输线路上都会感应出与雷云相反的电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100kv，信号线路上可达40至60kv，这种现象叫静电感应。电磁感应和静电感应称为雷电感应。它对设备的损害没有直击雷来得猛然，但比直击雷发生的几率大得多[1]。

第三种是由于云地闪电击在建筑物上或建筑物附近时，因雷电流通过引下线流入接地体时，在接地体上会产生几十千伏至几百千伏的高电压，这种形式的高电位可通过电路中的零线、保护接地和综合布线中的接地线，以脉冲波的形式侵入室内，并沿着导线传播，殃及更大的范围。

5.3 雷电电磁脉冲

第一种是传导耦合，闪电干扰通过各种导线、金属体、电阻和电感及电容等阻抗耦合至电子设备的输入端，然后再进入设备。

第二种是辐射耦合，闪电电磁辐射通过空间以电磁场形式耦合到电子设备的天线上、电缆设备上。

6 雷灾原因分析

根据该日气象资料，并结合监控系统自身特征、防雷装置安装情况综合分析，我们认为此起为一起经典的雷暴过程引起的雷灾事故，我们采用"排除法"确定此雷灾事故的原因。室内设备一般不会遭受直接雷击，室外设备无受直接雷击的痕迹，故排除直击雷损坏可能。监控系统线路埋地敷设，排除直击雷直接击中室外金属导线的情况。监控室无设置防雷引下线，雷电击在建筑物上或附近建筑物上，因雷电流通过引下线流入接地体形成高电位的可能性也较小，故可排除雷电波侵入的三种途径。因此引起本次雷灾事故的原因是：厂区空中发生强烈雷击，在闪击通道周围产生巨大的瞬变电磁场，由于监控系统屏蔽、接地、过电压保护或相关保护措施不完善，其设备内部电路因耦合产生过电压，致使某些部分元器件电位升高，当电压超过集成电路模块等耐压水平时，即造成该部件击穿损坏。

7 整改措施

7.1 前端设备的防雷

前端设备（如摄像机）应置于接闪器（避雷针或其他接闪导体）的有效保护范围之内。当摄像机独立架设时，避雷针最好距摄像机3米以上。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φ8mm以上的镀锌圆钢。为防止电磁感应，金属支撑杆应进行接地处理，接地电阻≤4Ω，沿杆引上摄像机的电源线和信号线应穿金属管屏蔽。

为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装与其配合的避雷器，如电源线、视频线、信号线和云台控制线。

7.2 传输线路的防雷

从防雷效果看，在各种敷设方式中直埋敷设方式的防雷效果最佳，但埋地敷设并不能阻止雷击设备现象的发生。即使雷击发生在比较远的地方，仍然会有部分雷电流流入线路。所以应采用带屏蔽层的线缆或线缆穿钢管埋地敷设方式，其屏蔽层和钢管的两端应可靠接地，这对防护电磁脉冲干扰和电磁感应非常有效。当线缆全程穿金属管有困难时，可在线缆进入终端设备和前端设备前穿金属管埋地引入，但埋地长度不得小于15m，而且在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地装置可靠近接在一起[2]。

高电位引入是雷电高压通过金属导线引入室内造成破坏的雷害现象，这种雷害现象占雷害的绝大部分。为保证设备安全，一般电源线上应设置三级电涌保护器进行保护，室外摄像机的视频传输线、信号控制线、电源线进入前端设备之前或进入中心控制台前也应加装相应的避雷器保护。建议在变配电室低压母线处使用波形8/20μs，In≥65KA的SPD；楼层配电箱内设波形8/20μs，In≥40KA的SPD；在弱电系统用电配电箱内设波形8/20μs，In≥15KA的SPD。在信号线上采用波形8/20μs，In≥3KA的SPD。

在电源线和信号传输线上安装变压器可以对雷电高电压引入起到有效的抑制作用，原理是：当强大的雷电波输入变压器时，由于雷电波电压比变压器正常的电压高很多倍，使得激励磁感应强度远远大于铁芯允许通过的最大磁感应强度Bm，因而变压器铁芯饱和，变压器的磁-电变换暂时失效，雷电高电压不能传输到变压器的副绕组，从而保护了用电设备。所以，凡是装了变压器的电子仪器比未装变压器的电子设备被雷击损坏的概率小得多。此方法也称之为隔离变压器法。

监控系统在室内布线时，要注意避免出现较大的线路回路，应使电源线与信号线平行布置构成小回路。

7.3 终端设备的防雷

监控室所在建筑物应有防直击雷的避雷针，避雷带或避雷网。进入监控室的各种金属管线应接到防雷接地装置上。监控室内应设置一等电位接母线（或金属板），该等电位连接母线应与建筑物防雷接地，防雷保护线PE，设备保护地以及防静电地等连接在一起以防止产生危险的电位差。各种电涌防护器（避雷器）的接地线应以最短的距离与等电位连接母排进行可靠电气连接。良好的接地是防雷中至关重要的一环。接地电阻值越小，过电压值越低。监控室可利用建筑物原有地网作为共用接地体，其接地电阻大得大于4Ω，若阻值达不到，可外接人工地网，直至达到设计要求。