视频监控室外系统的防雷

［关强华　黄建华　罗森文　王华刚　谈儒猛］



视频监控室外系统的防雷

［关强华黄建华罗森文王华刚谈儒猛］

摘要近几年，我国的视频监控业务大规模发展，由于以往监控设备多为民用设备，研发时缺少雷电防护能力的设计，现在作为通信级设备使用，且如摄像枪、球机等设备多安装在室外，遭受雷电冲击的概率大大增加，导致视频监控系统室外设备受雷电损坏的问题非常突出和普遍。因此，提出监控系统的防雷技术要求，提高监控系统的防雷能力，已成为迫切需要解决的问题。针对视频监控设备的雷电来源、损害方式提出一整套防雷接地方案，如方案得以实施，将有力的保障视频监控系统的正常运行。

关键词：室外 监控 防雷 地网

关强华

中国电信股份有限公司广州研究院工程师，广东省防雷专家，长期从事通信防护技术研究和标准制定工作，在通信防护支撑领域具有深厚的理论基础及丰富的实践经验。

黄建华

中国电信股份有限公司广东无线运营中心高级工程师，长期从事通信系统的电源维护和管理工作。

罗森文

中国电信股份有限公司广州研究院实验室运营中心副总经理，高级工程师，长期从事通信网络维护的运营管理工作。

王华刚

中国电信股份有限公司广州研究院高级工程师，长期从事通信系统电磁兼容技术研究和标准制定工作。

谈儒猛

中国电信股份有限公司广州研究院工程师，长期从事通信系统电磁兼容技术研究和标准制定工作。

1　引言

经济发展与城市化进程加快，引发了城市建设中的交通、社会治安、重点区域防范等城市管理问题，为安全管理工作特别是预防犯罪和执法工作提出了新的挑战。而公安警力的增加远不能满足实际需求的发展速度，于是能将科技手段转化为直接战斗力的视频监控成为了解决该问题的重要手段。

由于相关的技术标准不完善，视频监控系统在建设和使用过程中，出现了不少的问题，除了产品自身的原因，由于室外恶劣的工作环境和雷电导致的损坏问题非常突出和普遍。在调查研究目前视频监控系统的雷电防护现状的基础上，分析视频监控设备的雷害来源，并通过在大量的试验，结合建设、维护中的实际需求，总结出视频监控室外系统的完整的防雷接地解决方案。

2　视频监控系统的组成

视频监控系统是指：利用视频探测技术、监视设防区域并实时显示、记录现场图像的电子系统或网络。视频监控系统主要是由摄像、传输、控制、显示、记录登记5大部分组成，用来获得数据、图像和声音信息的系统。通过它可以获得有效数据、图像或声音信息。视频监控系统结构框图如图1所示。

图1　视频监控系统结构框图

按系统构成和视频、音频信号调制方式不同，视频监控系统分为：模拟视频监控系统、半模拟半数字视频监控系统、数字视频监控系统等，早期的视频监控系统以模拟视频监控系统的为主，并逐步被半模拟半数字视频监控系统、数字视频监控系统取代。

按设备在系统内的作用和场所的不同，视频监控系统内的设备可分为：前端设备（摄像机以及与之配套的相关设备，如镜头、云台、解码驱动器、防护罩等）、传输设备和控制存储设备等。安装在室外的设备主要包括：前端设备和传输设备及配套电源。

2.1模拟视频监控系统

早期的模拟视频监控系统依赖摄像机、线缆、录像机和监视器等专用设备传输和分享模拟视频、音频信号，且只支持本地监控。后期的模拟视频监控系统则可通过多媒体视频管理系统对多个视频图片进行切换、分享、远程操作等管理动作，但仍不支持IP网络访问。后期模拟视频监控系统构成示意图如图2所示。

图2　模拟视频监控系统构成示意图

模拟视频监控系统室外设备包括，前端设备：模拟球机/摄像机（含云台）；传输设备：点对点光端机或视频放大中继设备。

2.2半数字-半模拟视频监控系统

半数字-半模拟视频监控系统仍是以数字硬盘录像机DVR为核心的半模拟-半数字方案，从摄像机到DVR/光端机仍采用同轴缆输出视频信号，通过DVR同时支持录像和回放。半数字-半模拟视频监控系统支持有限IP网络访问，用户可借助外部服务器和管理软件远程控制多个DVR或监控点，管理便利性大大超过了模拟视频监控系统。半数字-半模拟视频监控系统构成示意图如图3所示。

图3　半数字-半模拟视频监控系统构成示意图

半数字-半模拟视频监控系统室外设备包括，前端设备：模拟球机、摄像机；传输设备：点对点光端机或视频放大中继设备。

2.3数字视频监控系统

数字视频监控系统是基于IP的视频监控系统，数字视频监控系统的摄像机内置Web服务器，并直接提供以太网端口。这些摄像机生成JPEG或MPEG4、H.264数据文件，可供任何经授权的用户从网络中任何位置访问、监视、记录并打印，而不是生成连续模拟视频信号形式图像。数字视频监控系统还易于升级与扩展。正是由于数字视频监控系统具有众多的优势，目前，视频监控系统中新建或改造的数字视频监控系统比例越来越大。数字视频监控系统构成示意图如图4所示。

图4　数字视频监控系统构成示意图

数字视频监控系统室外设备包括，前端设备：数字球机、摄像机；传输设备：数字光端机、视频编码器等。

3　视频监控室外系统组成和雷害现状

3.1视频监控室外系统

由于室外工作环境因素，视频监控系统的室外设备的雷击损坏率远高于视频监控系统的室内设备。视频监控系统的室外系统主要由：安装在杆塔顶部的前段图像采集设备，安装在设备箱内的传输设备、电源设备以及附属的防雷接地系统组成。视频监控室外系统的组成示意图如图5所示，实景照片如图6所示。

图5　视频?监控室外系统组成示意图

图6　视频监控室外系统实景照片

（从左至右依次为：设备箱安装在地面的图例、设备箱在半空的图例、设备箱内部图例）

视频监控室外设备各类线缆接线示意图如图7（a）和图7（b）所示。

图7　（a）枪式摄像机连接示意图

图7　（b）一体化球机连接示意图

3.2室外系统雷害来源

视频监控室外系统的雷害来源主要包括直击雷和感应雷。

直击雷：从图6可以看出，很多时候视频监控系统的杆塔周边比较空旷，有的地方视频监控系统杆塔高于周边其它构筑物，导致视频监控室外系统遭直击雷打击概率较大，受到较大的雷电威胁。直击雷击中杆塔并对设备发生闪击造成设备前端设备和传输设备损坏，另外，直击雷通过地网泄放时产生的高电压的反击——地电位反击也是室外设备损坏的主要原因之一。

感应雷：由于发生在视频监控室外系统附近的云闪或地闪以及包括杆塔直击雷等雷电流的迅速变化，在视频监控室外系统周围空间产生瞬变的强电磁场，在室外系统的金属导线（从图7（a）和图7（b）可以看出，室外系统的导线主要包括电源线、同轴视频线、云台控制线等）和设备电路板上感应出很高的电动势，称之为感应雷，这些感应雷能击穿设备接口芯片造成设备损坏。作者在调研中发现，感应雷已经成为室外设备最主要的雷害来源，其中，室外设备交流电源口遭受感应雷损坏概率最高。而且，由于视频监控室外系统常成片或沿线布设，设备安装密度较高，出现感应雷击事故时，常成片损坏。

视频监控室外系统的雷害来源示意图如图8所示。

图8　视频监控室外系统的雷害来源示意图

了解了视频监控室外系统的雷害来源就可以有针对性的提出防雷接地解决方案。

4　直击雷防护措施

由于直击雷的峰值有几十kA甚至几百kA，它的峰值时间又通常只有几μS到十几μS，瞬变非常迅速，使得雷电流具有非常强大的破坏作用，因此，如果杆塔遭受直接雷击，室外设备是很难抵御的，所以需要对室外设备采取措施，尽量避免遭受直接雷击。

（1）视频监控室外系统的杆塔应尽量避免安装在空旷处并成为周围环境的制高点，如成为制高点，则应在立杆顶部安装避雷针。避雷针不宜过高，且应尽量远离前端设备。当杆塔为木质或水泥杆塔时，避雷针应通过圆钢或扁钢直接引至地网；当杆塔为金属材质（杆塔为金属材质时可不安装避雷针，利用金属杆塔作为接闪装置）或混凝土杆塔时，避雷针应通过杆塔连接地网；有条件的情况下，避雷针引下线的接地点应和设备接地点尽量拉开距离。

（2）室外系统如在周围构筑物的直击雷保护范围内，可不加装避雷针，但应与周围构筑物或其防雷引下线隔开一定的距离，建议距离不小于1米。

（3）室外系统避雷针和引下线的材料要求应采用直径不小于8毫米的热镀锌圆钢或同等截面积的钢材。

5　前端设备雷击抗力要求

作者先后对几百款视频监控系统的室外设备（含前端设备和传输设备）进行雷击抗力试验后发现，目前不少室外设备的雷击抗力水平还比较低，达不到II类环境（此环境一般指处于LPZ1区）或III类环境（此类环境一般指处于LPZ0B区）中电子设备的雷击抗力要求。而设备的雷击抗力水平是其防雷的基础，只有在设备具有了一定的抗雷击能力后，再配合其他外部防雷措施，才能取得较好的防雷效果，因此，作者根据试验数据并综合室外雷电环境提出了视频监控设备雷击抗力要求（已形成通信行业标准YD/T 2948-2015《接入到电信网的监控系统防雷技术要求和测试方法》），详细的内容如表1和表2所示。

视频监控系统中心机房设备雷电防护能力应满足表2的要求。

表1和表2的其他说明：

（1）判据要求：

判据B：在试验过程中，设备受干扰影响产生了暂时性的功能降低，但撤销干扰后，设备的功能可以自动恢复正常。

判据C：在试验过程中，设备受干扰影响产生了功能降低，但干扰撤销后，设备的功能需要人工复位后方能恢复。

（2）当设备所处环境的防雷接地条件（例如地网、外部防雷器配置等）较好或设备所处区域属于少雷区、中雷区时，设备雷电防护能力满足基本测试要求即可；当设备所处环境的防雷接地条件较差且设备所处区域属于多雷区、强雷区时，设备雷的电防护能力应满足加强测试要求或在满足基本测试要求的基础上配备外置防雷器。

（3）优先选择雷击抗力水平高的设备；选择前端设备时，优先选择内置了光模块的设备，可以有效减少感应雷害。

6　防雷器技术要求

视频监控设备的雷击抗力水平不能无限制的提高，这不符合经济性原则，在雷害不强的地区使用会产生极大的浪费，因此，在雷害较多的地区使用时，加装外置的SPD能有效提高视频监控室外系统防雷能力。视频监控室外系统用SPD的性能指标建议如表3和表4所示。

视频监控室外系统用电源SPD其他性能指标应满足GB 18802.1-2011《低压电涌保护器（SPD）第1部分：低压配电系统的电涌保护器 性能要求和试验方法》或YD/T1235.1-2002《通信局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求》的要求。

表1　视频监控系统室外设备雷击抗力水平

表2　视频监控系统室内设备雷击抗力水平

视频监控室外系统用信号SPD其他性能指标应满足GB/ T 18802.21-2004《低压电涌保护器 第21部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）--性能要求和试验方法》或YD/T1542-2006《信号网络浪涌保护器技术要求和测试方法》的要求。

视频监控室外系统应在市电引入处安装电源SPD，雷害严重地区，可安装第二级电源SPD和信号SPD或组合式SPD。

7　地网解决方案

地网给视频监控室外系统提供工作参考电位，为系统的抗扰性和可靠性提供了基础。同时，合格的地网对于系统的雷电保护也起着至关重要的作用，但由于投资成本和外部环境等因素限制，给视频监控室外系统提供一个合格的地网并不容易，目前视频监控室外系统的接地方案非常简单：一般为打2根2米长的角钢并与水泥基础块中的扁钢即形成地网（详见图5），这样的地网不仅接地电阻达不到系统要求且泄流面积也不足。作者对于如何建设合格的视频监控室外系统地网提出了以下参考方案。

7.1利用邻近建筑物地网方案

表3　视频监控室外系统用电源SPD技术要求

表4　视频监控室外系统用信号SPD技术要求

图9　视频监控室外系统用使用的对称1+1保护模式示意图

对于建设在公共建筑物附近的视频监控室外系统，可利用建筑物的防雷保护地做为系统的地网：

（1）总接地线可从楼宇接地网预留测试点引接；

（2）建筑物接地网无预留测试点时，可敲开建筑物楼柱，由建筑物主钢筋引出接地端子；

（3）建筑地网的接地电阻应不大于4Ω，当建筑物的防雷保护地大于4Ω或室外系统附近没有建筑物的防雷保护地可供连接时，应新建地网，新建地网应与邻近建筑物的防雷保护地在地面以下可靠连接。

7.2新建环形地网方案

有开挖条件的地方，视频监控室外系统应新建环形地网，新建地网的电阻值应符合GB 50348-2004《安全防范工程技术规范》的要求：一般情况下不大于4Ω，野外、郊区建设应不大于10Ω。当土壤电阻率大于等于2000Ω•m时，地网电阻值应不大于20Ω，或不做具体要求，但应在环形接地体的四周敷设10～20m的辐射形水平接地体。视频监控室外系统新建环形地网示意图如图10所示。环形地网应与图5中的预留接地扁钢可靠电气连接。

图10　视频监控室外系统建设环形地网示意图

新建地网的水平接地体建议使用40×40×4mm的热镀锌扁钢，垂直接地体建议使用50×50×5mm的热镀锌角钢。

7.3沿光缆沟道建设地网方案

对于没有空间建设环形地网或地网报建难的地区，建议在工程建设初期，开挖光缆管道时就可以顺着开挖的沟道，预先做好长条形地网，并室外系统的水泥基础内的扁钢相连，示意图如图11所示。

7.4铜包钢棒/化学接地极建设方案

建设环形地网的难点主要是由于环形接地网改造需要挖开地面布放接地体，需要大面积动土，而进行地面开挖工作是需要向市政部门报建，报建流程繁琐，费用也较大。因此，对于只有很小的地方可供开挖建设地网的情况，可以采用铜包钢棒或化学接地极等小开挖方式建设地网。具体方案如下：

图11　视频监控室外系统预留长条形地网示意图

（1）使用铜包钢或镀镍锘合金铜包钢接地法，如图12所示。

图12　铜包钢棒施工示意图

用专用地极套筒能一根接力一根往地底下打（相当深井施工法），既耐腐蚀又避免大量的开挖，镀镍锘合金或镀铜钢棒利用电的趋肤效应能够使电流更快地流散消失；接线端子放热焊；施工优点是施工快，适合不方便开挖的地方施工。根据地质和施工环境的不同，多根铜包钢棒可以并联接地，每根间隔一定的距离或围绕立杆的水泥地桩设置。设置好铜包钢棒后在与图5中的预留接地扁钢可靠电气连接。

（2）通过埋设化学接地极/石墨电极加降阻剂的方式建设地网，如图13所示。

通过专用工具在地上挖一个深洞埋设化学接地极，并在化学接地极周围填入降阻剂。化学接地极具有使用时间越长接地效果越好的优点，而且开挖面积小，只需要用专用工具在地上挖一个洞就可以埋设一根地极。降阻剂可以有效降低土壤电阻率：降阻剂的电阻率低，一般可在0.2～0.5 Ω·m，将降阻剂敷设在接地体和自然土壤之间就如同大大增大了接地电极的直径，由于接地体几何尺寸增加，而且降阻剂渗透在土壤中有良好的吸水保水性能，相当于提高土壤的湿度的同时还增加了导电离子的量。

图13　化学接地极加降阻剂施工示意图

8　接地要求

视频监控室外系统设备并不多，因此接地系统相对简单，宜在设备箱内设置专门的接地排供设备接地使用。需要注意的是：光缆加强芯和金属护层可靠接地；室外设备的接地线不宜太细，应有一定的机械强度和耐过流能力。

9　小结

本文详细论述了视频监控系统的组成并分析其室外系统的雷害来源，依据现有标准和系统的实际情况，从直击雷防护、设备雷击抗力要求、防雷器的技术要求和使用、多种地网建设方案等多个方面提出了完善的防雷保护方案，方案的落地实施对于提高视频监控系统的雷击防护水平有着实际意义。其他类似室外环境的电子、信息通信系统例如：小型无线通信基站、室外充电桩、路灯等也可以参照本文方案进行防雷保护。

参考文献

1YD/T 2948-2015接入到电信网的监控系统防雷技术要求和测试方法

2YD/T1429-2006通信局（站）在用防雷系统的技术要求和检测方法

3GB 18802.1-2011低压电涌保护器（SPD）第1部分：低压配电系统的电涌保护器 性能要求和试验方法

4YD/T 1235.1—2002通信局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求

5GB/T 18802.21-2004低压电涌保护器 第21部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）--性能要求和试验方法

6GB 50348-2004安全防范工程技术规范

7YD/T 1542-2006信号网络浪涌保护器技术要求和测试方法

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.005

收稿日期：（2016-03-22）