监控系统雷电灾害防御技术研究与应用

龚 伟 李衣长 吴月惠 巫圣灿

(1.福建省三明市气象局 福建三明 365000； 2.将乐县气象局 福建三明 353300)

监控系统雷电灾害防御技术研究与应用

龚 伟1李衣长1吴月惠2巫圣灿1

(1.福建省三明市气象局 福建三明 365000； 2.将乐县气象局 福建三明 353300)

通过对监控系统设备的结构与工作原理分析，并对2008～2017年10年期间三明市气象局收集到一些雷击造成监控系统设备损毁事件的研究分析，总结雷击灾害原因，提出必须重视户外监控设备安装“直击雷防护”措施，因地制宜采取“线缆屏蔽与接地”与“供配电系统防雷 ”等雷电防御技术措施。

直击雷；雷击电磁脉冲；监控系统；雷电防御；技术研究

0 引言

当今时代，随着电子科技的高速发展，安防技术也得到迅猛发展，监控系统作为安防工作的一项重要手段被广泛使用。然而，以微电子技术为基础的监控系统因其集成度高、耐过电压、过电流和抗雷电电磁脉冲能力差等原因，极易遭受雷电的危害，尤其是户外监控设备更是容易遭受雷击，引发一系列安全问题。近年来监控系统设备的雷电防御工作引起了有关部门的高度重视，但雷电灾害防御是一门综合性的边缘学科，因雷击产生的强大雷电流，暂态高电位以及伴随雷电产生的雷电电磁脉冲，都会对监控设施造成严重的安全威胁。所以，监控系统设备的雷电防御工作是一项重要而又复杂的技术难题。本文通过对监控系统设备的结构与工作原理分析，并对一些雷击造成监控系统设备损毁事件的研究分析，开展了对监控系统雷电灾害防御技术研究，希望对以后监控系统防雷安装工程能够起到一定的指导作用。

1 资料来源和方法

1.1监控系统设备雷电灾害资料

来源于福建省三明市气象局收集的2008年～2017年10年期间雷电灾情数据，由于雷电灾情资料收集不够全面，对研究结论准确性会有一定影响，但仍具有代表性和使用价值。

1.2方法

(1)统计学分析法

主要统计近10年的雷电灾情数据，再对这些数据进行分析。

(2)灾情解析法

将近10年的雷电灾情进行归纳整理，通过分析找出主要的雷击途径。

2 监控系统结构和工作原理

监控系统主要由前端系统、传输系统、终端系统组成。前端系统通常指前端摄像机(高速球、云台摄像枪、网络摄像机和普通摄像枪)，包括：一台或多台摄像机以及与之配套的镜头、云台、防护罩、解码驱动器等。传输部分包括电缆和光缆，以及可能的有线/无线信号调制解调设备等。终端部分主要包括视频切换器、云台镜头控制器、操作键盘、各类控制通信接口、电源以及与之配套的控制台、监视器柜等。终端部分显示记录设备主要包括监视器、录像机、多画面分割器等。安防监控系统的基本构成如图1所示。

图1 监控系统基本构成示意图

监控系统由电源系统集中供电，前端摄像设备通过电缆或光缆，以及有线/无线信号调制解调设备将视频图像信号传到终端设备，实现视频图像的实时监控，其工作原理如图2所示。

图2 监控系统工作原理示意图

3 监控系统遭雷击损坏的几种主要途径分析

3.1直击雷

直击雷是指雷电直接击在户外监控设备或与户外监控设备相连的金属杆塔、金属装置上，造成户外监控设备、传输线路和终端设备烧毁或损坏。或是雷电击在户外监控设备附近的金属设施上，因雷电闪络(雷电反击)造成监控系统设备、线路烧毁损坏，直击雷方式造成的破坏最严重，但出现的概率并不是最高的。直击雷损毁监控系统示意图，如图3所示。

图3 监控系统直击雷损毁示意图

3.2闪电感应

闪电感应分为闪电静电感应和闪电电磁感应两种。由于雷云的作用，使户外监控设施或传输线路上感应出与雷云符号相反的电荷，当雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，户外监控设施或传输线路如未采取良好的接地措施，则其上感应的电荷无法就近泄入地中而产生很高的电位，从而造成因闪电静电感应现象损毁监控系统。当雷电击在户外监控设施的金属支撑杆或接闪杆上时，因雷电流迅速变化会在金属支撑杆或接闪杆导体周围空间产生瞬变的强电磁场，使户外监控设施或电源线、信号线闭合回路上感应出很高的电动势，从而出现闪电电磁感应破坏监控系统现象，闪电感应造成的破坏没有直击雷危害大，但出现概率却非常高[5]。

3.3闪电电涌侵入

当雷电击在监控系统架空线缆上(电源线或视频信号传输线)，强大雷电流沿线路侵入前端系统、传输线路和终端系统，造成户外监控设施、传输线路和终端设备损坏现象，就是闪电电涌侵入造成监控系统损毁现象。其可能造成线缆熔断，从而影响安防监控系统的正常运行，也可能因雷电流沿这些线路侵入设备，造成监控系统设备损坏[6]，闪电电涌侵入损坏监控系统示意图，如图4所示。

图4 监控系统闪电电涌侵入损毁示意图

3.4雷击电磁脉冲

雷击地面建(构)筑物或金属设施(如金属接闪杆)时，会在雷击点附近产生很强的电磁脉冲场。闪电产生的雷电电磁脉冲干扰通常是通过各种导线、金属体以阻性、感性及容性等方式耦合至监控电子设备的输入端，然后再进入监控设备，影响甚至损坏监控设备。雷击电磁脉冲包括闪电电涌和辐射电磁场，监控设备耐辐射电磁能力较弱。据试验表明：当监控设备处雷电电磁强度达到2.4GS时，监控设备就会出现损毁现象。雷击电磁脉冲造成监控设备损毁现象往往容易被忽视。

3.5地电位反击

雷电击在户外监控设备附近的金属设施上时，强大的雷电流泻放入地时，在其防雷引下线、接地体以及与它们相连接金属导体上产生非常高的瞬时电压，会与附近没有进行等电位连接的监控设备之间产生巨大的电位差。这个电位差足以造成监控系统设备损毁。这种反击不仅会损坏监控设备，也可能造成人身伤害或火灾爆炸事故。

4 监控系统设备遭受雷击状况分析

据不完全统计，2008～2017年期间，福建省三明市气象局共收集到因雷击造成监控系统设备损毁事件22起。通过对雷击途径分析，发现主要是由于直击雷、闪电感应、闪电电涌侵入、雷击电磁脉冲、地电位反击等雷击原因造成监控设备损毁现象，一次监控设备损毁事件可能会由几种雷击途径共同引发。通过统计分析，得到三明市2008年～2017年10年期间雷击造成监控设备损毁情况分析表，如表1所示。

表1 2008年～2017年期间雷击造成监控设备损毁情况分析表

表1分析可知:2008年～2017年期间,三明市气象局所收集到的22起雷击监控设备中：闪电电涌侵入引起的达到19起，达到86.4%，为最大雷击途径；闪电感应引起的14起，达到63.6%,为二大雷击途径。直击雷、雷击电磁脉冲、地电位反击引起的分别为：8起、7起和5起，分别占雷击总次数的36.4%、31.8%和22.7%。具体分析如图5所示。

图5 不同雷击途径所占比例分析图

5 监控系统设备防雷安全技术要求

通过对以上一些雷击造成监控系统设备损毁事件的研究分析，可得出在进行监控系统设备防雷设计、安装时，应考虑到监控设备长期处于直接雷击和雷电电磁场威胁的雷击环境。以及雷电活动频繁、设备对闪电感应、闪电电涌侵入和雷击电磁脉冲的抗扰度低，雷击容易造成设备损毁等特点[2]，科学合理安装防雷设施，做到安全可靠、技术先进、经济合理。基此，建议需采取以下3项防雷安全技术措施。

5.1规范安装直击雷防护措施

首先要规范安装监控设备的防直击雷措施。户外监控设备应按照《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)规定的第二类防雷建筑物设计安装直击雷防护措施，比较有效的做法是在户外监控设备上方安装雷电防护罩，雷电防护罩利用支撑杆就近接地。室外架设的设备及立杆应良好接地，其接地电阻不得大于10Ω[4]。为防止电磁感应，沿杆引上监控设备的电源线和信号线应穿金属管屏蔽，安装示意图如图6所示。

图6 监控设备防直击雷安装示意图

5.2做好监控设备线缆屏蔽与接地

监控系统设备的各种电源线、信号线等应穿金属管屏蔽埋地引入，金属管的一端应与配电箱和PE线相连，另一端应与监控设备外壳、防雷保护罩相连。当金属管应连接设备而中间断开时应采用金属线跨接，并应在金属管两端采取接地措施，这样才能有效防范闪电电涌侵入对监控设备的危害[3]。

5.3规范安装供电系统防雷措施

监控系统设备对供电质量要求较高，对于由市电直接供电的监控系统设备来说，应经常检查供电的质量和稳定性。如果市电电压明显偏高或偏低，或是电压起伏较大，容易导致设备损坏，应考虑安装稳压装置。对于零地电压偏高的监控系统，应在总配电箱处进行重复接地处理，并应采取合理布线等措施。

6 结论

防雷安全是监控系统设备正常、稳定运行的重要保障，通过不断开展对监控系统设备雷击灾害事件的调查、鉴定与分析，不断总结经验，科学合理采取雷电灾害防御措施，才能真正提高监控系统设备的防雷安全水平，保证监控系统设备的正常运行。

[1] GB50057-2010 建筑物防雷设计规范[S].北京:中国计划出版社，2010：8-9.

[2] GB50343-2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010：13-32.

[3] 肖稳安.雷电和防护及防雷工程管理[M].北京：气象出版社,2009:242-243.

[4] GB50198-94 民用闭路监控电视系统工程技术规范[S].国家技术监督局、中华人民共和国建设部, 1994.

[5] GA/t367-2001视频安防监控系统技术要求[S].中华人民共和国公安部,2001.

[6] GB50395-2007 视频安防监控系统工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,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

龚伟(1984.8- ),男，助理工程师。

E-mail:790218618@qq.com

2017-07-28