现代视频监控系统前端的防雷设计

马宏君, 李博渊

(阿勒泰地区气象局, 新疆 阿勒泰 836000)

0 引 言

视频监控系统是各行业重点部门或重要场所进行实时监控的物理基础,同时也是现代安全技术防范体系中一个极重要的组成部分。因其自身具备全天候、高清晰度、大容量信息存储等功能,配合人工智能识别系统,能够高效地实现对各类复杂环境的安全监控。管理者可以通过视频监控系统获得有效图像数据或声音信息,对视频的控制区所有事件过程进行有效的监视和记忆,针对获取的数据进行高效、及时地指挥、应急处置等。现代视频监控系统的应用领域越来越广泛(如政府机关、道路交通、教育、金融、电信、石油、电力水利等),智能建筑、大型公共场所、工厂企业、商场、新型社区等大量增加,新增需求点越来越多[1-2]。

现代视频监控系统主要由前端音视频数据采集设备、传送介质、终端监视、录像和控制设备组成。摄像机采集到图像等信息后,通过传输设备将数据传输到控制主机,控制主机再将视频信号分配到各监视器、智能控制、存储等设备。通过控制主机,操作人员或者智能系统可发出指令,对云台的动作进行控制。

1 前端设备的特点

前端设备是指系统前端采集音/视频信息的设备,主要包括摄像机、镜头、 云台、解码控制器和报警探测器等。作为整体系统唯一的数据来源,前端设备在系统中的地位很关键,不同的使用者和使用环境对前端设备有着不同的要求,高清晰度图像、低照度成像、智能跟踪、大范围覆盖、全天候运行等使前端设备上集中大量功能,如目前主流的嵌入式系统网络摄像机,集成高清视频处理芯片,兼容多种协议,具有开放、智能的网络视频监控基础平台。在有限设备体积中集成大量微电子元件,这对前端设备提出很高的电磁兼容要求。同时,为了得到理想的数据,前端设备大多被安装在视野开阔、相对独立的地点,并且有一定的安装高度要求,使得前端设备相对于整个视频监控系统来说更容易遭受到雷电的侵害,雷击损坏率远高于视频监控系统的室内设备,这也是导致整个系统停止工作的主要原应之一。

2 前端设备面临的雷电威胁

雷电对前端设备的影响主要有两个方面:

(1) 直击雷损坏。雷电直接击中前端设备,如摄像头、云台等设备,雷电的电效应、热效应、机械效应会对前端设备造成物理上的破坏。大多数室外前端设备的安装位置比较空旷,有的地方视频监控系统杆塔高于周边其他构筑物,导致视频监控室外部系统遭直击雷打击概率远高于系统的其他部分。

(2) 雷电电磁脉冲。当雷雨季节来临时,一旦在视频监控系统附近发生云闪或地闪以及包括前端设备遭受直击雷袭击等情况下,雷电流迅速变化,在视频监控系统周围空间产生强大瞬间电磁场,在室外系统的金属导线和设备电路板上产生出很高的感应过电压,这些过电压会沿着供电线路、信号线路入侵到设备,对高清摄像机或信号机造成损坏。

3 前端设备的雷电防护方案

3.1 设备的选型

前端设备的选型既要综合考虑使用者的需求,又要同时充分考虑到使用地点的雷电发生情况。性能较好的设备在硬件电路设计及印刷电路板(PCB)设计时充分考虑电磁兼容的问题,对进入设备内部的感应过电压进行合理防护。软件方面也遵循模块化的设计理念,严格按照软件工程的设计要求进行。从软硬件两个方面保证整个系统的稳定性、可靠性。一般建议根据安装场所的重要性、雷电灾害的概率,选用不同防护等级的硬件设备。

3.2 防雷装置的设计

3.2.1 直击雷的防护

安装的前端设备要求必须在直击雷的保护范围之内。对于摄像头等监控系统的室外设备,应首先利用“滚球法”计算原有接闪器的保护范围和雷电防护区域,并将设备安装在防雷装置的有效保护范围之内。如果无法安装在有效保护范围,则应考虑安装直击雷防护措施。需要注意的是,加装的避雷针及其引下线要与前端设备保持一定的距离,因当避雷针接闪时会在周围环境中产生很强的电磁场变化,设备线路上同时感应出雷击电磁电压,其强度与电磁场强度成正比,与距离磁场中心的距离成反比。所以,前端设备与避雷针应保证一定的距离,同时接闪器的接地电阻<4 Ω。

3.2.2 雷电电磁脉冲防护

感应雷已经成为室外设备最主要的雷害来源,大多数室外安装的前端设备都处于LPZ0B区,设备暴露在雷电电磁场内。所以,前端设备的电源、信号、音频、视频等传输线缆均应采取屏蔽金属管敷设,尽量避免架空敷设,金属屏蔽层两端应进行等电位联结(EB),可靠接地。需要注意的是安装在墙角或梁、柱上的设备要考虑梁、柱中原有的钢筋是否作为防雷引下线使用,如果作为引下线使用,设备与引下线间要保持一定的距离,这是在墙角安装的前端设备经常发生损坏的原因。

3.2.3 对无法满足防雷设计规范的部分进行精细设计

多数情况下,工作人员在架设室外设备时,考虑的第一原则往往是便于前端设备采集数据,其次才是设备自身所处的环境问题,如视频监控室外系统的杆塔成为周围环境的制高点、安装的避雷针与设备之间无法保证一定的距离、防雷引下线与数据线平行布设,无法保证间距要求等。面对这些问题,设计者需要综合考虑,逐一分析,针对不同问题制定完善的解决方案。如设备成为制高点,则应在立杆顶部安装避雷针,避雷针的高度既要满足要求,又不宜过高;避雷针的位置与设备过近时,尽量降低接地电阻阻值,同时引下线布设尽量平直,以最短距离接入地网;适当采用安装避雷器等方式,降低线路上的过电压和过电流等。

日常使用的视频监控设备自身的雷击抗力水平不可能无限制地提高,后期安装的避雷装置也不可能完全统一按照最高防护标准设计,这不符合经济性原则,在雷害不强、防护等级不高的地点使用会产生很大的浪费。因此,针对不同的使用对象和不同的环境,选用相对合理的方案才是设计应当遵守的原则。

4 结 语

视频监控系统前端的雷电防护设计占整个视频监控系统中很大一部分。需要参考设备使用地点的雷电活动日数、雷电活动的规律及视频监控系统防护对象的特点和重要性,了解该区域内的地质地理、土壤等有关数据资料,根据雷电防护模式确定防护级别和防护装置的结构特点,设计和选用合适的雷电防护装置方案。对于整个项目,除进行符合规范且满足系统要求的设计外,还需加强对施工资质的把关,使防雷措施安装到位,真正起到防护作用。