安防系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)與防雷設(shè)計(jì)解決方案
十多年來(lái)，安防行業(yè)的“防雷設(shè)計(jì)”幾乎是“專業(yè)防雷”的一統(tǒng)天下，“防雷必須接地，不接地就不能防雷”的設(shè)計(jì)思想幾乎“深入人心，天經(jīng)地義”，貫徹“專業(yè)防雷”設(shè)計(jì)思想的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還在實(shí)行；許多安防防雷“樣板工程”的立桿避雷針還在“昂然屹立”，許多“專業(yè)防雷設(shè)計(jì)”的重點(diǎn)工程還在作為示范工程讓人效法。
照此“專業(yè)防雷”設(shè)計(jì)——有安全隱患，不照做——難以通過(guò)驗(yàn)收。今后還會(huì)面臨很多人為的、規(guī)范方面的困惑和難題，讓人無(wú)所適從。本文將對(duì)此類“安全隱患設(shè)計(jì)”從原理和實(shí)踐上進(jìn)行較深入地分析。
第一部分：大地電磁環(huán)境——關(guān)于“地電位”的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐
十多年來(lái)，有一種貌似科學(xué)的安防工程“專業(yè)防雷”設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：
1）防直擊雷，室外攝像機(jī)立桿要按照“把立桿做成避雷針”的方式設(shè)計(jì)，包括做優(yōu)質(zhì)的接地網(wǎng)；
2）防雷電感應(yīng)（感應(yīng)雷），在系統(tǒng)每條視頻線、控制線、電源線兩端，都要安裝“接地防雷器”，每個(gè)防雷器都需要做良好的低電阻接地，以實(shí)現(xiàn)“接地泄放雷電流”；
這兩項(xiàng)“專業(yè)防雷”設(shè)計(jì)，人為制造了系統(tǒng)多點(diǎn)接地，形成了縱橫交錯(cuò)的“地電位環(huán)路”；安防論壇里每年多次曝光的所謂“雷擊”燒毀安防設(shè)備的案例，燒毀防雷器的案例和引入地電位環(huán)路干擾的案例屢屢發(fā)生，究其原因，由“系統(tǒng)多點(diǎn)接地”，制造地環(huán)路，引入了地電位造成的案例占有絕大部分比例。
接地——大地是什么？“接地點(diǎn)”永遠(yuǎn)是穩(wěn)定的大地“0電位”嗎？“防雷必須接地，不接地就不能防雷”的觀點(diǎn)，接地可以消除干擾的觀點(diǎn)，給監(jiān)控系統(tǒng)制造多點(diǎn)接地的現(xiàn)象，只能說(shuō)明對(duì)“大地電磁環(huán)境”還沒(méi)有起碼的認(rèn)識(shí)；不了解大地電磁環(huán)境，就不可能做好安防系統(tǒng)的接地問(wèn)題；安全隱患就是源于對(duì)大地電磁環(huán)境還沒(méi)有基本認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)“電網(wǎng)地電位”沒(méi)有清醒認(rèn)識(shí)和警惕，防雷目的沒(méi)達(dá)到，卻給安防系統(tǒng)造成了重大安全隱患。
安防行業(yè)防雷工程盲目上當(dāng)?shù)氖聦?shí)，同樣表明安防行業(yè)自己對(duì)地電位和系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)，也缺乏基本認(rèn)識(shí)。這里我們先分析一下影響最大的“雷擊地電位”和“電網(wǎng)地電位”。
1-1雷擊地電位
雷電擊中地面物體向大地放電，在地表雷擊點(diǎn)周圍形成暫態(tài)地電位分布區(qū)——跨步電壓區(qū)。以避雷針接閃為例：避雷針接閃電流從幾十到幾百千安，不同的避雷針接地電阻1~10歐姆，形成的雷電反擊電壓Uo高達(dá)幾十到上千千伏，我們以1000千伏，即100萬(wàn)伏為例?？绮诫妷簠^(qū)內(nèi)雷擊暫態(tài)地電位呈指數(shù)衰減，大約10~20米半徑以外衰減到大地0電位。
立桿a：是攝像機(jī)安裝在立桿避雷針體上，接閃時(shí)立桿和攝像機(jī)等電位，都帶有100%的雷電反擊電壓Uo，這就是“專業(yè)防雷”的“立桿避雷針化設(shè)計(jì)”，其原理描述是：攝像機(jī)與立桿始終保持等電位，就像小鳥(niǎo)站在高壓線上一樣“是安全的”。至于攝像機(jī)的視頻線、電源線、控制線是與主機(jī)“零電位”連接的事實(shí)就“不談了”——小鳥(niǎo)尾巴用導(dǎo)線接地了，他們沒(méi)考慮。
“專業(yè)防雷”對(duì)立桿避雷針設(shè)計(jì)還有進(jìn)一步的“科學(xué)解釋”：視頻線兩端都加有“接地防雷器”，可以保護(hù)攝像機(jī)和主機(jī)的安全。他們沒(méi)有說(shuō)明：攝像機(jī)端的防雷器接地點(diǎn)選在那里？“防雷器”接地的放電能力如果不能比避雷針?lè)烹娔芰Υ?0萬(wàn)倍以上，怎么能把避雷針上百萬(wàn)伏的放電電壓分流到攝像機(jī)要求的安全電壓呢？
至少，他們自己提供的“視頻防雷器”、“N合一防雷器”都還不具備這種能力。這種把雷電反擊電壓Uo100%的引入監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即使攝像機(jī)與立桿絕緣，百萬(wàn)伏以上的雷電反擊電壓也可以輕易擊穿絕緣，構(gòu)成系統(tǒng)重大安全隱患。
我們認(rèn)為，室外孤立攝像機(jī)立桿，如果確實(shí)要防直擊雷，應(yīng)該用獨(dú)立避雷針保護(hù)，而不是把攝像機(jī)立桿做成避雷針，造成雷電反擊電壓對(duì)安裝的攝像機(jī)和系統(tǒng)的直接攻擊。
立桿b：是攝像機(jī)立桿安裝在跨步電壓區(qū)內(nèi)，距離避雷針5~10米，立桿和攝像機(jī)上帶有部分雷電反擊電壓，例如：當(dāng)Uo=1000KV；如果Uob=1000KV*10%=100KV；為了防止避雷針直接放電閃擊（又稱反擊）攝像機(jī)立桿，還要注意雨天絕緣下降，空氣擊穿強(qiáng)度為常規(guī)30kV/cm幾倍的距離，可以估算出立桿和避雷針間隔距離，攝像機(jī)立桿b要設(shè)置在離避雷針3、4米以外的地方，攝像機(jī)要與立桿絕緣；例如，即使有100kV，常規(guī)閃擊距離也達(dá)到3.3cm，雨天潮濕可達(dá)到10~20cm以上，如絕緣墊直接被雨淋，問(wèn)題更大了，這一點(diǎn)必須謹(jǐn)慎對(duì)待。二是采用絕緣材料制作的立桿和支架，并考慮好全天候雨淋潮濕時(shí)的絕緣防護(hù)問(wèn)題。
立桿c：是攝像機(jī)立桿安裝在跨步電壓區(qū)以外，攝像機(jī)立桿與大地等電位（0電位）。但是距離太遠(yuǎn)，要求避雷針的高度越高，成本投入越高。
安防系統(tǒng)，攝像機(jī)與主機(jī)間有視頻線、控制線、電源線連接，系統(tǒng)主機(jī)接大地。系統(tǒng)的“廣域”特點(diǎn)，決定了局部可以等電位，但無(wú)法解決廣域系統(tǒng)的等電位問(wèn)題。
雷擊地電位認(rèn)識(shí)要點(diǎn)：云地雷擊放電，可以造成大地局部暫態(tài)地電位——跨步電壓區(qū)；“專業(yè)設(shè)計(jì)”的立桿避雷針或者給避雷針旁的攝像機(jī)立桿做“可靠接地”，從“雷擊地電位”考慮，不僅不能做到“零電位、等電位”，還可能“引火燒身”。
1-2電網(wǎng)地電位
電網(wǎng)地電位的形成和特點(diǎn)
大地是一個(gè)超大的“靜態(tài)等電位體”，大地“零電位”只是一個(gè)宏觀平均概念；不僅雷擊可以造成局部地電位變化，電網(wǎng)系統(tǒng)故障也能以更高的發(fā)生概率影響著局部地電位。
電網(wǎng)系統(tǒng)有多種接地方式，例如：工作接地就是將變壓器的中性點(diǎn)接地；保護(hù)接地是指將電氣裝置不帶電的金屬殼體接地；保護(hù)接零是指電氣設(shè)備不帶電金屬殼體與系統(tǒng)零線連接等；防雷接地是指電氣線路和設(shè)備防雷器的接地。
電網(wǎng)是有直接電氣連接關(guān)系的超廣地域分布系統(tǒng)，電網(wǎng)和設(shè)備多點(diǎn)、多種接地方式是“電網(wǎng)地電位”形成的主要原因。我們應(yīng)該對(duì)電網(wǎng)地電位形成和特點(diǎn)有所認(rèn)識(shí)，有所了解：
1）電網(wǎng)多點(diǎn)接地：圖16是摘錄的一種電網(wǎng)安全運(yùn)行接地和防雷接地典型原理圖。從中可以了解到，高壓線塔最頂端有架空防雷地線，常規(guī)運(yùn)行電網(wǎng)還有變壓器零線（中線）接地，大功率用電設(shè)備（如電機(jī)）機(jī)殼接地，還有建筑物內(nèi)供電線路的零線接地等，這都是電網(wǎng)常見(jiàn)的接地措施。從安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮，我們只需了解，當(dāng)電網(wǎng)三相供電平衡時(shí)零線電流為零；當(dāng)三相供電不平衡時(shí)出現(xiàn)零線電流，零線上產(chǎn)生電壓，零線不同接地點(diǎn)之間便形成與不同的電位差。
2）電網(wǎng)失衡產(chǎn)生地電位：當(dāng)供電系統(tǒng)或大型電力設(shè)備發(fā)生故障，如高壓線斷線碰地、一路相線短路或火線碰地、大電機(jī)“碰殼（繞組碰機(jī)殼）等等，都會(huì)出現(xiàn)地電位突然升高。高壓變壓器或高壓電機(jī)碰殼故障，接地點(diǎn)可產(chǎn)生超高壓的地電位突變，在接地點(diǎn)周圍形成“跨步電壓區(qū)”——地電位擴(kuò)散區(qū)。
3）電網(wǎng)地電位波動(dòng)幅度大：電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)要求地電位差少于2V為正常，平衡是相對(duì)的（較低），不平衡是絕對(duì)的。電網(wǎng)故障地電位波動(dòng)和突變可以從幾伏幾十伏，到幾百伏，甚至幾千伏。造成電網(wǎng)運(yùn)行不平衡的主客觀因素很多，隨機(jī)性很大，突發(fā)性電網(wǎng)重大故障造成嚴(yán)重不平衡并不罕見(jiàn)。
4）電網(wǎng)地電位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)：電網(wǎng)有自動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)，如跳閘或保險(xiǎn)絲保護(hù)，但是需要注意，這大多是從高壓、大功率電力設(shè)備安全保護(hù)出發(fā)設(shè)計(jì)的，對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備來(lái)說(shuō)這種保護(hù)的“反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)”了，弱電設(shè)備早已燒毀了。相對(duì)于持續(xù)時(shí)間“微秒級(jí)”的雷擊暫態(tài)地電位來(lái)說(shuō)，“秒級(jí)”以上的電網(wǎng)地電位可以看成是長(zhǎng)時(shí)間的，持續(xù)性的。
5）電網(wǎng)地電位發(fā)生概率高：相對(duì)于地面設(shè)備發(fā)生雷擊概率來(lái)說(shuō)，電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重和比較嚴(yán)重故障的概率要高成千上萬(wàn)倍以上。雷擊只在雷雨天氣發(fā)生，電網(wǎng)地電位卻不管是陰雨還是晴空萬(wàn)里天氣，一年四季都可能發(fā)生。
6）電網(wǎng)地電位涉及地域廣泛：一般說(shuō)來(lái)，供電系統(tǒng)和設(shè)備的接地，都是用于故障發(fā)生時(shí)向大地泄放浪涌電流，起到保護(hù)作用，但浪涌電流泄放過(guò)程中，也同時(shí)引起地電位的突變。凡是電網(wǎng)到達(dá)的地方就會(huì)有電網(wǎng)地電位存在。舉例說(shuō)，某車間的一個(gè)大型電機(jī)碰殼故障，如圖17所示：電機(jī)B相繞組碰殼，機(jī)殼接地點(diǎn)便立即帶有B相繞組碰殼點(diǎn)的電壓，大地會(huì)形成一個(gè)地電位擴(kuò)散區(qū)。車間接地鋼結(jié)構(gòu)與電機(jī)殼接地“等電位連接”，攝像機(jī)就安裝在接地鋼結(jié)構(gòu)上，這時(shí)攝像機(jī)外殼也帶有這個(gè)“地電位”電壓。電機(jī)有高低壓之分，低壓有2相220V電機(jī)，3相380V電機(jī)、660V電機(jī)等，高壓電機(jī)有3000V電機(jī)、6000V電機(jī)等；不同電壓的電力設(shè)備故障、不同故障性質(zhì)引起的地電位變化是不同的。幾乎所有建筑物配電系統(tǒng)，都有“接地點(diǎn)”，也就都可能發(fā)生地電位變化。建筑物內(nèi)的“聯(lián)合接地”、“等電位接地網(wǎng)”，又延伸、擴(kuò)大了地電位的影響范圍。
7）電網(wǎng)地電位的不可預(yù)測(cè)性：一個(gè)多點(diǎn)接地監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)中哪個(gè)接地點(diǎn)，什么時(shí)間，發(fā)生多大的地電位突變目前還沒(méi)有預(yù)測(cè)辦法，這是因?yàn)殡娋W(wǎng)故障在什么位置發(fā)生，什么時(shí)間發(fā)生，發(fā)生什么性質(zhì)的故障都是事先難以預(yù)料的。有人說(shuō)：我把攝像機(jī)接地了，沒(méi)事?？墒钦l(shuí)能保證電網(wǎng)永不發(fā)生故障，或者發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響到這個(gè)接地點(diǎn)的地電位呢？
8）電網(wǎng)地電位的信號(hào)特征：電網(wǎng)地電位信號(hào)基本是50赫茲市電信號(hào)特征，少數(shù)也有高頻脈沖群特征，畫面表現(xiàn)為橫向水平寬帶狀短線，示波器波形為一群一群脈沖，脈沖群對(duì)應(yīng)市電正弦波兩個(gè)頂部，這是變頻電機(jī)電流開(kāi)關(guān)諧波影響，多見(jiàn)于變頻電梯的攝像機(jī)與接地轎廂沒(méi)做絕緣的情況，或自動(dòng)供水系統(tǒng)、集中空調(diào)系統(tǒng)的變頻電機(jī)環(huán)境。
“電網(wǎng)地電位”的認(rèn)識(shí)要點(diǎn)：第一，電網(wǎng)地電位是客觀普遍存在的；第二，電網(wǎng)地電位難以預(yù)測(cè)；信息系統(tǒng)的“廣域”特點(diǎn)，決定了是不可能實(shí)現(xiàn)“全系統(tǒng)等電位連接的”。
地電位——這是安防系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)必須認(rèn)識(shí)和認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題，也是安防防雷設(shè)計(jì)必須認(rèn)識(shí)和認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。
1.3地電位環(huán)路
安防工程是一個(gè)跨越區(qū)域較大、并有緊密電氣連接關(guān)系的廣域弱電系統(tǒng)。
1）地環(huán)路的基本概念
一條傳輸線A、B兩端接大地，就構(gòu)成了地環(huán)路，如圖18A所示，圖18B為視頻線地電位環(huán)路等效電路圖。
如圖所示：假定A端大地是高電位VA，接地線把傳輸線A端電位提高到VA，B端大地是0電位，地電位VA便通過(guò)地環(huán)路影響傳輸線連接的系統(tǒng)設(shè)備。如果系統(tǒng)有多點(diǎn)接地，就可以構(gòu)成更多的、縱橫交錯(cuò)的地環(huán)路，例如多個(gè)攝像機(jī)接大地的系統(tǒng)。地環(huán)路給地電位入侵安防系統(tǒng)提供了可靠的入侵路徑。
2）地電位入侵視頻傳輸回路原理分析
圖19示出了視頻傳輸回路等效原理：
1.A點(diǎn)存在高電位VA；主機(jī)端有安全接大地，假定V0=0；
2.攝像機(jī)端接地開(kāi)關(guān)K開(kāi)路，代表攝像機(jī)不接地，攝像機(jī)和視頻線始終和主機(jī)等電位，與主機(jī)地電位一起浮動(dòng)；
3.攝像機(jī)端接地開(kāi)關(guān)閉合，代表攝像機(jī)接大地，構(gòu)成地環(huán)路，VA高電位加在視頻線屏蔽層上；因視頻線屏蔽層兩端通過(guò)75歐姆匹配電阻與芯線構(gòu)成回路，所以在兩端負(fù)載上就必然有地電位的分壓，一端入侵到攝像機(jī)輸出電路，一端入侵到主機(jī)輸入電路，輕則形成干擾，重則燒毀設(shè)備。
4.安防系統(tǒng)多點(diǎn)接地產(chǎn)生的地環(huán)路的因素有：
○1接地?cái)z像機(jī)——接地主機(jī)之間構(gòu)成地環(huán)路；
○2接地?cái)z像機(jī)——其他接地?cái)z像機(jī)之間構(gòu)成地環(huán)路；
○3包括視頻設(shè)備、交直流電源設(shè)備和控制設(shè)備接地點(diǎn)，凡是有直接電氣連接關(guān)系的系統(tǒng)，所有接地點(diǎn)之間都可以構(gòu)成“地環(huán)路”。
3）安防工程引入地電位的常見(jiàn)工程案例
1.攝像機(jī)與金屬立桿沒(méi)絕緣，直接引入地電位（通常攝像機(jī)的外殼為金屬結(jié)構(gòu)，是視頻信號(hào)的參考地和直流電源的參考地）；
2.接地防雷器引入地電位，涉及視頻線、電源線、控制線設(shè)備接大地，構(gòu)成系統(tǒng)復(fù)雜的地電位環(huán)路關(guān)系，地電位可以觸發(fā)防雷器導(dǎo)通，把地電位引入系統(tǒng)設(shè)備；
3.墻壁安裝攝像機(jī)，金屬螺絲碰到建筑物鋼筋；
4.攝像機(jī)安裝在室外接地的廣告牌或金屬鋼結(jié)構(gòu)上；
5.攝像機(jī)與電梯轎廂沒(méi)絕緣；
6.金屬鋼結(jié)構(gòu)廠房，攝像機(jī)安裝在金屬架構(gòu)上；
7.金屬防水盒內(nèi)與立桿連接接地，監(jiān)控設(shè)備固定在防水盒上，接大地。
4）系統(tǒng)地電位環(huán)路傳導(dǎo)
工程中經(jīng)常遇到BNC頭帶電、麻手，有靜電，有交流電壓等現(xiàn)象，大都屬于地電位傳導(dǎo)現(xiàn)象。
○1如圖20所示的一個(gè)小系統(tǒng)，有攝像機(jī)a、b、c、d、e和一個(gè)主機(jī)(O點(diǎn))，視頻線在主機(jī)上匯接。攝像機(jī)C和E接大地，主機(jī)和其他攝像機(jī)不接地。假設(shè)只有C點(diǎn)地電位Vc≠0，其他點(diǎn)都為0電位。
○2地電位差Vc加在C、E電纜兩端，假設(shè)主機(jī)在中間，主機(jī)機(jī)殼電位就大約是：Vo=Vco=Veo=Vc/2；BNC頭“帶電”了，這對(duì)設(shè)備和主機(jī)操作人員來(lái)說(shuō)，有安全隱患。
○3顯然，c和e兩路電纜兩端都加有Vc/2電壓，這個(gè)電壓都通過(guò)兩端匹配電阻與芯線構(gòu)成回路，在主機(jī)負(fù)載上形成干擾電壓，這兩路視頻出現(xiàn)地電位干擾。
○4這時(shí)a、b、d三路攝像機(jī)由于沒(méi)接大地，電位隨主機(jī)浮動(dòng)，沒(méi)有地電位干擾。
○5a、b、d三路攝像機(jī)，哪一路如果再接大地，也同樣會(huì)出現(xiàn)干擾，都接大地都有干擾，這就是“地電位環(huán)路傳導(dǎo)”的概念：把一個(gè)C點(diǎn)的地電位通過(guò)地環(huán)路傳導(dǎo)到系統(tǒng)其他設(shè)備。
○6如果把主機(jī)機(jī)殼接大地，接地電阻為0，這時(shí)c點(diǎn)地電位就只影響c路，對(duì)其他路沒(méi)有影響。主機(jī)接大地后隔離（屏蔽）了對(duì)其他各路的影響，主機(jī)操作是安全的。顯然，這給查找工程“錯(cuò)誤接地點(diǎn)”也帶來(lái)了方便。
○7如果系統(tǒng)只有主機(jī)一點(diǎn)接大地，所有前端設(shè)備、分控設(shè)備、顯示設(shè)備都不再接大地，全系統(tǒng)電位隨主機(jī)接地點(diǎn)一起“浮動(dòng)”，這就可以切斷所有地電位入侵路徑。
5）注意“隱蔽的”電網(wǎng)地電位入侵
當(dāng)安防系統(tǒng)前端攝像機(jī)與大地已經(jīng)做好絕緣了，所用電源是就地取電，但是所用的電源適配器前后沒(méi)有隔離，也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有輸入輸出端的光隔離，或線性電源次級(jí)“地”與初級(jí)接地短接，這就把“電網(wǎng)地電位”引進(jìn)了安防系統(tǒng)。這類“故障”很隱蔽，很難查找。
防止隱蔽的電網(wǎng)地電位入侵設(shè)計(jì)的基本原則是：“系統(tǒng)所用交流電源與電網(wǎng)是電氣隔離的”，即220VAC或24VAC都不分火線和零線（地線），都是“平衡傳輸?shù)慕涣麟妷骸?，例如變壓器初次?jí)隔離，開(kāi)關(guān)電源輸入輸出端有光隔離，主機(jī)所用UPS電源，輸出端與輸入零線、地線沒(méi)有連接關(guān)系。
【結(jié)論】“地電位”是客觀存在的物理現(xiàn)象，“雷擊地電位”屬于特殊天氣條件、特殊地點(diǎn)下的“偶發(fā)事件”，“電網(wǎng)地電位”是影響大地電磁環(huán)境的“常態(tài)因素”?！暗仉娢弧比肭职卜老到y(tǒng)的路徑是多點(diǎn)接地形成的“地環(huán)路”，安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身不需要多點(diǎn)接地，防雷也沒(méi)有理由采用多點(diǎn)接地，廣域信息系統(tǒng)多點(diǎn)接地屬于錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)和安全隱患設(shè)計(jì)。
