從不合理的防雷接地來看監控系統的接地

    安防系統的接大地，一般出于三點考慮：安全，抗干擾，防雷。安防行業有關防雷的文章和帖子很多，但有些概念不夠準確，甚至是錯誤的，在工程設計參考時讓人感到有些無所適從。

    一、有關防雷的兩類觀點

    我們先看看有關防雷常見的“第一類觀點”：

    1） “監控室內應設置等電位連接母線（或金屬板），該等電位連接母線應與建筑物防雷接地、PE線、設備保護地、防靜電地等連接到一起防止危險的電位差。各種電涌保護器（避雷器）的接地線應以最直和最短的距離與等電位連接母排進行電氣連接”——總之一句話：主機系統機殼接大地。

    2） “前端設備如攝像頭應置于接閃器（避雷針或其它接閃導體）有效保護范圍之內。當攝像機獨立架設時，原則上為了防止避雷針及引下線上的暫態高電位，避雷針最好距攝像機3－4米的距離。如有困難，避雷針也可以架設在攝像機的支撐桿上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ 8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應，沿電線桿引上的攝像機電源線和信號線應穿在金屬管內以達到屏蔽作用，屏蔽金屬管的兩端均應接地”。

    3） “根據GB50343－2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》的以上條款分析：監控系統的防雷接地應與系統的交流工作接地、直流工作接地、安全保護接地共用一組接地裝置，接地電阻不得大于1Ω”。

    看了這一段論述，有一點是明確的：監控主機系統要接好大地。但是前端攝像機機殼到底是接大地還是不接大地呢？第二條里沒有明確，按第三條理解，似乎應該和防雷接地“共用一組接地裝置”。

    再看一個防雷廠家最有代表性、最明確、最典型，也被廣為轉載的論述，這是“第二類觀點”，節引如下：

    1.“什么是等電位連接？攝像機等電位連接怎么做？

    GB50057-94對等電位連接定義 ：將分開的裝置、諸導電物體等用等電位連接導體或電涌保護器連接起來，以減小雷電流在它們之間產生的電位差。就攝像機等電位而言，等電位是指攝像機的金屬外殼、機架、金屬管、槽、屏蔽線纜外層、設備防靜電接地、安全保護接地、浪涌保護器接地（SPD）接地端等均應與等電位連接端子連接。等電位連接的目的：降低設備各部件之間的電位差及統一系統的零電位參考點?！?/span>

    2.“室外金屬立桿攝像機需不需要與立桿絕緣？

    不需要，且必須進行可靠的等電位連接。當金屬立桿遭受直接雷擊或泄放雷電流時會在金屬立桿周圍產生一磁場，這一磁場達到一定強度時會對附近的電子設備放電；而攝像機外殼與金屬立桿連接后不存在電位差；攝像機更安全?！?/span>

    防雷廠家要求安防工程設計時，考慮防止直擊雷的接閃問題、電力系統的防雷問題，要求安防系統所有市電接口，通信接口，視頻接口，直流電源接口等等，凡是有“口的地方”都要加防雷器，都要做好接大地；防雷投入是近幾年安防工程設計者很傷腦筋的問題。

    不少“只懂弱電的安防人”誠實地按照這類防雷廠家的“指導”，設計了安防系統的防雷工程：到處接大地，處處安避雷器。

    “實踐是檢驗真理的唯一標準”，一個這樣布滿防雷器的安防工程系統，干擾卻十分嚴重，用抗干擾器也很難解決問題；但有時把防雷器拆了，不用抗干擾器干擾也沒有了；有的抗干擾器暫時能夠抗掉了干擾，后來卻又出現了干擾，甚至發生成批燒毀抗干擾器，燒毀了避雷器的問題；打雷照樣燒毀設備，不打雷也燒毀設備，問題到底出在哪里？

    筆者認為，這第二類防雷廠家的意見，沒有一點弱電系統概念和觀念，沒有區域大系統電磁兼容觀念和意識，對遠離主機的前端攝像機設備照搬了建筑物等電位連接的教條，把監控系統的安全置于死地。

    本文就針對這類問題做些分析，提供一些工程參考意見，以求引起安防行業的朋友注意和思考。

    二、監控系統如何考慮防雷

    仲子路的觀點是：

    1） 全面防雷不是安防工程應該考慮的問題。有些防雷的文章，讓安防工程全面考慮接閃，防靜電和防雷電電磁感應問題，弄得安防弱電工程商頭都大了，無所適從，只好把防雷任務交給“防雷專業廠家”設計。安防工程屬于弱電工程，屬于建筑物建設項目完工后的工程。建筑物的區域防雷和避雷，建筑物電力系統的防雷和避雷，都是建筑物統一設計施工的，都有安全標準和完工驗收標準。入住的人員，常用設備，都應該在它們的有效保護之下安全運行，包括在它們有效保護范圍之內的安防系統的安全運行。所以建筑物避雷接閃問題和電力電源取電中的雷電感應浪涌問題，都應視為已達到并符合安全標準要求。這就是常用家電都不用加裝防避雷設施的原因和慣例；

     2） 安防工程設計時，應該考察甲方建筑物和供電系統的防雷避雷系統的驗收報告，了解有效防護范圍，明確這些防雷責任在甲方；

     3） 靜電感應——帶電云層對地面的靜電感應會在局部地面形成與云層帶電相反的電荷積累，從而引起地電位的劇烈變化，這一現象是靠避雷針有效放電的“中和反應”來消除并確保安全的。多數情況下避雷針有效放電的“中和反應”是隨著帶點云層的靠近，實時、逐步進行的，這就避免異性電荷的大量積累，避免閃電現象的發生，是在不知不覺中“避雷”的。上面引述的“防雷專家”意見，要求把攝像機殼“等電位”接大地，說“攝像機外殼與金屬立桿連接后，不存在電位差；攝像機更安全”；這就是說，有帶電云層對地面靜電感應時，也要把攝像機作為“大電流放電”通道。這等于說雷雨天氣，把自己腳腕上綁一根導線接大地，讓帶電云層通過人體，以低電阻、大電流對地放電。這不是防雷，是引雷，讓大電流融化攝像機。還有，安防工程是一個涉及區域廣大的電氣連接系統，這A點發生了靜電感應，攝像機與接地立桿是“等電位”了，但是遠處沒有發生靜電感應區域B的接大地的攝像機或主機，二者之間卻制造了“不等電位的環路連接”——這就是上面說的“沒有區域大系統電磁兼容觀念和意識”造成的錯誤；

     4） 雷電電磁感應指的是雷電電磁波對導線的電磁感應。暴露在外部空間的導線——電力線、監控傳輸線，金屬立柱，金屬支架等等，都可以“接收到” 雷電電磁波的感應電流或電動勢。雷電電磁波脈沖是毫微秒級的“高壓短脈沖”，它的頻譜，可以擴展到幾十到幾百兆赫以上。這么高的頻譜，接地線也都失去了常規的“接地”意義。一根幾米幾十米長的接地線，此時也變成了“接收天線”，對高頻來說，它們增大了“天線有效接收面積”，可以使系統接收的電磁脈沖能量更大，更高。對于這種雷電電磁感應，傳統的避雷針系統是無能為力的。所以，這才是弱電系統、安防工程必須考慮的現實問題；

     5） 對于室外、超出已有防避雷系統有效保護范圍的一些監控點應該考慮設獨立“避雷針”，使這些點位的攝像機等安防器材在“避雷針”有效保護之下安全運行。實在要把攝像機系統支架安裝在避雷針立柱或塔架上時，必須做好攝像機機殼，視頻線BNC頭，電源線，控制線等與避雷針接地立柱的絕緣，要高強度的絕緣.這應該是上面引用的“第一類觀點”所說：“為防止電磁感應，沿電線桿引上的攝像機電源線和信號線應穿在金屬管內以達到屏蔽作用，屏蔽金屬管的兩端均應接地”的正確理解——屏蔽線纜、與大地絕緣。而“第二類觀點”錯誤的把它們接在一起——接大地；

    6） 安防系統的防雷是為了保護安防系統的安全運行，這應該是第一原則。前面引述的所謂前端“等電位連接”接大地的意見，其實踐結果是引雷，是制造地環路，制造安防系統的安全隱患（后面有進一步分析）。

    7） 防雷廠家的產品，包括某些“X合一防雷器”廠家，都沒有公開明確自己產品的接地關系，有的就是把視頻防雷器的接大地點與視頻信號地（攝像機殼、BNC外殼、電纜屏蔽層）短路。如果不考慮地環路問題，這種防雷器連接方式還不如就拉根接地導線更簡單，更方便，更便宜！

    我的防雷源于強電系統，但防雷進入安防行業就應研究安防行業的特點和實際情況，那些“有口就接大地”的做法，只能是“專業的外行做法”。把建筑物防雷采用的“等電位體”概念，錯誤的用到“安防系統”，天真的設想出一種“區域系統等電位體”，這不僅是異想天開的錯誤，更是系統安全的殺手；下面來分析這個問題。

    三、什么是地環路

    1） 地面不同點的電位是不相等的，簡單說來，這是與電網系統用電平衡狀態，接地點方式和位置，零線和地線的關系（開路或短路），大功率用電設備運行狀態、接電方式和接地方式，線纜長度和類型等等因素都有關系。由于導線存在電阻，地電位相等是相對的，電位波動和不相等是絕對的。當三相電網發生不平衡故障時會引起地電位劇烈變化，局部地電位可以瞬間升高幾十到幾百伏，直到故障排除。對于工程應用，我們只需知道“不同點的地電位是不同的，波動的”，這是客觀現實。

    2） 室外攝像機A,安裝在戶外一個金屬立柱上，監控室主機系統設備機殼做了安全接大地，視頻線把攝像機和主機用BNC聯系起來.這時，就會形成“攝像機——視頻線——主機——地面——攝像機”的電氣連接回路，這就是地環路的概念。假如A點地電位，相對于主機點的大地有10VAC電位差，這個電壓就加在了視頻電纜的屏蔽層兩端了，于是在攝像機和主機之間的視頻信號地線上，就可以等效出一個“干擾電壓信號源和一個地電阻”，這個電壓可以通過視頻傳輸電路兩端的匹配電阻與芯線構成環路，在75歐姆負載上產生“干擾信號”，這就是常見的“地環路干擾”。如下面原理圖所示。

    3） 一個監控系統如果有多個攝像機安裝在金屬立柱、金屬塔架上，這些攝像機就都接了大地，系統就會形成許多復雜的“地環路”。如果說安防工程商這種接大地是“無意的”接大地，那么上面引述的防雷廠家“第二類觀點”——前端“等電位連接”，就是一種人工制造“地環路”的典型例子。

    4） 一個典型的地環路“干擾”照片

    四、地環路是安防系統最大的安全隱患

    由于存在“地環路”，當地電位差較低時，可能表現為對圖像的“干擾”。模擬實驗表明，在視頻75歐姆負載上，干擾信號低于20毫伏左右時，一般感覺“沒有干擾”，大于20毫伏就可以看到干擾，幅度越大，畫面的干擾越明顯；500—1000毫伏以上時，圖像不穩，扭曲，甚至DVR顯示器“感覺無視頻信號”了?！暗丨h路”干擾不屬于常規意義上的“無線”電磁干擾，它是典型的把地電位人為引入弱電系統的錯誤設計和施工引起的“假干擾”。多數抗干擾器對抑制這種“干擾”有一定效果，但是這種“抑制”，實際只是“掩蓋”，并沒有消除安全隱患。

    當電網發生不平衡故障時，這個“地電位差和干擾”就會突變到幾十伏，幾百伏或更大，加在視頻電纜兩端的攝像機輸出電路和主機的輸入電路上，設備可以在瞬間被燒毀，被擊穿，造成永久性損壞。據了解，安防系統很多所謂“被雷擊壞了”案例，實際上多數是這類地環路問題造成的。

    地環路是安防工程重要的“系統殺手”，抗干擾器也難逃厄運，曾有一個系統6套抗干擾器同時瞬間燒毀的案例，包括無源電路的75歐姆電阻、電位器都被燒毀。燒毀攝像機，燒毀采集卡的工程案例每年都屢見不鮮。值得注意的是：和雷電電磁感應ns級的脈沖不同，這類地環路高壓沖擊是持續性的，直到電網故障排除為止。

    上述“攝像機外殼與金屬立桿連接后，不存在電位差；攝像機更安全”的做法，由于制造了許多地環路，當雷電襲來時，同樣制造了巨大的電位差，對監控系統同樣會造成破壞。

    地電位差的事先考察和測量方法目前還未見報道。地電位差是不穩定的，平時可能很小，可能看不出有什么影響，但不要因此就麻痹大意、失去警惕。除非你能保證運行電網永遠不發生故障。

    防雷器的實用功能也應該是防雷電電磁感應，指閃電電磁波對線纜的電磁感應脈沖也能防范。但是如果你買的防雷器對于視頻信號地和接大地點是短路的，那可要小心了，因為它將是制造監控系統地環路安全隱患的元兇，這種東西是典型的“品牌假貨”。

    五、安防系統接大地應該怎么做

    EIE實驗室的模擬實驗和幾年來工程經驗總結，對安防工程設計施工中的接地提出如下建議：

    1） 安防系統可以，也應該在建筑物和供電防避雷系統保護范圍之內安全運行，保護責任在甲方，不在安防工程方。在已有防避雷系統保護范圍之外的室外攝像機和傳輸線纜都應該設立獨立避雷針，穿金屬管或埋地保護，并保持絕緣關系。

    2） 安防系統“單點接地原則”：即只有主機系統一點接大地，這是安全接地，確保操作人員安全；這也是泄放系統“靜電”的安全通路；

    3） 系統所有前端攝像機都要和大地絕緣，包括攝像機外殼，BNC外殼，視頻信號地，直流電源地，解碼器的地等都要和大地絕緣。系統中如果遠處有分控點，“分控機殼”也不要接大地，這也從工程案例中得到證實。

    4） 攝像機，傳輸設備，數據通信設備等，本身已經具有防雷電電磁感應功能的，就不需要再加防雷器了。沒有防雷電電磁感應功能的設備，可以選用合格的防雷器解決。值得注意的是：自帶防雷電電磁感應功能的設備，如果能緊密結合實際電路設計，其有效性要優于通用防雷器性能。這里我們不做進一步探討。

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