【技术讨论】安防防雷4：地电位、地环路及其安全隐患

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关于“地电位”的认识与实践

    在安防工程防雷设计中，“专业防雷”的设计是：防直击雷，立杆要加装避雷针，还要做优质的接地网；防感应雷，为了“接地泄放雷电流”，在每条视频、控制、电源线两端，都要安装他们的接地防雷器，每个防雷器都要专门做好优良的接地；人为制造了安防系统多点接地，形成了纵横交错的“地电位环路”；

    前面分析表明：接地，不仅系统防雷目的不能达到，还给安防系统自身造成了重大安全隐患。安防论坛里每年多次曝光的“雷击”烧毁安防设备的案例，烧毁防雷器的案例和引入地电位环路干扰的案例，多数都是由这类系统多点接地，引入了地电位造成的。实践证实：他们对“地电位”没有最起码的基本认识，对安防弱电系统更是“专业的外行”。

    地电位存在地域广泛，这类多点接地的安防防雷工程，发生地电位干扰的概率，烧毁设备的概率，都远远高于雷击概率，已经成为安防系统最严重的安全隐患。

    安防防雷工程盲目上当的事实，也同样表明这些安防人自己对地电位也缺乏基本认识。

    认识地电位，是实现安防系统安全设计和系统安全运行的基础，也是安防工程安全设计的当务之急。这里主要分析和认识影响最大的“雷击地电位”和“电网地电位”。

4-1）雷击地电位

    雷电击中地面物体向大地放电，在雷击点周围形成暂态地电位扩散区——跨步电压区。跨步电压区内雷击暂态地电位呈指数衰减，大约10~20米半径以外衰减到0电位。

    避雷针接闪时，形成百万伏以上的雷电反击电压。安防系统，摄像机与主机间有视频线、控制线、电源线的电气连接关系。把摄像机立杆做成避雷针，就把雷电反击电压100%的引入系统，显然这是愚昧的设计。

    由独立避雷针保护的摄像机立杆，为了防止避雷针放电闪击（又称反击），立杆大多设在距避雷针3、4米外的“跨步电压区”内，这就要注意跨步电压内的暂态地电位反击问题了；

    从“雷击地电位”考虑，“专业设计”的摄像机立杆做“可靠接地”，这不仅是花冤枉钱，而且，给系统安全带来更大的隐患。

    4-2）电网地电位

【电网地电位的形成和特点】

    “大地”宏观可以看成一个“无限大”的“静态等电位体”——大地零电位。但是“动态”或“暂态”的看，大地是局部不等电位的。

    电网系统有多种接地方式，例如：

工作接地：就是将变压器的中性点接地；

保护接地：是指将电气装置不带的电金属壳体接地；

保护接零：是指电气设备不带电金属壳体与系统零线连接等；

防雷接地：是指电气线路和设备各类防雷器的接地。

    电网系统，属于超广域直接电气连接的多点接地系统，“多点接地”，这是常见电网地电位形成和变化的主要原因。我们不去研究电网系统多种接地方式的合理性，但应该认识和了解电网地电位的形成和特点：

1）电网系统的多点接地：

图4-1是摘录的一种电网安全运行接地和防雷接地典型原理图。从中可以了解到：除了高压线顶端架空防雷地线外，常规运行还有变压器零线（中线）接地，大功率用电设备（如电机）机壳接地，还有建筑物内供电线路的零线接地等，这都是电网常见的一些接地措施。从安防设计考虑，我们只需了解：当电网三相供电平衡时，零线电流为零。当三相电供电不平衡时，出现了零线电流，零线上产生电压，零线不同接地点便形成与大地不同的“地电位”，电网地电位属于动态地电位。

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2） 电网失衡产生地电位：供电系统或大型电力设备发生故障是经常发生的：高压线断线碰地，在触地点形成“跨步电压区”地电位；一路相线短路或火线碰地，零线电流突变，接地点点位突变；大电机“碰壳（绕组碰机壳）”，接地点地电位突变……等等。高压变压器故障，接地点可产生超高压地电位突变，接地点周围形成类似“跨步电压区”——地电位扩散区；
, p8 Q# B/ h0 c- m3 ?' y3） 地电位波动幅度大：电网运行指标，要求地电位差少于2V，为正常。从平衡到严重故障，电网地电位可以从几伏，几十伏，到几百伏，甚至几千伏变化。不要以为平常接地“影响不大”，而不去认真清理不合理接地点。
4 `$ o4 N4 ~. b$ s9 G( R) L1 Z3 T4） 地电位持续时间长：电网有自动保护设计，跳闸或保险丝保护，但是需要注意，这大多是从高压、大功率电力设备保护出发设计的，对弱电系统设备来说，这种保护的“时间太长”了，弱电设备早已烧毁了。
5）地电位发生概率高：相对于雷击发生概率来说，电网发生比较严重或严重故障的概率，要高千万倍以上。雷击只在雷雨天气发生，电网地电位却不管是阴雨，还是晴空万里天气，都可以发生。
6）地电位涉及地域广：一般说来，凡是电网到达的地方，就有电网地电位存在。
7）地电位的不可预测性：系统如果有多点接地，对于哪个点，什么时间，发生多大的地电位突变，目前还没有预测办法，这是因为电网故障什么时候发生，发生什么性质的故障，都是事先难以预料的。
3 O5 O3 b! n- E: k; V5 g9 g8）地电位的信号特征：电网地电位基本信号特征，是50赫兹市电电压，少数也有高频脉冲群特征，画面表现为横向水平短线宽带状干扰，示波器波形为一群一群脉冲，脉冲群对应市电正弦波两个顶部，这是变频电机电流开关影响，多见于变频电梯，自动供水、集中空调，车间电机群等大功率变频电机的运行环境；
  W" o1 y8 Y' `    “电网地电位”的认识要点：第一，这是客观存在的；第二，难以预测；认识地电位，是安防系统安全设计、抗干扰设计，防雷设计的基础。
/ u( t7 ~; v! \( j* k4.3）地电位环路
: d( f7 Y& ?/ z' D2 `) y/ d) I% `    安防工程，是一个跨越区域广大、并有紧密电气连接关系的弱电系统。
7 R6 w$ X8 D: `: V7 y! H1）地环路的基本概念
+ R8 [+ i$ V& s4 L% s" g  `& v    一条传输线，A、B两端接大地，就构成了地环路，假定A端大地是高电位VA，接地线把传输线A端电位提高到VA，B端大地是0电位，地电位VA便通过地环路，影响到传输线连接的系统设备。
    如果系统有多点接地，就可以构成纵横交错的、复杂的地环路网，例如多个摄像机接大地的安防系统，。
    地环路给地电位入侵安防系统，提供了可靠的入侵路径；
2）地电位入侵视频传输回路原理分析
: _& K- X1 T8 f4 L    图4-2示出了视频传输回路等效原理图：

1.假定A点出现高电位VA，主机端有安全接大地，V0=0；

2.摄像机端接地开关K开路，代表摄像机不接地，摄像机和视频线始终和主机等电位，与主机地电位一起浮动；

3.摄像机端接地开关闭合，代表摄像机接大地，构成地环路，VA高电位加在视频线屏蔽层上；因视频线屏蔽层两端通过75欧姆匹配电阻与芯线构成回路，所以在两端负载上就必然有地电位的分压，一端入侵到摄像机输出电路，一端入侵到主机输入电路，轻则形成干扰，重则烧毁设备。

4.安防系统多点接地，形成地环路的因素有：

    1接地摄像机——接地主机之间构成地环路；

    2接地摄像机——接地摄像机之间构成地环路；

    3包括视频设备、交直流电源设备和控制设备接地点，凡是有直接电气连接关系的系统，所有接地点之间，都可以构成地环路；

3）安防工程引入地电位的常见工程案例：

    1.摄像机与金属立杆没绝缘，直接引入地电位；

    2.接地防雷器引入地电位，涉及视频线、电源线、控制线设备接大地，构成系统复杂的地电位环路关系，地电位可以触发防雷器导通，把地电位引入系统设备；

    3.墙壁安装摄像机，金属螺丝碰到建筑物钢筋；

    4.摄像机安装在室外广告牌上金属钢结构上；

    5.金属防水盒内与金属立杆连接接地，监控设备固定在防水和上接大地。

    6.铁皮屋摄像机安装在金属架构上；

    7.摄像机与电梯轿厢没绝缘；这里涉及电机及其供电的接地方式，大楼电网接地方式，轿厢通过轨道接大地方式，轿厢运动不同位置等等，都会影响到“轿厢地电位”，“轿厢地电位”是一种 “活动地电位”，动态与静态不同，电梯所处位置不同地电位也不同，这在电梯干扰案例中经常遇到。这个复杂问题只要用“摄像机与轿厢绝缘”，切断地环路，就可以简单有效解决了。

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4 [+ w$ t# f" c2 ^# o( z4）系统地电位环路传导的概念：
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A：如图4-3所示:一个小系统，有5个摄像机A、B、C、D、E和一个主机(O点)，视频线在主机上汇接。假如摄像机C和E接大地，主机和其他摄像机都不接地。先假设只有C点地电位Vc≠0，其他点都为0电位;

B：地电位差Vc加在C、E电缆两端，假设主机在中间，主机机壳电位大约是:

Vo=Vco=Veo=Vc/2；这对主机操作人员来说，属于有安全隐患。

C:显然，c和e两路电缆两端都加有Vc/2电压，这个电压都通过两端匹配电阻与芯线构成回路，在主机负载上形成干扰电压，这两路视频都出现地电位干扰。

D：这时a、b、d三路摄像机由于没接大地，电位随主机浮动，没有地电位干扰；

E：a、b、d三路摄像机，哪一路如果再接大地，那一路就会出现干扰，都接大地都有干扰，这就是“地电位环路传导”的概念：把一个C点的地电位，通过地环路，传导到系统其他设备。

F：如果把主机机壳接大地，这时c点地电位就只影响c路，对其他路没有影响；主机接大地后隔离（屏蔽）了对其他各路的影响，主机操作是安全的。显然，这给查找工程“错误接地点”也带来了方便。

G：如果系统只有主机一点接大地，所有前端设备，分控设备，显示设备，都不再接大地，全系统电位，随主机接地点一起“浮动”，这就可以切断所有地电位入侵路径；

4）“隐蔽的”电网地电位入侵

    当安防系统前端摄像机与大地已经做好绝缘了，所用电源是就地取电，但是所用的电源适配器前后没有隔离，也就是说开关电源没有输入输出端的光隔离，或线性电源初次级有电网地短接，这就通过 “零线”把“电网地电位”引入了安防系统。这类“故障”很隐蔽，很难查找。

    防止“隐蔽的电网地电位”入侵设计的基本原则是：“系统所用交流电源与电网是电气隔离的”，即系统所用220VAC或24VAC,都不分火线和零线（地线），都属于“平衡传输的交流电压”，例如变压器初次级隔离，开关电源输入输出端有光隔离，主机所用UPS电源，输出端与输入零线没有连接关系等，都可以避免电网地电位进入安防系统。

    认识地电位，特别是“电网地电位”，它是客观存在的物理现象，它入侵安防系统的路径是多点接地的地环路，安防系统设计本身不需要多点接地，防干扰、防感应雷也没有理由采用多点接地，多点接地属于错误认识和错误设计，百害而无一利。

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eie1992

        地电位是弱电系统安全设计的基础认知识，“专业防雷”们没有这个基础认识，所以在防直击雷和感应雷设计上，犯了低级错误；一些安防工程，也由于对地电位没有这个基础性认识，造成轻信和损失。
  V( {$ `# T  l    希望安防界朋友，能认真关注这部分内容，认识了，才能更好地理解为什么“立杆避雷针”是安防工程的重大安全隐患，也才能更还得理解“接地防雷器”为什么不能在安防系统中使用，和使用后带来的安全隐患。
切盼！切盼！！

sividi01

谢谢楼主，让我学到了很多知识！～

yxlei82

谢谢楼主的分享，让我们学习了很多，看过以后发现自己也是安防中的外行。

yxlei82

遗憾一点点是没有看到图

eie1992

论坛升级，把文章弄丢了，还不错昨天找回来了，可惜图片没有找回。我想补充上传图片，添加图片的格式也变了，目前还不能上传，正在想办法。抱歉。

eie1992

好了！！！图片传上来了！

lmwwr001

谢谢楼主