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【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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发表于 2011-12-12 09:47:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 eie1992 于 2012-1-6 19:54 编辑
9 n) l, G7 g, h# ?: A
7 F! r9 o3 x9 `% @: R
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34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:
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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 楼主| 发表于 2011-12-12 10:02:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 eie1992 于 2012-1-6 19:56 编辑
  D( U8 c) f2 l% h  l' ]1 O
4 W3 R$ N  W6 H+ v' K6 s0 t+ b2) 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;" L% X6 s+ t/ x6 Q& u: P) l
3) 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。+ z4 }/ N% {  i: I9 \0 Q' Z" i
4) 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。
! z! B8 w$ S/ ~2 W4 d: E5)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。; h1 E/ P. G0 Y1 f  B
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。9 @* p% w) q! U4 ]! L6 t
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。
# p" a9 o5 z& H" P. w8 I" T8)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;
3 ?+ I; A, B- `4 _    “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。" K, R+ _4 o) k# c: ^. s
4.3)地电位环路
: r, x; ^& g9 z. ]
    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。/ O! C2 E) r! Z% J6 t" g0 z' s
1)地环路的基本概念
! G! n) w$ q# y6 c% {3 [
    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。
9 o0 I5 S0 W9 S9 P7 o    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,。
) ^3 b: p% l. A+ z) O    地环路给地电位入侵安防系统,提供了可靠的入侵路径;+ H3 F4 U; e; f
2)地电位入侵视频传输回路原理分析
, q0 U4 W* ^$ X8 T1 ^9 H
    图4-2示出了视频传输回路等效原理图:

  `9 w( L1 C" U+ U4 Q3 {. v9 c* W( {
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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 楼主| 发表于 2011-12-12 10:11:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 eie1992 于 2012-1-6 19:57 编辑 & q3 T5 ]; J6 D* v1 j
  A' A. _7 w, m7 E$ P; |
4)系统地电位环路传导的概念:
9 c, H' `- B1 W4 Y
A:如图4-3所示:一个小系统,有5个摄像机ABCDE和一个主机(O),视频线在主机上汇接。假如摄像机CE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Vc0,其他点都为0电位;
B:地电位差Vc加在CE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,ce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abd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:abd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220VAC24VAC,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。
' R  a/ L/ |7 A1 S

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 楼主| 发表于 2011-12-13 19:57:07 | 显示全部楼层
        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。
# n  i+ m. X6 ^4 x    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。
. `1 V2 p: ^( g/ v切盼!切盼!!
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安防知名大师

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发表于 2012-1-6 14:42:29 | 显示全部楼层
谢谢楼主,让我学到了很多知识!~
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安防幼儿园学生

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发表于 2012-1-6 16:57:35 | 显示全部楼层
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。
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安防幼儿园学生

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发表于 2012-1-6 17:14:01 | 显示全部楼层
遗憾一点点是没有看到图
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 楼主| 发表于 2012-1-6 17:40:12 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 2012-1-6 19:58:23 | 显示全部楼层
好了!!!图片传上来了!
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安防幼儿园学生

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发表于 2012-1-7 19:22:26 | 显示全部楼层
谢谢楼主
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