【技术讨论】安防防雷5：安防系统安全设计要点

eie1992

安防系统“安全设计”是一个未曾明确过的新课题，包含防干扰入侵和防雷的系统设计，它涉及系统自身硬设备安全和运行安全。“专业防雷”在安防工程防雷设计的全面失败，是推动这一课题产生和发展的启动力——做安防不得不面对和研究这个课题了。

5-1）广域信息系统电磁兼容（EMC）概念

广域信息系统是指：一个跨越地域广泛，系统设备之间有着紧密的电气连接关系的弱电系统。广域信息系统（The wide-area information system——WAIS）；

影响广域信息系统的外部电磁环境：从空中到地下都有，空中自由空间各种电磁波，地面上落雷和带电线缆相互耦合关系，地下的各类地电位等等，都是必须考虑的外部电磁环境；

广域信息系统电磁兼容（EMC）：广域信息系统电磁兼容，是假定系统所用设备自身的电磁兼容（EMC）问题，都已经解决了，只考虑外部电磁环境影响下，系统安全运行的设计问题。它不同于常说的设备电磁兼容问题，曾有人试图用设备和PCB板电磁兼容概念解释“安防系统电磁兼容”问题，总是不得要领。广域信息系统的防雷设计，防（抗）干扰设计，安全设计，都属于“广域信息系统电磁兼容”问题。

安防系统属于广域信息系统，广域信息系统电磁兼容（EMC）问题，也就是系统安全运行的设计问题。安防系统防雷设计，抗干扰设计，都属于系统安全设计的一部分，也都是系统电磁兼容（EMC）设计的一部分。关注和研究系统电磁兼容设计，是关系系统自身安全的大问题，应该提到安防工程的议事日程上来了。

5-2）安防系统安全设计的基本原则是“单点接地”

1.“单点接地”的基本概念：“单点接地”是指系统主机一点接大地，远端摄像机及所有设备，都必须与大地绝缘；具体的说：“单点接地”是指凡有直接电气连接关系的“系统”，要把电气连接的“集中汇聚点”设备（系统主机或子系统主机）做一个接大地。例如光缆传输系统：前端多路光发射机是子系统主机，机壳“一点”接大地，光发射机电缆连接的各路摄像机都与大地绝缘，这就是“有直接电气连接关系”的系统“单点接地”，后端系统主机接地不能替代它，因为中间有光缆隔离了电气连接；

2. “单点接地”的工程要求：主机“单点接地”，系统远端所有设备对地悬浮，通过主机接地点，泄放系统产生的静电荷，并保持与大地静态等电位，保证操作安全。雷电感应电动势与大地无关，不存在向大地大电流泄放问题，对接地电阻也就没有很高要求，不需要做专门的接地网；泄放系统静电荷，没有大电流问题。

3. “单点接地”的合理性分析：

A. “单点接地”，切断了所有地环路，可有效阻断雷电暂态地电位和电网地电位入侵系统的路径，这是防雷、防浪涌，防干扰最有效、最基本的技术手段；多点接地引入地电位干扰，引入雷电反击电压，烧毁安防设备和防雷设备，已被越来越多的安防工程案例验证。

B.安防系统“单点接地”,不仅与防感应雷没有矛盾，而且是安防系统防雷设计应遵循的基本理念和设计原则；因为防直击雷不需要、也不能通过安防系统任何部位接大地放电；防感应雷，因为雷电感应电动势与大地无关，不需要“接地泄放电流”；抑制雷电感应电动势所用线路保护电路，也不需要接大地；

C. 系统单点接地，整个系统随接地点等电位浮动；如果人为制造多点接地，又人为进行“等电位连接”，这对“广域信息系统的防雷设计”来说，理论和实践上都是不可能实现的；

D. 明确了“单点接地”设计原则，就可以避免“接地防雷”的误导，和制作接地系统的冤枉投入；

E. “单点接地”，是检验和判断安防系统安全设计和隐患设计的“试金石和分水岭”；

F. “系统单点接地”的安全设计原则,适用于各类广域弱电系统；

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5-3）安防工程防雷设计的有利前提条件：

甲方的建筑物及其供电系统的防雷，应该都是通过了工程验收并具有完善、合格的防雷、防浪涌措施与性能。甲方自己办公、居住和用电都应该是安全的。乙方为甲方设计施工安防工程，也属于甲方“业主”用电行为，同样不需要再考虑建筑物和供电系统的防雷问题，也不需要考虑给安防供电做什么三级防雷，更不需要做什么接地网。建筑物和供电系统出现雷电事故，属于原设计施工单位责任问题。安防工程设计，不需要涉及建筑物及其供电系统的防雷，这就是“安防工程防雷设计的有利前提条件”；

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5-4）安防系统防直击雷安全设计要点：

第一，系统所有设备，应该在已有建筑物防雷系统和其他独立避雷针有效保护范围内工作，传输线缆尽可能埋地布线；

第二，室外孤立的立杆摄像机，如确有必要防直击雷（需论证雷击概率），应该设置独立避雷针保护摄像机立杆，立杆与独立避雷针距离应大于4、5米（反击立杆的距离），摄像机立杆顶部，千万不能安装避雷针，下面也不要做接地网，金属立杆还要做好与摄像的高级别绝缘，以应对避雷针接闪时“跨步电压”通过立杆反击摄像机；使用木质或水泥绝缘材料立杆更有利于绝缘，摄像机支架最好用工程塑料支架，以提高绝缘级别；

第三，有人提出，把“摄像机立杆做成避雷针，让摄像机与立杆绝缘”的方案，也是不可取的。因为避雷针接闪产生的雷电反击电压，击穿空气的距离，在3、4十公分以上，阴雨天可以超过1米以上的距离，常规绝缘无法做到；

一个负责任的厂家，应该主动纠正自己过去做的“隐患防雷工程”。

5-5）安防系统防“感应雷”的安全设计思想：

    “感应雷”准确讲是雷电感应，也就是雷电电磁辐射对安防系统的影响，本质上和电磁干扰是一回事——也是空间电磁波干扰，辐射源是雷电流，接收干扰的是线缆。前面说过，所谓“静电感应”是违背基本电磁场理论和实践的、子虚乌有的编造。

【雷电感应有多大？】

1）虚假的雷电感应数据：所谓感应雷有几十千伏的“雷电冲击波”，防雷器“需要有几千、几十千安的放电能力”的说法，实际上是源于“专业防雷”人为制造的多点接地，引入地电位的数据，也就是常说的电网“浪涌”数据，这和前面提到的“静电感应”有几十到上百千伏的“过电压”一样，都是与雷电电磁感应风马牛不相及的虚假数据。

还有一类专业防雷给出的雷电感应计算公式，算出来的数据也是几十上百千伏的“雷电冲击波”，按此计算上百根线缆的雷电冲击波总能量比避雷针放电总能量还要大。一个雷区有多少线缆？

这些数据，都是在对地电位缺乏基本认识情况下，戴上雷电感应的“帽子”，为推销“接地防雷器”寻找“合理说法”而已。

2）雷电电磁辐射和电磁感应定性分析：避雷针接闪放电，主要能量是热能，光能，机械能，声波能等能量消耗，电流的“电磁辐射能量”和线缆接收的能量之间有一定的“电磁耦合关系”，而这种“电磁耦合关系”是受许多因素限制的，这些因素包括：

A.只有高频才能辐射，而高频是雷电流的高次谐波成分，不属于主能量；

B. 天线辐射效率，与天线结构尺寸和波长（频率）密切相关，严格优化设计和加工的天线，效率在50~70%左右，雷电流辐射，谐波频率不同，避雷针的高度不同，云际放电的电流长度等都不可能与谐波频率匹配，所以实际雷电流的辐射，属于低效率、超低效率的电磁辐射“天线”；同样道理，“接收天线”也有频率与尺寸最佳匹配问题，才能实现高效率接收，显然监控线缆作为接收雷电辐射的“天线”，也属于低效率、超低效率的“接收天线”。

C.雷电流电磁辐射能量的辐射方向，类似球面波向自由空间“全向辐射”，对应一根监控线缆方向“立体角度”的辐射能量，只是一个微小量，而且电场强度与距离平方成反比；

D.极化影响，辐射源发出的电磁波，有一定的“极化方向”（定义为电场强度矢量E的变化方向），接收线缆也有一个接收的极化方向问题。例如避雷针放电电流主要是“垂直方向的”，它的辐射场极化方向（E）也是“垂直极化的”，只有垂直方向的立杆和接地线才能接收这种“垂直极化波”，而水平走向线缆，接收不到这种“垂直极化波”的能量，这就是极化影响；线缆接收与雷电辐射的极化方向，都是随机因素，“极化衰减”是非常大的。雷击地面物体的放电电流的辐射场，以垂直分量为主，水平分量为次；而只有和水平极化方向平行的线缆，才能接收到这种雷电感应，与极化方向垂直的水平线缆，不能接收到这种雷电感应。

考虑到上述各种限制因素，雷电辐射场与线缆之间的“电磁耦合关系”，属于低效率辐射，低效率接收，能量全方位辐射，极化不匹配等极低效率耦合关系，所谓线缆上有几十千伏的“雷电冲击波”，只能是一些唬人数据而已。

笔者曾按照某个专业防雷文章中给出的计算公式，对一个放电避雷针辐射，算过一个写字楼各层线缆雷电感应“过电压、过电流”，总能量竟然比避雷针放电还要大许多倍，所给的“专业防雷”计算公式，是一个与上述各种限制因素几乎都无关的公式。

大量的生活实践告诉我们：雷雨天气在家看电视能看到偶尔出现的雷电干扰条纹，从打电话和收音机中，能听到“咔咔”声，大都属于雷电干扰。笔者早年曾见过脉冲功率几百千瓦以上的窄波束雷达开机，雷达电磁场能把把日光灯打亮，把高压汞灯打亮。却从未见过头上的响雷电磁场，把日光灯，路灯打亮。如果雷电感应电压真有几十、几百千伏，那日光灯不仅会亮，而且早就成批的烧毁了。所谓雷击烧毁家用电器的案例，多数是雷击引起电网故障，供电电压突变烧毁的。

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【安防系统感应雷的防护】

前面关于雷电感应的分析已经明确：线缆雷电感应电动势与大地无关，它是一种高频交变电压，位置等效在线缆中间。根据这个特征，感应雷的防护基本原则是对设备输入输出口设置线路保护电路，而不是“对地泄放雷电流”：

1）视频传输线路保护电路原理：雷电感应电动势Uo,位于视频线屏蔽层上，通过两端的匹配电阻与芯线构成回路，见图5-1。

6 w, o0 r! e% K- y2 Y9 s- g      视频线保护电路的设计要点，是确保Uo在两端75欧姆负载上的压降最小。

图5-2示出了视频线路保护电路原理图，图中：

  

K——是限压型开关放电元件，根据视频传输信号实际幅度和电路安全耐压幅度，选择合适的限压值；需要注意，这里开关放电元件下端接的是视频信号地，不是大地；

Z——是滤波网络；

K、Z的设计要点是：

1常态下对传输衰减影响和频率失真影响，要在允许范围内；

2雷电感应脉冲到来时，开关放电元件K迅速导通限压，滤波网络Z能最大限度的吸收雷电感应电压，确保75欧姆负载上不会出现过高电压，起到设备安全保护作用；

3不同的视频同轴传输方式，不同设备的输入输出信号幅度、带宽不同，对保护电路的具体要求和设计也是不同的，最理想的防雷线路保护电路，应该是结合具体设备的实际电路设计的“专用保护电路”，并一起嵌入在设备电路中。通用外接型线路保护器，也可参照不同传输方式，合理设计不同类型的线路保护器；

4远距离线缆，对雷电感应电动势Uo有明显衰减，这是有利的事，线缆内外导体的线路阻抗增大，使Uo放电时常数加大，也是好事，因为这可以使Uo主要降压在线路阻抗和滤波网络上，确保75欧姆负载上雷电感应电压最小；

5前端所有摄像机与大地绝缘，防雷保护电路不需要接大地，主机单点安全接大地，用于泄放系统静电荷，全系统电位随主机浮动；

6工程实践表明，结合产品具体电路设计的嵌入“保护电路”，是十分有效的。实际应用产品损坏率分析表明，未加保护电路的产品，最高阶段损坏率最高达10%以上，其中95%以上都是地电位环路烧毁的，另外还有元器件的质量问题和误操作问题损坏的；产品加了保护电路后，损坏率大幅度降低到2~3%以下，经与现场技术人员共同分析，还没有充分理由说明是雷电损坏的，因为绝大多数不是雷电天气下损坏的，更可喜的是地电位入侵损坏率也大幅度下降，说明对地电位入侵，也有较强的抑制能力。模拟实验表明，对于高达250VAC以上的地环路电压，也有足够的安全抑制能力，不过这不等于说，允许系统存在地环路；

7视频线路保护电路，可以设计在摄像机输出电路中，设计在DVR,矩阵，发射光端机，后端视频传输设备的输入电路中；

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2）平衡传输线嵌入式保护电路原理：

     

    如图5-3，原理分析与同轴保护电路雷同（分析略）。原理图中的“地（D）”不是大地，是平衡传输设备电路信号地（平衡点或逻辑地）。视频平衡传输线路保护电路，可以设计在双绞线传输设备输入输出电路中；

3）安防电源系统防感应雷设计要点：

【安防系统安全供电基本设计要点】

①确保实现系统
4 o# K' }* a2 @8 ~“单点接地”：切断各类“地电位”一切可能入侵路径,这是最重要的一步；

②确认并利用甲方建筑物防雷和供电系统防雷，已经通过验收，合格，甲方用电是安全的，给安防工程提供的用电也一样是安全用电，不需要“安防工程”设计或改造供电系统防雷设计；

③安防系统所用交流电源，应该与电网进行电气“零地线隔离”，即安防系统所用220VAC或24VAC,都不分火线和零线（地线），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，输出端与输入端隔离，没有连接关系，防止隐蔽的电网地电位入侵系统，即：不要把电网零地线，设计到安防系统中。

④安防系统尽可能采用与电网隔离的220VAC集中供电，供电线路可采用屏蔽电源线，或采用穿镀锌铁管，或穿PVC管埋地，或走金属屏蔽线缆桥架等措施；在车间电机群环境或有大功率变频电机应用环境（如供水，集中空调等），系统供电宜选用净化电源（电源滤波器）；

【电源防雷保护电路】

接地防雷器会给安防系统造成安全隐患，不能用，那安防电源系统防感应雷怎么办呢？

单点接地有效消除了电网地电位“浪涌”入侵，采取上述“设计要点”，又可以最大限度的减少雷电感应电动势。安防电源输入端属于高电压低频元件，常规暂态雷电感应电动势属于高频短脉冲，可以采用电源滤波器作为输入端保护和抑制，为更稳妥起见，输出端可以采用限压元件保护电路，如下面图24。

低压交流供电（例如24VAC）保护电路原理相同（略）。

   

4）关于“机房防雷”：

安防机房，在甲方建筑物内，直击雷防护和供电系统已经有了合格的防雷措施，安防220VAC用电属于安全用电。按照上面“安全供电基本设计要点”做就可以了。

安防系统的防雷是一个系统工程，脱离整个系统防雷的完善设计，一个局部的“机房防雷”是没有实际防雷意义的。如果前端摄像机立杆是避雷针化设计，或者系统采用大量的接地防雷器，那再好的“机房防雷”也难保安全。系统单点接地，机房防雷同样考虑线路保护就够了，机房主机机壳做安全接大地，只用于泄放系统静电荷。

5）安防工程的防雷理念：

安防系统防雷设计的出发点和最终目标，都必须是确保系统设备和运行的安全。防直击雷，由独立避雷针保护；防感应雷，只能也必须做好线路保护，各类接地防雷器、接地浪涌保护器，都不能用于安防系统。

树立广域信息系统电磁兼容设计理念，“系统单点接地”是安防系统防雷、防干扰安全设计第一要素；

6）做安防防雷，应了解一些雷击概率知识：

安防人应了解一些雷电和雷击概率基本知识，才能减少防雷设计和投资的盲目性，才能不被误导，才能设计出真正安全有效的防雷工程。例如，一个3、5米高的独立房屋或室外摄像机立杆，在北方雷击概率远低于0.01次/年，就是说“百年不遇”一次雷击，有必要做吗？有人就是叫你做，教你购买专业不锈钢立杆避雷针，做专业接地网（笼），投入高达几千到1、2万元，显然这是商业目的，让人家当“肥牛”宰了，换来的结果是“自毁”系统。三峡工程涉及几个省的生命和财产安全，才设计到百年不遇，一个安防设备，有必要这么做吗？

结束语：

本文对主导安防行业的“专业防雷设计”做了技术分析，揭示了设计上的基本概念和原理性错误，及其给安防系统制造安全隐患的技术本质。提出了安防系统防直击雷，防感应雷的安全设计理念和线路保护电路的基本原理。

防雷毕竟也是一门实践科学，只要弄懂了基本概念和原理，只要坚持实践是检验真理的唯一标准，就一定能够走好科学发展之路，任重道远。

     路曼曼其修远兮  吾将上下而求索

全文完

sividi01

顶！很系统很全面。

eie1992

总算通过相册，把图片传上去了。

netuserlz

视为安防第一贴，一点都不为过！谢谢楼主的无私奉献~ 深刻学习反省中...

立方体科技

一点顶起···

华鸿霖

谢谢您的分享！辛苦了！

netuserlz

保护电路咋做啊？？