安防系統安全設計與防雷設計解決方案
十多年來，安防行業(yè)的“防雷設計”幾乎是“專業(yè)防雷”的一統天下，“防雷必須接地，不接地就不能防雷”的設計思想幾乎“深入人心，天經地義”，貫徹“專業(yè)防雷”設計思想的相關標準還在實行；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)防雷設計”的重點工程還在作為示范工程讓人效法。
照此“專業(yè)防雷”設計——有安全隱患，不照做——難以通過驗收。今后還會面臨很多人為的、規(guī)范方面的困惑和難題，讓人無所適從。本文將對此類“安全隱患設計”從原理和實踐上進行較深入地分析。
第一部分：大地電磁環(huán)境——關于“地電位”的認識與實踐
十多年來，有一種貌似科學的安防工程“專業(yè)防雷”設計，其設計要點是：
1）防直擊雷，室外攝像機立桿要按照“把立桿做成避雷針”的方式設計，包括做優(yōu)質的接地網；
2）防雷電感應（感應雷），在系統每條視頻線、控制線、電源線兩端，都要安裝“接地防雷器”，每個防雷器都需要做良好的低電阻接地，以實現“接地泄放雷電流”；
這兩項“專業(yè)防雷”設計，人為制造了系統多點接地，形成了縱橫交錯的“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“系統多點接地”，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”永遠是穩(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，接地可以消除干擾的觀點，給監(jiān)控系統制造多點接地的現象，只能說明對“大地電磁環(huán)境”還沒有起碼的認識；不了解大地電磁環(huán)境，就不可能做好安防系統的接地問題；安全隱患就是源于對大地電磁環(huán)境還沒有基本認識，特別是對“電網地電位”沒有清醒認識和警惕，防雷目的沒達到，卻給安防系統造成了重大安全隱患。
安防行業(yè)防雷工程盲目上當的事實，同樣表明安防行業(yè)自己對地電位和系統安全設計，也缺乏基本認識。這里我們先分析一下影響最大的“雷擊地電位”和“電網地電位”。
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高達幾十到上千千伏，我們以1000千伏，即100萬伏為例。跨步電壓區(qū)內雷擊暫態(tài)地電位呈指數衰減，大約10~20米半徑以外衰減到大地0電位。
立桿a：是攝像機安裝在立桿避雷針體上，接閃時立桿和攝像機等電位，都帶有100%的雷電反擊電壓Uo，這就是“專業(yè)防雷”的“立桿避雷針化設計”，其原理描述是：攝像機與立桿始終保持等電位，就像小鳥站在高壓線上一樣“是安全的”。至于攝像機的視頻線、電源線、控制線是與主機“零電位”連接的事實就“不談了”——小鳥尾巴用導線接地了，他們沒考慮。
“專業(yè)防雷”對立桿避雷針設計還有進一步的“科學解釋”：視頻線兩端都加有“接地防雷器”，可以保護攝像機和主機的安全。他們沒有說明：攝像機端的防雷器接地點選在那里？“防雷器”接地的放電能力如果不能比避雷針放電能力大10萬倍以上，怎么能把避雷針上百萬伏的放電電壓分流到攝像機要求的安全電壓呢？
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)控系統的設計，即使攝像機與立桿絕緣，百萬伏以上的雷電反擊電壓也可以輕易擊穿絕緣，構成系統重大安全隱患。
我們認為，室外孤立攝像機立桿，如果確實要防直擊雷，應該用獨立避雷針保護，而不是把攝像機立桿做成避雷針，造成雷電反擊電壓對安裝的攝像機和系統的直接攻擊。
立桿b：是攝像機立桿安裝在跨步電壓區(qū)內，距離避雷針5~10米，立桿和攝像機上帶有部分雷電反擊電壓，例如：當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）攝像機立桿，還要注意雨天絕緣下降，空氣擊穿強度為常規(guī)30kV/cm幾倍的距離，可以估算出立桿和避雷針間隔距離，攝像機立桿b要設置在離避雷針3、4米以外的地方，攝像機要與立桿絕緣；例如，即使有100kV，常規(guī)閃擊距離也達到3.3cm，雨天潮濕可達到10~20cm以上，如絕緣墊直接被雨淋，問題更大了，這一點必須謹慎對待。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的絕緣防護問題。
立桿c：是攝像機立桿安裝在跨步電壓區(qū)以外，攝像機立桿與大地等電位（0電位）。但是距離太遠，要求避雷針的高度越高，成本投入越高。
安防系統，攝像機與主機間有視頻線、控制線、電源線連接，系統主機接大地。系統的“廣域”特點，決定了局部可以等電位，但無法解決廣域系統的等電位問題。
雷擊地電位認識要點：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)設計”的立桿避雷針或者給避雷針旁的攝像機立桿做“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電網地電位
電網地電位的形成和特點
大地是一個超大的“靜態(tài)等電位體”，大地“零電位”只是一個宏觀平均概念；不僅雷擊可以造成局部地電位變化，電網系統故障也能以更高的發(fā)生概率影響著局部地電位。
電網系統有多種接地方式，例如：工作接地就是將變壓器的中性點接地；保護接地是指將電氣裝置不帶電的金屬殼體接地；保護接零是指電氣設備不帶電金屬殼體與系統零線連接等；防雷接地是指電氣線路和設備防雷器的接地。
電網是有直接電氣連接關系的超廣地域分布系統，電網和設備多點、多種接地方式是“電網地電位”形成的主要原因。我們應該對電網地電位形成和特點有所認識，有所了解：
1）電網多點接地：圖16是摘錄的一種電網安全運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)運行電網還有變壓器零線（中線）接地，大功率用電設備（如電機）機殼接地，還有建筑物內供電線路的零線接地等，這都是電網常見的接地措施。從安防系統設計考慮，我們只需了解，當電網三相供電平衡時零線電流為零；當三相供電不平衡時出現零線電流，零線上產生電壓，零線不同接地點之間便形成與不同的電位差。
2）電網失衡產生地電位：當供電系統或大型電力設備發(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“碰殼（繞組碰機殼）等等，都會出現地電位突然升高。高壓變壓器或高壓電機碰殼故障，接地點可產生超高壓的地電位突變，在接地點周圍形成“跨步電壓區(qū)”——地電位擴散區(qū)。
3）電網地電位波動幅度大：電網運行指標要求地電位差少于2V為正常，平衡是相對的（較低），不平衡是絕對的。電網故障地電位波動和突變可以從幾伏幾十伏，到幾百伏，甚至幾千伏。造成電網運行不平衡的主客觀因素很多，隨機性很大，突發(fā)性電網重大故障造成嚴重不平衡并不罕見。
4）電網地電位持續(xù)時間長：電網有自動保護設計，如跳閘或保險絲保護，但是需要注意，這大多是從高壓、大功率電力設備安全保護出發(fā)設計的，對弱電系統設備來說這種保護的“反應時間太長”了，弱電設備早已燒毀了。相對于持續(xù)時間“微秒級”的雷擊暫態(tài)地電位來說，“秒級”以上的電網地電位可以看成是長時間的，持續(xù)性的。
5）電網地電位發(fā)生概率高：相對于地面設備發(fā)生雷擊概率來說，電網發(fā)生嚴重和比較嚴重故障的概率要高成千上萬倍以上。雷擊只在雷雨天氣發(fā)生，電網地電位卻不管是陰雨還是晴空萬里天氣，一年四季都可能發(fā)生。
6）電網地電位涉及地域廣泛：一般說來，供電系統和設備的接地，都是用于故障發(fā)生時向大地泄放浪涌電流，起到保護作用，但浪涌電流泄放過程中，也同時引起地電位的突變。凡是電網到達的地方就會有電網地電位存在。舉例說，某車間的一個大型電機碰殼故障，如圖17所示：電機B相繞組碰殼，機殼接地點便立即帶有B相繞組碰殼點的電壓，大地會形成一個地電位擴散區(qū)。車間接地鋼結構與電機殼接地“等電位連接”，攝像機就安裝在接地鋼結構上，這時攝像機外殼也帶有這個“地電位”電壓。電機有高低壓之分，低壓有2相220V電機，3相380V電機、660V電機等，高壓電機有3000V電機、6000V電機等；不同電壓的電力設備故障、不同故障性質引起的地電位變化是不同的。幾乎所有建筑物配電系統，都有“接地點”，也就都可能發(fā)生地電位變化。建筑物內的“聯合接地”、“等電位接地網”，又延伸、擴大了地電位的影響范圍。
7）電網地電位的不可預測性：一個多點接地監(jiān)控系統，對于系統中哪個接地點，什么時間，發(fā)生多大的地電位突變目前還沒有預測辦法，這是因為電網故障在什么位置發(fā)生，什么時間發(fā)生，發(fā)生什么性質的故障都是事先難以預料的。有人說：我把攝像機接地了，沒事。可是誰能保證電網永不發(fā)生故障，或者發(fā)生故障時，不會影響到這個接地點的地電位呢？
8）電網地電位的信號特征：電網地電位信號基本是50赫茲市電信號特征，少數也有高頻脈沖群特征，畫面表現為橫向水平寬帶狀短線，示波器波形為一群一群脈沖，脈沖群對應市電正弦波兩個頂部，這是變頻電機電流開關諧波影響，多見于變頻電梯的攝像機與接地轎廂沒做絕緣的情況，或自動供水系統、集中空調系統的變頻電機環(huán)境。
“電網地電位”的認識要點：第一，電網地電位是客觀普遍存在的；第二，電網地電位難以預測；信息系統的“廣域”特點，決定了是不可能實現“全系統等電位連接的”。
地電位——這是安防系統安全設計、抗干擾設計必須認識和認真對待的問題，也是安防防雷設計必須認識和認真對待的問題。
1.3地電位環(huán)路
安防工程是一個跨越區(qū)域較大、并有緊密電氣連接關系的廣域弱電系統。
1）地環(huán)路的基本概念
一條傳輸線A、B兩端接大地，就構成了地環(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便通過地環(huán)路影響傳輸線連接的系統設備。如果系統有多點接地，就可以構成更多的、縱橫交錯的地環(huán)路，例如多個攝像機接大地的系統。地環(huán)路給地電位入侵安防系統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點存在高電位VA；主機端有安全接大地，假定V0=0；
2.攝像機端接地開關K開路，代表攝像機不接地，攝像機和視頻線始終和主機等電位，與主機地電位一起浮動；
3.攝像機端接地開關閉合，代表攝像機接大地，構成地環(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75歐姆匹配電阻與芯線構成回路，所以在兩端負載上就必然有地電位的分壓，一端入侵到攝像機輸出電路，一端入侵到主機輸入電路，輕則形成干擾，重則燒毀設備。
4.安防系統多點接地產生的地環(huán)路的因素有：
○1接地攝像機——接地主機之間構成地環(huán)路；
○2接地攝像機——其他接地攝像機之間構成地環(huán)路；
○3包括視頻設備、交直流電源設備和控制設備接地點，凡是有直接電氣連接關系的系統，所有接地點之間都可以構成“地環(huán)路”。
3）安防工程引入地電位的常見工程案例
1.攝像機與金屬立桿沒絕緣，直接引入地電位（通常攝像機的外殼為金屬結構，是視頻信號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、控制線設備接大地，構成系統復雜的地電位環(huán)路關系，地電位可以觸發(fā)防雷器導通，把地電位引入系統設備；
3.墻壁安裝攝像機，金屬螺絲碰到建筑物鋼筋；
4.攝像機安裝在室外接地的廣告牌或金屬鋼結構上；
5.攝像機與電梯轎廂沒絕緣；
6.金屬鋼結構廠房，攝像機安裝在金屬架構上；
7.金屬防水盒內與立桿連接接地，監(jiān)控設備固定在防水盒上，接大地。
4）系統地電位環(huán)路傳導
工程中經常遇到BNC頭帶電、麻手，有靜電，有交流電壓等現象，大都屬于地電位傳導現象。
○1如圖20所示的一個小系統，有攝像機a、b、c、d、e和一個主機(O點)，視頻線在主機上匯接。攝像機C和E接大地，主機和其他攝像機不接地。假設只有C點地電位Vc≠0，其他點都為0電位。
○2地電位差Vc加在C、E電纜兩端，假設主機在中間，主機機殼電位就大約是：Vo=Vco=Veo=Vc/2；BNC頭“帶電”了，這對設備和主機操作人員來說，有安全隱患。
○3顯然，c和e兩路電纜兩端都加有Vc/2電壓，這個電壓都通過兩端匹配電阻與芯線構成回路，在主機負載上形成干擾電壓，這兩路視頻出現地電位干擾。
○4這時a、b、d三路攝像機由于沒接大地，電位隨主機浮動，沒有地電位干擾。
○5a、b、d三路攝像機，哪一路如果再接大地，也同樣會出現干擾，都接大地都有干擾，這就是“地電位環(huán)路傳導”的概念：把一個C點的地電位通過地環(huán)路傳導到系統其他設備。
○6如果把主機機殼接大地，接地電阻為0，這時c點地電位就只影響c路，對其他路沒有影響。主機接大地后隔離（屏蔽）了對其他各路的影響，主機操作是安全的。顯然，這給查找工程“錯誤接地點”也帶來了方便。
○7如果系統只有主機一點接大地，所有前端設備、分控設備、顯示設備都不再接大地，全系統電位隨主機接地點一起“浮動”，這就可以切斷所有地電位入侵路徑。
5）注意“隱蔽的”電網地電位入侵
當安防系統前端攝像機與大地已經做好絕緣了，所用電源是就地取電，但是所用的電源適配器前后沒有隔離，也就是說開關電源沒有輸入輸出端的光隔離，或線性電源次級“地”與初級接地短接，這就把“電網地電位”引進了安防系統。這類“故障”很隱蔽，很難查找。
防止隱蔽的電網地電位入侵設計的基本原則是：“系統所用交流電源與電網是電氣隔離的”，即220VAC或24VAC都不分火線和零線（地線），都是“平衡傳輸的交流電壓”，例如變壓器初次級隔離，開關電源輸入輸出端有光隔離，主機所用UPS電源，輸出端與輸入零線、地線沒有連接關系。
【結論】“地電位”是客觀存在的物理現象，“雷擊地電位”屬于特殊天氣條件、特殊地點下的“偶發(fā)事件”，“電網地電位”是影響大地電磁環(huán)境的“常態(tài)因素”。“地電位”入侵安防系統的路徑是多點接地形成的“地環(huán)路”，安防系統設計本身不需要多點接地，防雷也沒有理由采用多點接地，廣域信息系統多點接地屬于錯誤認識和安全隱患設計。
