安全監控系統雷擊損壞分析及整改措施

盧彥彰 羅家林 黃凱敏

（珠海市防雷設施檢測所，廣東 珠海 519000）

雷電具有巨大的破壞性，雷電放電的瞬時電壓可達500kv以上，閃電電流幅值可達100～300KA。受強大的電荷感應和電磁場感應影響，強雷電流可經線纜侵入電子終端，造成系統損毀等巨大的經濟損失。當今閉路電視監控系統中，矩陣切換器、數碼硬盤錄像機、攝像機和解碼器等關鍵部件中的核心器件為CMOS的IC，其擊穿電壓僅為幾十伏的量級，也極易受雷擊損毀。因此，防雷保護就顯得尤為重要。

1 雷擊災害概況

2010年9月20日1011號臺風凡亞比中心自東向西經過廣州，中心氣壓998百帕，中心風力16米/秒（7級），陣風21米/秒（9級），雖已減弱為熱帶低壓，且沒有正面襲擊珠海，但由于中心與珠海市區最小距離僅為137公里，凡亞比的內部環流還是為珠海帶來了一系列不穩定的天氣。凡亞比對珠海的影響主要是引起了暴雨和雷暴，廣東省雷電探測分析系統20日捕獲的數據顯示當日珠海境內閃電數約為2200個。珠海氣象臺發布了黃色暴雨和雷暴預警。當天下午16：30分左右，地址位于珠海市唐家灣鎮的某公司遭受強雷電閃擊，據被調查人對事件描述情況：當時廠區上空電閃雷鳴，雷暴活動頻繁，突然一陣雷電閃擊后，看見廠區院子里出現火球。隨即保安室空氣開關跳閘，安全監控系統監視器上的一些監控區域無圖像顯示，經檢查發現原因是攝像機和其變壓器損壞，系統的畫面分割器、監視器、控制設備等其余部件無損壞。此次雷擊事故造成公司損壞攝像機10臺，直接經濟損失約1萬元。雷擊事故導致公司監控系統癱瘓，存在極大

2 氣象資料的分析

對廣東省雷電探測分析系統捕獲的閃電數據進行篩選，得出各主要時段閃電分布情況如下：安全隱患。因此，做好此次雷災事故的調查分析十分必要，提出整改措施，以減少類似事故發生的機率。

以上四個小時發生的閃電數總和占全天閃電數的98.5%，可以認為20日的雷暴過程幾乎只發生在16-19時這個時間段里。該公司的雷災事故發生在16:30左右，而此時正是珠海雷暴始發期。

對廣東省雷電探測分析系統捕獲珠海9月20日大氣電場變化圖，16-19時這個時間段里大氣電場突變較大（如圖1所示），說明了該時段雷暴活動較為頻繁。

凡亞比在福建再次登陸后，路徑顯得較為曲折，呈現了西南偏西→西北→偏西→西南偏西，最后往西這樣的走向（如圖2所示）。按照此路徑結合地理位置，凡亞比內部云系將首先進入我市東北部地區，該公司正是處于珠海東北部的唐家灣（如圖3所示），所以首當其沖。

從雷達圖上看到（如圖4所示），13:30珠海上空清朗明凈，只是凡亞比云團主體已經在東部壓境；16:30分本市境內幾乎全部被云團覆蓋，而該公司所在的唐家灣科技創新海岸正處于強回波區之下。這條長約16公里的紅色高亮回波帶在4小時內貫穿并橫跨了我市所有行政區域，20時才完全脫離珠海范圍。但直到21日凡亞比結束對珠海的影響，代表可能有持續降雨的綠色弱回波才逐漸消散。

并不是每個臺風登陸后都會有雷暴生成，必須要有強對流天氣的存在。形成雷雨云要具備一定的條件，即空氣中要有充足的水汽，要有使濕空氣上升的動力，空氣要能產生劇烈的對流運動。而紅色的強回波區所覆蓋的區域對流運動非常旺盛，這是由于珠海地處海岸線邊沿，暖濕的海風與臺風內部氣旋交匯后，加強了輻合上升運動，從而促進了對流運動的增強，也是這次凡亞比攜同強雷暴襲擊珠海的原因。

3 監控系統的構架

電視監控系統（Closed CircaitTelevisiow，簡稱CCTV）一般由以下3部分組成：

3.1 前端部分：主要由黑白（彩色）攝像機、鏡頭、云臺、防護罩、支架等組成。

3.2 傳輸部分：使用同軸電纜、電線、多芯線，采取架空、埋地或沿墻敷設等方式傳輸視頻、音頻或控制信號等。

3.3 終端部分：主要由畫面分割器、監視器、控制設備等組成。

4 防雷裝置概況

監控機房設在保安室，保安室天面上無防直擊雷設施，室內也無等電位聯結端子。前端設備（如攝像機）有室內安裝和室外安裝兩種情況。室外安裝的攝像機采用不銹鋼管作為支架，支架沒有進行接地處理，且攝像機無接閃器保護。攝像機的電源線和信號線穿塑料管沿桿引上，入設備前無加裝避雷器保護。監控系統電源由保安室配電箱供給，配電箱內無浪涌保護器（SPD），攝像機的電源使用交流220V，經變壓器整流后變為直流24V。閉路監視線采用屏蔽同軸電纜，但屏蔽層并無接地，控制信號傳輸線采用多芯屏蔽軟線，屏蔽層亦無接地，電源、視頻、信號線路均采用穿PVC管保護埋地敷設，線路無浪涌保護器（SPD）保護。

5 監控系統雷災成因

5.1 直擊雷

雷電直接擊在露天的攝像機上造成設備損壞；雷電直接擊在架空供電線纜和信號傳輸線纜上造成線纜熔斷。

5.2 雷電波侵入

第一種是直擊雷直接擊中室外的金屬導線，使閃電的高電壓以脈沖波的形式沿導線侵入室內。

第二種是雷電感應：當雷擊避雷針時，在引下線周圍會產生很強的瞬變電磁場。處在電磁場中的監控設備和傳輸線路會感應出較大的電動勢。這種現象叫電磁感應。當有帶電的雷云出現時，在雷云下面的建筑物和傳輸線路上都會感應出與雷云相反的電荷。這種感應電荷在低壓架空線路上可達100kv，信號線路上可達40至60kv，這種現象叫靜電感應。電磁感應和靜電感應稱為雷電感應。它對設備的損害沒有直擊雷來得猛然，但比直擊雷發生的幾率大得多[1]。

第三種是由于云地閃電擊在建筑物上或建筑物附近時，因雷電流通過引下線流入接地體時，在接地體上會產生幾十千伏至幾百千伏的高電壓，這種形式的高電位可通過電路中的零線、保護接地和綜合布線中的接地線，以脈沖波的形式侵入室內，并沿著導線傳播，殃及更大的范圍。

5.3 雷電電磁脈沖

第一種是傳導耦合，閃電干擾通過各種導線、金屬體、電阻和電感及電容等阻抗耦合至電子設備的輸入端，然后再進入設備。

第二種是輻射耦合，閃電電磁輻射通過空間以電磁場形式耦合到電子設備的天線上、電纜設備上。

6 雷災原因分析

根據該日氣象資料，并結合監控系統自身特征、防雷裝置安裝情況綜合分析，我們認為此起為一起經典的雷暴過程引起的雷災事故，我們采用"排除法"確定此雷災事故的原因。室內設備一般不會遭受直接雷擊，室外設備無受直接雷擊的痕跡，故排除直擊雷損壞可能。監控系統線路埋地敷設，排除直擊雷直接擊中室外金屬導線的情況。監控室無設置防雷引下線，雷電擊在建筑物上或附近建筑物上，因雷電流通過引下線流入接地體形成高電位的可能性也較小，故可排除雷電波侵入的三種途徑。因此引起本次雷災事故的原因是：廠區空中發生強烈雷擊，在閃擊通道周圍產生巨大的瞬變電磁場，由于監控系統屏蔽、接地、過電壓保護或相關保護措施不完善，其設備內部電路因耦合產生過電壓，致使某些部分元器件電位升高，當電壓超過集成電路模塊等耐壓水平時，即造成該部件擊穿損壞。

7 整改措施

7.1 前端設備的防雷

前端設備（如攝像機）應置于接閃器（避雷針或其他接閃導體）的有效保護范圍之內。當攝像機獨立架設時，避雷針最好距攝像機3米以上。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φ8mm以上的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應，金屬支撐桿應進行接地處理，接地電阻≤4Ω，沿桿引上攝像機的電源線和信號線應穿金屬管屏蔽。

為防止雷電波沿線路侵入前端設備，應在設備前的每條線路上加裝與其配合的避雷器，如電源線、視頻線、信號線和云臺控制線。

7.2 傳輸線路的防雷

從防雷效果看，在各種敷設方式中直埋敷設方式的防雷效果最佳，但埋地敷設并不能阻止雷擊設備現象的發生。即使雷擊發生在比較遠的地方，仍然會有部分雷電流流入線路。所以應采用帶屏蔽層的線纜或線纜穿鋼管埋地敷設方式，其屏蔽層和鋼管的兩端應可靠接地，這對防護電磁脈沖干擾和電磁感應非常有效。當線纜全程穿金屬管有困難時，可在線纜進入終端設備和前端設備前穿金屬管埋地引入，但埋地長度不得小于15m，而且在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管同防雷接地裝置可靠近接在一起[2]。

高電位引入是雷電高壓通過金屬導線引入室內造成破壞的雷害現象，這種雷害現象占雷害的絕大部分。為保證設備安全，一般電源線上應設置三級電涌保護器進行保護，室外攝像機的視頻傳輸線、信號控制線、電源線進入前端設備之前或進入中心控制臺前也應加裝相應的避雷器保護。建議在變配電室低壓母線處使用波形8/20μs，In≥65KA的SPD；樓層配電箱內設波形8/20μs，In≥40KA的SPD；在弱電系統用電配電箱內設波形8/20μs，In≥15KA的SPD。在信號線上采用波形8/20μs，In≥3KA的SPD。

在電源線和信號傳輸線上安裝變壓器可以對雷電高電壓引入起到有效的抑制作用，原理是：當強大的雷電波輸入變壓器時，由于雷電波電壓比變壓器正常的電壓高很多倍，使得激勵磁感應強度遠遠大于鐵芯允許通過的最大磁感應強度Bm，因而變壓器鐵芯飽和，變壓器的磁-電變換暫時失效，雷電高電壓不能傳輸到變壓器的副繞組，從而保護了用電設備。所以，凡是裝了變壓器的電子儀器比未裝變壓器的電子設備被雷擊損壞的概率小得多。此方法也稱之為隔離變壓器法。

監控系統在室內布線時，要注意避免出現較大的線路回路，應使電源線與信號線平行布置構成小回路。

7.3 終端設備的防雷

監控室所在建筑物應有防直擊雷的避雷針，避雷帶或避雷網。進入監控室的各種金屬管線應接到防雷接地裝置上。監控室內應設置一等電位接母線（或金屬板），該等電位連接母線應與建筑物防雷接地，防雷保護線PE，設備保護地以及防靜電地等連接在一起以防止產生危險的電位差。各種電涌防護器（避雷器）的接地線應以最短的距離與等電位連接母排進行可靠電氣連接。良好的接地是防雷中至關重要的一環。接地電阻值越小，過電壓值越低。監控室可利用建筑物原有地網作為共用接地體，其接地電阻大得大于4Ω，若阻值達不到，可外接人工地網，直至達到設計要求。

結語

在雷電發生區的其他電子設備，由雷電電磁脈沖造成的故障和損壞是最常見的。大部分事故是雷電電磁脈沖經電源線和信號線侵入設備造成的。

一個信息系統是否需要防雷電磁脈沖，應在完成直接、間接損失評估和建設、維護投資預測后認真分析綜合考慮，做到安全、適用、經濟。

[1]梅衛群，江燕如.建筑防雷工程與設計[M].北京：氣象出版社，2004.

[2]周志敏，周紀海，紀愛華.電子信息系統防雷接地技術[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[3]國家技術監督局.GBS0057-94建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2000.