佛山市富兰防雷研究所有限公司 南海分所 528208
【摘 要】闭路监视系统涉及范围广，其设备是微电子弱电设备，在雷雨季节的损坏概率很高，以至系统瘫痪。本文通过对系统设备结构、系统布线及产生雷害的分析，采取了针对性的做法，实践证明行之有效。
【关键词】闭路监视系统；雷电感应；屏蔽；零秒响应装置；避雷器
一、闭路监视系统结构的基本原理
闭路监视系统一般由电源、摄像机(摄像头或通常讲的电眼)、镜头、云台以及其控制器、监视器、录像机等几部分组成。其基本的工作原理是通过配备合适镜头的摄像机获取所需图象，然后用视频信号传输线将视频图象信号传送至监视器，而人就可以坐于监视器之前观万物之动静，对有保留价值的用录像机进行实时或时滞收录，以便重现图象，分析原因。当有需要时，还可以配置声音传输、录音、监听的设施，以及附装微波传感器、红外线传感器，设置联动报警装置，自动发出声光报警信号，启动摄像和录像设备。
下面就先对闭路监视系统各部分功用作一简单的介绍：对于镜头有手动和电动之分，手动一般只能人工调整光圈大小以及焦距的远近，而电动的通过控制不但有这两种功能，还可以调变焦的广角、窄角。经过对镜头的调整才可以让摄像机获取的图象清晰。云台实际上是可以上下摆动及左右转动的两个控制电机，将配有镜头的摄像机固定于云台的上面，就实现了看图象更改角度的随意性了。而镜头和云台控制器，通过控制线就可以在监视器之前对镜头、云台进行人工操控或采用矩阵联接网络用微机控制。画面分割切换系统就是将同一个监视器屏幕分成多个小屏幕同时显示多个传送回来的视频信号图象或将多个图象进行单个的撤消、更换。
二、闭路监视系统的雷害分析
闭路监视系统通常的设备布置及布线方式不正确为雷害带来隐患。从调查的情况来看，闭路监视系统个别的摄像机往往处于建筑物的制高点或室外位置，致使成为直击雷和雷电感应损害的对象。由于闭路监视系统摄像机的装设分散，而功能遥控信号采用由监控室直接控制方式或间接控制方式（并行或串行并码信号传输），其网状的线路分布极易受雷电感应的威胁。当线路上方出现雷雨云的时候，由于静电感应而使这网状的线路（包括电源线、控制线、视频信号线）或系统设备积聚大量与雷云异性的束缚电荷，在雷云与雷云或雷云与大地放电后，线路上的束缚电荷被释放形成自由电荷，向线路两端行进，成为过电压波（行波），因此顺着线路波及与系统相关的设备，扩展了雷害的范围。再者，系统的强电线路（AC220V）与弱电线路（控制线、视频信号线）并行，由于空间的感应，致使弱电线路受雷害的机率增多。还有一种很少见的情况，就是直击雷直接打在系统的线路或设备上。
据调查分析的结果，摄像头一般的直流工作电源为DC12V，通常由一个小型变压器将AC220V降压、整流提供。当用交流电进行远距离供电时，因雷电感应形成的行波从电源线入侵，损坏此小变压器原边线圈居多，使摄像头失去提供的工作电源，系统瘫痪；而摄像头电路板上的DC12V的稳压器件损坏不多。当将电源变成DC12V再远供摄像头使用时，很明显，这种情况损坏摄像头电路板上的DC12V稳压器件居多。显然，在雷电高压从交流电源线入侵时，变压器成了雷电波的必经之路，针对上述情况，下面集中分析一下这小型变压器：
在雷电高压的作用下，变压器线圈绕组本身电感，以及绕组对地电容和纵向电容（匝间电容和线盘的层间电容）可以看成是一个具有分布参数电感电容网络电路的波过程。对于雷电冲击电压波，波前部分等值频率较高，感抗较容抗大得多，此时绕组的分布参数电路可等值为对地电容和纵向电容组成的电容链，其绕组匝间、线盘间以及绕组对地将产生很高的电位梯度。理论上分析：当线圈绕组末端接地，在其首端有可能出现的最大电位为雷电高压峰值的1.4倍；当线圈绕组末端不接地，在其末端有可能出现的最大电位为雷电高压峰值的1.9倍。实际上由于剧烈的电磁振荡过程及绕组内的损耗，线圈绕组各点在不同时刻出现的最大电位梯度将较上述要小些，但其潜在的危害性足以损坏甚至损毁线圈。鉴于一般的小型变压器线圈绕组紧凑，而绝缘水平较低，从而导致线圈绕组的主绝缘（线圈对地的绝缘）和纵绝缘（线圈匝间绝缘和线盘间绝缘）击穿。（参见文献5《高电压工程》第七章）
而副边设备被雷击损坏的机率小，可以从变压器的方程作以下解释：
对于具有N 匝线圈的闭合回路，在其磁通量的变化为时间的函数时，其感生电动势(感应电压)：
u= N d(t)/dt （1----1）
设(t) = m sint, 而m =BmS。
m为最大磁通量，Bm为磁感应强度最大值，S为截面积。
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则（1----1）式为： u = N m cos t
=2f N BmS cos t
其最大值为： um=2f N BmS， （1----2）
其有效值为： U=2f N BmS /
U=4.44 f N Bm S （1----3）
（1----3）式中：U -------变压器原（副）边电势，V；
f --------电源（信号源）频率，HZ；
N --------原（副）边线圈的匝数；
Bm -----铁芯材料的磁感应强度最大值，Wb/m2；
S -------铁芯的截面积，m2。
而实际上，铁磁物质的磁感应强度与磁场强度不成线性关系，鉴于当雷电的脉冲电压由原边入侵过来时，其时变的电压波为非正弦波，较变压器正常的工作电压高很多倍，由此而激励的磁感应强度饱和，达至最大值，变压器的铁芯饱和，致使磁----电的正常变换暂时受到抑制，对雷电高压的幅度起了箝制作用，过高的雷电高压不能再传输到变压器的副边，对用电设备起了一定的保护作用，但对变压器的原边则由于电位梯度过大而被击穿。
对于云台功能的控制线，当为自动时或用于手动并按下按钮时才形成电气回路，因此其雷害也相对来讲不多。而视频信号方面多由于雷电感应或雷电高压由地线（屏蔽层）反馈所致。而对于长期处于工作状态的系统，则上述雷害的情况都有可能同时发生。
三、闭路监视系统防雷工程的一些做法
基于上述雷害的分析，对处于室外位置或建筑物的制高点的摄像头装设避雷针加以防护，防止直击雷直接袭击摄像系统。为抑制雷电感应强度及防止电磁干扰的危害，对各个监控点与系统有关的线路进行不短于15米的穿钢管屏蔽埋地敷设，必要时或雷害严重的地方对视频线和功能控制线及电源线全线穿钢管屏蔽埋地敷设。而屏蔽的作用分析如下：
对于穿有钢管屏蔽的导线，如果有雷电冲击电流波沿导线窜入，此电流波随时间变化，di/dt的值很大。按右手螺旋定则，导体的周围产生变化的磁场，由于钢管的磁导率是空气磁导率的2000倍左右，因此钢管截面的磁通量相对在空气中要大2000倍左右，使得产生的感生电势E=-d/dt也相对大了2000倍左右，阻碍雷电流的变化，阻止雷电流沿导线通过。在钢管的磁感应强度未饱和时，导线上产生的感生电流将与雷电流大小接近相等，相位相反，大致抵消。
另外，从空间辐射过来的电磁波在遇到穿钢管屏蔽的导线时，电磁波将在钢管的外表面与管外空气的交界面以及钢管的内表面与管内空气的交界面因波阻抗的突变形成反射，损耗、削弱了电磁波，而电磁波穿透钢管管壁时产生的吸收损耗，也同样消耗了电磁波的能量。
当把屏蔽钢管接地并在首端与导体芯线并装上避雷器，效果就更加理想了。接地后，空间过来的电磁波大部分因屏蔽被反射、吸收、泄放下地，钢管内导体的感应电压相对减小，若感应的电压过高，还有避雷器的保护。而沿穿钢管导线窜入的雷电流，由于雷电高压的作用，避雷器动作，雷电流一部分经避雷器泄放入地。另一部分流经屏蔽钢管，此时di/dt极大的雷电流将产生集肤效应，雷电流被外挤到钢管的外表面上去，也被泄放入地，因此沿导体芯线流向设备的雷电流将趋于零。
因此，用钢管将线路屏蔽埋地敷设是一种简单可行的好方法，屏蔽钢管将对波头很陡，高次谐波丰富的雷电流起到抑制和削减作用。
此外，由于摄像机装设分散，大多采用就近供电解决，而视频设备多采用集成电路，工作于低电平，并且视频信号为模拟信号，最容易与交流电地线上的残余电压迭加，形成电磁干扰，致使图象模糊。（视频信号一般为6MHZ以下，而工业电磁干扰信号有很大部分在这段频率范围内。）因此系统采用一点接地方式，再经一接地开关与其他系统共地。接地开关能在闭路监视系统正常工作时与其他系统分立，而雷击时共地。鉴于这种情况，闭路监视系统的监控室宜设在监视目标群的附近且电磁干扰信号小的地方，采取集中统一三相五线制供电电源，设专用配电盘及与系统功率相适应的稳压装置，必要时采用UPS不间断电源供电方式，便于整个闭路监视系统电源方面供电的通断控制。同时，由于电视系统均采用具有的本体晶振与电源锁相同步方式，在远端摄像机的供电与监控室同配电箱同相位回路电源时，可使视频信号切换时保持监视器画面的相对稳定，增强闭路监视系统抗电磁干扰能力及便于系统电源防雷的统一考虑。对线路的敷设可采取电源线与控制线、视频信号线共沟分隔敷设或控制线、视频信号线共沟，而电源线单独敷设。当然，最好还是分别穿钢管屏蔽敷设，但绝不能全部共管敷设，避免由于钢管的屏蔽在管内产生相互干扰。对于长距离传输图象信号为避免强电磁场干扰及防雷，可采用光纤传输，但需将加强光纤机械性能的金属芯线、边线、外皮以及其接续的金属护套及光端机外壳作接地处理。
监控系统的专用配电盘装设一套三相雷电波波前零秒响应装置及一个三相电源避雷器；再在专用的同相位单相回路装设单相电源避雷器，对上级三相电源避雷器存在的有害残压进一步降低，净化电源；对监控室与外界监控点联系的控制线、视频信号线装设相对应的专用避雷器。对各个监控点装设单相电源避雷器，与监控室相联系的控制线以及视频图象信号馈线装设相对应的专用避雷器，防止瞬态浪涌电压、脉冲电流对电子仪器设备的冲击。
雷电波波前零秒响应装置能克服现时国内外所有避雷器动作延时的弊病，而使设备在动作延时的瞬间(ns级)被毁，它能将特别尖锐的雷电脉冲“钝化”，以赢得必要的时间来配合其它防雷系统起更有效的作用。
四、闭路监视系统防雷工程的注意事项及体会
闭路监视系统在防雷工程过程中摄像头装设的避雷针应避免靠近系统线路，当线路进行了穿钢管屏蔽后，要将金属管与避雷针作等电位的连接。对装设了视频图象信号避雷器后，其避雷器的接地应注意利用同轴电缆的屏蔽层作信号电流的回线，减少形成地环路的面积，提高系统抑制电磁干扰的能力。
闭路监视系统分布范围大，设备分散，针对监控点不同的地理环境与布线，利用监控点所在建筑物现有的防直击雷系统及系统本身的设备特点，有的放矢，作好综合性的系统防雷措施。以上防雷工程的做法在南海市某供水系统、广州市黄龙带水库及其它地方闭路监视系统的实际应用过程中，经历了几个雷雨季节和几场大的雷暴，但是闭路监视系统一直安全运行，实践证明行之有效。
参考文献：
[1]《建筑物防雷设计规范》国标GB 50057-2010。
[2]《民用建筑电气设计规范》行标 JGJ16-2008。
[3]《民用建筑电气设计规范》条文说明
[4]《雷电与避雷工程》苏邦礼、崔秉球、吴望平、苏宇燕编著，中山大学出版社 1996
[5]《高电压工程》邱毓昌、施围、张文元，西安交通大学出版社 1995
[6]《电磁兼容性》吕仁清、蒋全兴，东南大学 1989
[7]《电路》下册（第三版）附录B 高等学校教材 邱关源主编 1989
[8]《工厂供电》第八章 刘介才编 1984
论文作者:崔健璋
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第7期
论文发表时间:2016/8/19
标签：雷电论文; 避雷器论文; 钢管论文; 雷害论文; 绕组论文; 监视系统论文; 系统论文; 《低碳地产》2015年第7期论文;