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视频监控摄像机防雷技巧
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  随着安防行业的迅猛发展,防雷行业参与安防监控系统防雷设计的机会越来越多。视频监控系统越来越明显地朝着集成化的方向发展,于是前端摄像机逐渐在被各种技术、功能模块充实。目前前置的防雷器尽管没有表现出比外接防雷设计更好的防雷效果,但是集成化趋势必然让防雷摄像机成为未来监控摄像机市场的一颗新星。
  监控摄像机防雷背景
众所周知,雷电具有极大的破坏性,其电压高达数百万伏,瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次:一是设备损坏,人员伤亡;二是设备或元器件寿命降低;三是传输或储存的信号、数据(模拟或数字)受到干扰或丢失,甚至使电子设备产生误动作而暂时瘫痪或整个系统停顿。随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用和联网,传统避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压,而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。每年各种通讯控制系统或网络因雷击而受破坏的案例屡见不鲜。
监控系统的防雷保护比较复杂,首先需要明确监控系统遭受雷击损害的主要原因以及雷电可能的侵入途径,尤其是雷击损坏较为严重的室外监控设备,在分析其损坏原因的基础上,包括研究和探讨信号、电源线路的布放、屏蔽及接地方式等,方可以正确选择和使用监控系统设备的防雷保护装置。
视频监控系统设备一般由以下三部分组成:前端部分,主要由黑白(彩色)摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成;传输部分,使用同轴电缆、电线、网络双绞线、光纤、无线网等,采取架空、地埋或沿墙敷设方式传输视频、音频或控制信号等;终端部分,主要由视频分配器、矩阵、硬盘刻录机、画面分割器、监视器、控制设备等组成。
雷电对监控系统的危害,主要由以下四个方面造成:直击雷、雷电波侵入、感应雷、地电位反击。直击雷:雷电直接击在露天的摄像机上造成设备损坏;雷电直接击在架空线缆上造成线缆熔断。雷电波侵入:CCTV的电源线、信号传输或进入监控室的金属管线到雷击或被雷电感应时,雷电波沿这些金属导线侵入设备,造成电位差使设备损坏。感应雷:在周围1000公尺左右范围内(有资料为500公尺或1500公尺,距离应随着雷击大小和屏蔽措施而变化)。发生雷击时,LEMP在上述有效范围内,在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害。地电位反击:雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面,导致地电压升高,并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵建筑物内部设备形成地电位反击。
监控系统设备通过各种传输线路作为内外连接,导致其自身遭受以上各种雷电危害的可能性大大增加,其中尤其是位于监控系统前端部分的监控摄像机往往首当其冲。并且由于监控摄像机往往处于室外,使其遭受雷电危害的几率远大于其他的监控设备。
  寻找合理的防雷方案
监控摄像机必须连续不间断,往往是7×24小时连续工作的,不能采用建议家庭电视在雷雨天气下拔下电源和天线采用躲避防雷一样进行防雷。因此,必须在监控摄像机正常工作情况对雷电实施防护,这是其中必要性的一个方面。监控系统往往安装在人员不能轻易到达的场所,例如高速公路沿线、无人值守的野外机房等,或者虽然安装在人员容易到达,但维护不太方便的场所,例如交通要道上,因此如何降低系统故障维护率将是一个重要的考虑因素。我们可以想象两个场景来描述这个监控系统进行电涌保护的意义:一、高速公路上某个监控点无图像了,维护人员需驱车30公里进行维护;二、某交通要道监控点,在上下班的高峰期突然没有图像了,工程人员需要在十字路口架起云梯进行维护。
目前,市场上出现部分防雷型摄像机,使摄像机本身具备防雷功能,这类防雷摄像机通常是在电路板上集成GDT(气放管)或TVS(瞬态抑制二极管)等过电压器件,起到雷电浪涌抑制作用。这和专业的防雷器SPD的作用相比还是有很大缺陷。
缺陷一:雷电浪涌往往是沿着摄像机的传输线路引入,进入摄像机的线路包含电源、同轴、信号、网络等,由于线路板上的集成器件往往只针对部分线路进行防护,无法阻止雷电浪涌通过其他线路进入,从而损坏摄像机。
缺陷二:单一的器件保护不符合防雷的多级保护、逐级限压的要求,如单一TVS虽然能够极快吸收雷电浪涌能量,但自身承受能力有限(只有几百安),面对几kA、几十kA的雷电浪涌电流,自身都很容易损坏,而单一的GDT器件虽然可承受的能量高,但反应速度慢、残压高,无法做到充分保护。
缺陷三:单一的过电压器件在线路中缺乏安全保护器件配合,一旦过电压器件性能降低或损坏,却无法从线路中断开,会导致持续发热致燃烧损坏摄像机。
缺陷四:过电压器件集成在设备电路板上,一旦发生故障,就需要更换摄像机,不但非常麻烦,而且成本会大大增加。
缺陷五:组合式过电压器件受监控摄像机内部空间以及电路板设计限制,导致无法充分安装,从而无法达到理想的保护状态。而解决前端监控摄像机的防雷保护,最有效、最合理、风险最低的解决方案其实就是采用了安装组合式监控防雷器(SPD)为主的集成式解决方案,通过接闪、屏蔽、接地、分流、等电位等防雷原理来设计,从而达到对监控摄像机的全方位保护。
接闪指的是在室外较高的摄像机金属立杆上安装避雷短针,利用金属立杆本身或铜导线作为防直击雷的引下线,并且在立杆下设置一组地网,地网的接地电阻宜小于4欧姆。
屏蔽指的是将摄像机、光端机等监控主设备以及之间的传输线缆采用连接在一起的金属外壳包围起来,从而形成防雷分区的I区,通过金属的屏蔽电磁场作用降低感应雷的破坏性。
接地指的是将上述屏蔽层包括设备箱、设备外壳部分以及SPD的接地等真正连接到大地,使得雷击时能量能够通过大地泄放。
分流指的是通过安装SPD,使得本可能流经监控系统设备的雷电流流经SPD,将高于系统能承受的额外能量通过SPD泄放到大地。
等电位指的是所有系统中的设备通过SPD设计和线路连接方案设计,使得在雷击发生时都处于一个相同的高电位或者低电位。
值得注意的是现在市场上的SPD品质良莠不齐,如果选择质量无法保障的产品,不但达不到上述效果,往往还会带来传输干扰、线路短路、甚至故障燃烧等严重后果,因此建议选用大品牌且质量获得国家认证的产品,比如ASP等。
  结束语
防雷是一个系统工程,脱离整个系统的防雷设计,是不完善而且不安全的,如果选用单一产品来解决,很可能出现“头痛医头,脚痛医脚”的局面。只有采用多种方式结合的全方位保护模式,才能真正起到对摄像机的保护作用。

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