关于安防监控系统防雷技术

 

一、安防监控系统为什么要实施雷电防护


    在联合国确定的国际减轻自然灾害的十年中,雷电灾害已经上升到自然灾害首位。由联合国国际十年减灾委员会公布的严重影响着人类正常生活、工作基本安全的十大自然灾害中,雷暴由于它对人类生命、财产的严重威胁,被列在了显着的地位。
    监控系统在飞速发展的今天,监控系统遭受雷电破坏的事件经常发生,监控防雷越来越受到关注。我们始终关注着由雷害所造成的过电压对监控设备破坏的前期防护这一关键和新的技术问题。近些年来,在这一新的技术领域,我们加大了防雷技术开发的投入,并与有关科研院所密切合作,自行研制开发出了专项的监控防雷系列产品,可有效解决监控系统的防雷。
    在传统观念上人们普遍认为只要按照国家的建筑物防雷设计规范做好建筑物的防雷措施,如安装好建筑物的防雷装置(避雷针、引下线和接地装置的总合)均压环等,建筑物内外的所有防雷工作就“万事大吉”了。但实际情况是当雷击现象发生时,建筑物的外部防雷装置确实有效的抵御了雷击对建筑物结构的破坏,同时均布的避雷引下线与建筑物的均压环也形成和起到了稀疏法拉第网笼的作用,保证了建筑物内的人员不致因跨步电压升高而导致跨步死亡。但这时建筑物的防雷装置却非但不能保护好建筑物内的各种用电设备免遭雷击,反而使其遭受雷击的可能性增大,而且建筑物的避雷装置接闪能力越强,遭雷击的侵入的可能性就越大,这是因为当雷电击中建筑物避雷装置的避雷针上或击中附近其它建筑物的避雷针时,避雷针引下线就承担起了使雷击入侵电流入地释放的作用,在雷击电流快速的由引下线导入大地时,瞬时间内在引下线上自上而下的产生了强力的变化磁场,处在这个强力变化磁场作用范围内的所有用监控、信号、电源及它们的传输线路都因相对地切割了这个强力变化磁场的磁力线而产生出感应高压,进而在与地线的低电位之间产生电压差,从而迅速将用电设备及通信设备击毁。
    插图1:雷电电磁脉冲感应高压通过电源线路侵入监控机房主机电源配电系统开关。
    插图2:雷电电磁脉冲感应高压通过电源线路侵入机房监控主机,烧断监控设备电源线。
    插图3:雷电电磁脉冲感应高压袭击户外BNC 视频信号线路,雷电高压通过信号线路侵入主机设备,将监控主机采集卡烧毁。
    插图4:雷电电磁脉冲感应高压袭击户外RS485控制信号线路,雷电高压通过信号线路侵入主机设备,将监控主机控制板烧毁。

关于安防监控系统防雷技术(上)

二、雷电损坏监控系统的机理分析


    通过前面的讨论,使我们意识到,研究监控系统的雷电防护,首先应对雷电的形成、雷电的活动强度等有关知识有所了解,同时还应弄清楚雷害究竟是通过哪些渠道、途径侵入监控系统的,才能有针对性的采取相应的防护措施,预防雷害的侵入,然后还应了解被保护的对象──监控系统的基础耐雷能力,这样才能使我们的防护措施达到更高的防护水准。下面让我们就这些问题做逐一的讨论。


1、雷电是怎样形成的:


    雷电是一种自然环境条件下人们常见的一种气象现象。耀眼的闪光、沉闷的雷声,以及雷电对大自然造成的巨大破坏。这些雷电现象的表征,是人们对雷电现象的感性认识。这一自然现象曾经使人们困惑不解,但人们一直试图了解和解释这一现象,直至 1749 年美国科学家富兰克林经过科学研究,特别是著名的“风筝试验”后,确定和证实雷闪的电本质之后,才奠定了现代防雷科学技术发
展的基础,开始了人类以科学方式致力于雷电现象机理及防护技术的研究。
(1)雷云的形成
    雷云的形成过程为:由于大气层中温度、压力的变化使大气中的水分子遇冷凝结成小水滴,无数个小水滴大量积聚便形成了积雨云。在积雨云的形成和运动过程中由于起电则成为了雷雨云。关于积雨云起电的机理有多种解释理论,如辛普森的水珠分裂学说是这样解释积雨云的起电过程:“积雨云中的水滴在高速气流中作激烈运动,分裂成为一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒,后者
被上升气流带上高空浮于云上部,前者则沉于云层底部,这样正负两种电荷在云层中被分离而分布在上下两层,这就是90%雷云下部带负电的原因。其它的解释理论如:威尔逊的静电感应学说、沃克曼的相变学说、雷纳德的冰的温度梯度学说等等,都能各自解释积雨云带电形成雷云这一过程。
    由雷云进而产生的雷暴按其发生的原因可分为好几种,主要的有三种,实际上的雷暴,其发生的原因不是单纯一种,而往往是几种成因的复合作用。下面我们重点介绍主要的三种雷暴和其成因:
①峰雷暴:
    峰雷暴是指在两个大气团相对运动时,在其分界面上,也就是在冷气团和暖气团相遇的峰面上发展起来的雷暴。峰雷暴能使相关地区的天气发生急剧变化。峰雷暴又分为冷峰雷和热峰雷。冷峰雷暴是由强大的冷空气侵入暖湿空气下面、排挤抬升了暖湿空气,暖湿空气在被抬升至一定高度后变化形成了雷云,由于冷空气往往来势凶猛,所以冷峰雷暴是雷暴中最强烈的一种,这种雷暴一般是
在沿着冷暖空气交界处,即峰面好几百公里宽的带形地区发展,其最高移动速度可达 100 公里/小时左右。热峰雷暴则是由于暖空气主动侵入冷空气地区,逐渐升到冷空气的上边形成淡薄的雾状,然后变成棉花似的云团,最后逐渐发展成积雨云。若天气炎热而空气中的水分很多,则强烈的潮湿气流上升到 2~5 公里高空时便形成积雨云。由于云中水气冷凝时放出的潜热很大,致使上升气流仍比周围空气热。积雨云继续发展最后变成巨大的浓积雨云直至形成雷云。但是热峰峰雷暴的发展一般情况下要比冷峰雷暴的发展要相对缓和的多,并且很少会发展成强烈的雷雨。
②热雷暴:
     热雷暴多发生在夏季,由于夏季强烈的日光照射,地表面附近的空气被晒热后便形成上升气流而形成热雷云,热雷暴经常伴随有暴雨,持续时间短,并带有区域性。
③地形雷暴:
    其为由于地形的影响而产生的雷暴。在地形起伏较大及海边的山地,暖湿空气随地形抬升时形成的雷云。
(2)雷云放电
    雷云放电时由于正负电荷的中和而产生了耀眼的闪光,放电时强大的电流迅速加热了周围的空气,并使其猛烈膨胀而发出震耳欲聋的声音,这也就是在雷暴发生时我们看到的闪电和听到的雷声。
    雷云放电又分为云中闪击和云对地的闪击。云闪为分云内放电和云间放电,云闪发生的概率比地闪大的多,但因它发生在数千乃至数万米的高空,因此对地面设备相对造成灾害性影响要小,为此我们着重考虑地闪的影响。所谓地闪就是雷云对大地的放电。地闪的发生和发展可分为四个阶段,即:云中放电、对地先导、定向闪击和回闪。地闪发生前,雷云中放电频繁,云中的闪光和地面的场强
变化显着,云中放电造成了云中电荷的重新分布和电场的畸变,当雷云近地端,电荷密集处电场强度达到一定限度时(25-0KV/cm2),雷云就开始了对地的先导放电,对地先导放电的顶端接近地面时,就会激发起大地上的感应电荷从地面的突出部分向上的“迎面先导”,一但当雷云对大地的先导放电与大地的“迎面先导”会合时,那么它们之间的强烈的电离信道就已形成,放电就变成了定向闪击,定向闪击总是沿最短的路径进行的,这是因为雷云对地先导放电的同时,大地的感应电场被激发开始向上发出一道“迎面先导”与之衔接,当雷云的先导放电距地面50~100米时,(我们一般称先导放电在这个高度的最前端叫做定位高度)。
    雷击点就选择趋向于电场强度最大且升起迎面先导的地方完成闪击放电。为此地面上比较突出的地方和导电良好之处,在这时都要比周边各处的电场强度大得多,且聚集着更多的电荷,从而成为了雷击的主要目标,如:山顶、高塔、高大的建筑物、旷野中的孤立大树、房屋的尖顶及屋檐,甚至一片导电不甚良好的地域中局部有部份导电良好的地点都容易遭受雷击,这就是我们常说的雷击有选择性的道理。
    雷电的破坏作用的具体表现为:强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波、剧变的磁场和强烈的电磁辐射等物理现象,在计算雷电的能量时,一般是以雷击入地电流的为计量单位,据有关资料介绍,在自然环境中,雷电的能量概率为:
    95%的户外直击雷的电流强度超过10KA。
    50%的户外直击雷的电流强度超过30KA。
    表述雷电的活动强度,我国常用“雷电日数”和“雷闪频数”这二个统计指标,我们的工作,用前一指标就适用了。所谓“雷电日数”是指在一昼夜内的雷击强度,即一昼夜内只要有可闻雷,不管次数多少均记为一个雷电日,我国是个多雷灾的国家,在长江中下游地区年均雷电日在30~80天,华南地区70~90天,广东及海南地区是 120 天,西南地区是 80~100 天,东北地区是 35 天以上,其中大部分地区从2~3月至11~12都可听到雷声。


2.直击雷与感应雷的概念


    前面我们已初步了解了雷云的形成和雷云的放电过程,下面我们将进一步讨论雷害究竟是以什么方式、什么途径入侵危害设备的。在实际的雷害事故中,我们根据雷电冲击电压侵入设备的不同途径,将侵入设备的雷害分为直击雷和感应雷。
(1)直击雷
    我们一般将雷电直接击中线路设备或终端设备并经设备入地的雷击过电压、过电流称为直击雷。直击雷具有电压高、电流大的特点,其破坏性极大。在实际当中直击雷直接击中计算机设备的频度并不高。而真正对计算机系统造成危害的大多数是感应雷。
(2)感应雷
    所谓感应雷也就是在雷云形成过程中,雷云与大地之间的感应电场和雷击大地和地面突出物时,雷闪电流产生的强大电磁场作用于各种传输线路上,感应产生出过电压、过电流,经传输线路进入设备系统而形成的雷击称之。 
     感应雷电压幅值与雷云对地放电时的电流大小、雷击点与线路间相对位置、雷击点周围环境(如土壤电阻率)、遭受感应雷击的线路的长度、线路埋设位置、设备接地装置的电阻等诸多因素有关系。我们前面已介绍过直击雷具有高电压、大电流、破坏力巨大的特点。但其几率却大大小于感应雷,这是因为直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对面造成灾害,感应雷则不论是雷云对地闪击,或者雷云对雷云之间闪击,都可能发生并造成灾害。此外直击雷由于其放电的机理所致一次只能袭击一至两处小范围的目标,而一次雷闪击却可以在比较大的范围内的多个小局部同时激发感应雷的过电压现象,并且这种感应高电压可以通过电力线、电话线等金属导线传输到很远致使雷害范围扩大。
    感应雷的产生可由“静电感应”的效应产生,也可由电磁感应的效应产生,但大部分的情况是由这两种效应的综合作用而成。
1)静电感应形成的感应雷过程
     静电感应在线路中感应的过电压可以由地闪引起,也可以由云闪引起。例如:在架空线路上空有一团雷云,雷云底部带负电荷,由于静电感应,雷云将在大地上感应出正电荷,雷云与大地间形成电场,因架空线中处于该电场中而被极化,在靠雷云一侧带正电荷,靠大地一侧带负电荷,由于架空线路与大地间的绝缘不会无穷大,因此导线上的负电荷便向左右两方向移动渐渐泄入大地,导线上仅存有受雷击束缚的正电荷。若这片雷云对另一雷云放电或者对大地放电,则雷云与大地间的电场随之消失,导线上的束缚电荷变成自由电荷,并立即向导线两端移动,形成对地电压。
2)电磁感应形成的感应雷过程
    最初人们认为感应雷主要是由静电感应的效应形成,根据这一理论,在线路上被感应出的雷过电压应该和线路架设的高度成正比,那幺埋地电缆的架设高度为零,自然被感应出的雷过电压也应该为零,但实际当中经检测在埋地电缆上的雷过电压可高达数万伏,这里用静电感应的理论显然不能完善的解释这种现象。
    近年来,随着防雷科学技术研究的不断深入,一种新的解释理论产生了,这就是感应雷的电磁感应生成机理解释方法,这种方法认为:当直击雷放电过程中,强大的脉冲电流所产生的强力变化磁场将会对周围的导线或金属物体产生电磁感应,从而引发过电压,以致发生闪击的现象。
3)磁场的突变是关键
    雷电电磁脉冲引起的高斯量的变化是关键,是我们进一步研究的方向。外部的磁场强烈的变化引起了机房内部磁场产生了0.7GS的突变时,即:监控设备产生误码,如果达到2.4GS时,则监控设备端口永久性损坏。换句话说,距离一根大楼主钢筋50cm地方有 1条网线,如果这根大楼主钢筋上通过10KA雷电流,则监控连接的端口就烧毁了。
    综上所述,由雷电引起的“静电感应”和“电磁感应”都统称为感应雷。
    在实际当中它的发生几率和破坏程度都是很大的。因此也可以说计算机防雷工作的重点就是防止感应雷侵入计算机系统。
2.雷电入侵监控系统的途径 
1)由户外电力线路侵入的雷害:
A.产生过程:
    发电厂通过高压输送线路向用户线路提供电力能源。在供电系统的线路和用户的使用线路间形成了一个庞大的电力互联输送网,而且这些线路的大部分都是暴露在室外,并距地面较高处甚至处在较空旷的田野,使这些线路成为了雷暴的侵害对象。无论是直击雷还是感应雷都会侵害这些线路,从而产生过电压、过电流,并通过这些线路,特别是监控机房的电力输送线侵入机房直至用电设备,造
成监控主机设备的损坏,同时机房中的监视器、硬盘刻录机等设备也会因侵入的雷电过电压、雷电过电流而遭到破坏。
B.破坏分析:
    a.由于我们国家电力系统的电网运行形式大部分是三相四线制零地合一系统,即变压器外壳接地为零线[实际为零地合一线],满距离50米重复接地一次。
    一直接到用户建筑物配电室。一旦在变压器至用户建筑物之间遭到雷击,则雷电高压沿电力线进入建筑内的监控机房电源系统,必然直接破坏设备的火线与零线负载[零线在配电室和户外箱变进行了重复接地]。一般讲,监控系统设备的火线与零线之间的电压耐受不大于1500伏,而雷电高压远远超过1500伏。所以,雷电防护首先应该安装火线与零线[零地合一线]的防护系统。
    b. 雷电的能量释放是雷电高压对大地的一种能量释放,监控电源设备系统应该安装火线对大地的防雷设备同时安装零线对大地的防雷设备,这也是国际、国内使用雷电防护标准的基本要求。
2)由户外控制信号RS485、视频BNC信号线路侵入的雷害 
     RS485控制信号线路和BNC视频信号线路两端连接着室外监控摄像机和室内监控主机,其中RS485控制信号线内连监控主机的RS232接口,外连监控摄像机解码器,雷电感应高压袭击RS485控制信号线路,必将烧毁监控摄像机解码器和监控主机的RS232接口,严重者可以烧毁监控主机。雷电感应高压袭击BNC视频信号线路,必将烧毁监控摄像机和监控主机的采集板接口,严重者可以烧毁监控主机。所以,全面的监控系统雷电防护应该考虑室内、室外综合防护,如果一端防护,必将促使雷电击毁另一端。
3)由户外避雷针引起的感应雷击
    在前面我们已着重介绍了由机房建筑物的避雷装置承担直击雷的雷击电流的入地释放作用时,雷过电流自避雷针引下线上产生的强力变化磁场将作用于周围导体和金属物体,从而产生感应高压,在与地线的低电位间产生电位差时击毁用电设备和通讯设备。
4.反击雷的破坏
    在建筑物的顶端一般都安装有避雷针,并由一根或多根引下线接入大地,当雷电击在避雷针上时,就会有雷击电流通过引下线释放到大地,从而引起地电位升高。由于地电位的升高,考虑到目前监控机房的接地状况存在有不规范的情况,如:多重接地(用电设备的交流保护地线、直流逻辑地线、交流工作地线、防雷保护不共地的情况)导致它们的电位升高,从而侵入用电设备内,并在设备内部件间产生电压差,击穿器件或击毁设备,这种形式的雷过电压对设备的破坏,我们称之为反击雷的破坏。

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