中国对外贸易中心（集团）新馆二期建设项目办 刘珽锋

引言

    闭路监视系统简称CCTV（Closed Circuit Television）,是建筑智能化安防系统的重要组成部分。闭路监控系统采用的微电子设备，使其耐过电压、耐过电流的水平很低，对雷电的承受力非常差。在实际应用中，CCTV系统遭受雷害是比较常见，一般来说雷电对CCTV的破坏可归为直击雷、感应雷和雷电波侵入3类。其中直击雷的发生几率虽少，但破坏性很强。但在平坦空旷地区设置的室外摄像机，很容易受直击雷袭击。由于直击雷释放的能量巨大，因此要对其进行防雷保护也最难，不能简单以为只要安装了避雷器就能防雷，还必须通过细致周密设计保护。

    典型的直击雷害事故情况介绍

    广州新白云国际机场的某货运站工程，其闭路监控系统由前端摄像机、视频矩阵和控制键盘等终端设备及信号传输线路三部分组成。前端摄像机中设有11台室外摄像机，全部为室外一体化球形摄像机。其中3台分布在货运站主体楼的塔楼顶层，其余8台均匀分布在外围广场的8根高杆灯柱上。灯柱分布在主体楼四周，与主体楼的距离70～100米，每个灯柱均采用单独接地体就地接地。室外球机采用75欧视频同轴电缆与中控室视频矩阵相连；球机控制线采用两芯屏蔽双绞线，每 4台球机以手牵手式互联后再与中控室控制键盘连接；广场的球机电源就地取高秆灯用电。所有室外导线均通过预埋地下的PVC管路走线。

    由于原设计图纸没有明确的CCTV防雷方案，因此施工时，施工单位只凭经验简单的为室外球机配置了视频信号防雷器和电源防雷器。高杆灯柱高约20米，顶部装避雷针，球机固定安装在杆身上，安装高度8米，灯柱采用就地接地，接地电阻1欧左右（满足单独接地小于4欧姆的规范要求），球机的视频避雷器及电源避雷器安装在灯柱内靠近基部的检修孔附近，避雷器接地端与灯柱子接地牌相连。信号线引入中控室时，外屏蔽层与主体楼接地连接。

    在工程的调试阶段，该机场经历了一次持续的强雷暴天气，雷暴过后发现安装在高杆灯柱上的8台室外球机全部被雷击损坏。其中7台球机完全不能工作，1台虽能显示图像，但控制功能失常。另外，检查发现连接球机的控制线绝缘层已发黑硬化，无法再使用。部分视频避雷器上有击穿痕迹。所幸雷暴发生前，视频线及控制线均未连接到视频矩阵及控制键盘上，因此两设备完好。同时发现，主体楼顶层的3个室外球机却并没被雷击破坏。

    从现场环境、避雷器的痕迹以及控制线的损坏情况看，这次雷害电流强度很大，应该是一次直击雷的破坏事故。

    雷害成因分析

    为了便于分析事故原因，应分别按照室外球机三个电气途径:视频信号线、控制信号线及电源线来进行分析。

    视频信号线

    根据安装图，可画出视频线路等效电路图。图中Rx、Rj分别表示信号源（球机）和接受设备（视频矩阵）的内阻，Rce1、Rce2分别为从图2的C点到E点之间视频中心线和外屏蔽的线阻，Rbc1、Rbc2则为B点到C点之间的线阻，Rg2、Rg1分别为灯柱和主体楼的接地电阻。

    由图可见，当雷击中灯杆的避雷针时，雷电流流过灯杆(Rab、Rbd)及接地电阻(Rg1)入地,引起球机的地电位（X2点）以及信号线外屏蔽层电位抬高，设雷电泄放电流为I,则X2电电位抬升为Imiddot（Rbd＋Rg1）。此时视频电缆中心线尚处于零电位，若在中心线与球机地之间出现暂态过电压会使同轴电缆绝缘层击穿（L1点）并烧毁球机的信号输出电路（X1点）。但由于安装有视频避雷器，视频避雷器快速将中心线及外屏蔽层对D短路，使L1点电位被钳制在D点电位上(ImiddotRg1)，因为Rbc1nbsp另外，当避雷器动作后，因为中心线L1点电位被抬高，这个高电位沿着信号线传输到中控室矩阵的视频信号输入端，由于矩阵外壳是与主体楼接地相连，与摄像机的接地分离，主体楼接地可视为零电位，则如图可简单测算矩阵输入端J1、J2之间的电位差为：IRg1middot(1+(Rce1+Rg2)/Rj),由于Rj>> Rce1+Rg2,所以电位差可以近似为：ImiddotRg1，当此值大于矩阵的耐压时，可导致矩阵信号输入口的击穿。幸好雷击事故发生时，视频线尚未接入视频矩阵，避免了矩阵的损坏。可见，要避免矩阵被入侵雷击坏，必须在视频线接入矩阵前加装信号避雷器。

    控制信号线

    控制信号线由于采用手牵手式连接，情况相对视频线复杂很多，其近似等值电气图如图4所示。

    图中Rbc1表示控制线中心线的线阻（为简化只画一芯），Rbc2表示控制线屏蔽层线阻，其余表示均同图3。

    与视频信号同理，当雷电流I通过灯杆入地时，引起球机的地电位（X2点）抬高为Imiddot（Rbd＋Rg1）。因为设计疏忽没有安装控制线避雷器，雷击时屏蔽层中的信号线尚处于零电位，于是在信号线与球机地之间出现暂态过电压，使得信号线绝缘层击穿并烧毁球机的控制信号输出电路（X1点）。另外，控制信号线外屏蔽层的电位与X2相等，当电线穿管埋地敷设时，一旦外屏蔽层电位高于其对地绝缘耐压，就导致了外屏蔽层对地击穿。信号线被击穿后，大量流过的电流导致信号线的中心线被烧黑，同时高电位沿着信号线中心线传输到其他球机及中控室控制键盘，由于其他球机及中控制键盘与球机1不共地，均可视为零电位，结果在其他设备的信号端口产生高电位差而导致端口的击穿。于是便导致这次事故发生的情况：只要连接在控制总线上其中一个球机被雷直击，其他球机的控制端口均一起被烧毁。

    电源线

    球机采用24V低压电源供电，220V电源经变压器转换后为球机供电，其等值电气图如图5。

    图5中Rbc1、Rbc2表示图2中B点到C点之间220V电源线的线阻抗，由于变压器紧靠球机安装，因此24V低压电源线的线阻忽略不计，故Rce1、Rce2表示从灯柱到变电房变压器之间的电源线线阻，其余表示类同图3。

    当雷电流I击中灯杆1的避雷针时，雷电流引起球机的地电位（X2点）抬高为Imiddot（Rbd＋Rg1）。灯柱接地铜牌D电位提高为ImiddotRg1，因为变压器的隔离作用，球机电源接口不会出现过电压。雷击时电源线220V端尚处于零电位，于是在变压器之间出现暂态过电压Imiddot（Rbd＋Rg1），当此值超过变压器绝缘耐受电压便击穿并烧变压器，实际上，由于电源避雷器的钳制作用，变压器两端电位差不高于ImiddotRbd，尽管变压器的绝缘耐压比电子电路的耐压要高很多，但若雷电流强度I非常大时，还是有损坏的可能，而且一旦变压器被击穿，则球机电路也很可能随电流冲击而损坏，为了降低变压器两端电位差，应尽量降低Rbd，如将避雷器的接地端接到X2点上。

    结论

    上述分析虽然只针对直击雷，但其他类型的雷害原理与此有相通的地方，因此可以推广分析其他雷害。从分析可知，导致多台球机被雷击损坏的根本原因是不同的信号端之间的不共地，导致雷直击时在两端产生不等的地电位而引起设备和线路的损坏。在主体楼上的球机因为接入主体楼的统一接地，因此虽然在同样的雷暴天气下，却没有被雷击损坏。另外，原设计施工方案也有以下的一些缺陷：

    ●避雷器与室外球机之间的距离过长导致防雷保护效果不佳；   
    ●关键的控制信号线上没有设置避雷器，导致连串的设备损坏；
    ●引入中控室设备处信号线没有设置避雷器，也会导致中控设备被入侵浪涌损坏。
    ●预埋管采用非金属PVC管，导致雷击时埋地信号线路屏蔽层与外地产生形成大电位差，造成线路损坏。
    ●鉴于球机等电子产品耐过电压水平很低，不应将其安装在易受雷电直击的高杆灯柱上。

    对雷害的整改措施

    由上可见，若采取的防雷措施不合理或考虑不严密，防雷就不能起到效果。为了完善该系统的防雷性能，应按以下措施对原防雷系统进行改进。

    室外球机处的改进措施

    ●室外球机应分别装设单相电源防雷器、视频防雷器，控制线防雷器。建议采用专为摄像机保护设计的专用的一体化避雷器。
    ●室外球机端的避雷器应尽量靠近球机安装，从防雷器到球机的线路长度（包括接地线）越短越好。
    ●球机的金属外罩、信号线屏蔽层、金属蛇管、电源变压器金属外皮等应与灯柱金属外壳或者灯柱的接地线形成可靠电气通路，保证接地良好。

    机房处的改进措施

    ●从外引入的视频线及控制线，在接入设备前必须安装相应的信号防雷器，防雷器的接地引线应尽量短。
    ●埋地进入机房的信号金属导线，金属管与带屏蔽导线的金属屏蔽层，应在引入室内处进行就地接地，与大楼的统一接地网形成良好电气通路（接地电阻必须小于1欧）。

    其他接地措施

    ●条件允许时，室外通讯线路应考虑穿金属管埋地敷设，金属管两端应接地，全长应保持电气连接。
    ●当室外摄像机采用就地接地时，接地电阻值越小越好，应尽量把接地电阻降到1欧姆以下。
    ●条件允许时，应采用埋设截面足够大的扁铁或钢筋，将室外摄像机接地与中控室接地网连通，以实现共地。
    ●当室外摄像机接地条件不能