安防中的防雷

防雷是个系统工程,除了各种设备本身需要具备一定的防雷击,防浪涌能力。在安防系统工程设计,安装时也要注意各设备,系统的防雷防护。

雷电危害

雷电是自然界一种十分壮观的声、光、电现象,同时,雷电灾害也是一种十分严重的自然灾害。雷电对弱电安防系统,电子信息系统的破坏主要通过以下几种类型的雷电:

直接雷

直击雷是指闪电直接击在建筑物或防雷装置上,产生电磁效应、热效应和机械效应。地球上每年约发生31亿次闪电,直击雷占1/5–1/6。

直击雷的电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏,电流峰值可达几十KA乃至几百KA,但其持续时间通常只有几μs到几百μs,从瞬间功率来讲,是巨大的,所以破坏性很强。

感应雷

感应雷是指当雷云来临时地面上的一切物体,尤其是导体,由于静电感应,都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷,在雷云对地或对另一雷云闪击放电后,云中的电荷就变成了自由电荷,从而产生出很高的静电电压(感应电压),其过电压幅值可达到几万到几十万伏,这种过电压往往会造成建筑物内的导线,接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电而引起电火花,从而引起火灾、爆炸、危及人身安全或对诸如安防等各类电子信息系统造成危害。这种是静电感应雷。

另一种情况,当雷电闪击发生时,由于雷电流的变化率大而在其通道附近形成了一个很强的感应电磁场,对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏。也可能使周围的金属构件产生感应电流,产生大量的热而引发火灾。这种是电磁感应雷。

传导雷

当室外架空线遭受直击雷或产生感应雷,高电位便会沿着各种电缆线路侵入,传导入设备或建筑物内,这种雷电波侵入会对电子信息设备造成危害或使建筑物内的金属设备放电,从而引起破坏。

防雷标准

雷电防护标准制定的组织机构主要有国际电工委员会(IEC)下属的雷电防护技术委员会(TC81)以及对应的国内的中国标准化协会(CAS)下属全国雷电防护标准化技术委员会(SAC/TC258),国际电信联盟(ITU)。

IEC/TC81的主要防雷标准有:

  • IEC-61024(建筑物的雷电防护)
  • IEC-62305(雷电防护)
  • IEC-61643(低压浪涌保护装置)
  • IEC-1312(雷电电磁脉冲的防护)
  • IEC61000-4-2(电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验)。对应GB/T-17626.2
  • IEC61000-4-5(电磁兼容 试验和测量技术 浪涌抗扰度试验)

ITU-T(国际电信联盟电信部分)的K系列(抗干扰保护):

  • ITU-T K.21(终端电信设备耐过电压和过电流的能力)。对应GB/T-17626.5
  • ITU-T K.20(电信交换机电磁兼容技术标准)
  • IUT-T K.27(电信大楼内的联接结构和接地)

中国的标准:

  • GB/T-17626(电磁兼容 试验和测量技术)
  • GB50057-2016(建筑物防雷设计规范)
  • GB500174-2017(数据中心设计规范)
  • GA173-2002(计算机信息系统防雷保安器)
  • GB50343-2012(建筑物电子信息系统防雷技术规范)
  • GA267-2018(计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范)
  • GB50311-2016(综合布线系统工程设计规范)
  • YD5078-98(通信工程电源系统防雷技术规定)
  • GB/T-9361-2011(计算机场地安全要求)
  • DL/T621-1997(交流电气装置的接地)
  • GB/T-19856-2005(雷电防护通信线路)。对应IEC 61663:2001
  • GB50689(通信局(站)防雷接地与工程设计规范)

防雷保护

产品

安防摄像机,数据传输设备,后端管理设备等一般都具有一定的防雷电防浪涌防突波能力。

比如海康威视的某个型号摄像机,注明防护等级:TVS 6000V 防雷、防浪涌、防突波,符合GB/T17626.5四级标准。大华的某款PTZ球机注明支持TVS 8000V防雷、防浪涌和防突波保护。宇视的某款PTZ球机注明网口6KV防浪涌设计。

项目

建筑,机房防雷

根据GB50057-2016(建筑物防雷设计规范)要求,建筑物应该符合防雷要求。

对于新建的安防管理计算机机房,应该置于避雷针保护范围内,或者安装避雷针,降低被雷击中的几率,同时做好接地,铺设接地网。

避雷针的保护范围的计算方法有多种,详细的可以参考阅读 避雷针的保护范围 一文。需要注意的是避雷针保护范围和其高度并不是成比例增大。对于安装在室外的安防摄像机,我们可以按照45°折线法计算避雷针保护的范围,即保护的范围半径就是避雷针的高度。

接地是建筑物,各种电气设备防雷击重要的方法,尤其要注意接地电阻。接地电阻越大,越不利于过压过流的泄放,因此接地电阻应严格控制在要求的范围内。

接地电阻

GB50174(电子计算机机房设计规范)中规定:交流接地应小于4欧姆,安全接地应小于4欧姆。

GB50057(建筑物防雷设计规范)规定防雷接地电阻应小于10欧姆。

YD2011(微波站防雷与接地设计规范)指出:严禁作接零保护。工频接地电阻应不大于10欧姆。

YDJ26-89(通信局(站)接地设计暂行技术规定):严禁采用中性线作为交流保护地线。综合通信大楼的接地电阻值不宜大于1欧姆。

YD5003(电信专用房屋设计规范)中的防雷设计:电信建筑防雷接地装置的冲击接地电阻不应大于10欧姆,对三合一接地(联合接地)应满足工作接地电阻要求。

根据以上国家规范要求,一般建筑物接地电阻小于10欧姆,计算机机房接地电阻应小于4欧姆,交换机、小型计算机等设备一般要求直流工作接地电阻小于1欧姆。

接地电阻的测量方法

电极的布置如下图所示。电流极与接地网边缘之间的距离d1,一般取接地网最大对角线长度D的4~5倍,以使其间的电位分布出现一平缓区段。在一般情况下,电压极与接地网边缘之间的距离d2约为电流极到接地网的距离d1的50%~60%。

地阻测量

测量时,将电压极沿接地网和电流极的连线移动三次,每次移动距离为d1的5%左右,如三次测得的电阻值接近即可。

如d1取4D~5D有困难,在土壤电阻率较均匀的地区d1可取2D,d2取D;在土壤电阻率不均匀的地区或域区,d1可取3D,d2取1.7D。

电压极、电流极也可采用如下图所示的三角形布置方法。一般取d2=d1≥2D,夹角约为30度。
地阻三角测量

电流极、电压极应布置在与线路或地下金属管道垂直的方向上。应避免在雨后立即测量接地电阻。

采用交流电流表-电压表法时,电极的布置宜采用三角形布置方式。

保护接地线线径选取

根据IEC60950《信息技术设备的安全》中设备保护保护接地线线径的选择方法,保护接地线线径选取如下表:

设备的额定电流A标称截面积mm2
60.75
6~101
10~131.25
13~161.5
16~252.5
25~324
32~406
40~6310
63~8016
80~10025
100~12535
125~16050
160~19070
190~23095
230~260120
260~300150
设备安装防雷
  1. 摄像机等设备安装在室外应置于避雷针的有效保护范围内。
  2. 摄像机应该加装对应的电源线、视频线、控制信号线和通信线等防雷器。
  3. 摄像机防护罩的接地线,设备地线、防雷器地线、总接地线等都要等电位连接,形成一个等电位体。
  4. 摄像机使用带避雷针的立杆安装在室外,避雷针容易引起感应雷电,一是大电流导入,而是电磁感应。一定要注意设备接地和等电位连接,否则避雷针会适得其反,带来破坏作用。

摄像机安装在室外,借用现有立杆(如路灯杆、交通灯杆、电线杆)进行安装时,如无接地体,需要新建接地体。

采用长度不小于2.5m的角钢或钢管,直接打入地下,上端距地面距离宜不小于0.7m。角钢截面应不小于L×W×H = 50×50×5mm,钢管壁厚应不小于3.5mm,材料采用镀锌钢材。

摄像机等各设备的保护接地电缆应和角钢采用电焊连接,焊接点表面应涂敷防锈漆进行防锈处理。保护接地电缆截面积不小于16㎡,工程施工时该电缆尽量短,不能盘绕。

典型的室外立杆安装摄像机防雷示意图
传输线路防雷
  1. 传输设备(例如交换机,光纤收发器等)安装时做好和摄像机一样的防雷措施。
  2. 建议采取电缆全程穿金属管埋地敷设,同时,金属管两端务必确保有效接地。
  3. 不能全程穿金属管的,在电缆接入监控机房和网络摄像机之前务必穿金属管埋地敷设,埋地长度应不小于15m,在接入端将电缆金属外皮、金属管与防雷接地有效连接。最后,所有传输电缆的两端应安装相应的防雷器。
  4. 使用带屏蔽的传输电缆,各电缆两端使用防雷器。
  5. 光纤电缆不会导电,不易受电磁干扰,使用光纤传输信号,能更好的防范雷电危害。

参考资料:

  1. 安防视频监控系统综合防雷方案
  2. 安防视频监控系统中的防雷设计要点
  3. 宇视:网络摄像机安装指导
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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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