| 2-1廣域信息系統(tǒng)電磁兼容（EMC）概念
廣域信息系統(tǒng)（WAIS，wide-areainformationsystem）是指：一個跨越地域廣泛，系統(tǒng)設備之間有著直接電氣連接關(guān)系、無法實現(xiàn)系統(tǒng)等電位連接的弱電系統(tǒng)。安防系統(tǒng)屬于“廣域信息系統(tǒng)”。
廣域電磁環(huán)境—影響廣域信息系統(tǒng)的外部電磁環(huán)境，從空中到地下都有，空中的雷電和自由空間各種電磁波，地面上的帶電線纜相互耦合關(guān)系，地下的各類地電位都可能影響到弱電系統(tǒng)的運行質(zhì)量和系統(tǒng)安全。
廣域信息系統(tǒng)電磁兼容（EMC）：是假定系統(tǒng)所用各種設備（產(chǎn)品）本身的質(zhì)量、安全、電磁兼容（EMC）等問題已經(jīng)解決，都是合格的，只考慮外部電磁環(huán)境影響下系統(tǒng)安全運行的設計問題。它不同于常說的設備、產(chǎn)品、電路板級的電磁兼容問題，曾有人試圖用設備和PCB板電磁兼容概念解釋“安防系統(tǒng)廣域電磁兼容”問題，總是不得要領(lǐng)。
安防系統(tǒng)安全運行的設計屬于廣域信息系統(tǒng)電磁兼容（EMC）設計問題，包括系統(tǒng)抗干擾設計，防靜電設計，防直擊雷和感應雷設計；目標是確保系統(tǒng)自身安全，確保系統(tǒng)運行質(zhì)量。
前面分析的攝像機“立桿避雷針”和“接地防雷器”的系統(tǒng)防雷設計，之所以構(gòu)成人為安全隱患，就在于對大地電磁環(huán)境沒有認識，也在于對安防系統(tǒng)的廣域工作特點缺乏基本認識，這是造成系統(tǒng)安全隱患設計的根源。關(guān)注和研究系統(tǒng)電磁兼容設計是關(guān)系弱電系統(tǒng)自身安全的重大問題，應該提到安防工程的議事日程上來了。
2-2安防系統(tǒng)安全設計的基本原則是“單點接地”
1.“單點接地”的基本概念
單點接地是指系統(tǒng)主機一點接大地，遠端攝像機及所有設備都必須與大地絕緣；具體的說：“單點接地”是指凡有直接電氣連接關(guān)系的“系統(tǒng)”，要把電氣連接的“集中匯聚點”設備（系統(tǒng)主機或子系統(tǒng)主機）做一個接大地。例如光纜傳輸系統(tǒng)：前端多路光發(fā)射機是子系統(tǒng)主機，機殼“一點”接大地，光發(fā)射機電纜連接的各路攝像機都應與大地絕緣，這就是“有直接電氣連接關(guān)系”的系統(tǒng)“單點接地”，后端系統(tǒng)主機接地不能替代它，因為中間有光纜隔離了電氣連接。
2.“單點接地”的工程要求
主機“單點接地”，系統(tǒng)遠端所有設備對地懸浮，通過主機接地點泄放系統(tǒng)產(chǎn)生的靜電荷，并保持與大地靜態(tài)等電位，以保證操作安全。單點接地后系統(tǒng)的（地）電位，是指系統(tǒng)相對于大地零電位來說的“地電位”，即系統(tǒng)接地點的電位；安防論壇里曾有“專業(yè)防雷”把線纜上接收到雷電感應電動勢，用“過電壓”、“高電位”來描述，聲稱“用電纜兩端接地防雷器就能把電纜兩端箝位到等電位”。高頻分析表明，對于線纜上的交變感應電動勢來說，即使防雷器接地電阻為0和兩端地電位也相等，兩端限壓型防雷器的“箝位電壓”始終是“大小相等，極性相反”的，哪里有什么等電位可言？而且接地“放電回路“包括電纜和接地線的交直流阻抗總和，也包括接地電阻，所謂“有效泄放雷電流”只是幻想而已。雷電感應電動勢與大地無關(guān)，不存在向大地泄放電流問題；"單點接地”用于泄放系統(tǒng)靜電荷，對接地電阻也就沒有很高要求，不需要做專門的接地網(wǎng)；“單點接地”與傳統(tǒng)避雷針接地、電網(wǎng)接地、防浪涌保護器接地泄放大電流的要求有著本質(zhì)區(qū)別，用普通導線連接樓體鋼筋，接自來水管都可以。
3.“單點接地”的合理性分析
1“單點接地”切斷了所有地環(huán)路，可有效阻斷“雷電地電位”和“電網(wǎng)地電位”入侵弱電系統(tǒng)的路徑，這是防雷電、防浪涌，防干擾最有效的基礎(chǔ)技術(shù)手段；多點接地引入地電位干擾和電網(wǎng)浪涌，引入雷電反擊電壓，燒毀安防設備和防雷設備的案例已被越來越多的安防工程傷害案例所證實。
2安防系統(tǒng)“單點接地”不僅與防感應雷沒有矛盾，而且是安防系統(tǒng)防雷設計應遵循的基本理念和防雷設計的基礎(chǔ)條件；因為防直擊雷不需要，也不能通過系統(tǒng)任何部位接大地放電；防感應雷只需通過保護電路抑制雷電感應電動勢到達設備端口時的電壓值，確保低于設備“最高安全電壓”即可，所用保護電路也不需要接大地。
3系統(tǒng)“單點接地”使整個系統(tǒng)隨接地點等電位浮動。而人為制造了多點接地，又企圖實現(xiàn)“等電位連接”，這對“廣域信息系統(tǒng)”來說，理論和實踐上都是不可能實現(xiàn)的。
4堅持“單點接地”安全設計原則，可以避免被“接地防雷”的誤導，并可規(guī)避復雜接地系統(tǒng)的冤枉投入。
5“單點接地”是檢驗和判斷安防系統(tǒng)安全設計和隱患設計的“試金石和分水嶺”。
2-3關(guān)于安防工程中“建筑物及其供電系統(tǒng)防雷”問題
先請大家考慮個問題：安防工程商給甲方設計安防工程，甲方本來就在建筑物里正常工作和用電，他們的建筑物和供電系統(tǒng)都是通過了安全驗收的，而且都有日常的檢測維護，怎么還需要做安防工程時來考慮和設計他們的建筑物防雷、配電防浪涌，搞什么電源三級保護呢？即使甲方建筑物和供電系統(tǒng)防雷，防浪涌不合格，那也不是安防工程商管轄的事情；建筑物防直擊雷和電源多級防雷，在安防防雷工程的相關(guān)管理文件中和在“專業(yè)防雷”宣傳描述中，占了主要篇幅，而真正的安防系統(tǒng)的防雷設計部分又是突出了“立桿避雷針化”和“防雷多點接地”兩大安全隱患設計，這是值得我們深思的問題。
建筑物和供電系統(tǒng)防雷是安防系統(tǒng)建設之前應具備的基本條件，不應屬于安防系統(tǒng)設計管轄范圍，否則就是畫蛇添足。絕大多數(shù)安防工程商也不具備相應資質(zhì)。
2-4安防系統(tǒng)防直擊雷設計
第一，安防系統(tǒng)所有設備應該在已有建筑物防雷避雷系統(tǒng)和其他獨立避雷針有效保護范圍內(nèi)工作，傳輸線纜盡可能埋地穿管布線。
第二，室外孤立的立桿攝像機，如確有必要防直擊雷（需論證雷擊概率），應該設置獨立避雷針保護立桿攝像機，立桿與獨立避雷針距離應大于4、5米（反擊立桿的距離），攝像機立桿頂部千萬不能安裝避雷針，下面也不要做接地網(wǎng)，金屬立桿還要做好與攝像的高級別、全天候絕緣，以應對避雷針接閃時“跨步電壓”通過立桿反擊攝像機；使用木質(zhì)或水泥絕緣材料立桿更有利于絕緣，攝像機支架最好用工程塑料支架，以提高絕緣級別。
第三，還有人提出把“攝像機立桿做成避雷針，讓攝像機與立桿絕緣”的方案，這也是不可取的。因為避雷針接閃產(chǎn)生的雷電反擊電壓擊穿空氣的距離在三、四十厘米以上，陰雨天可以超過1米以上的距離，常規(guī)絕緣無法做到。
一個負責任的廠家應該主動糾正自己過去做的“安全隱患防雷工程”。
2-5關(guān)于對雷電感應的認識
對雷電感應的描述，“專業(yè)防雷”用了“雷電電磁脈沖”，“雷電沖擊波”，“雷電波”，“浪涌電壓”，“浪涌電流”，“雷電過電壓”，“雷電過電流”等等諸多描述詞匯；但是對于線纜上的“雷電感應”到底是什么東西從未見說明。
1）虛假的雷電感應數(shù)據(jù)
所謂監(jiān)控系統(tǒng)線纜上有幾十千伏的“雷電壓”，防雷器“需要有幾千、幾十千安的放電能力”的說法，應該是源于“專業(yè)防雷”人為制造的多點接地，引入地電位和電網(wǎng)浪涌的數(shù)據(jù)，這是與雷電電磁感應風馬牛不相及的虛假數(shù)據(jù)。“浪涌”和“接地浪涌保護器”本來是電網(wǎng)系統(tǒng)的名詞和概念，現(xiàn)在讓“專業(yè)防雷”把它和雷電感應混為一談了，不僅如此，干脆就把電力系統(tǒng)的“接地浪涌保護器”直接當作弱電系統(tǒng)的“防雷器”來使用了。
還有一類“專業(yè)防雷”給出的雷電感應計算公式，算出來的數(shù)據(jù)也是幾十千伏的“雷電沖擊波”，這都是在對地電位缺乏基本認識情況下拼湊的數(shù)據(jù)，再帶上雷電感應的“帽子”，是為推銷“接地防雷器”、“接地浪涌保護器”尋找“合理說法”而已。反映出這些人對雷電感應的本質(zhì)沒有基本認識。
2）雷電電磁輻射、電磁感應定性分析
雷云放電過程中主要是熱能、光能、機械能、聲波能等能量消耗，雷電電流的“電磁輻射能量”只是雷電總能量中的一小部分。雷電感應僅指某條線纜實際接收到的“電磁輻射”能量。“輻射”與“接收”之間有一定的“電磁耦合關(guān)系”，這種“電磁耦合關(guān)系”是受到以下許多因素影響和限制的：
1.頻譜影響：只有高頻才能形成有效輻射，而高頻輻射只是雷電流的高次諧波成分，不屬于雷電的主能量頻譜范圍；
2.“天線效率”與雷電流的電磁輻射：電磁輻射與天線結(jié)構(gòu)尺寸和波長（頻率）密切相關(guān)，嚴格設計和精密加工的天線效率在50~70%左右。不同的諧波頻率，不同的避雷針高度，云際放電電流不同的等效“天線長度”等等，都不可能與諧波頻率有良好匹配關(guān)系，所以實際雷電流的電磁輻射屬于低效率、超低效率的電磁輻射；同樣道理，“接收天線”也有頻率與尺寸最佳匹配問題，最佳匹配才能實現(xiàn)高效率接收，顯然監(jiān)控線纜作為接收雷電輻射的“天線”也屬于低效率、超低效率的“接收天線”。
3.方向性影響：雷電流電磁輻射能量的輻射方向，類似球面波向自由空間近似“全向輻射”，對應一根線纜面積和方向的“立體角度”輻射能量，只是總輻射功率中的一個微小量，況且輻射功率強度還與距離平方成反比。也就是說，雷電電磁輻射和線纜接收的方向性，基本都具有近似“全向低增益”特點。
4.極化影響：輻射源發(fā)出的電磁波有一定的“極化方向”（電場強度矢量E的變化方向），接收線纜也有一個接收的極化方向問題。例如避雷針針體放電電流主要是“垂直方向的”，它的輻射場極化方向（E）也是“垂直極化波”，只有垂直方向的立桿和接地線才能有效接收這種“垂直極化波”，而水平走向線纜，基本接收不到這種“垂直極化波”的能量，這就是極化影響；線纜接收與雷電輻射的極化方向都是隨機因素，實際上“極化衰減”很大很大，真正接收到的能量同樣也是微小量。
考慮到上述各種限制因素影響，我們可以得出如下概念：雷電電磁輻射到自由空間的能量只是雷擊放電總能量的部分微小量，由于頻譜、輻射效率、方向性、極化等不可逾越的因素影響，線纜實際接收到的雷電感應能量與雷電總能量比較更是“超級微小量”；所謂線纜上有幾十千伏、幾十千安的數(shù)據(jù)是違背科學規(guī)律的。
“雷電電磁脈沖”，“雷電沖擊波”，“雷電波”，“浪涌電壓”，“浪涌電流”，“雷電過電壓”，“雷電過電流”等等諸多描述詞匯也都是一些忽悠語言，不是經(jīng)典的專業(yè)技術(shù)用語。
筆者曾按照某個“專業(yè)防雷”文章中給出的計算公式，對一個放電避雷針輻射算過一個寫字樓各層線纜雷電感應“過電壓、過電流”，“總能量”，竟然比避雷針放電總能量還要大許多倍；所給的這個“專業(yè)計算公式”竟然與上述各種限制因素都毫無關(guān)系，典型的“外行忽悠內(nèi)行”。
大量的生活實踐告訴我們，雷雨天氣在家看電視能看到偶爾閃過的雷電干擾條紋，從電話和收音機中也能聽到雷電“咳、咳”聲。所謂雷擊燒毀家用電器的案例，燒毀安防設備、把視頻電纜融化了的案例，多數(shù)是雷擊引起電網(wǎng)故障，造成電網(wǎng)地電位浪涌燒毀的。
筆者早年曾多次見過幾百千瓦和兆瓦功率級的窄波束雷達開機掃描，當波速到來時，強電磁場可以把室內(nèi)日光燈打亮，或把高壓疝氣燈打亮，卻從未見過頭上的響雷電磁場把日光燈，路燈打亮。如果雷電感應真有幾十、幾百千伏電壓、幾千安、幾十千安電流，那日光燈不僅會亮，而且早就成批的燒毀了。
結(jié)論是：線纜上實際接收到的“雷電感應”的能量并不像“專業(yè)防雷”描述的“幾十千伏”，“幾十千安”那么巨大，它只是雷電總能量里的一個微小量，本質(zhì)不是單極性電荷，而是交變感應電動勢，可以等效到線纜中間，與大地毫無關(guān)系。而電網(wǎng)系統(tǒng)用的“浪涌保護器”，卻真正需要“幾十千伏”，“幾十千安”的保護性能，這是用來應對電網(wǎng)浪涌，并需要接地泄放浪涌電流的，雷電感應與電網(wǎng)“浪涌”比較起來，要遠遠是小巫見大巫。把接地“浪涌保護器”，當成弱電系統(tǒng)雷電感應“防雷器”來用，只能是一個“現(xiàn)代科技笑話”而已。
2-6感應雷防護設計
前面關(guān)于雷電感應的分析已經(jīng)明確：線纜雷電感應電動勢與大地無關(guān)，它是一種高頻交變電壓，位置等效在線纜中間。根據(jù)這個特征，感應雷的防護基本做法是對設備輸入輸出口設置“限壓保護電路”，而不是“對地泄放雷電流”，搞什么“等電位箝位”鬧劇。
1）視頻傳輸線路保護電路原理
等效電路：雷電感應電動勢Uo形成在視頻線屏蔽層上，可以等效在線纜中間，通過兩端的匹配電阻與芯線構(gòu)成回路.
視頻線保護電路的設計要點是：確保雷電感應電動勢Uo在兩端75歐姆負載上的壓降“限壓”到低于電路的最高安全耐壓值。
1常態(tài)下對傳輸衰減影響和頻率失真影響要在允許范圍內(nèi)；
2雷電感應脈沖到來時，開關(guān)放電元件K迅速導通“限壓”，濾波網(wǎng)絡Z能最大限度的吸收雷電感應電壓，確保75歐姆負載上不會出現(xiàn)過高電壓，起到設備安全保護作用；
3不同的視頻同軸傳輸方式，如基帶傳輸和射頻傳輸，不同設備的輸入輸出信號幅度，信號帶寬不同，對保護電路的具體設計要求是不同的；最理想的防雷線路保護電路應該是結(jié)合具體設備的實際電路設計的“專用保護電路”，并一起嵌入在設備電路中。通用外接型線路保護器也可參照不同傳輸方式合理設計不同類型的線路保護器；
4遠距離傳輸線纜，內(nèi)外導體的線路阻抗較大，對雷電感應電動勢Uo有明顯衰減，能使Uo放電時常數(shù)加大，可以使Uo在線路阻抗和濾波網(wǎng)絡上的降壓增大，放電管電流減少，有利于確保75歐姆負載上雷電感應電壓最?。?/p>
5前端所有攝像機與大地絕緣，“防雷保護電路”不需要接大地，主機單點安全接大地用于泄放系統(tǒng)靜電荷，全系統(tǒng)靜態(tài)地電位隨“主機接地點”的“地電位”浮動；
6工程實踐表明，結(jié)合產(chǎn)品具體電路設計的嵌入式“保護電路”是十分有效的。實際應用產(chǎn)品損壞率分析表明，未加保護電路的產(chǎn)品最高階段損壞率有時高達10%以上，其中95%以上都是地電位環(huán)路燒毀的，另外還有元器件的質(zhì)量問題和誤操作問題損壞的；產(chǎn)品加了保護電路后損壞率大幅度降低到2~3%以下，經(jīng)與現(xiàn)場技術(shù)人員共同分析，還沒有充分理由說明是雷電損壞的，因為絕大多數(shù)不是雷電天氣下?lián)p壞的。更可喜的是地電位入侵損壞率也大幅度下降，這說明對地電位入侵也有較強的抑制能力。模擬實驗數(shù)據(jù)表明，對于高達250VAC以上的地環(huán)路電壓也有足夠的安全抑制能力，不過這不等于說，允許系統(tǒng)存在地環(huán)路；
7視頻線路保護電路可以設計在攝像機輸出電路中，設計在DVR、矩陣、光端機、視頻傳輸設備等輸入電路中；
8防雷保護電路一律不接大地，可有效消除地電位環(huán)路安全隱患。
3）電源系統(tǒng)防感應雷問題
安防系統(tǒng)安全供電基本設計要點為：
確認甲方建筑物防雷和供電系統(tǒng)防雷已經(jīng)通過驗收合格，甲方用電是安全的。
安防系統(tǒng)設備所用直流電源地、機殼等都必須確認與電網(wǎng)“零、地線”是電氣隔離的，不能把電網(wǎng)零、地線設計、引入到安防系統(tǒng)中。
確保實現(xiàn)系統(tǒng)“單點接地”，所有攝像機必須與大地絕緣，不允許使用接地防雷器或接地浪涌保護器。
在車間電機群環(huán)境或有大功率變頻電機應用環(huán)境（如供水，集中空調(diào)等）下，系統(tǒng)供電宜選用凈化電源（電源需濾波）。
安防電源線路防雷保護
接地防雷器會給安防系統(tǒng)造成安全隱患不能用，那安防電源系統(tǒng)防感應雷怎么辦呢？
單點接地有效消除了電網(wǎng)地電位“浪涌”入侵，采取上述“設計要點”又可以最大限度的減少雷電感應電動勢傷害。安防電源輸入端屬于高電壓低頻元件，常規(guī)暫態(tài)雷電感應電動勢屬于高頻短脈沖，可以采用電源濾波器作為輸入端保護和抑制，為更穩(wěn)妥起見，輸出端可以采用限壓元件保護電路.
2-7關(guān)于機房防雷
安防機房通常在甲方建筑物內(nèi)，直擊雷防護和供電系統(tǒng)已經(jīng)有了合格的防雷措施，安防220VAC用電屬于安全用電，按照上面“安全供電基本設計要點”做就可以了。
安防系統(tǒng)的防雷是一個系統(tǒng)工程，脫離整個系統(tǒng)全局防雷的“完善”設計，一個局部的“機房防雷”，機房“等電位連接”是不能解決系統(tǒng)防雷的。如果前端攝像機立桿是避雷針化設計，或者系統(tǒng)采用大量的接地防雷器，那再好的“機房防雷”也難保系統(tǒng)設備安全。
系統(tǒng)單點接地—機房主機機殼做安全接大地，只用于泄放系統(tǒng)靜電荷，機房防感應雷同樣考慮線路保護就夠了。
2-8安防工程的防雷理念
安防系統(tǒng)防雷設計的出發(fā)點和最終目標都必須是確保系統(tǒng)設備和運行的安全，這一點應該在行業(yè)相關(guān)標準中作出明確規(guī)定。防直擊雷應該由獨立避雷針保護；防感應雷本質(zhì)是做好線路保護。立桿避雷針、各類接地防雷器、接地浪涌保護器，如果用于安防系統(tǒng)防雷等于埋下定時炸彈。
樹立“廣域信息系統(tǒng)電磁兼容設計”理念：“系統(tǒng)單點接地”是安防系統(tǒng)防雷、防干擾和系統(tǒng)安全設計第一要素和安全設計基本原則。
做安防防雷應了解一些雷擊概率知識，這樣才能減少防雷設計和投資的盲目性，才能不被誤導，才能設計出真正安全有效的防雷工程。例如一個3、5米高的獨立房屋或室外攝像機立桿，在北方雷擊概率遠低于0.01次/年，就是說“百年不遇”一次雷擊，有必要做直擊雷防護嗎？有人就是叫你做，每個室外立桿都要做，叫你購買專業(yè)不銹鋼立桿避雷針，做專業(yè)接地網(wǎng)（籠）；一個幾百元的室外3、5米高的立桿，按照立桿避雷針設計，要投入高達幾千到1、2萬元，顯然這是商業(yè)目的，讓人家當“肥牛”宰了，換來的結(jié)果是“自毀”系統(tǒng)。三峽工程考慮到幾個省的生命和財產(chǎn)安全，才設計到百年不遇，一個安防立桿有必要這么做嗎？
結(jié)束語：
目前我們的安防防雷還處于一個“尷尬局面”：做防雷的不了解弱電系統(tǒng)技術(shù)，做弱電系統(tǒng)的不了解防雷技術(shù)；安防系統(tǒng)的防雷工程由不了解防雷技術(shù)的安防工程商承擔，而安防系統(tǒng)防雷設計及其相關(guān)標準卻由不了解弱電系統(tǒng)技術(shù)的“專業(yè)防雷”企業(yè)編制并供應相關(guān)產(chǎn)品，安防工程商的角色是防雷的“用戶”。
“供應商”為“用戶”編制相關(guān)“標準”，規(guī)定了弱電系統(tǒng)防雷“應該”、“必須”怎么設計，“應該”、“必須”用什么產(chǎn)品；這種局面運行多年的實踐證實，這種防雷設計和防雷產(chǎn)品的應用給監(jiān)控系統(tǒng)自身制造了安全隱患。更值得深思的是，在行業(yè)相關(guān)標準和規(guī)范中，沒有保證“全系統(tǒng)安全”的基本條款，單就某一局部制定“保護技術(shù)條件”，而且缺乏原理分析，也就不可能有對“安全隱患設計”追究責任和負責整改的相關(guān)條款；這就等于給“安全隱患設計”開了綠燈和提供了“保護傘”。他們可以為“安全隱患設計”編造各種借口，推脫責任。
防雷畢竟是一門實踐科學，實踐是檢驗真理的唯一標準，實踐更是最高的權(quán)威。讓歷史評價那些安全隱患設計和他們的“光彩工程”吧！任重道遠，安防人，一定要走好自己的科學發(fā)展之路。
|
