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主題:安防監控系統防雷設計方案

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安防監控系統防雷設計方案  發帖心情 Post By:2010-4-26 15:27:42

 

安防監控系統防雷設計方案


一、概述

  眾所周知,雷電具有極大的破壞性,其電壓高達數百萬伏,瞬間電流可高達數十萬安培。雷擊所造成的破壞性后果體現于下列三種層次:

 、僭O備損壞,人員傷亡;

 、谠O備或元器件壽命降低;

 、蹅鬏敾騼Υ娴男盘、數據(模擬或數字)受到干擾或丟失,甚至使電子設備產生誤動作而暫時癱瘓或整個系統停頓。

  目前,世界上各種建筑、設施大多數仍在使用傳統的避雷針防雷。用避雷針防止直接雷擊實踐證明是經濟和有效的。但是,隨著現代電子技術的不斷發展,大量精密電子設備的使用和聯網,避雷針對這些電子設備的保護卻顯得無能為力。避雷針不能阻止感應雷擊過電壓、操作過電壓以及雷電波入侵過電壓,而這類過電壓卻是破壞大量電子設備的罪魁禍首。每年各種通訊控制系統或網 絡因雷擊而受破壞的事例屢見不鮮,其中安防監控系統因受到雷擊引起設備損壞,自動化監控失靈的事件也常有發生。安防監控子系統中部分前端攝像機設計為室外安裝方式,對于雷雨多發地區必須設計安裝防雷電系統。

二、方案設計說明

  系統防雷方案包括外部防雷和內部防雷兩個方面:

  外部防雷包括避雷針、避雷帶、引下線、接地極等等,其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲,將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針、避雷帶、引下線等,泄放入大地。

  內部防雷系統是為保護建筑物內部的設備以及人員的安全而設置的。通過在需要保護設備的前端安裝合適的避雷器,使設備、線路與大地形成一個有條件的等電位體。將可能進入的雷電流阻攔在外,將因雷擊而使內部設施所感應到的雷電流得以安全泄放入地,確保后接設備的安全。

  避雷帶、引下線(建筑物鋼筋)和接地等構成的外部防雷系統,主要是為了保護建筑物本體免受雷擊引起的火災事故及人身安全事故,而內部防雷系統則是防止感應雷和其他形式的過電壓侵入設備造成損壞,這是外部防雷系統無法保證的。

  雷電對電氣設備的影響,主要由以下四個方面造成:

 、僦睋衾;

 、趥鲗Ю;

 、鄹袘;

 、荛_關過電壓。

  直擊雷:雷電直接擊中建筑物,雷電的不到50%的能量將會從引下線等外部避雷設施泄放到大地,其中接近40%的能量將通過建筑物的供電系統分流,其中5%左右的能量通過建筑物的通信網絡線纜分流,其余的雷擊能量通建筑物的其他金屬管道、纜線分流。這里的能量分配比例會隨著建筑物內的布線狀況和管線結構而變化。直擊雷波形為10/350us。

  傳導雷(雷電波侵入):在更大的范圍內(幾公里甚至幾十公里),雷電擊中電力或信息通訊線路,然后沿著傳輸線路侵入設備。其中地電位反擊也是傳導雷中的一種:雷電擊中附近建筑物或附近其他物體、地面,導致地電壓升高,并在周圍形成巨大的跨步電壓。雷電可能通過接地系統或建筑物間的線路入侵雷電延建筑物內部設備形成地電位反擊。

  感應雷(雷電波感應):在周圍1000公尺左右范圍內(有資料為 500公尺或 1500公尺,距離應隨著雷擊大小和屏蔽措施而變化)。發生雷擊時,LEMP 在上述有效范圍內,在所有的導體上產生足夠強度的感應浪涌。因此分布于建筑物內外的各種電力、信息線路將會感應雷電而對設備造成危害。

  隨著現代高科技的發展,精密儀器,通訊設備,數據網絡的應用越來越廣泛,因而感應雷造成的雷擊事故也越來越多,除直接造成了巨大的經濟損失外,因重要設備損壞使系統網絡陷入癱瘓后造成間接的損失更是驚人。

三、方案設計思想

(1)直擊雷的外部防護措施

  雖然有不少專家學者在努力的研究有效的防止直擊雷的方法,但直到今天我們還是無法阻止雷擊的發生。實際上現在公認的防直擊雷的方法仍然是200年前富蘭克林先生發明的避雷針。

A. 接閃器

  避雷針及其變形產品避雷線、避雷帶、避雷網等統稱為接閃器。歷史上對接閃器防雷原理的認識產生過誤解。當時認為:避雷針防雷是因為其尖端放電綜合了雷云電荷從而避免了雷擊發生,所以當時要求避雷針頂部一定要是尖端,以加強放電能力。后來的研究表明:一定高度的金屬導體會使大氣電場畸變,這樣雷云就容易向該導體放電,并且能量越大的雷就越易被金屬導體吸引。這樣接閃器的防雷是因為將雷電引向自身而防止了被保護物被雷電擊中,F在認為任何良好接地的導體都可能成為有效的接閃器,而與它的形狀沒有什么關系。

  為了降低建筑被雷擊的概率,宜優先采用避雷網、作為建筑物的接閃器,如果屋面有天線等通信設施可在局部加裝避雷針保護,這樣接閃器的高度不會太高,不會增大建筑的雷擊概率。避雷網的網格尺寸應不大于10mX10m,避雷針應與避雷網可靠連接。

B. 引下線

  引下線的作用是將接閃器接閃的雷電流安全的導引入地,引下線不得少于兩根,并應沿建筑物四周對稱均勻的布置,引下線的間距不大于18米,引下線接長必須采用焊接,引下線應與各層均壓環焊接,引下線采用10毫米的圓鋼或相同面積的扁鋼。對于框架結構的建筑物,引下線應利用建筑物內的鋼筋作為防雷引下線。

  采用多根引下線不但提高了防雷裝置的可靠性,更重要的是多根引下線的分流作用可大大降低每根引下線的沿線壓降,減少側擊的危險。的目的是為了讓雷電流均勻入地,便于地網散流,以均衡地電位。同時,均勻對稱布置可使引下線瀉流時產生的強電磁場在引下線所包圍的電信建筑物內相互抵消,減小雷擊感應的危險。

C. 接地體

  接地體是指埋在土壤中起散流作用的導體,接地體應采用:

  鋼管 直徑大于50毫米,壁厚大于3.5毫米;

  角鋼 不小于50×50×5毫米

  扁鋼 不小于40×4毫米。

  應將多根接地體連接成地網,地網的布置應優先采用環型地網,引下線應連接在環型地網的四周,這樣有利于雷電流的散流和內部電位的均衡。垂直接地體一般長為1.5-2.5米,埋深0.8米,地極間隔5米,水平接地體應埋深1米,其向建筑物外引出的長度一般不大于50米?蚣芙Y構的建筑應采用建筑物基礎鋼筋做接地體。

(2)直擊雷電流在電源系統的分配:

  根據GB50057-94的標準對直擊雷電流分類:

  第一類 200KA 10/350us

  第二類 150KA 10/350us

  第三類 100KA 10/350us

  一個能量為200KA的直擊雷,由整個系統的電源、管線、地網、通信網絡線來分擔。以一棟建筑的防雷來講,電源部分承擔其中近45%(100KA),以三相四線為例,每線承擔大約有25KA(10/350us)的雷電流。通信站基本無管道系統,不計。地網和通信線路承擔剩余55%的雷電流。由此可見,電源系統對直擊雷的防護非常關鍵。

  由此可見,直擊雷的內部防護措施應選用10/350us沖擊雷電流的開關型SPD產品。另外,對于個別架空線引入的傳導雷,也應采用上述一級防護措施。

(3)感應雷的防護

  前面已提到感應雷是因為直擊雷放電而感應到附近的金屬導體中的,其實感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體,一是靜電感應:在雷云中的電荷積聚時,附近的導體也會感應上相反的電荷,當雷擊放電時,雷云中的電荷迅速釋放,而導體中原來被雷云電場束縛住的靜電也會沿導體流動尋找釋放通道,就在電路中形成電脈沖。二是電磁感應:在雷云放電時,迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場,在其附近的導體中產生很高的感生電動勢。研究表明:靜電感應方式引起的浪涌數倍于電磁感應引起的浪涌。

  感應雷可以通過電力電纜、視頻線、網絡線和天饋線等侵入,由于電力電纜的距離長且對雷電波的傳輸損耗小,所以由電源侵入的感應雷造成的危害十分突出,按原郵電部的統計約占了雷擊事故的80%。因此,對建筑物內的系統設備進行感應雷防護時,電源是重點。

  感應雷還可以通過空間感應侵入通信站的內部線路,雖然經過建筑物和機殼的屏蔽衰減后其能量大為減小,但站內許多電信設備的抗過壓能力也很弱,如果處理不當也可能造成設備故障。

(4)接地匯集線的布置

  接地匯集線(匯流排)應布置在靠近避雷器的地方,以使避雷器的接地連接線最短,各樓層的分匯集線應直接與樓底的總匯集線相連,這樣能保證實現單點接地方式,當樓層高于30米時,高于30米部分的分匯集線應與建筑物均壓環相連,以防止側擊。

  近年來IEC的研究認為:接地匯集線的多重互連是有益的,但部標尚未采納。

(5)等電位連接

各種系統的防雷要求種類很多,但其防雷思想是一致的,就是努力實現等電位。絕對的等電位只是一個理想,實際中只能盡量逼近,目前是綜合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法來近似實現等電位。

(6)電源避雷器的選擇和應用原則

考慮到電源負荷電流容量較大,為了安全起見及使用和維護方便,數據通信電源系統的多級防雷,原則上均選用并聯型電源避雷器。

電源避雷器的保護模式有共模和差模兩方式。共模保護指相線-地線(L-PE)、零線-地線(N-PE)間的保護;差模保護指相線-零線(L-N)、相線-相線(L-L)間的保護。對于低壓側第二、三、四級保護,除選擇共模的保護方式外,還應盡量選擇包括差模在內的保護。

殘壓特性是電源避雷器的最重要特性,殘壓越低,保護效果就越好。但考慮到我國電網電壓普遍不穩定、波動范圍大的實際情況,在盡量選擇殘壓較低的電源避雷器的同時。還必須考慮避雷器有足夠高的最大連續工作電壓。如果最大連續工作電壓偏低,則易造成避雷器自毀。

電源系統低壓側有一、二、三級不同的保護級別,應根據保護級別的不同,選作合適標稱放電電流(額定通流容量)和電壓保護水平的電源避雷器,并保證避雷器有足夠的耐雷電沖擊能力。原則上,每一級的交流電源之間連接導線超過25m以上,都應做該級相應的保護。

電源低壓側保護用的電源避雷器,應該選擇有失效警告指示、并能提供遙測端口功能的電源避雷器,以方便監控、管理和日后維護。

電源避雷器必須具有阻燃功能,在失效、或自毀時不能起火。

電源避雷器必須具有失效分離裝置,在失效時,能自動與電源系統斷開,而不影響通信電源系統的正常供電。

電源避雷器的連接端子,必須至少能適應25mm2的導線連接。安避避雷器時的引線應采用截面積不小于25mm2的多股銅導線,建議使用 25mm2的多股銅導線,并盡可能短(引線長度不宜超過1.0m)。當引線長度超過1.0m時,應加大引線的截面積;引線應緊湊并排或綁扎布放。

電源避雷器的接地:接地線應使用不小于25~35mm2的多股銅導線,并盡可能就近與交流保護地匯流排、或總匯流排、接地網直接可靠連接。

另外根據GB50057-94 關于雷擊概率計算中環境參數的選擇(見附件2),根據YD/T5098-2001條文說明中2.0.4款10/350 和 8/20 us波能量換算的公式:

  

Q(10/350us)≌20Q(8/20us)

  

由于10/350us模擬雷電電流沖擊波的能量遠大于8/20us模擬雷電電流沖擊波的能量,因此一般需要使用電壓開關型SPD(如放電間隙、放電管)才能承受10/350us模擬雷電電流沖擊波,而由MOV和SAD組成的SPD一般所承受的標稱放電電流是8/20us模擬雷電電流沖擊波。

(7)電源避雷器的安裝要求

在安裝電源避雷器時,要求避雷器的接地端與接地網之間的連接距離盡可能越近越好。如果避雷器接地線拉得過長,將導致避雷器上的限制電壓(被保護線與地之間的殘壓)過高,可能使避雷器難于起到應有的保護作用。

因此,避雷器的正確安裝以及接地系統的良好與否,將直接關系到避雷器防雷的效果和質量。避雷器安裝的基本要求如下:

電源避雷器的連接引線,必須有足夠粗,并盡可能短;

引線應采用截面積不小于25mm2的多股銅導線;

如果引線長度超過1.0m時,應加大引線的截面積;

引線應緊湊并排或幫扎布放;

電源避雷器的接地線應為不小于25~35m2多股銅導線,并盡可能就近可靠入地。

四、防雷設計依據


  (1) 建筑物防雷設計規范 GB50057-94

  (2) 電子計算機機房設計規范 GB50174-93

  (3) 民用建筑電氣設計規范 JGJ/T16-92

  (4) 計算站場地安全要求 GB9361-88

  (5) 計算站場地技術文件 GB2887-89

  (6) 計算機信息系統防雷保安器 GA173-1998

  (7) 雷電電磁脈沖的防護 IECI312

  ( 微波站防雷與接地設計規范 YD 2011-93

  (9) 通信局(站)接地設計暫行技術規定 YDJ26E9

五、綜合防雷方案設計

(1)前端設備的防雷

 a) 前端設備有室外和室內安裝兩種情況,安裝在室內的設備一般不會遭受直擊雷擊,但需考慮防止雷電過電壓對設備的侵害,而室外的設備則同時需考慮防止直擊雷擊。

b) 前端設備如攝像頭應置于接閃器(避雷針或其它接閃導體)有效保護范圍之內。當攝像機獨立架設時,避雷針最好距攝像機3-4米的距離。如有困難避雷針也可以架設在攝像機的支撐桿上,引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ 8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應,沿桿引上攝像機的電源線和信號線應穿金屬管屏蔽。

c) 為防止雷電波沿線路侵入前端設備,應在設備前的每條線路上加裝合適的避雷器,如電源線(220V或DC12V)、視頻線、信號線和云臺控制線。

d) 攝像機的電源一般使用AC220V或DC12V。攝像機由直流變壓器供電的,單相電源避雷器應串聯或并聯在直流變壓器前端,如直流電源傳輸距離大于15米,則攝像機端還應串接低壓直流避雷器。

e) 信號線傳輸距離長,耐壓水平低,極易感應雷電流而損壞設備,為了將雷電流從信號傳輸線傳導入地,信號過電壓保護器須快速響應,在設計信號傳輸線的保護時必須考慮信號的傳輸速率、信號電平,啟動電壓以及雷電通量等參數。

f) 室外的前端設備應有良好的接地,接地電阻小于4Ω,高土壤電阻率地區可放寬至 <10Ω。

(2)傳輸線路的防雷

a) CCTV系統主要是傳輸信號線和電源線。室外攝像機的電源可從終端設備處引入,也可從監視點附近的電源引入。

b) 控制信號傳輸線和報警信號傳輸線一般選用芯屏蔽軟線,架設(或敷設)在前端與終端之間。

c) GB50198-1994規定,傳輸部分的線路在城市郊區、鄉村敷設時,可采用直埋敷設方式。當條件不充許時,可采用通信管道或架空方式,此時規定了傳輸線纜與其它線路其溝的最小間距和與其它線路共桿架設的最小垂直間距。

d) 從防雷角看,直埋敷設方式防雷效果最佳,架空線最容易遭受雷擊,并且破壞性大,波及范圍廣,為避免首尾端設備損壞,架空線傳輸時應在每一電桿上做接地處理,架空線纜的吊線和架空線纜線路中的金屬管道均應接地。中間放大器輸入端的信號源和電源均應分別接入合適的避雷器。

e) 傳輸線埋地敷設并不能阻止雷擊設備的發生,大量的事實顯示,雷擊造成埋地線纜故障,大約占總故障的30%左右,即使雷擊比較遠的地方,也仍然會有部分雷電流流入電纜。所以采用帶屏蔽層的線纜或線纜穿鋼管埋地敷設,保持鋼管的電氣連通。對防護電磁干擾和電磁感應非常有效,這主要是由于金屬管的屏蔽作用和雷電流的集膚效應。如電纜全程穿金屬管有困難時,可在電纜進入終端和前端設備前穿金屬管埋地引入,但埋地長度不得小于15米,在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管同防雷接地裝置相連。

(3)終端設備的防雷

a) 在CCTV系統中,監控室的防雷最為重要,應從直擊雷防護、雷電波侵入、等電位連接和電涌保護多方面進行。

b) 監控室所在建筑物應有防直擊雷的避雷針、避雷帶或避雷網。其防直擊雷措施應符合GB50057-94中有關直擊雷保護的規定。

c) 進入監控室的各種金屬管線應接到防感應雷的接地裝置上。架空電纜線直接引入時,在入戶處應加裝避雷器,并將線纜金屬外護層及自承鋼索接到接地裝置上。

d) 監控室內應設置一等電位連接母線(或金屬板),該等電位連接母線應與建筑物防雷接地、PE線、設備保護地、防靜電地等連接到一起防止危險的電位差。各種電涌保護器(避雷器)的接地線應以最直和最短的距離與等電位連接母排進行電氣連接。

e) 由于有80%雷擊高電位是從電源線侵入的,為保證設備安全,一般電源上應設置三級避雷保護。在視頻傳輸線、信號控制線,入侵報警信號線進入前端設備之前或進入中心控制臺前應加裝相應的避雷保護器。

f) 良好的接地是防雷中至關重要的一環。接地電阻值越小過電壓值越低。監控中心采用專用接地裝置時,其接地電阻不得大于4Ω。采用綜合接地網時,其接地電阻不得大于1Ω。

(4)具體保護措施──防雷器的安裝

A、攝像機:

前端設備如攝像頭應置于接閃器(避雷針或其它接閃導體)有效保護范圍之內。當攝像機獨立架設時,避雷針最好距攝像機3-4米的距離。如有困難避雷針也可以架設在攝像機的支撐桿上,引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ 8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應,沿桿引上攝像機的電源線和信號線應穿金屬管屏蔽。

在帶云臺攝像槍的前端安裝:每槍配置電源、視頻、控制線路三合一組合式防雷器。

在不帶云臺攝像機的前端安裝:每槍配置電源、視頻線路二合一組合式防雷器。

B、監控中心機房:

在監控中心機房大樓電源總配電柜的進線端,安裝通流容量100KA電源防雷器,作為監控中心機房設備電源第一級防護。

在監控中心機房的220V電源的電源進線端,安裝通流容量40KA電源防雷器,作為監控中心機房設備電源第二級防護。

在監控中心機房各終端設備設備的前端,安裝通流容量10KA電源防雷器,作為監控中心機房內各終端設備電源第三級的防雷防護。

在矩陣主機、視頻分割器的視頻線路接入端,安裝視頻信號防雷器,作為監控中心機房內視頻連接端口的防雷保護。

在矩陣主機、視頻分割器的控制線路接入端,安裝控制信號防雷器,作為監控中心機房內控制連接端口的防雷保護。

工程說明

1. 有關安裝割接說明

本工程中,由于在安裝有關電源避雷器時需要短時間中斷相應的電源(注:電源避雷器是并接的),在安裝數據網絡接口保護裝置時可能需要中斷部分網絡(注:接口保護裝置是串接的)。為了盡可能減少對通信網絡的影響,在施工過程中,對電源避雷器和網絡設備保護裝置的施工割接說明如下:

(1) 電源避雷器的安裝割接:

安裝前應做好充分的準備,如連接導線的長度、線餌和螺絲的大小等應先根據安裝位置和連接位確定好。嚴禁電安裝電源避雷。

安裝各級電源避雷器時,應做好意外情況的應對方法(如:停電時間過長)。

在中斷市電來安裝第一級第二級保護用電源避雷器的同時,應確保油機或備用電源供電正常。低壓室一級避雷器的安裝時間應在30分鐘(市電拉閘時間)內完成。

在電力室交流配電屏上安裝電源避雷器時,應在15min(配電屏開關拉閘時間)內完成。

在UPS交流配電屏上安裝第三級電源避雷器時,先檢查和確保UPS供電滿載在可靠的放電時間前提下,安裝時應在15分鐘(配電屏開關拉閘時間)內完成。

在UPS 交流輸出配電屏上安裝第四級電源避雷器時,此時,數據設備的交流供電設備將不可避免地停止供電。因此,安裝此級避雷器時,應與有關數據網絡部門密切配合,商討最佳時機和制訂最佳應急方案,保證各種信息及時且不丟失,對用戶的影響降到最小。安裝時應在15分鐘(配電屏開關拉閘時間)內完成。

(2) 數據網絡接口保護裝置的安裝割接:

由于數據網絡接口保護裝置是串接在被保護的設備端口上的,安裝時如不采取適當的應急措施,將難免中斷該接口信號的傳輸而影響網絡。



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