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1、南 京 气 象 学 院毕 业 论 文系 别 电子工程系 专 业 防雷专业 姓 名 刘延锦 学 号 2000405210 论文题目 智能建筑中监控系统防雷保护设计 指导教师 梅卫群 2004 年 6 月 4 日智能建筑中监控系统防雷保护设计摘 要：在介绍智能建筑中监控系统的基础上，对其防雷设计进行了多方面分析，系统地介绍了一些新型防雷设备，并对智能建筑监控系统要点进行了归纳。关键词：智能建筑、监控系统、综合防雷、避雷器一、引言 近年来，智能建筑方兴未艾。智能建筑内多包含有大量的电子设备与计算机系统，这些电子设备与计算机系统通常属于耐电压等级低，防干扰要求高的弱电设备，最怕受到雷击。普通建筑物防雷
2、保护的避雷装置引入了强大的雷电流通过引下线入地，可在附近空间产生了强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应出雷电过电压，因此普通建筑物防雷系统不但不能保护这些电子设备与计算机系统，反而可能会引入雷电。因此，智能建筑的防雷保护成为一个越来越重要的课题摆在我们面前。 随着监控系统在智能建筑管理中的迅速普及应用，监控系统设备因雷击破坏的可能性就大大增加了。其后果可能会使整个监控系统运行失灵，并造成难以估计的经济损失。为了对监控系统采取有效的防雷保护措施，保障监控系统正常可靠的运行，首先应明确监控系统遭受雷击损害的主要原因以及雷电可能的侵入途径，尤其是雷击损坏危险度较高的室外监控设
3、备，在分析其损坏可能性的基础上，正确选择和使用监控系统设备的防雷保护装置，以及研究和探讨信号、电源线路的布放、屏蔽及接地方式等。可以提高监控系统的抗雷电能力，优化系统的防雷水平起到很好的作用。二、闭路监控系统的组成及雷害成因1、闭路监控系统闭路监控是物业管理和建筑公共安全管理的重要技术手段。闭路监控系统（Closed Circuit Television,简称CCTV）能为管理者提供建筑内部和外部重要区域的近距离的观察和控制，系统能够实时、形象、真实地反映被监控的对象。闭路监控系统由以下部分组成：a图像生成设备摄像镜头和摄像机；b图像传输设备与控制设备；c图像处理与显示设备。闭路系统的技术要求
4、是：摄像机的清晰度、摄像机镜头的光圈和焦距、系统传输的带宽、视频信号的信噪比、电视信号的的制式、系统各部分器件的环境适应性。闭路监控系统可以和防盗报警系统火灾自动报警系统联动使用，当有非法入侵报警和火警报警时可以使监控中心的画面自动切换的报警区域并进行录像。电视监控系统（CCTV），一般由以下三部分组成：1前端部分：主要由黑白（彩色）摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成。2传输部分：使用同轴电缆、电线、多芯线采取架空、地埋或沿墙敷设等方式传输视频、音频或控制信号等。3终端部分：主要由画面分割器、监视器、控制设备等组成。 2、CCTV系统雷害成因直击雷：雷电直接击在露天的摄像机上造成设备损坏；
5、雷电直接击在架空线缆上会造成线缆熔断。雷电波侵入：CCTV的电源线、信号传输或进入监控室的金属管线到雷击或被雷电感应时，雷电波沿这些金属导线侵入设备，造成电位差使设备损坏。雷电感应：当雷击避雷针时，在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场。处在电磁场中的监控设备和传输线路会感应出较大的电动势。这现象叫电磁感应。当有带电的雷云出现时，在雷云下面的建筑物和传输线路上都会感应出与雷云相反的电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100kV，信号线路上可4060kV。这种现象叫静电感应。电磁感应和静电感应称为雷电感应，又叫二次雷。它对设备的损害没有直击雷来的激烈，但它要比直击雷发生的机率大得多。3、雷击危害智
6、能住宅小区监控系统之一例监控系统电子设备遭受雷击破坏近年来时有发生。在某住宅小区，建筑面积8万多平方米，小区由数十栋智能住宅楼组成，依山而建，地形高差起伏约30m。电气设计中防直击雷按二类防雷要求设计，屋顶采用避雷带。小区智能系统较全面，除电话、有线电视、火灾自动报警外，其余智能系统由一家专业公司设计，并由该专业公司供应设备，负责系统安装、调试。小区会所的一层设有一个中央控制室。系统投入运行后，发生过一次雷击时信号传输中断的情况，但未引起足够的注意。尔后又有一次较强的雷击，将中控室监控主机烧坏，同时又造成访客可视对讲和家庭安防系统瘫痪，直接损失达30万元之多，间接损失是访客对讲系统中断多时，影
7、响了住户正常生活。此次雷击危害住宅小区智能系统事故引发的直接原因在于：周界防范系统采的用红外对射和摄像头进行监控，数量较多，分布在小区围墙或主道路一侧，突出地面，线路覆盖面也较宽。当发生雷击时，瞬时过电压通过该系统信号传输线路和供电线路导入中央控制室，致使系统主机损坏。这是雷击对信息系统(智能系统当然也属于信息系统)危害的事例。主要为雷电波侵入和雷电感应，即雷击电磁脉冲(LEMP)危害住宅小区智能系统。重视雷击电磁脉冲(LEMP)对智能系统。三、CCTV系统的综合防雷1、前端设备的防雷前端设备有室外和室内安装两种情况，安装在室内的设备一般不会遭受直击雷击，但需考虑防止雷电过电压对设备的侵害，而
8、室外的设备则同时需考虑防止直击雷击。在室外，前端设备如摄像头应置于接闪器（避雷针或其它接闪导体）有效保护范围之内。当摄像机独立架设时，避雷针最好距摄像机34m的距离。如有困难避雷针也可以架设在摄像机的支撑杆上，引下线可直接利用金属杆本身或选用8的镀锌圆钢。为防止电磁感应，沿杆引出摄像机的电源线和信号线应穿金属管屏蔽（金属套管两端应与金属立杆进行等电位连接）。为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器，如电源线（220V或DC12V）采用型号规格为QFL01-C485的避雷器，特性阻抗为100、传输速率为10 Mbps、插入损耗为0.2dB、通流容量为5 KA的避雷器
9、；视频线采用型号规格为QFL01-V40A的避雷器，特性阻抗为75、传输速率为40 Mbps、插入损耗为0.3dB、通流容量为5 KA的避雷器；信号线采用型号规格为QFL01-V800B的避雷器，特性阻抗为75、传输速率为800 Mbps、插入损耗为0.5dB、通流容量为5 KA的避雷器；云台控制线采用型号规格和视频线采用的一样。摄像机的电源一般使用AC220V或DC12V。摄像机由直流变压器供电的，单相电源避雷器应串联或并联在直流变压器前端，如直流电源传输距离大于15米，则摄像机端还应串接型号规格为QFL01-T2000A、插入损耗为0.5dB、传输速率为960Mbps、通流容量为5 KA、
10、驻波比为1.2的低压直流避雷器。2、传输线路的防雷CCTV系统主要是传输信号线和电源线。室内、外摄像机的电源可从终端设备处引入，也可从监视点附近的电源引入。为防止雷电波沿着各种金属导线传输到智能建筑物内部的中央控制计算机，除独立避雷针、它的引下线及它的接地系统外，所有进出大楼中央控制室的金属物包括各种金属管道、各种电缆的金属外皮、建筑物本身的基础钢筋网都应联结成同一的电气整体，并与专门的同一地系统相连（统一接地体为接地电位基准点，由此分别引出各种功能接地引线，利用总等电位和辅助等电位的方式组成一个完整的统一接地系统。通常情况下，统一接地系统可利用大楼的桩基钢筋，并用404mm镀锌扁钢将其连成一
11、体，作为自然接地体。根据规范，该系统与防雷接地系统共用，其接地电阻应1。若达不到要求，必须增加人工接地体或采用化学降阻法，使接地电阻1。在变配电所内设置总等电位铜排，该铜排一端通过构造柱或底板上的钢筋与统一接地体连接，另一端通过不同的连接端子分别与交流工作接地系统中的中性线连接，与需要做安全保护接地的各设备连接，与防雷系统连接，与需做直流接地的电子设备的绝缘铜芯接地线连接）；所有进出建筑物的金属传输线的不能直接接地的部分，如电源相线、计算机通信电缆的芯线、电话线、闭路电视传输线、各种报警通信电缆的芯线等都应接上规格型号为QFL01-V40B、特性阻抗为75、传输速率为40 Mbps、插入损耗为
12、0.3dB、通流容量为5KA的避雷器，并将其接地端接到上述的接地网。为减小静电感应和电磁感应的干扰，中央计算机机房电源应采用金属屏蔽层的电缆全线直接埋地进线或无金属屏蔽的电缆金属管进线，其它通信电缆也应同样进线。在架空线与埋地电缆交接处应接额定电压（有效值）为7.6 KA、工频放电电压（有效值）不小于16 kV、泄漏电流为10A的氧化锌避雷器。设备前端穿金属管埋地引入，但埋地长度不得小于15米，在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地装置相连。3、终端设备的防雷在CCTV系统中，监控中心一般设置在智能建筑的出入端或控制管理区域的中心位置。监控室的防雷最为重要，应从直击雷防护、雷电波侵入、等电位连
13、接和电涌保护多方面进行考虑。3.1防雷接地：智能化楼宇内有大量的电子设备与布线系统，如通信自动化系统，火灾报警及消防联动控制系统，楼宇自动化系统，保安监控系统，办公自动化系统，闭路电视系统等，以及他们相应的布线系统。从已建成的大楼看，大楼的各层顶板，底板，侧墙，吊顶内几乎被各种布线布满。这些电子设备及布线系统一般均属于耐压等级低，防干扰要求高，最怕受到雷击的部分。不管是直击，串击，反击都会使电子设备受到不同程度的损坏或严重干扰。因此对智能化楼宇的防雷接地设计必须严密，可靠。智能化楼宇的所有功能接地，必须以防雷接地系统为基础，并建立严密，完整的防雷结构。 智能建筑多属于一级负荷，应按一级防雷建筑
14、物的保护措施设计，接闪器采用针带组合接闪器，避雷带采用254mm镀锌扁钢在屋顶组成1010m的网格，该网格与屋面金属构件作电气连接，与大楼柱头钢筋作电气连接，引下线利用柱头中钢筋，圈梁钢筋，楼层钢筋与防雷系统连接，外墙面所有金属构件也应与防雷系统连接，柱头钢筋与接地体连接，组成具有多层屏蔽的笼形防雷体系，我们称之为“法拉第笼”。这样不仅可以有效防止雷击损坏楼内设备，而且还能防止外来的电磁干扰。3.2交流工作接地：将电力系统中的某一点，直接或经特殊设备（如阻抗，电阻等）与大地作金属连接，称为工作接地。 工作接地主要指的是变压器中性点或中性线（N线）接地。N线必须用铜芯绝缘线。在配电中存在辅助等电
15、位接线端子，等电位接线端子一般均在箱柜内。必须注意，该接线端子不能外露；不能与其它接地系统，如直流接地，屏蔽接地，防静电接地等混接；也不能与PE线连接。 在高压系统里，采用中性点接地方式可使接地继电保护准确动作并消除单相电弧接地过电压。中性点接地可以防止零序电压偏移，保持三相电压基本平衡，这对于低压系统很有意义，可以方便使用单相电源。3.3安全保护接地：安全保护接地就是将电气设备不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。即将大楼内的用电设备以及设备附近的一些金属构件，用PE线连接起来，但严禁将PE线与N线连接。 在智能化楼宇内，要求安全保护接地的设备非常多，有强电设备，弱电设备，以及一些非
16、带电导电设备与构件，均必须采取安全保护接地措施。当没有做安全保护接地的电气设备的绝缘损坏时，其外壳有可能带电。如果人体触及此电气设备的外壳就可能被电击伤或造成生命危险。在中性点直接接地的电力系统中，接地短路电流经人身，大地流回中性点；在中性点非直接接地的电力系统中，接地电流经人体流入大地，并经线路对地电容构成通路，这两种情况都能造成人身触电。如果装有接地装置的电气设备的绝缘损坏使外壳带电时，接地短路电流将同时沿着接地体和人体两条通路流过。Id=IdIR我们知道：在一个并联电路中，通过每条支路的电流值（Id、IR、）与电阻（rd、rR）的大小成反比。 式中：Id 接地回路中的电流总值 Id 沿接
17、地体流过的电流 IR 流经人体的电流rd 接地装置的接地电阻rR 人体的电阻 由上式可以看出，接地电阻越小，流经人体的电流越小，通常人体电阻要比接地电阻大数百倍，经过人体的电流也比流过接地体的电流小数百倍。当接地电阻非常小时，流过人体的电流几乎等于零，即IdId。实际上，由于接地电阻很小，接地短路电流流过时所产生的压降很小，所以设备外壳对大地的电压是不高的。人站在大地上去碰触设备的外壳时，人体所承受的电压很低，不会有危险。加装保护接地装置并且降低它的接地电阻，不仅是保障智能建筑电气系统安全，有效运行的有效措施，也是保障非智能建筑内设备及人身安全的必要手段。 3.4直流接地：在一幢智能化楼宇内，
18、包含有大量的计算机，通讯设备和带有电脑的大楼自动化监控设备。在这些电子设备在进行输入信息，传输信息，转换能量，放大信号，逻辑动作，输出信息等一系列过程中都是通过微电位或微电流快速进行，且设备之间常要通过互联网络进行工作。因此为了使其准确性高，稳定性好，除了需有一个稳定的供电电源外，还必须具备一个稳定的基准电位。可采用较大截面的绝缘铜芯线作为引线，一端直接与基准电位连接，另一端供电子设备直流接地。该引线不宜与PE线连接，严禁与N线连接。3.5屏蔽接地与防静电接地：在智能化楼宇监控机房内，电磁兼容设计是非常重要的，为了避免所用设备的机能障碍，避免甚至会出现的设备损坏，构成布线系统的设备应当能够防止
19、内部自身传导和外来干扰。这些干扰的产生或者是因为导线之间的耦合现象，或者是因为电容效应或电感效应。其主要来源是超高电压，大功率辐射电磁场，自然雷击和静电放电。这些现象会对设计用来发送或接收很高传输频率的设备产生很大的干扰。因此对这些设备及其布线必须采取保护措施，免受来自各种方面的干扰。屏蔽及其正确接地是防止电磁干扰的最佳保护方法。可将设备外壳与PE线连接；导线的屏蔽接地要求屏蔽管路两端与PE线可靠连接；室内屏蔽也应多点与PE线可靠连接。防静电干扰也很重要。在洁净、干燥的房间内，人的走步、移动设备，各自磨擦均会产生大量静电。例如在相对湿度1020的环境中人的走步可以积聚3.5万伏的静电电压、如果
20、没有良好的接地，不仅仅会产生对电子设备的干扰，甚至会将设备芯片击坏。将带静电物体或有可能产生静电的物体（非绝缘体）通过导静电体与大地构成电气回路的接地叫防静电接地。防静电接地要求在洁静干燥环境中，所有设备外壳及室内（包括地坪）设施必须均与PE线多点可靠连接。智能建筑的接地装置的接地电阻越小越好，独立的防雷保护接地电阻应10；独立的安全保护接地电阻应4；独立的交流工作接地电阻应4；独立的直流工作接地电阻应4；防静电接地电阻一般要求100。进入监控室的各种金属管线应接到防感应雷的接地装置上。架空电缆线直接引入时，在入户处应加装规格型号为QFL01-A60D避雷器，其特性阻抗为100，传输速率为60
21、Mbps，通流容量为5 KA。并将线缆金属外护层及自承钢索接到接地装置上。 监控室内应设置一等电位连接母线（或金属板），该等电位连接母线应与建筑物防雷接地、PE线、设备保护地、防静电地等连接到一起防止危险的电位差。各种电涌保护器（避雷器）的接地线应以最直和最短的距离与等电位连接母排进行电气连接。由于有80%雷击高电位是从电源线侵入的，为保证设备安全，一般电源上应设置三级避雷保护。在视频传输线、信号控制线，入侵报警信号线进入前端设备之前或进入中心控制台前应加装相应的避雷保护器。良好的接地是防雷中至关重要的一环。接地电阻值越小过电压值越低。监控中心采用专用接地装置时，其接地电阻不得大于4。采用综合
22、接地网时，其接地电阻不得大于1。四、CCTV监控系统防雷设计方案1、防雷设计的依据 1建筑物防雷设计规范GB50057-94 2民用闭路监视电视系统工程技术规范GB50198-94 3工业电视系统工程设计规范GBJ115-87 4电信专用房屋设计规范YD5003-92 2、监控系统的网络架构1 监控系统组成任何一个监控系统均由前端系统，终端系统，传输系统及控制系统四个子系统组成。前端系统一般在室外，容易遭受直击雷和感应雷，同时通过传输系统及传输系统本身对雷电的感应，将雷电传输到监控中心，损坏终端设备，破坏控制系统。2监控系统分类 同轴电缆传输监控系统一般由摄像机、同轴电缆、控制器、监视器、录像
23、机组成。 电话线传输监控系统一般由摄像机、同轴电缆、发送设备、电话线、接收设备、监视器组成。 光缆传输的监控系统一般由摄像机、电信号、发送光端机、光缆、连接器、接收光端机、监控器组成。微波传输的监控系统一般由摄像机、微波发射机、发射天线、接收天线、微波接收机、监视器组成。3、现场勘察： 1了解监控系统所处的地质条件，建（构）筑物及其附属构件条件。 2查明监控系统的各子系统在不同的LPZ内互相的电气连接关系。 3详细记录设备的数量、名称、接口、工作电压、特性阻抗等。 4了解监控系统的供电情况和电网的分布。 5查找接地装置的具体情况：引下线、接地线的材料、规格、连接情况。 6对曾遭受雷害的系统，给
24、予记载，并重点查看、分析。 4、方案所达到的目的 保障监控系统各设备不受雷击损坏，保障监控系统的正常运作及工作人员的安全。 5、方案的具体内容 1直击雷防护 应在室外的摄像机支承杆顶安装能保护摄像机的避雷针,并做出相应地网接地(要求接地电阻小于10)在监控大楼应有防直击雷的避雷（带、针、塔）装置，并建造一组小于4的地网，使雷电及过电压快速对地泄放。 2感应雷防护 对应的防雷器的安装 a、摄像机： 电源处安装DXH01-P220串联式电源防雷器（标称电压220V，持续工作电压385V，压敏电压62010%，最大通流容量20 KA，漏流20A，响应时间25ns，接地电阻5）。 视频信号线上安装对应
25、接口的QFL01-V40视频防雷器（插入损耗0.3dB, 传输频率40MHZ，特性阻抗75，通流容量5KA）。 带有云台的摄像机，安装一只对应QFL01-V800控制线路防雷器（插入损耗0.5dB, 传输频率800MHZ，特性阻抗75，通流容量5KA）,在监视器前对应接口分别安装上述视频防雷器QFL01-V40。 b、控制器： 安装对应的QFL01-V800控制线路防雷器（参数同上）。 c、监控中心：（如图三所示） 总电源处安装380V的电源防雷器箱SPD1作为第一级防护（其雷电通流量Ia60 KA，波形10/350s，标称导通电压Un4Uc(Uc：最大工作电压)，响应时间Ta100 ns）。
26、 在楼层配电箱前安装对应的220V或380V电源防雷箱SPD2作为第二级防护（其雷电通流量Ia40 KA，波形4/20s，标称导通电压Un3Uc，响应时间Ta50ns）。 在各用电设备前安装相应的电源防雷器SPD3作为第三级防护（具体应根据设备情况选择）（其雷电通流量Ia20 KA，波形8/20s，标称导通电压Un2.5Uc，响应时间Ta50ns）。 在UPS电源后或设备前安装一套雷电流量Ia10 KA，波形8/20s，标称导通电压Un2.2Uc，响应时间Ta50ns的三相电涌保护器SPD4作为第四级精细保护。 在接收、发射设备前安装上述视频防雷器QFL01-V40。 d、微波发射天线： 在微
27、波发射天线处安装避雷针。 在微波接收发机前安装对应接口的天馈信号防雷器QFL01-T2000（插入损耗0.5dB, 传输频率960M2.5GHZ,驻波比1.2，通流容量5KA）。 3等电位处理及屏蔽 将工作地（交、直流工作地）、设备保护地、防雷保护地连接在一起，构成一个均压等电位体，并将所有进入建筑物的通信电缆及线缆用金属管道进行屏蔽，将所有的金属管道（包括水管、煤气管及各种屏蔽管道）在进入建筑物之前，就近接地，如有多组地网且地网间距小于20m,根据国家防雷标准的有关要求采用公共接地方式，即共地处理(采用电子开关作为等电位连接)。其目的是消除各地网之间的电位差，保证设备不因雷电的反击而损坏。
28、4地网制作 地网设计在建筑物周围，地网上端深度为800mm，宽不少于500mm，接地电阻为4，垂直接地体采用5502500mm热镀锌角钢，水平接地体采用440mm热镀锌扁钢，垂直接地体与水平接地体的连接采用双面焊接，水平接地体与水平接地体的搭接采用双面焊接，焊接长度不小于10cm，焊接处刷红丹或沥青做防腐处理。接地线用440mm的热镀锌扁钢，预留接地测试点。汇接点用规格的扁铜，扁铜扁钢连接处采用气焊，在扁铜上预留8的连接孔不少于三个，配备相应规格的不锈钢螺丝或铜螺丝。五、结束语随着智能建筑的兴起和发展，智能建筑中的安全监控系统尤为重要，所以关注安全监控系统的防雷是至关重要的。雷电对安全监控系统
29、的损害途径是多方面的。本文主要对安全监控系统遭受雷击损害的主要几大原因，以及可能的侵入途径作了初步的分析，同时对安全监控系统的防雷保护技术进行了相应的介绍，并详细阐述了智能建筑中监控系统的防雷保护设计方案。需要说明的是，防雷保护是一个比较复杂的问题，对安全监控系统的防雷保护设计不仅取决于防雷装置的性能，更重要的是在监控系统的设计施工之前，就要考虑到监控系统所处的地理环境，设计合适的线缆布放方式、屏蔽及接地方式。总之，防雷保护设计应综合考虑，才能获得良好的效果。六、参考文献：雷电与避雷工程 苏邦礼 建筑物防雷设计规范GB5005794 民用闭路监视电视系统工程技术规范GB5019894智能建筑电子设计手册 陈一才建筑物内电子设备的防雷保护 张小青七、目的和意义: 本篇文章介绍了智能建筑中监控系统的防雷必要性,以引起人们对该系统防雷保护的足够重视。就本防雷工程具体实践提出了一些自己的看法,可以为以后的智能建筑中监控系统的防雷保护设计做一个参考。由于自己水平有限、且时间仓促,文中难免有错误、疏漏之处;还请各位老师、同行不吝指教。
