防雷与安防系统的安全设计

　　　
　　对雷电感应本质的认识，不仅涉及到感应雷的防护措施是否有效，更涉及到被保护系统的安全。专业防雷对雷电感应本质的认识很值得怀疑和探讨。

　　【对雷电感应认知的描述】

　　关于雷电感应，《指南》第五章指出：

　　雷电感应过电压

　　雷电放电时，在附近导体上产生静电感应与电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花。

　　（1）静电感应

　　雷云电荷在放电之前，它会对架空的电线、电缆产生静电感应，使距离雷云附近的电线、电缆积累起异性电荷，当雷云放电时，雷云电荷迅速被中和，从而使线路上原先被束缚的异性荷沿线路两端行进，在线路上产生电磁感应过电压、过电流，造成设备损坏。雷云对架空线路的静电感应示意图如图2。

　　（2）电磁感应

　　当雷电发生云际闪、云地闪，闪击避雷针、避雷带或地面其他构筑物时，由于雷电流幅值大波头陡度高，在雷电流的通道附近形成一个很强的电磁场，将直接感应在电源线或信号线上，甚至网络通信设备上，形成感应过电流过电压，侵入到系统中，并损坏设备。高强度的雷电放电可以对距离雷击点1km范围内的网络系统产生电磁感应作用，造成系统设备损坏。

　　“专业防雷厂家”的典型描述

　　电磁感应：当附近区域有雷击闪络时，在雷击落实通道周围会产生强大的瞬变电磁场。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，以致损坏、损毁设备。

　　 静电感应：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会感应出与雷云相反的束缚电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100kV静电电位，信号线路上可40－60kV静电电位，一旦雷云放电后，束缚电荷迅速扩散，即引起感应雷击。

　　电磁感应和静电感应引发的雷击现象均称为感应雷，又称二次雷。它对设备的损害没有直击雷来的猛烈，但它要比直击雷发生的机率大得多，有统计显示，感应雷击约占现代雷击事故的80%以上。

　　研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。

　　“专业防雷”把雷电感应本质的认识，划分为“静电感应”和“电磁感应”两个概念。我们必须先认识和分析一下这两个概念。

　　一）关于“静电感应”

　　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会感应出与雷云相反的束缚电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100kV静电电位，信号线路上可40－60kV静电电位

　　经典电磁场理论明确的给出了场中导体对静电场的影响，如图4所示：

　　电磁场基本理论和实践告送我们：静电场中的导体内部电场E=0，无电荷移动，导体只改外部静电场的分布形状；接地架空线在静电场中，始终保持与大地等电位；这就是说，架空线始终保持与大地等电位。

　　实际生活中，写字楼和家庭常用的电源线，电话线，网络线，有线电视线等很多都有架空的，或部分架空的，如果这种“静电感应”几十到上百千伏电压存在，恐怕一个雷暴天气下来，家电设备损失和人员伤亡就要超过一次大的战役了。60~100KV电压击穿空气的“闪击距离”超过2~3公分多，阴雨潮湿环境下，闪击距离可能达到10~20公分，恐怕楼内和家里到处冒火，处处冒烟了。

　　二）关于“电磁感应”过电压、过电流的认识

　　2-1【专业防雷关于“电磁感应”认识要点】

　　闪电伴随有强大的电磁辐射，会在线缆上形成感应电动势，专业防雷又称为“感应过电流过电压”，本质都是雷电感应电动势，在这一认识点上，没有异议；

　　使用“接地防雷器”，“ 向大地泄放雷电流”，说明“专业防雷”认定线缆上这个“感应电动势”性质，“铁定”是一个一端接大地一端接线缆的“电压”，见图7示意图。

　　 因此他们在安防系统极力推广的防感应雷应用设计是：

　　**所有传输线路的两端均应安装相应的防雷器。

　　**所有的防雷器应可靠接地！

　　**宣传语是：“接地泄放雷电流”，“防雷必须接地，不接地就不能防雷”。

　　为了叙述方便，下面我们把上述这种认识，简称为“电磁感应说”。

　　2.2【“电磁感应说”认识上的基本概念错误】

　　接地防雷器能“有效些防雷电流”吗？

　　经典电磁场理论告诉我们，雷电产生电磁辐射，形成空间电磁场，也就是常说的空间电磁波，可以在金属导体上产生交变感应电动势。反过来说：监控传输线缆的“天线效应”，可以接收到“雷电感应电动势”，性质同样属于高频交变电压，而不是单极性电荷；感应电动势形成的位置，是等效在线缆中间，而绝对不是等效在线缆和大地之间；如图8所示：孤立架空线，接地架空线，金属立杆和垂直接地线上，都有雷电感应电动势（过电压）。本质上这与常说的空间“电磁干扰”形成原理是一样的，这里可以称为“雷电干扰”。只是在某种情况下，这种“雷电干扰”幅度、强度可能比普通电磁干扰更大而已。

　　雷电感应，可以是来自云地放电的电磁辐射，如通过避雷针、大树或地面其他物体放电辐射，也可以是来自空中云际间的放电辐射。

　　线缆上的电磁感应电动势（过电压）形成位置，与大地无关，线缆两端用于泄放雷电流的“防雷器接地线”上，同样也会接收到“雷电感应电动势”，所谓“接地泄放雷电流”，不仅传输线缆上的“过电压”不能泄放掉，而且又增加了两端接地线上的“过电压”，这又能用什么办法来接地泄放呢？几年来在中安网和千家网安防论坛里，对这个原理性质疑，那些极力主张“接地泄放”的专业防雷们，一直保持回避和沉默态度。实际上接地线只会加强“雷电过电压”；

　　图9是用独立避雷针防直击雷，保护室外立杆摄像机案例示意图。避雷针接闪时几十到几百千安放电电流，产生交变电磁场（虚线表示）；被避雷针保护的立杆摄像机输出端，安装有接地防雷器，防雷器的接地线与避雷针近距离平行设置，形成有效地电磁耦合关系，在垂直接地线上形成雷电感应电动势Ud。放电管与Ud串联，并没有加在放电管两端，如何向大地泄放？这个现实问题，“专业防雷”未敢正视，更没见过解释。

　　大楼内部的监控线缆，距离建筑物防直击雷下引线距离很近、平行，包括安装的接地防雷器接地线，都会有雷电感应“过电压”；

　　对以水平走线为主的传输线，线缆上的电磁感应电动势U,如图10所示，实际等效位置在线缆上，与大地无关。在线缆一端安装接地防雷器，感应电动势U没有加在放电管两端，不能构成放电通路；而“专业防雷”却天真的认为这样设计，就能把线缆上的“过电压、过电流”向大地泄放；

　　4）只有当线缆两端，同时安装接地防雷器（或远端也有接大地点）时，才可能构成放电回路，感应电动势U才能加在两个放电管两端。不过，这时传输线路和“大地”都进入了放电回路中，几十米，几百米，甚至上千米的传输线的所有电抗，都将严重增大了雷电流泄放的时间常数，显然这又是专业防雷“故意忽视”的，见图11；

　　5）以视频线防雷器为例，视频线两端安装“开关型防雷接地元件”，假定开关导通电压为15伏；对雷电感应电动势，回路中有传输线上的感应电动势Uo，两端接地线上的U1和U2；每一个感应电动势都要通过视频线、两端接地线和大地这个大回路泄放，见图12。这么长的放电回路，哪家的专业防雷器能做到有效、快速“泄放雷电流”呢？

　　 6）对高频感应电动势来说，实际视频线，接地线，都有不可忽视的直流电阻、高频电感和分布电容，我们用Z1，Z2,Z0表示每条线路的的阻抗，如图13所示.任何一个高频感应电动势放电，考虑到这些阻抗影响后，放电时常数必然很大。频域分析概念是：雷电感应窄脉冲，有着丰富的高频分量，每条线路的阻抗很高，极大地限制了放电电流，大电流泄放的愿望，无法实现；暂态时域分析概念是：较大的放电时常数，使线缆过电压的放电持续时间大大延长，远大于雷电脉冲宽度；

　　“限制了放电电流，延长了放电时间”，使那些几千安放电能力的“纳秒级”防雷器，失去实际意义。

　　7）不要忘记：雷电感应电动势形成在视频线屏蔽层上，而两端的视频线屏蔽层，都通过75欧姆匹配电阻，与芯线构成交流闭合回路，每个感应电动势（Uo，U1，U2）都可以在75欧姆负载上形成暂态过电压，接地防雷的设计和应用，显然，不能有效消除雷电感应对设备的安全威胁；

　　【结论】“电磁感应说”把线缆上的雷电感应电动势，不容置疑的认为是“对地电压”，并设计接地防雷器向大地泄放，这是违背交变电磁场经典理论的基本概念错误。而防雷器接地泄放雷电流的应用设计，不仅达不到有效泄放雷电流的目的，反而在接地线上引入了附加雷电感应电动势，进一步加强了雷电“过电压，过电流”，造成了更大的雷电危害。

　　2.3【接地防雷器严重威胁安防系统自身的安全】

　　安防系统使用的“专业防雷器”，因为防雷器“接地”，又把“地电位”引入了安防系统，人为制造了系统重大安全隐患。这里所说“接地防雷器”，包括“接地浪涌保护器”。

　　接地防雷器引入地电位原理：

　　以视频防雷器为例，图14.主机接大地B点，摄像机输出端安装了一个限压型接地防雷器，接地点为A,假定A点出现高地电位VA，防雷器限压值为±15V，B点地电位VB=0；

　　使用常态接地的防雷器：防雷器把摄像机直接接地，这就制造了安防系统多点接地，形成系统多个地电位环路。当任何一个地环路出现地电位差，轻则造成视频干扰，重则瞬间烧毁设备；地电位差可以是几十伏，几百伏，甚至更大。高电压可以瞬间成批损毁设备，持续的放电也可以烧毁防雷器，这就是不打雷也会烧毁设备和防雷器的真实原因。防雷器直接接地，是直接引入地电位，是威胁整个安防系统设备安全的严重错误设计。

　　 使用常态不接地防雷器：通过开关元件或限压元件接大地，如图14，当地电位差低于±15V时，防雷元件开路，当地电位差超过±15V数值后，防雷元件导通短路，把地电位引导到摄像机上，同样形成事实上的多点接地；不管是电网地电位触发的持续性地电位，还是闪电触发的瞬态地电位，对安防系统来说，都是毁灭性的安全隐患。

　　为什么地电位会烧毁防雷器？

　　按照专业设计意图考虑，假定雷电过电压为1KV/10μs脉冲，接地电阻为4欧姆，理想脉冲放电电流为250A：

　　脉冲功率为：P=1000V*250A=250KW；

　　平均功率为：P=250*103W*10/106=2500/103=2.5W;

　　假定电网地电位是100V,电流为100V/4Ω=25A, 功率为：P=100V*25A=2500W,是上面雷电过电压功率的1000倍；所以烧毁防雷器轻而易举。常规视频输入输出电路耐压一般都在10~30V以下，地电位电压足以瞬间烧毁视频设备。

　　5）“专业”设计的安防防雷，主张多点接地，接地引来地电位，把地电位和雷电感应混为一谈，一律划归“感应雷”，断定是对地电压，用接地防雷器向大地泄放；这是专业防雷们所走的错误路线。这是原理性设计错误，它给安防系统制造了重大安全隐患。

　　
　　【结论】专业防雷对地电位缺乏正确的认识，混淆地电位与雷电感应的基本概念，用接地防雷器“泄放雷电流”，理论上没有依据，认识上是概念错误、应用上没有实效，实践上是敞开大门把地电位引入安防系统，安防系统自身和防雷器都将自毁于人为引入的地电位。

　　【附加说明】本文所指的“接地防雷器”，是指用于安防系统的接地防雷器或接地浪涌保护器，所说安防系统不能使用接地防雷器，可以延伸到其他广域弱电系统，但是不包括电网、强电系统防雷使用接地防雷器。