安防视频监控系统均压、接地、屏蔽、隔离等综合防护

电子设备及监控系统大多数是配备在建筑物室内,当建筑物直接遭受雷击或其附近区域发生雷击时,由雷电放电引起的电磁脉冲和暂态过电压波会通过各种途径侵入建筑物内,危及室内电子设备的安全可靠运行。前面已大概介绍了防雷技术措施,这里再具体介绍一下均压、接地、屏蔽、隔离以及相关的新技术。

一、均压

由前述已知,当雷击发生时,在雷电暂态电流所经过的路径上将会产生暂态电位抬高,使该路径与周围的金属物体之间形成暂态电位差。如果这种暂态电位差超过了两者之间的绝缘耐受强度,就会导致对金属物体的击穿放电,使金属物体带高电位,这种带高电位的金属物体又有可能对其周围的其他金属物体再进行击穿放电。这种击穿放电能直接损坏电子设备,也能产生电磁场脉冲,干扰电子设备的正常运行。为消除雷电暂态电流路径与金属物体之间的击穿放电,需要对室内的各种金属构件进行等电位连接,即将室内的设备、组件和元件的金属外壳或构架连接在一起,并与建筑物的防雷系统相连接,形成一个电气上连续的整体,这样就可以在发生雷击时避免在不同金属外壳或构架之间出现暂态电位差,使得它们彼此间等电位,并维持在地电位的水平,这就是均压措施。

等电位连接分两种基本型式,一种是直接连接,另一种是间接连接。直接连接是将两个金属构件通过螺纹紧固、铜接和焊接等工艺直接进行电气连接;间接连接是采用均压带这个中间环节将两个构件在电气上连接起来,均压带的连接固定可以用螺栓,也可以用焊接来实现。间接连接的均压效果不如直接连接的好,但对于室内的各种金属管道,以及各电缆金属护套,由于它们相互之间实际间隔和位置的限制,一般只能采用均压带和均压母线进行间接连接。事实上,无论是直接连接还是间接连接,都必须保证金属面之间有可靠的电气接触。

均压带应采用导电性能好的金属薄板,常用的有铜或铝薄板。均压带自身的寄生电感,以及它与金属面之间的接触电阻要尽可能小,因为这种寄生电感和接触电阻在暂态电流作用时所产生的暂态压降将会影响均压质量。因此,均压带应尽可能短而宽,并要保持直线连接状态,避免出现弯曲,因为均压带的弯曲将会增大其寄生电感。另外,均压带应具有足够的通流容量,应能够耐受在其所连接之处可能出现的最大暂态电流,以免均压带因过电流熔断而造成更大的危害。

二、接地

在电子设备和电子系统中,各种电路均有电位基准,将所有的基准点通过导体连接在一起,该导体就是设备或系统内部的地线,如果将这些基准点连接到一个导体平面上,则该平面就称为基准平面,所有信号都是以该平面作为零电位参考点的。电子设备常以其金属底座、外壳或铜带作为基准面,基准面不一定都与大地相连,在通常情况下,将基准面与大地相连主要岀于两个目的:一是为设备的操作人员提供安全保障:二是为提高设备的工作稳定性。以下分别对这两种接地方式进行讨论。

(1)工作接地。主要是为了使整个电子电路有一个公共的零电位基准面,并给高频干扰信号提供低阻抗的通路,以及使屏蔽措施能发挥良好的效能。工作接地有以下三种方式。

①浮地。浮地是指电子设备的地线在电气上与建筑物接地系统保持绝缘,两者之间的绝缘电阻一般应在50MΩ以上,这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不能传导到电子设备上去,地电位的变化对设备也就无影响。在许多情况下,为了防止电子设备外壳上的干扰电流直接耦合到电子电路上,常将外壳接地,而将其中的电子电路浮地,如图1所示。

图1 浮地方式

地方式的优点是抗干扰能力强,缺点是容易产生静电积累,当雷电感应较强时,外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压,将两者之间绝缘间隙击穿,造成电子电路的损坏。

②单点接地。把整个电子系统中某一点作为接地基准点,其各单元的信号地都连到这一点上,如图2所示。

图2 单点接地方式

图2(a)为串联式单点接地,图2(b)为并联式单点接地。单点接地可以避免形成地线回路,防止通过地线回路的电流传播干扰。通常,把低幅度的且易受干扰的小信号电路,如前置放大器等用单独一条地线与其他电路的地线分开。而幅度和功率较大的大信号电路,如末级放大器和大功率电路等具有较大的工作电流,其流过地线中的电流较大,为防止它们对小信号电路的干扰,应有自己的地线。对于电动机、继电器和接触器等经常起动和动作的设备及器件,由于它们在起动和动作时会产生干扰,除了需要对它们采取屏蔽和隔离措施外,还必须有单独的地线。当采用多个电源分别供电时,每个电源都应有自己的地线。这些地线都直接连接到一点去接地,这就是多分支单点接地,如图3所示。

图3 多分支单点接地

在许多建筑物内,电子设备的安装位置与室内接地母线之间常存在着一定的距离,采用这种单点接地往往会使接地连线具有较长的长度。由于每条地线均有阻抗,当流过地线中的电流频率足够高时,其波长就会与地线长度可比,这时的地线应看成分布参数传输线。当地线长度达到1/4电流波长的奇数倍时,地线的入端阻抗就趋于无穷大,相当于开路。因此,单点接地一般只适用于0.1MHz以下的低频电路。

①多点接地。将电子系统中各设备的接地点都直接接到距离各自最近的接地平面上,这样就可使接地连线的长度最短,如图4所示。

图4 多点接地方式

这个接地平面是指贯通整个电子系统的具有高电导率的金属带,它可以是设备的底板和结构框架,也可以是室内的接地母线或接地网。

采用多点接地的突出优点是可以就近接地,与单点接地相比,它能缩短接地连线的长度,减小其寄生电感,显然这对雷电防护是有利的。但是,在采用多点接地后,设备或系统内部可能会产生很多地线回路,大信号电路可以通过地线回路电流影响小信号电路,而造成干扰,有时可能会使电子电路不能正常工作。当出现这种情况时,可以改用混合接地方式:对于信号频率在10MHz以上的高频电路采用多点接地;对信号频率在0.1MHz以下的低频电路采用单点接地;而对那些信号频率在0.1~10MHz之间的电路,如其实际接地连线长度不超过信号波长的1/20,可采用单接地,否则采用多点接地。

(2)安全接地。在发生雷击时,强大的雷电暂态电流流过建筑物的接地系统将引起暂态地电位抬高,危及设备与人身安全。在建筑物内,将电子设备与强电设备共地,雷击时智态大电流就可通过电路的耦合对电子设备形成干扰或产生过电压,而雷电暂态电流流过接地系统所造成的暂态高电位,也能通过各种电源线、信号线和金属管道传播到距离接地系统很远且原先为零电位的地方,这将会对电子设备及操作人员产生安全威胁。为此,有的采用电子设备与强电设备分开接地,并采用许多复杂的隔离和绝缘措施,将电子设备的接地连线引出到离强电设备接地系统较远(20m以外)的地方单独接地,但实际上不太容易实现。由于各种线路、金属管道和建筑物构架中的钢筋纵横交错,以及一些建筑物不断扩建,很容易造成在强电设备区出现的暂态高电位通过金属管道或构架钢筋引到低电位的电子设备区或将电子设备区的低电位引到强电设备区,从而引起击穿放电,危及设备与人身安全。

在计算机单独接地的地线引入户外,用一个低压避雷器或放电间隙与建筑物的总接地网连接,当建筑物遭受雷击时,其地电位抬高导致避雷器或放电间隙放电,从而使系统接地与建筑物接地网达到大致相等的电位水平,这就是所谓的暂态共地。正常情况下,避雷器或放电间隙将两个接地分开,有利于抗干扰,而在雷击时能实现两者之间的均压,避免发生击穿放电,危害设备安全。从雷电暂态过电压抑制的角度看,采用这种暂态共地并配合均压措施,能在发生雷击时将建筑物及其内部的强电设备和电子设备以及操作人员同时都抬高到大致相等的电位水平,从而使设备与设备,以及设备与人之间不会出现造成危害的暂态电位差。

实际上,用较长的引线拉到比较远的地方去做单独接地,在低频情况下,对保护电子设备与远处的单独接地点等电位还有意义;但在高频情况下,较长引线的阻抗将影响等电位效果,特别是在信号波长与引线长度之间满足1/4奇数倍关系时,引线相当于开路,也就起不到外伸接地的作用。

三、屏蔽

在电子设备中,半导体器件和集成电路是十分脆弱的,由雷击产生的暂态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上,也可在电源或信号线上感应岀暂态过电压,沿线路侵入电子设备,使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播,是一种有效的防护措施。电子设备常用的屏蔽体有设备的金属外壳、屏蔽室的外部金属网和电缆的金属护套等,采用屏蔽措施对于保证电了设备的正常和安全运行十分重要。

(1)辐射屏蔽。在发生雷击时,由雷电暂态电流产生的暂态电磁脉冲变化是很快的,它能使其附近一定范围内的未屏蔽电子设备受到干扰和损坏。试验表明:在不加屏蔽的条件下,使计算机工作失效的脉冲磁感应强度Bf=0.07x10-4T,使计算机元器件损坏的脉冲磁感应强度Bd=2.4x10-4T参考这些数据,可以进一步估计雷电脉冲磁场对计算机引起的工作失效率和元器件损坏率。如在距离计算机60m处发生雷击时,计算机工作失效的概率Pf(0.06)=0.95;计算机元器件损坏的概率Pd(0.06)=0.15。

为了降低雷击时计算机的工作失效概率和元器件损坏概率,就需要对计算机采取良好的屏蔽措施。通常,将计算机设备的金属外壳有效接地,使其发挥一定的屏蔽作用。对于从隔离变压器或稳压装置到机房配电盒的电源线应采用屏蔽电缆或穿金属管屏蔽。在机房中,空调设备的电源线和控制线也要穿金属管屏蔽,对于重要的计算机系统要采取对设备进行屏蔽乃至对整个机房进行屏蔽。

(2)室内屏蔽措施。配备于各种室内电子系统的功能、组成、结构和安装位置不同,因而所采取的屏蔽措施也因具体情况而异,难以概括为一个比较统一的模式。例如,室内有一大型数据处理系统,可采取以下的屏蔽措施。

①将房屋墙壁中的结构钢筋在相交处电气连接,并与金属门窗框焊接,初步构成一个带门窗开口的屏蔽笼。为改善房间的屏蔽效果,在门窗上分别加装金属网并与门窗框实施有效的电气连接,这样就构成了一个完整的屏蔽笼。该屏蔽笼在导体结构上虽然是稀疏的,但它毕竟可以构成对电磁脉冲辐射的初级屏蔽。在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环,沿该接地环每隔一定距离与屏蔽笼上的结构钢筋进行有效的电气连接。

②将各数字设备的外壳就近与接地环连接,交流电源的保护地线也要与接地环相连,并保持与电源线平行。此外,将室内屏蔽信号电缆的保护套与接地环和保护地线,以及设备外壳等就近相连,并在未屏蔽信号线上加装短路环,短路环的两端也要与设备外壳、保护地线和接地环等相连接。

通过以上两步屏蔽措施的落实,使得室内数据处理系统具有抗拒来自室内外雷电电磁脉冲的屏蔽能力。但从综合防护的角度看,还需要采取暂态过电压防护措施与之配合,即在各电源进线或信号线进线的出入口处加装相应的电源或信号保护装置,在各数字设备的输入与输出端加装保护元件,以便从整体匕构成对雷电危害的系统保护。

(3)仪器屏蔽。一般,凡是含有对电磁脉冲敏感元器件的电子仪器都应采用连续的金属层加以封闭起来,在各个电子仪器之间的信号连线要采用屏蔽电缆,或采用穿金属管进行屏蔽。在信号电缆的两端护套与仪器的屏蔽体(如金属外壳),必须保持良好的电气接触,使它们能构成一个完整的屏蔽体系。为防护暂态过电压,进入电子仪器的电源线应采用压敏电阻之类的保护元件与仪器的屏蔽体系相连接,而在屏蔽信号电缆的输入和输出端,宜采用暂态抑制二极管之类的保护元件与仪器屏蔽体系相连接,以便在仪器的出、入口将沿信号线侵入的暂态过电压波堵住,不让它进入仪器。典型的防护措施如图5所示。

图5 仪器的屏蔽及出、入口防护

(4)信号线和电源线屏蔽。为防止雷电电磁脉冲能够在信号线或电源线等线路上感应出暂态过电压波,所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆,没有屏蔽的导线应穿铁管加以屏蔽。屏蔽层阻档和衰减电磁脉冲的性能不仅与屏蔽层的材料和屏蔽层上网眼大小有关,而且还与屏蔽层的接地方式有关。就暂态过电压防护而言,需要信号线或电源线的的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地。当采用多点接地后,各接地之间的屏蔽层与地之间形成回路,低频干扰电流的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层,在电缆的芯-护套回路中产生低频干扰,这就要求屏蔽层沿线路只能采取单点接地。但从安全的角度看,电缆屏蔽层(护套)采用单点接地是不可取的。

如图6所示,楼1和楼2各有自己的独立接地系统,设它们的集中接地电阻分别为R1和R2,这两座楼中的电子设备A和B通过一条屏蔽电缆连接起来。

图6 屏蔽电缆的接地

在图6(a)中,电缆的屏蔽层在楼2中单点接地,且与楼2中的设备B—并在此接地。现假设楼1遭受雷击,如果有10kA的雷电暂态电流流过楼1的接地电阻的R1,取R1=4Ω,则楼1的地电位将抬高到40kV,而此时楼2的接地电阻R2中尚无暂态电流流过,其地电位近似为零,楼1中电子设备A的外壳也保持零电位,于是它与楼1接地体之间将存在40kV的暂态电压。这样高的电压将直接会造成电子设备A的损坏,严重时还会造成楼1中操作人员的伤亡。

当改用图6(b)所示的两点接地时,就可以避免这种危害。在图6(b)中,为防止由多点接地所产生的低频干扰,可将电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆,将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层的两端与两电子设备外壳分别连接并就近接地,金属管内的电缆单屏蔽层或双屏蔽电缆的内屏蔽层可以采用一端接地,这样既可保证安全,又有利于抑制低频干扰。

四、采用光纤传输与光电耦合器

当电子系统周围环境中的电磁脉冲干扰比较严重且难以采取屏蔽措施时,还可采用光纤传输来发送信号。这时信号是以光的形式传输的,而光纤又是绝缘材料,因此它不受周围强电磁脉冲干扰的影响。

抑制电磁脉冲干扰的另一措施是,采用光电耦合器在电子系统中实施电气隔离。通常,出于安全考虑,电子系统多采用多点接地,由此而带有的弊端是形成地线回路。为有效地隔断这些地线回路,可在两个单元电路之间装一个光电耦合器加以隔离,如图7所示。

图7 采用光电耦合器隔断地线回路

图7中,单元电路1的信号电流流过发光二极管后,发光二极管的发光强度随信号电流的变化而变化,于是就把单元电路1的信号转换为具有不同强度的光信号,再经过光电接收管把不同强度的光信号转换成相应的电流信号,即可实现单元电路1和单元电路2之间的信号传输。一般,发光二极管和光电接收管是封装在一起的,以构成一个光耦合器,它能够把单元电路1和单元电路2的地线回路环完全隔断,从而有效地抑制由地线回路引起的干扰。在使用光电耦合器时,单元电路1和单元电路2应分别供电,以避免电源线通过变压器构成新的干扰耦合路径。

为防止光电耦合器中的发光二极管发生反向击穿,可采用图8(a)所示的防护措施。

图8 发光二极管的保护措施

由于发光二极管反向击穿电压的典型值常在5~20V之间,因此普通二极管的D1将能够对发光二极管提供可靠的反向保护。

图8(b)是发光二极管的另一种保护电路,放电管G用于抑制暂态过电压,它与电阻的和雪崩二极管D一起,构成一个对光电耦合器进行暂态过电压防护的二级保护电路。

 

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