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监控摄像机防雷技术等级及方案设计
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    山西第四代点阵摄像机/点阵百万高清摄像机/点阵半球摄像机
    监控摄像机作为监控系统前端的主要组成部分,对维护社会公共安全和财产安全发挥着重要作用,其自身的安全性能也已逐渐受到重视,如平安城市系统、智能交通系统、环保监控系统、森林防火系统、铁路及高速公路综合监控系统等室外相对恶劣的工作环境中摄像机的安全性直接影响到整个监控系统的稳定性。
    监控系统对可能影响社会公共安全、财产等突发事件进行监控主要起到事后调查取证的作用。前端摄像机如果没有良好的防雷击浪涌的功效,就会为后期事故的发生带来隐患。因为摄像机的损坏可能导致整个系统出现非常规运转,对公共安全和人身财产安全构成潜在威胁。特别是近年来极端天气频发,尤其是雷电的发生率越来越高,雷电产生的南北地域差别已不再那么明显,极端天气极大地考验着室外安装设备的安全性。针对这种现状,监控设备尤其是前端摄像机要充分做好雷电防护设计,保证感应雷击时设备不会损坏。
   山西第四代点阵摄像机/点阵百万高清摄像机/点阵半球摄像机 
   
提升摄像机防雷等级的方式
   
提高
摄像机雷电防护等级可以通过两种途径,提高设备自身的雷电防护等级和充分考虑现场摄像机安装的实际情况合理处理系统地和防雷地、设备金属外壳的连接关系。
    感应雷对设备的危害远小于直击雷,设备遭受感应雷的几率要远远大于直击雷,直击雷的能量不能简单通过
摄像机内部电路释放,必须通过避雷针实现对设备的保护,将可能击中设备的雷电通过避雷针直接引入大地进行泄放。避雷针是防止直击雷破坏的最有效和经济的方式。提高设备自身的雷电防护等级主要是针对感应雷。
    单纯对设备来说,防雷等级不仅仅取决于所选择器件的参数,更重要的取决于电路设计、接口布局等很多因素,因此选择高性能参数的元器件不一定就可以提升雷电防护等级,技术方案的选择才是防雷等级的关键。从设备自身考虑,提升雷击防护等级主要有以下方式:
    (1)选用合理的防雷电路设计方案,合理布局对外接口;
    (2)正确处理设备系统地和防雷地的连接关系。
    选用高浪涌防护等级的器件是提高
摄像机雷电防护能力的有效途径,这就意味着要提升成本。合理的对外接口布局和走线也可以起到更好的保护后端电路的作用。对外接口布局时要充分注意以下几点:
    (1)合理选取防雷电路设计方案,充分考虑保护器件和被保护器件的性能参数。
    (2)接口雷电保护器件要尽可能靠近对外接口,这样可以保证接地良好的情况下浪涌能量通过最短的路径泄放掉。
    (3)从保护器件到对外接口的信号线布线宽度要合适,如果线太窄雷击能量会首先将印制线作为泄放的最佳路径,通过发热的方式烧毁印制线,这就会影响设备的正常工作。
    (4)防雷地的处理是关键,合理设计雷击能量的释放路径,正确处理防雷地与设备系统地的连接关系。
   
山西第四代点阵摄像机/点阵百万高清摄像机/点阵半球摄像机
    视具体情况设计出不同的防雷方案
    
针对不同对外的接口特点需要选取不同的防雷方案,目前主流的对外接口防护采取两级防护,以485接口为例,其防护方案如图1所示:

485接口的防护方案示意图

485接口的防护方案示意图

    由陶瓷放电管组成第一级防护电路,可恢复保险和双向TVS管组成第二级防护电路。浪涌能量释放过程:雷电能量放电时间短,放电过程中电压高于TVS管放电电压低于陶瓷放电管放电电压的过程中,首先通过TVS管将能量释放到防雷地,通过防雷地释放到大地。由于TVS管的反应时间最短,约为pS级,可恢复保险和陶瓷放电管的反应时间相对较长,约为uS级,随着放电电流和时间的增加可恢复保险和陶瓷放电管陆续作用,大部分的浪涌能量通过陶瓷放电管释放到防雷地。
    这个方案适用于现场接地良好系统,雷击浪涌能量可以直接释放到大地。如果使用在不接地系统中,感应雷击后浪涌能量没有合理的释放路径,就可能烧坏后端电路,威胁到整个监控系统的安全性。
    现场设备的接地方式主要有两种:一是有接地线且接地电阻合格;二是有接地线但接地电阻不合格或没有接地线。第一种情况防雷设计比较简单,可以将雷击的能量直接通过防雷地泄放到大地,摄像机的防雷地只是作为一个泄放的通路,第二种情况产生的雷击的能量不能直接释放,需要合理的设计雷电能量的释放路径,防止烧坏后端电路。
    很多公司的防雷设计主要考虑标准的要求,没有综合考虑设备安装现场的实际情况,浪涌防护等级都是在设备良好接地的情况下得出的数据,强制现场用户必须做到良好接地。现场的实际情况是:
摄像机安装现场没有接地或者接地不合格的情况最常见,因此对外接口的雷电防护电路不能只是参照标准的测试依据良好接地来设计,需要充分考虑设备安装现场的情况,保证防雷接口的设计既满足接地良好系统的防护要求,也满足接地不良系统的防护要求。
    如果现场没有设备间的共地问题,根据之前的测试结果,直接隔离防雷地和系统地是可行的方案。现场接地良好的情况下,直接将设备的系统地连接到防雷地是防止设备遭受雷击的最佳方案。但如果现场接地不良或者接地系统存在干扰的情况下,直连系统地和防雷地则会将干扰信号直接引入摄像机内部,影响设备的正常工作,因此防雷设计地的连接是设计的关键。
    
山西第四代点阵摄像机/点阵百万高清摄像机/点阵半球摄像机
     现有监控摄像机的防雷地和系统地的处理方式主要有以下几种方式:
   
1、通过0欧姆电阻或者短路端子直接连接防雷地和系统地,在现场接地良好的情况下这种方案是可行的,如果现场接地处理不好,例如室外立杆安装的摄像机,如果立杆接地不良,有其它设备可能对立杆放电,这种情况下立杆就会成为一个强电磁干扰的发生器,持续对摄像机放电,这种干扰的持续时间长、能量高,破坏性要比持续时间短的雷电要强,如果直接将防雷地和设备外壳相连会对设备的稳定运行产生影响。
    2、通过二极管隔离防雷地和设备地。一般情况下
摄像机感应雷击后其的电位会上升即对地为正电压,因此将防雷地和系统地之间通过高反向截止电压、低正向导通电压的二极管相连,保证雷击时浪涌能量不会通过防雷地释放到系统地,同时系统地的感应电压可以通过防雷地和设备外壳进行释放。接地不良情况下这种方案设计的浪涌防护能力取决于二极管的反向击穿电压,如果雷电瞬间电压超过二极管的击穿电压二极管将被击坏失去作用,摄像机将处于没有保护的状态。
    3、通过高击穿电压的电容连接系统地和防雷地。这种设计思路的电路能起到防护作用的关键在于能否有效连接大地,如果没有良好接地,直击或感应雷的大电流会通过这些器件进入设备内部,效果反不如直接将这几种地隔离。
    兼容接地和不接地两种情况的防浪涌接口方案的关键点就是不接地时,电路系统地的防止电压突变的能力。综合以上三种情况,我们设计设备地系统通过高频扼流圈和可恢复保险等进行连接,既保证设备在现场接地不良的情况下感应雷击时可以有效的将雷电浪涌能量释放掉而不会烧坏后端控制电路,也能保证现场接地的情况下设备地与大地的良好连接。
    监控系统的雷电防护等级不仅仅取决于设备本身,设备正确安装与否也起着重要作用。针对
摄像机开发者来说,应根据不同安装现场的实际情况选择合理的对外接口防雷设计方案,保证雷击浪涌能量的合理释放、吸收路径,做到接地与不接地两种系统中设备都能稳定工作。
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