[原创] 2012随笔---雷电、干扰与地（更新完成）...

 

前言：

     各位看官,前日,受某位专家的”击发”,那位说的,打错字了,应该是激发,没错,确是击发,既然拍砖送理,我自当以理相待, 此贴是事后有不少网友扔有不少疑问想探讨，所以再次在此加以整理及汇总。

 

     在此声明本人不是防雷厂家,也不是专家，自认为是个砖家，就是拆个墙、补个洞的泥瓦匠，无意替谁说话击鼓呐喊,也无意打击某另类观点的技术派别，无非是貌似从另一个角度来分析雷电、干扰及地的相关联系。

有位名人说过：观点未必就是结果，只是提供一个观查问题的角度。

 

     那么我想，电子领域博大精深，雷与电磁干扰，有共同之处，也有不同之处，作为普通从业人员，多一个观点，就多一份分析的可能，以便我们更清楚的分析事物的本质。了解事情的真相，所以，如有错误、疏漏以及不足，欢迎大家拍砖讨论。

 

    为方便阅读和理解沟通，我会尽量通俗的语言方法表述和分析，尝试大话分析相关的问题，希望能和大家口味和讨论需求。再次表示，不对之处，也欢迎专业的防雷人士指出并共同讨论。

本贴将初步讨论如下话题：

    相关的基本概念名词注解（错误以及遗漏请大家提示）

    雷场中导线的初步分析

    雷场中导线的再分析,视频线缆单点接地能防雷么?

    电场中钢结构及电杆类结构感应雷及地电位分析

    常用视频防雷器的基本原理分析

    视频线缆单端接地造成的干扰相应的问题分析

    工程规划以及接地等工程操作的考虑取舍

    搜集相关的遗留待分析问题讨论

[此贴子已经被作者于2012/4/19 18:54:55编辑过]

 

雷场中线缆的初步分析:

     某位专家画了雷电场内电缆的示意图,并用来对电缆上的电动势进行了分析.见下图1左.为了分析方便,本人也画了同样一张,见下图1右.

 

图例说明如下:

       当雷电发生时,空间的电磁场发生剧烈的变化,在雷电场的范围内,所有的导体内产生电磁电动势,电缆也不例外.有人问了,人家画了一个电动势,你为什么画好几个?怕别人说抄袭,非要搞的不一样?嘿嘿,也算是,但不确切,因为雷场的范围有限,室内室外,远点进点,但电缆可以很长,所以,电缆的每单位长度的电动势是不同的,所以电动势也未必如同某人说的在电缆中间,这种在中间的理论是不是值得商榷?但最后无疑是体现在先缆的两端(假如中间不存在旁路).

       当然真实的情况,绝对没这么简单,从有雷雨云到最后闪击,整个过程非常复杂,先电场后磁场,最终结果是电场和磁场交替作用产生的.这里我们没必要更加详细的去分析,知道结果即可.

回到图例当中,那么我们可以初步断定,所有在电场内的线缆都可以感应到雷场的高频电磁辐射,并产生感应电动势,在线缆上形成感应电压,图中的电缆A-B、 C-D、 E-F两点之间会产生高频交流的感应电压。

       不过，因为实际现场中,由于各自的情况不同.线缆的电位表现也不同.

       在图例中，针对大地电位考虑，悬空的AB段电缆，在A、B两点的电压，大小相等，极性相反并且随电磁变化交替。而CD、EF两段电缆，由于一端接大地，则另端（C、E）随电磁场强度发生相对地电位的0快速正负变化。

 

       情况分析透彻了么?这种结论完全么?未必.

[此贴子已经被作者于2012/4/19 18:48:39编辑过]

老兄啊，这是要釜底抽薪，最后一击了啊

以下是引用BBQ2010在2012/4/17 16:30:00的发言：
老兄啊，这是要釜底抽薪，最后一击了啊

釜底抽薪不算吧,不过是换个角度看下某些现象.希望共同和大家探讨,我对时间慢慢上.毕竟还要吃饭.

 

捎带给某个空中飞的牛接个地而已.

[此贴子已经被作者于2012/4/17 17:08:01编辑过]

对，普及一下防雷和接地知识也好。至少这种深入浅出的资料大家看得懂，烦就烦那种张口闭口某某文献，某某理论之类的东西，又不实用还听不懂。最后大家又不好意思厚着脸皮去追问一下：您刚才到底讲什么东西？

以下是引用wy882200在2012/4/17 17:22:00的发言：
对，普及一下防雷和接地知识也好。至少这种深入浅出的资料大家看得懂，烦就烦那种张口闭口某某文献，某某理论之类的东西，又不实用还听不懂。最后大家又不好意思厚着脸皮去追问一下：您刚才到底讲什么东西？

 

哈哈哈，好样的~~

 

学下，有用。

顶你，支持你

多谢各位朋友支持,今天有点忙,明日继续

 

[此贴子已经被作者于2012/4/17 22:59:49编辑过]

楼主高人！

静待精彩继续！！

支持中！！！

接上:

 

  单点接地,能防电磁辐射干扰和感应雷电么?

 

     如果在理想的干燥的空间里，图中的电缆AB段电缆以及CD、EF两段电缆，在发生电磁感应时，是几乎没有电流的，尽管存在着很高的感应电动势，因为没有回路，而当雷电的消失，电磁感应结束。三种电缆上的感应电动势消失，正负电荷会最后在电缆里中和，在此之后在A、B两点的电压与CD、EF两段电缆两端一样，是等电位。

     而现实情况如何，现实情况是我们的空间充满着电磁辐射，包括人为的以及非人为的原因.

那么：我只知道一端不接地，前后自然就等电位了,十分简单。

     成立么？显然是不成立的，因为因为随着你电缆的延伸加长（视频电缆外层屏蔽网）已经成为一根天线，随时随地接收空间的电子信号。接收各种电磁辐射的结果就是电缆两端电位不同，针对某个案来讲不过是大小而已。

当然，如果你的先缆就此罢了，也就算了，这边接地，那边独树一帜，只要没有直接引雷，只要你线缆裸露部分附近没有人,没有雨水,没有树木,没有金属,没有…………….此时,绝对强悍到家。决无风险。再强的电磁干扰不算什么。

 

实际当真是这样么？真的简单么? 当你线路接地实际应用网络，两端分别接入前后端设备时候，情况发生变化。

 

 

假设我们把视频同轴电缆的内芯叫做:AB,外皮屏蔽叫做:CD,再仔细分析线缆在现实和雷雨电磁场的情况。

     情况会怎样？在短距离情况下,的确如同有些人讲述的那样, 一端不接地，前后自然就等电位了,十分简单(只是貌似)。

     AB两点之间和CD两点之间一样,都处于等电位情况,因为短距离电缆自身电阻很小,就算有点电磁辐射.我们可以忽略(不是没有).

     此时,设备正常工作, AC两点之间的电压与BD点之间的电压都是大约0.7-1伏的交流.

     而当电缆逐渐加长,电磁干扰逐渐增加(雷电)的情况下,情况发生了变化:

    1、此时D点通过设备外壳和机房电位接了大地,其电位接进0，就是接近大地电位。

    2、C点呢？C点的电位, 根据电缆长度不同和感应磁场不同,由于叠加了交变的感应电动势，而D点由被强制接地，所以C点的电位上下开始波动，变化范围在可以从0到几十伏之间，最高瞬间至千伏.此时CD两点电位平衡么，很显然，摄像机信号地（C点）与主机信号地（D点）完全失去平衡。

    3、与此同时，电缆的心线则在外皮的保护当中，无法感应到电磁变化，即便有点泄露的，感应电动势几乎没有。而芯线连接着机房的主机输入端口，按常理，电位电压应该是0.7V，整根内心电缆处于等电位状况。

    4、结果是什么情况，结果是在摄像机输出口上，也就是AC两点形成0到几十伏之间的高电压。

之后的情况分两种：

      1、当C点对A点电压，在0.1-几伏的波动的时候（电磁干扰），通过机器芯片同样推动A点的波动，产生的后果就是正常的视频信号叠加了干扰，最后传导到主机，被我们看到。

      2、当C点对A点电压，上升在几伏到十几伏乃至更高的情况下波动（雷电感应），摄像机视频输出芯片击穿，电流通过如下途径:摄像机信号地->芯片端口-> Cout-> R1 -> A点 -> B点 -> R2->主机信号地回路内元件相继击穿短路，造成输出设备和输入设备芯片的损坏。而短路又会造成器件或电源的过载,引发新的问题,产生连锁反应.....嘿嘿.

      现实中这种情况不但是发生，而且是在短时间内连续的、多次的、反复的发生。电路丧失原有正常的性能.

 

 

小结：

1、  在现实中的单端接地电缆，无法真正作到两端等电位，其电位差大小根据电磁辐射情况大小和线缆长度有很大关系。并成正比。

2、  长距离单端接地的电缆，相对短距离的电缆，更容易因感应电磁辐射产生干扰和产生感应雷电反映

3、  同轴屏蔽电缆传送信号的摄像机，之所以雷击损害，并不是单是因为其所在电位失常，其主要原因是在失常后产生了新的、潜在的回路，并由于元件的耐压问题，潜在的回路成为新的回路，导致整体电路连锁反映，击穿过载烧毁。

 

 

[此贴子已经被作者于2012/4/18 10:52:39编辑过]

学习啊，还要再看一边

学习

问下，单点接地因视频线过长引起的电压差，导致信号干扰，如何解决？

在摄像机处做一个接地吗？

 

好好学习，天天向上，我们要day day up 呀。

拿张小板凳坐着慢慢学习 顶楼主

 

雷电场中钢结构及电杆类结构感应雷及地电位分析

    分析完雷电感应中的电缆电位以及摄像机雷击烧毁的原因,我们再分析钢结构建筑上安装摄像机的雷击就很容易.   

有关钢结构建筑,以及金属电杆类,为了简要说明,我绘制了个简图:

     说明,红色的电阻,代表钢梁自身电阻, 左下角接地电阻,代表接地不良电阻,图中未充分连接,右下角接地电阻,直接连接到钢梁上,接地效果良好.

 

      我们知道,任何导体都是有电阻的,超导材料(电阻为0),离我们很远,金属里导电性能最好,电阻率最小的,那就是黄金了,显然,我们没有黄金屋.

      既然没有超导材料,那么我们钢结构建筑上就分布了各种阻值的电阻(图中红色部分)每根钢梁都有电阻,当有雷电感应的时候,各个钢梁同时接受电磁辐射,并产生大大小小的电动势（A、B、C、D等）,经过复杂的于其本身结构相关的组合,产生了一个总电动势VL,

     通常我们的摄像机是装在钢梁上，虽然位置不同，但一般不在钢梁底部（与地基连接部分），既然不在底部，我们可以简化认为：

          1、 那么在安装点上方，钢梁的综合电阻是R1,

          2、 在安装部位下方钢梁于接地电阻合并，我们认为电阻是R2.

          3、 所以就有了右边的简化电路图。

      根据欧姆定律，假如，上下钢梁的电阻相同，那么钢梁的总电动势因为有R1\R2串联，

假如R1=R2，即使R1、R2其电阻很小，例如0.001欧姆，那么在连接点（摄像机安装点上）也会得出电动势1/2VL。如果你摄像机外壳直接安装在钢梁上，并且与视频电缆外皮相连，1/2VL感应电动势就附加在视频线缆的外皮。然后。。。。。

然后就是上一讲我们所说的事情就开始发生。。。。。。

      如果VL是100伏，那么1/2VL就是50伏，VL是1000伏呢？

      当然，实际情况，决不可能恰好是总电动势的1/2，根据钢结构不同，安装摄像机位置的不同，雷电闪击所处的地理位置方向不同。。。。。。。。会获得不同的结果，通常接近总电动势的100%，因为相对钢梁的电阻，实际接地电阻通常大的多，例如大约1-4欧姆，但决不会是0。

      建筑接地，根据国家规范，建筑物要作好良好的接地，这个咱不扯了，有时间去看规范。而以上分析的前题，是钢梁作了良好的接地（实际当中接地是有电阻的，通常阻值高于钢梁自身电阻），就是图中右边接地示意的接地起作用。

       如果接地不好，例图中右边良好的接地的不存在，只有左边通过地面水泥等建筑基础“接地”那么恭喜，你中彩了，建筑物的感应电动势，因为没有地线的“拉平”，刚才分析的理论则不复存在，你摄像机视频电缆上连接的电动势，基本就是钢结构感应的所有的电动势。等于你在视频电缆的那端，人为的接上了一个雷电接收天线。后果。。。。嘿嘿。

     

     此时，如果某人站在金属梯子上，一只手正摸着某钢梁，是不是有点恐怖。

    

     有人提出，摄像机安装在钢梁上，遭受雷击，是因为地电位因为钢梁泻流引发的地电位升高造成的地电位反击，通过以上分析得知，此时，摄像机安装点电位，高与此地的地电位。如何反击？所以，烧毁摄像机的电位，并不是地电位起作用，而是钢梁自身接受电磁感应的电动势直接造成的。同样也是地电位升高原因。地电位反击现象是有，但不在此。

小结：

       1、 钢结构建筑，其钢梁以及瓦钢，都是接受电磁辐射的良好接受体。

       2、 在接受电磁辐射（雷电电磁辐射）时钢梁上产生感应电动势，并且分布在整体建筑物各部分。某点其体现的作用强度与结构体自身结构和与接地点的导通距离有关。

       3、 视频线外皮（信号地）与外壳相通的摄像机直接安装在钢梁建筑上，如未做任何绝缘措施，会直接接收和传导建筑物的感应电动势锁损害。

       4、 钢结构建筑应该作大面积良好的自身的接地，严禁全部以及局部浮地，以免在设备设备漏电、强电磁干扰、雷电等状况下引发设备的损坏和危及人员安全。

[此贴子已经被作者于2012/4/18 20:51:38编辑过]

以下是引用eyeleft在2012/4/18 17:07:00的发言：

问下，单点接地因视频线过长引起的电压差，导致信号干扰，如何解决？

在摄像机处做一个接地吗？

 

后面会涉及到

继续关注哈！

 

常用视频防雷器的基本原理分析

       严正声明,本段尝试以通俗方法分析视频防雷器的工作原理,图例中防护器件为综合防护元件的组合,并不完全代表实际电路,另外,合格的防雷产品从器件的选择以及产品结构布线,都需要专业的设备进行打压检测验证,实际工作中切勿简单仿制,如因此产生的不良后果,本人不负相关责任.

       了解了视频电缆在实际的工作环境下遭遇感应雷电损害的过程,那么我们在继续分析通常视频电缆防雷的机制.那么我们会引入两个概念:

         1:过压防护器件,经常使用的过压防护元件有很多,例如气体过压放电管,压敏电阻,TVS（瞬态抑制二极管）等，其原理都是当器件两端电压超过某既定数值，元件有原来的高电阻（或断路）状态发生变化，在极短时间内实现高阻到短路状态的变化。当然，这一切换状态时间根据器件不同，有所不同，实际当中，气体放电官和压敏电阻的转换时间比较长，大概在50ns（纳秒）左右，而TVS的转换时间在1-几ns。所以实际的防雷产品,是多种器件的组合,在此我们只是用一个元件代替分析.

        2：接地，前面开始，我们讲过地的概念，但为什么要接地，有很多种说法。例如：

             接地，使得我们有了标准的电位参考……

             接地，使得我们有了环路……

              ……………..都不全面概括。

那么我引用某位高人的的说法：

             接地,是确定或者改变原来电流的流向，使它按照你所设想的模式流动。

            明确这点，以下的分析就比较容易明白。

防雷（防感应雷）我们的目的是什么？要保护电路中的什么？有以下几个方面：

      1、  防止设备输入输出端口损坏

      2、  防止因为端口的损毁造成的器件过流产生的连锁反映导致器件的烧毁

      3、  防止器件的损坏导致设备内部及电源的损坏，而造成的短路，而持续的雷击引发的对其他相关设备闪击雷电拉弧形成的损坏扩大，以及涉及危机使用人员的安全

      4、  防止引发大面积过载导致线缆损毁

      5、  。。。。。。。

      防雷，根据我们以前的电路图，我们得知，在感应雷出现，在C、D两点会形成感应电动势，那么A、C两点,由于处于线缆的内芯和外屏蔽层，也会有高电压，为了防止高电压击穿视频输出芯片端口，以及连接的两个脆弱的元件电容和电阻，我们开始逐个保护电路中的器件端口：

 

      我们在接上过压防护元件D1,这样使得当有高压的时候短路A、C两点，并保证A、C两点的电压在端口安全范围之内。

      此时，回路不在包含摄像机输出端口，感应电动势通过内芯加栽到主机端口上，在主机端口形成高压回路。

 

      那么我们继续在主机输入端口连接压防护元件D4，有雷电感应时D4短路，整个外皮屏蔽和内芯成为完全的回路。

     此时，情况变为：CABD构成完全的回路，C约等于A ,D约等B,端口保护已经完成。

     安全了么？没有，电压的高低为：最高CA>>>>>BD>>>>>主机外壳，具体分析：

         1、 远端仍有高压，如果摄像机信号地连接外壳，可能产生外壳对其他物体（支架、钢梁）的电弧拉火，

         2、 而由于线路及接地电阻的存在，主机的外壳电位会被拉高，使其高与地电位。可能构成设备及人员的伤害。

         3、 几乎所有电动势的消化完全靠视频电缆的外皮和内芯以及放电元件回路，可能造成过载损坏，丧失原有性能。

 

     我们继续添加元件并修改电路连接，从两端分流雷电感应电动势。就有了下图。

      其中D2使得内芯对地产生钳位，D3使得外屏蔽网对地产生钳位。图中的接地（大地）这就是通常讲的对地泻流。从而使得电流的走向得到控制。

      其实，泻流这个说法并不十分确切，正确的说法是：

      通过与地的连接，利用大地的能量，强制改变线缆两端的电位拉平，从而改变雷电感应电动势的流向，使之尽可能的接近正常电位。

       拉平是目的是手段，保护两端的设备是手段结果。

完整的示意图如下：

小结：

       1、雷电防护设备，首先是对设备输出输入端口进行钳位，使设备当地的地电位于端口的电压处于安全范围之内。

       2、防雷设备与大地的连接，首先是降低被保护设备与地电位的差距，在被保护设备端口安全的情况下，防止被保护设备与其他设备导体产生高压拉火和泻放，保护设备整体电路的安全，同时产生分流作用，从而保护连接的线缆的安全。

       3、由于首先对设备端口的防护，在雷击发生的同时，即使防雷接地的地电位升高，设备端口也处于基本安全状态。

       4、防雷接地必须可靠，否则将失去分流的作用，会给回路电缆加重负荷，如果轻微的尚可抵御，强列的感应雷击可能造成线缆及接点的损坏。