1. 引言
资阳市烟草公司自迁到新办公位置以来，安防监控系统于2013年、2014年连续两年在6月份遭雷击。2013年击坏摄像头7台，随后由安装公司更换上新的摄像头后，安防监控系统恢复正常运行到2014年6月又被雷击坏摄像头22台。鉴于这种情况，经现场勘查后，查雷电监测预警网系统得到其所在区域500 m范围内的闪电资料，主要应用磁感应强度理论分析了安防监控系统摄像头屡遭雷击的原因。这对防雷具有重要参考和帮助作用。
2. 基本情况
2.1. 地理、地质和气象情况
烟草公司位于资阳市雁江区大迁大道公路旁的东侧谷地，其东西方长约300 m、南北方长边宽约150 m、短边宽约100 m，地形地貌属浅丘，东南和东北面周围有山丘，与山脚分别相距100 m和40 m，距最近处约有5 m。在烟草公司东南面和东北面的两座山丘高分别约为60 m和50 m，山丘上各设有一座40 m高的铁塔，铁塔上架有110 kV的8回路高压线走廊。这高压线横跨在烟草公司所在区域位置的上空附近，距烟草公司地面约100 m高(见图1)。用集思宝(Geo Survey) G310数据采集仪采集到烟草公司所在区域中点位置(邻近配电房)的纬度为30˚06'59.30''N，经度为104˚36'52.43''E。在雨停晴3天后，用K-2127B多功能接地电阻测试仪选用温纳法测量土壤电阻率，土壤性质为粘土，经季节系数订正后为71.25 Ω∙m，属于土壤电阻率较小区域。查询30多年气象资料显示，资阳市雁江区年平均雷暴日为37 d∙a−1，属中雷区[1] 。近年来烟草公司屡遭雷击，这表明烟草公司附近的高压线路及铁塔，常使大气电场产生畸变，引雷能力强；雷电未被铁塔接闪带截闪时，就会击中铁塔附近地面，使得高架铁塔接闪带附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大[2] ，说明烟草公司处于落雷区域，雷雨季节时会时常发生雷击现象。
2.2. 各建筑物分布情况
烟草公司所在位置区域可划分为办公区、监控管理区和作业区。办公区有一座4层楼高的管理办公楼，监控管理区有配电房、3层高的物流中心办公室和安防监控室，作业区有10来米高的仓库及分拣车间(见图1)。
摄像头
红外线感应器
支撑杆
接地线
围墙
布线管
此范围时段的第一个雷击点
Figure 3. Lightning distribution within the range of 500 m for central position point in June 18-20, 2013
图3. 2013年6月18~20日中心位置500 m范围内的闪电分布图
此范围时段的第一个雷击点
Figure 4. Lightning distribution within the range of 500 m for center location point in June 3, 2014
图4. 2014年6月3日中心位置500 m范围内的闪电分布图
位置的配电房邻近点即经纬度采集点的距离见表2中距雷击点平均距离。其中ID为1704的为此500 m范围的第一次雷电闪击，闪电强度为−68.24366 kA，是4次闪电中最大的(见表1)。这两次雷击事故的这17次雷电闪击因平均距离相对较近而威胁危害性较高，对烟草公司范围内未采取综合雷电防护措施的相关(如摄像头，见图2)电子设备都会构成威胁。
5. 相关参数值的计算
烟草公司附近中心位置所在区域空间雷击点与屏蔽空间的平均距离sa、对应雷电流的滚球半径R、雷电磁场强度、磁感应强度计算如下。
5.1. 平均距离的测量
在四川省ADTD雷电定位显示监测系统的闪电分布图上，用标尺测量工具直接测量各雷击点与烟草公司所在区域空间中心位置的平均距离见表2。从表2中可以看出，烟草公司经纬度采集点(中心点)，距这17次雷击点的平均距离sa最大的为452 m，最小的为39 m，均没有超过500 m，与实际勘查的情况是相近的。
5.2. 实时雷电流对应的滚球半径
烟草公司区域空间各雷击点雷电流对应的滚球半径，由如下滚球半径公式计算。
[3] (1)
式中，R是雷电流对应的滚球半径，m；i0是闪电定位仪监测的实时闪电强度，A。
2013年6月18~20日和2014年6月3日的这17次雷击雷电流对应的滚球半径见表2。从表2中可以看出，这17次实时雷击雷电流对应的滚球半径大于距雷击点平均距离的仅有ID为1705的一次，其余的均小于平均距离，占总雷击次数的94.1%，说明烟草公司各建筑物和监控设施遭直击雷的可能性较小，
Table 2. Lightning current corresponding to the rolling sphere radius, the average distance from the point of strike
表2. 雷击雷电流对应的滚球半径、距雷击点平均距离
摄像头遭受感应雷击是毋庸置疑的了。
5.3. 实时雷电磁场强度和磁感应强度
由模拟实验显示：在没有屏蔽设施的条件下，使电子计算机元件失效的脉冲磁感应强度
，使电子计算机元件损坏的脉冲磁感应强度
[4] 。
为了说明感应雷对摄像头敏感元件失效的重大影响，需对烟草公司室内外的摄像头所在区域空间的雷电磁场强度和磁感应强度分别进行计算。
5.3.1. 雷击时室外摄像头的雷电磁场强度和磁感应强度
从上面对安防监控系统的安装位置、布线的描述来看，2013年6月、2014年6月雷击事故的雷电击在烟草公司办公楼、分拣车间、仓库、配电房等各建筑物所在区域空间以外附近，因此室外摄像头相当于处在雷电防护区的LPZ0B区(见图1)内，雷电电磁场强度没有采取相应措施来衰减。这些实时雷电各雷击点的无衰减磁场强度应按如下公式计算：
[3] (2)
式中，H0是无屏蔽时产生的无衰减磁场强度，A∙m−1；sa是雷击点与烟草公司所有建筑物所在区域空间之间测量的平均距离(即到中心点距离)，m。在该区域空间内实时雷击对应的磁感应强度由下式计算：
(3)
式中，μ0是空气质介常数。室外摄像头在LPZ0B区无衰减磁场强度和磁感应强度计算结果见表3。从表3中可以看出雷电磁感应强度不小于0.07 × 10−4 T的有15次，占总的闪电次数的88.2%，其中最大的磁感
Table 3. Lightning current corresponding to the lightning magnetic field intensity and magnetic induction intensity in the LPZ0B zone and LPZ1 zone
表3. 雷击雷电流对应LPZ0B区、LPZ1区的雷电磁场强度和磁感应强度
*注：考虑空气质介常数时取μ0 = 4π × 10−7 H·m−1。
应强度高达1.690971795 × 10−4 T，最小的也有0.052212389 × 10−4 T。这说明感应雷对处在LPZ0B区的室外摄像头敏感元件的失效作用的几率非常大，是摄像头等弱电电子设备的主要损害源。
5.3.2. 雷击时室内摄像头的雷电磁场强度和磁感应强度
分布在烟草公司办公楼、分拣车间、仓库内的摄像头相当于处在雷电防护区的LPZ1区(见图1)内，雷电电磁场强度因建筑物柱内钢筋的屏蔽作用有一定量的衰减。其磁场强度应按下式计算：
(4)
式中，H1是需要屏蔽大空间内的磁场强度，A∙m−1；SF是屏蔽系数，dB。这里取烟草公司附近发生雷击的频率为25 kHz，建筑物柱内钢筋取直径为φ16 mm的螺纹钢，柱间网格平均宽度取4.5 m，则格栅形大空间的屏蔽系数采用下式计算：
(5)
式中，w是建筑物格栅形大空间屏蔽的网格宽度，m；r是格栅形屏蔽网格柱内网格钢筋导体的半径，m。在该区域空间内实时雷击对应的磁感应强度由下式计算：
(6)
室内摄像头在LPZ1区有部分衰减的磁场强度和磁感应强度计算结果见表3。从表3中可以看出雷电磁感应强度不小于0.07 × 10−4 T有6次，占总的闪电次数的35.3%，其中最大的磁感应强度高达1.013320645 × 10−4 T，最小的也有0.031288453 × 10−4 T。这说明感应雷对处在LPZ1区的室内摄像头敏感元件的失效作用的几率要小很多，对摄像头等弱电电子设备的威胁减弱不少，同时也表明格栅形大空间屏蔽层的屏蔽效益还是较高的，但仍然没有完全衰减到安全阈值，证明其磁场强度的残余量对室内摄像头敏感元件的失效作用仍然存在。
6. 摄像头遭雷击原因分析
由上述可以确定烟草公司各建筑物的防直击雷设施，电源系统和网络信号系统的防感应雷装置设置较完善；防雷安全检测报告显示，这些防雷设施均符合国家标准技术要求，未发生过雷击事故。但是，没有申请过防雷安全技术检测的安防监控系统的防感应装置设置不全面，考虑不周，仅在监控室内数据处理器收集端安装了部分二合一的SPD，因此烟草公司安防监控系统连续两年在6月遭雷击。其雷击事故的原因分析如下：
1) 就烟草公司所在地理、地质等基本情况而言，烟草公司周围山丘上的两座铁塔与接闪带，引雷能力强，雷电流幅值不太大时附近地面落雷密度大，公司所处位置土壤电阻率较低，位于常落雷区域，是其遭雷击的重要原因。
2) 雷电资料实时定位系统显示，烟草公司中心位置周围500 m范围内，2013年6月、2014年6月出现雷击事故时的闪电有17次，用标尺测量距雷击点的平均距离与计算的实时雷电流对应的滚球半径相比，可以看出滚球半径大于平均距离的仅有一次，其余的均小于平均距离，占总次数的94.1%。因此可以判定出摄像头遭直击雷的可能性很小，大多数是遭到感应雷击，是其遭雷击的主要原因。
3) 从雷电磁感应强度的计算结果来看，两年两个雷击事故17次闪电的雷电磁感应强度不小于0.07 × 10−4 T的有15次，占总的88.2%，表明感应雷对处在LPZ0B区内的摄像头敏感元件的失效作用的几率非常大，是摄像头等弱电电子设备的主要损害源。
2013年6月18~20日烟草公司雷击事故时出现了13次闪电，雷电流幅值均比较小，最大的仅有19.1 kA，距雷击点平均距离最远的为452 m，最近的也有40 m，均大于其雷电流对应的滚球半径，且雷电磁感应强度在LPZ0B区最大的有0.39 × 10−4 T，在LPZ1中区最大的仅有0.233708837 × 10−4 T，虽然闪电次数较多，但每次闪电失效作用的电磁能量都相对较小，因此49台摄像头被雷击坏的仅7台。
而2014年6月3日烟草公司雷击事故时虽然只出现了4次闪电，但雷电流幅值均比2013年6月的较大，最大的就高达68.24366 kA，最小的也有29.39227 kA，距雷击点的平均距离最远的有363 m，最近的仅有39 m，只有ID为1705的平均距离小于其雷电流对应的滚球半径，其余的都大于滚球半径，且雷电磁感应强度在LPZ0B区最大的高达1.690971795 × 10−4 T，最小的也有0.161940882 × 10−4 T，在LPZ1 区最大的有1.013320645 × 10−4 T，最小的也有0.097043628 × 10−4 T，尽管闪电次数比2013年6月那次雷击事故的次数少，但是每次闪电失效作用的电磁能量都很大，因此49台摄像头被雷击坏的就有22台，其中还包括室内的5台被击坏。这说明雷电流的幅值越大，滚球半径就越大，且它大于雷击点平均距离的，对摄像头的威胁就越大。
4) 综上所述可以得出这样的结论：烟草公司安防监控系统，依其重要性，又不按照防雷技术规范要求采取设置接闪器、引下线、屏蔽、等电位连接、合理布线、接地装置和SPD等综合防雷措施而仅选用部分防雷措施进行雷电防护，尤其是室外摄像头数据采集端接口处不安装SPD，是其遭受雷击的根本原因。
7. 安防监控系统的防雷建议
烟草公司安防监控系统的防雷，应依其重要程度，按第三级[5] 防雷安全防范系统进行雷电防护，宜采取防直击雷、防闪电感应的措施，同时考虑到烟草公司的重要性和雷电活动规律的特点，还应采取防闪电电涌侵入的措施。
7.1. 摄像头的防雷
1) 当摄像头安装在直击雷非常防护区(LPZ0A)时，应采取直击雷防雷措施，在其附近设置接闪杆保护。接闪杆保护范围应按滚球法计算，滚球半径均取45 m。
2) 接闪杆设置在摄像头安装杆上时，可利用钢管支撑安装杆作为引下线；在摄像头安装杆旁设置接闪杆时，摄像头的钢管支撑安装杆与接闪杆的安装杆(引下线)之间的距离应大于3 m。摄像头连接电缆应敷设于安装杆钢管内，应采用双层屏蔽进行保护。屏蔽层应在钢管两端与钢管连接。摄像头的线路接口处应安装SPD。
3) 室外摄像头安装杆接地装置的接地电阻不宜大于4 Ω。
7.2. 传输线缆的防雷
摄像头的传输电缆宜采取带屏蔽层的电缆，或全线穿金属管敷设。金属屏蔽层或金属管应首尾电气贯通，电缆两端应分别接到前端和终端的接地装置或等电位连接带上。当线缆由室外引入室内，有可能通过LPZ0A区时宜全线埋地引入。在强雷暴活动区域，宜在埋地电缆上方架设屏蔽线。无法全线埋地敷设时，可架空布设，应采用钢筋混凝土杆和铁横担架线，并应使用金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入，埋地长度不应小于15 m。在入户处安装D1型SPD。
7.3. 终端设备的防雷
1) 终端设备的监控室宜选在建筑物底层中心部分，设备与外墙结构柱之间的距离不应小于1 m。终端设备为非金属外壳且处于磁场强度较高的环境中，应增设屏蔽措施。
2) 终端设备应采用等电位连接和接地措施。其工作接地应与所在建筑物的防雷接地、保护接地等共用接地系统时，其阻值以最小的为准。
3) 金属管线宜从建筑物的同一位置进入，并连接在与建筑物基础钢筋相连的总等电位连接带上；入户管线从不同的位置进入，应分别连接到不同位置上的等电位连接带上，并且这些不同位置的等电位连接带应连接在一起，宜使用环形等电位连接带。
4) 电子电气设备的外露导电部分(壳体、机架、箱体)、电气系统的保护线、电子系统的工作接地等均应通过连接导体连接到等电位连接网络。根据模拟或数字线路的情况，选用S型或M型等电位连接网络。等电位连接导体的截面积应符合规范技术要求。
5) 安防监控系统综合布线与电力线缆的净距离和墙上敷设的综合布线电缆、光缆及管线与其它管线的间距应符合规范技术要求。
7.4. SPD的选择和安装
安防监控系统中，电气系统的SPD选择和安装应符合GB50057-2010和GB/T18802.12-2006的规定要求，电子系统信号网络的SPD选择和安装应符合GB50057-2010和GB/T18802.22-2006的规定要求。
8. 结束语
安防监控系统摄像头等敏感弱电电子设备屡遭雷击是由于安装在室外，处在落雷密度较大、雷击时的电磁场强度比较高的环境中产生热效应所致。磁感应强度达到0.07 × 10−4 T时，电子元件就失效。而烟草公司500 m范围内17次雷击时的雷电磁感应强度有88.2%的都超过了0.07 × 10−4 T，在LPZ0B区和LPZ1区最高的分别达1.69 × 10−4 T和1.01 × 10−4 T，分别是最大容许失效阈值的24倍和14倍，如此高的磁场强度，必然对处于该环境中没有电磁场屏蔽和室外接口处没有安装SPD的摄像头，会因雷电电磁场感应产生的过电压或过电流而损坏。这足以说明摄像头遭直击雷的可能性很小，主要是遭受感应雷击。同时表明做好电磁场屏蔽和摄像头室外接口处安装SPD，对防御感应雷击是非常重要的。