CORS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)的雷電防護設計

於永東

摘要：文章根據(jù)CORS系統(tǒng)的基本結構和雷電入侵的主要途徑，從外部雷電防護和內(nèi)部雷電防護兩個角度進行綜合雷電防護設計，保障了CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

關鍵詞：CORS；防雷

自古以來，雷電對人類賴以生存的自然資源和人類創(chuàng)造的物質(zhì)文明構成極大的威脅，雷電災害已成為聯(lián)合國公布的10種最嚴重的自然災害之一。在現(xiàn)代生活中，隨著高新技術的發(fā)展，尤其是信息產(chǎn)業(yè)的迅猛崛起，通訊和電子設備在各行各業(yè)中得到日益廣泛的應用。目前，隨著GNSS衛(wèi)星導航定位技術的迅猛發(fā)展，連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）逐漸被普遍應用，CORS參考站數(shù)量越來越多，其所依靠的通訊網(wǎng)絡也越來越廣。這些敏感的電子設備抗雷電過電壓、過電流及電磁脈沖的能力極低，一旦遭受雷擊或雷電感應，整個CORS系統(tǒng)可能會中斷服務，甚至造成設備的燒毀等嚴重后果，從而間接對國民經(jīng)濟造成影響。因此在CORS連續(xù)運行參考站的設計和施工過程中，應綜合運用各種防雷技術措施，這樣才能使CORS系統(tǒng)得到很好的雷電防護效果，進而保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。

1.CORS系統(tǒng)的基本構成

CORS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)由參考站（網(wǎng)）子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)和用戶應用子系統(tǒng)組成。其中，數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)由用戶管理中心和系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心兩部分構成。數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)是CORS的核心，是CORS系統(tǒng)穩(wěn)定可靠連續(xù)不斷提供定位服務的保證，由服務器、機柜、UPS、網(wǎng)絡設備、數(shù)據(jù)存儲設備等組成。參考站子系統(tǒng)是衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收模塊，為CORS提供數(shù)據(jù)源，由衛(wèi)星天線、GNSS接收機、UPS、通信設備、觀測墩等組成。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)負責各個參考站與數(shù)據(jù)中心的通信和數(shù)據(jù)中心與用戶移動站的通信。用戶應用子系統(tǒng)由衛(wèi)星天線、衛(wèi)星接收機和通信模塊組成，是CORS系統(tǒng)的終端用戶。

2.雷電侵入CORS系統(tǒng)的主要方式及危害

雷電危害一般可分為直擊雷、雷電感應和暫態(tài)電位抬高3類。雷電感應指的是雷電在放電時，附近導體上產(chǎn)生電磁感應和靜電效應，并沿著導體快速擴散的現(xiàn)象。雷電感應雖然屬于雷電的間接破壞作用，但雷電的電磁感應與靜電感應所產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓比直擊雷的直接破壞作用具有更大的危害范圍。雷電感應可損壞電氣設備和信息系統(tǒng)，甚至造成人員傷亡。因此，在防雷設計中，雷電感應和暫態(tài)電位抬高一直受到重視和關注。鑒于雷電感應和暫態(tài)電位抬高容易對CORS系統(tǒng)造成危害，下面著重分析其危害性。

2.1通過GNss天線傳輸電纜和網(wǎng)絡通訊線路入侵

參考站衛(wèi)星天線一般都架設在空曠露天制高點，與之連接的GNSS天線傳輸電纜和其他通訊線路也處于較高狀態(tài)，一旦遭受雷擊，雷電擊穿線纜外皮，使得過電壓、過電流入侵線路。雷云對地放電時，未采取屏蔽措施的線纜上感應出的過電壓可達上千伏，進而CORS系統(tǒng)的GNSS接收機、機房服務器等設備。沿著設備連接線路入侵通信系統(tǒng)，則可能危害到與其連接的整個通信網(wǎng)絡。

2.2通過電源供電系統(tǒng)入侵

高壓電力線路遭到直擊雷后，雷電流經(jīng)過變壓器耦合到低壓側，進而危害GNSS接收機、機房內(nèi)服務器等設備。此外，低壓線路也可能遭受直擊雷或雷電感應的危害，低壓線路遭受雷電感應的過電壓平均可達10KV，大大超過了CORS系統(tǒng)中任何電子設備的承受能力。

2.3暫態(tài)電位抬高

在沒有遭受雷擊時，接地物體維持著大地的零電位水平。當雷擊接地物體時，強大的雷電流將從雷擊點擊中物體，沿物體通流路徑并經(jīng)接地體散入大地，在此暫態(tài)傳輸過程中，被擊物體上將出現(xiàn)暫態(tài)電位抬高現(xiàn)象。由于雷擊時暫態(tài)電位抬高，使GNSS～星天線和接收機外殼會呈現(xiàn)高電位狀態(tài)，將損壞衛(wèi)星接收機內(nèi)部的電子元器件及電路。此外暫態(tài)電位抬高又會與周圍的導體之間形成電位差，當該電位差超過兩者之間的空氣間隙的絕緣耐受強度時，間隙就會被擊穿，從而危害機房內(nèi)的其他設備。

3.CORS系統(tǒng)的雷電綜合防護設計

綜合分析CORS系統(tǒng)的基本構成和雷電侵入CORS系統(tǒng)的主要方式及危害，采用外部防雷和內(nèi)部防雷相結合的綜合防雷措施可有效地減少甚至避免雷電對CORS系統(tǒng)的危害（見圖1）。

3.1外部雷電防護設計

外部雷電防護系統(tǒng)由4部分組成，分別是接閃器（避雷針）、引下線、屏蔽、接地裝置。

GNSS扼流圈天線位置較高，因此設置避雷針進行保護。避雷針是直接承受雷電的部分，當雷電云的下行先導向地面上被保護的物體發(fā)展時，位于高處的避雷針率先將先導引向自身，使得強大的雷電流經(jīng)引下線和接地體泄入大地，從而保護GNSS扼流圈天線免受直擊雷。

此外，當雷電云出現(xiàn)在地面上空時，隨著階梯式先導向下發(fā)展到鄰近地面時，避雷針頂端周圍的電場將發(fā)生嚴重的畸變，使避雷針周圍的電場強度明顯高于其他地方，所以避雷針可容易地將雷電先導吸引過來，使雷擊點出現(xiàn)在避雷針頂端，而不是雷擊扼流圈天線。

由于扼流圈天線承受瞬時雷電過電壓的能力比較脆弱，故按照I級雷電防護標準來設計避雷針，取滾球半徑hr=30m，根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》中給出的公式計算保護半徑。為了防止雷電反擊，避雷針與GNSS扼流圈天線的水平距離不宜小于3m。

引下線是雷電流泄入大地的通道，其主要作用是將避雷針接閃的雷電流安全地泄入大地。引下線的接長必須采用焊接，采用10mm的圓鋼或同等面積的扁鋼接入，應與建筑各層均壓環(huán)可靠焊接。針對框架結構的建筑物，引下線須采用建筑結構內(nèi)的主筋作為防雷引下線，彎折處不能形成銳角或直角。引下線接近地面處應加保護層，防止在雷雨天氣中人員接觸而發(fā)生意外。

屏蔽是為了減少雷電電磁干擾和雷電感應。進入機房的天線電纜和其他通信線纜應采用穿金屬管（金屬管應良好接地）鋪設或埋地的方式。

接地在防雷系統(tǒng)中至關重要，如果沒有良好的接地裝置，各種防雷措施將不能發(fā)揮良好的保護作用。在雷電流的泄放過程中，接地體向大地泄放的是高幅值的快速沖擊電流。雷電流的散流狀況直接關系著由雷擊產(chǎn)生的暫態(tài)地電位水平，因此必須具備良好的泄放條件。根據(jù)GB/T2887-2000《電子計算機場地通用規(guī)范》規(guī)定，防雷保護地的接地電阻不應大于10Ω。

3.2內(nèi)部雷電防護設計

內(nèi)部雷電防護主要針對GNSS接收機和機房內(nèi)容易受雷電過電壓危害的設備，如服務器電腦、電源設備、通信設備等。在這些設備線路上安裝浪涌保護器件，可有效地抑制雷電過電壓，保護設備的正常運行。內(nèi)部雷電防護主要措施有：安裝浪涌保護器、合理布線、等電位連接、屏蔽、接地等。

機房內(nèi)電源一般是是先經(jīng)過配電柜，再由不間斷電源UPS給機房內(nèi)設備供電的。因此，從外部進入機房的電力線是關鍵的引雷途徑。須對電源實施二級防雷保護。第一級保護即在機房的配電柜內(nèi)并聯(lián)安裝電源浪涌保護器，并在其前端安裝斷路器。第二級保護在電源線進入UPS前加裝電源電涌保護器或防雷插座。

從外部進入機房的GNSS天線電纜和通信線纜也是引雷的主要途徑。應在網(wǎng)絡通信線路與交換機端口連接處安裝網(wǎng)絡信號浪涌保護器；在GNSS天線電纜與GNSS接收機連接處安裝饋線浪涌保護器。饋線浪涌保護器的選型須考慮被保護設備的一些特性，如被保護設備的工作電壓、接口類型、特性阻抗、傳輸速率、插入損耗等參數(shù)。

進入機房的金屬管道、信號電纜外層屏蔽層、電力電纜外鎧裝應在機房的入口處做等電位連接后接入地網(wǎng)，并與機房周圍的金屬構件連接在一起。為了保證機房內(nèi)設備的正常運行，電子設備工作接地應與電源接地、屏蔽接地、浪涌保護器接地采用聯(lián)合接地的方式。采用建筑物地基的鋼筋和自然金屬接地體統(tǒng)一連接作為接地網(wǎng)，以自然接地體為基礎，人工接地體作為補充，接地體盡可能采用閉合環(huán)形。

4.結語

針對CORS系統(tǒng)的基本結構和雷電入侵的主要途徑和危害進行分析，結合雷電防護相關標準，從外部雷電防護和內(nèi)部雷電防護兩個角度進行CORS系統(tǒng)的雷電防護設計，建立三維立體的雷電防護體系。防雷施工結束后，可委托當?shù)貧庀蟛块T進行防雷檢驗，確保防雷設施萬無一失。此外，避雷裝置要定期維護和檢驗，以防某個防雷器件損壞造成雷電入侵。