CORS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

於永東

摘要：文章根據(jù)CORS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和雷電入侵的主要途徑，從外部雷電防護(hù)和內(nèi)部雷電防護(hù)兩個(gè)角度進(jìn)行綜合雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，保障了CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：CORS；防雷

自古以來，雷電對(duì)人類賴以生存的自然資源和人類創(chuàng)造的物質(zhì)文明構(gòu)成極大的威脅，雷電災(zāi)害已成為聯(lián)合國公布的10種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。在現(xiàn)代生活中，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，尤其是信息產(chǎn)業(yè)的迅猛崛起，通訊和電子設(shè)備在各行各業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。目前，隨著GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的迅猛發(fā)展，連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）逐漸被普遍應(yīng)用，CORS參考站數(shù)量越來越多，其所依靠的通訊網(wǎng)絡(luò)也越來越廣。這些敏感的電子設(shè)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(yīng)，整個(gè)CORS系統(tǒng)可能會(huì)中斷服務(wù)，甚至造成設(shè)備的燒毀等嚴(yán)重后果，從而間接對(duì)國民經(jīng)濟(jì)造成影響。因此在CORS連續(xù)運(yùn)行參考站的設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)綜合運(yùn)用各種防雷技術(shù)措施，這樣才能使CORS系統(tǒng)得到很好的雷電防護(hù)效果，進(jìn)而保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1.CORS系統(tǒng)的基本構(gòu)成

CORS連續(xù)運(yùn)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(yīng)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(gòu)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(wù)的保證，由服務(wù)器、機(jī)柜、UPS、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)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(jī)、UPS、通信設(shè)備、觀測(cè)墩等組成。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)各個(gè)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(dòng)站的通信。用戶應(yīng)用子系統(tǒng)由衛(wèi)星天線、衛(wèi)星接收機(jī)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(yīng)和暫態(tài)電位抬高3類。雷電感應(yīng)指的是雷電在放電時(shí)，附近導(dǎo)體上產(chǎn)生電磁感應(yīng)和靜電效應(yīng)，并沿著導(dǎo)體快速擴(kuò)散的現(xiàn)象。雷電感應(yīng)雖然屬于雷電的間接破壞作用，但雷電的電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)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(yīng)可損壞電氣設(shè)備和信息系統(tǒng)，甚至造成人員傷亡。因此，在防雷設(shè)計(jì)中，雷電感應(yīng)和暫態(tài)電位抬高一直受到重視和關(guān)注。鑒于雷電感應(yīng)和暫態(tài)電位抬高容易對(duì)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(luò)通訊線路入侵

參考站衛(wèi)星天線一般都架設(shè)在空曠露天制高點(diǎn)，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(duì)地放電時(shí)，未采取屏蔽措施的線纜上感應(yīng)出的過電壓可達(dá)上千伏，進(jìn)而CORS系統(tǒng)的GNSS接收機(jī)、機(jī)房服務(wù)器等設(shè)備。沿著設(shè)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(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。

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(cè)，進(jìn)而危害GNSS接收機(jī)、機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器等設(shè)備。此外，低壓線路也可能遭受直擊雷或雷電感應(yīng)的危害，低壓線路遭受雷電感應(yīng)的過電壓平均可達(dá)10KV，大大超過了CORS系統(tǒng)中任何電子設(shè)備的承受能力。

2.3暫態(tài)電位抬高

在沒有遭受雷擊時(shí)，接地物體維持著大地的零電位水平。當(dāng)雷擊接地物體時(shí)，強(qiáng)大的雷電流將從雷擊點(diǎn)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(shí)暫態(tài)電位抬高，使GNSS～星天線和接收機(jī)外殼會(huì)呈現(xiàn)高電位狀態(tài)，將損壞衛(wèi)星接收機(jī)內(nèi)部的電子元器件及電路。此外暫態(tài)電位抬高又會(huì)與周圍的導(dǎo)體之間形成電位差，當(dāng)該電位差超過兩者之間的空氣間隙的絕緣耐受強(qiáng)度時(shí)，間隙就會(huì)被擊穿，從而危害機(jī)房?jī)?nèi)的其他設(shè)備。

3.CORS系統(tǒng)的雷電綜合防護(hù)設(shè)計(jì)

綜合分析CORS系統(tǒng)的基本構(gòu)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(jié)合的綜合防雷措施可有效地減少甚至避免雷電對(duì)CORS系統(tǒng)的危害（見圖1）。

3.1外部雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

外部雷電防護(hù)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(shè)置避雷針進(jìn)行保護(hù)。避雷針是直接承受雷電的部分，當(dāng)雷電云的下行先導(dǎo)向地面上被保護(hù)的物體發(fā)展時(shí)，位于高處的避雷針率先將先導(dǎo)引向自身，使得強(qiáng)大的雷電流經(jīng)引下線和接地體泄入大地，從而保護(hù)GNSS扼流圈天線免受直擊雷。

此外，當(dāng)雷電云出現(xiàn)在地面上空時(shí)，隨著階梯式先導(dǎo)向下發(fā)展到鄰近地面時(shí)，避雷針頂端周圍的電場(chǎng)將發(fā)生嚴(yán)重的畸變，使避雷針周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于其他地方，所以避雷針可容易地將雷電先導(dǎo)吸引過來，使雷擊點(diǎn)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(shí)雷電過電壓的能力比較脆弱，故按照I級(jí)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)避雷針，取滾球半徑hr=30m，根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的公式計(jì)算保護(hù)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(yīng)與建筑各層均壓環(huán)可靠焊接。針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的建筑物，引下線須采用建筑結(jié)構(gòu)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(yīng)加保護(hù)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(yīng)。進(jìn)入機(jī)房的天線電纜和其他通信線纜應(yīng)采用穿金屬管（金屬管應(yīng)良好接地）鋪設(shè)或埋地的方式。

接地在防雷系統(tǒng)中至關(guān)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(hù)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?zèng)_擊電流。雷電流的散流狀況直接關(guān)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(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》規(guī)定，防雷保護(hù)地的接地電阻不應(yīng)大于10Ω。

3.2內(nèi)部雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

內(nèi)部雷電防護(hù)主要針對(duì)GNSS接收機(jī)和機(jī)房?jī)?nèi)容易受雷電過電壓危害的設(shè)備，如服務(wù)器電腦、電源設(shè)備、通信設(shè)備等。在這些設(shè)備線路上安裝浪涌保護(hù)器件，可有效地抑制雷電過電壓，保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行。內(nèi)部雷電防護(hù)主要措施有：安裝浪涌保護(hù)器、合理布線、等電位連接、屏蔽、接地等。

機(jī)房?jī)?nèi)電源一般是是先經(jīng)過配電柜，再由不間斷電源UPS給機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備供電的。因此，從外部進(jìn)入機(jī)房的電力線是關(guān)鍵的引雷途徑。須對(duì)電源實(shí)施二級(jí)防雷保護(hù)。第一級(jí)保護(hù)即在機(jī)房的配電柜內(nèi)并聯(lián)安裝電源浪涌保護(hù)器，并在其前端安裝斷路器。第二級(jí)保護(hù)在電源線進(jìn)入U(xiǎn)PS前加裝電源電涌保護(hù)器或防雷插座。

從外部進(jìn)入機(jī)房的GNSS天線電纜和通信線纜也是引雷的主要途徑。應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)通信線路與交換機(jī)端口連接處安裝網(wǎng)絡(luò)信號(hào)浪涌保護(hù)器；在GNSS天線電纜與GNSS接收機(jī)連接處安裝饋線浪涌保護(hù)器。饋線浪涌保護(hù)器的選型須考慮被保護(hù)設(shè)備的一些特性，如被保護(hù)設(shè)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(jìn)入機(jī)房的金屬管道、信號(hào)電纜外層屏蔽層、電力電纜外鎧裝應(yīng)在機(jī)房的入口處做等電位連接后接入地網(wǎng)，并與機(jī)房周圍的金屬構(gòu)件連接在一起。為了保證機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行，電子設(shè)備工作接地應(yīng)與電源接地、屏蔽接地、浪涌保護(hù)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(chǔ)，人工接地體作為補(bǔ)充，接地體盡可能采用閉合環(huán)形。

4.結(jié)語

針對(duì)CORS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和雷電入侵的主要途徑和危害進(jìn)行分析，結(jié)合雷電防護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從外部雷電防護(hù)和內(nèi)部雷電防護(hù)兩個(gè)角度進(jìn)行CORS系統(tǒng)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，建立三維立體的雷電防護(hù)體系。防雷施工結(jié)束后，可委托當(dāng)?shù)貧庀蟛块T進(jìn)行防雷檢驗(yàn)，確保防雷設(shè)施萬無一失。此外，避雷裝置要定期維護(hù)和檢驗(yàn)，以防某個(gè)防雷器件損壞造成雷電入侵。