CORS连续运行参考站系统的雷电防护设计
於永东
摘要：文章根据CORS系统的基本结构和雷电入侵的主要途径，从外部雷电防护和内部雷电防护两个角度进行综合雷电防护设计，保障了CORS系统的稳定运行。
关键词：CORS；防雷
自古以来，雷电对人类赖以生存的自然资源和人类创造的物质文明构成极大的威胁，雷电灾害已成为联合国公布的10种最严重的自然灾害之一。在现代生活中，随着高新技术的发展，尤其是信息产业的迅猛崛起，通讯和电子设备在各行各业中得到日益广泛的应用。目前，随着GNSS卫星导航定位技术的迅猛发展，连续运行参考站系统（CORS）逐渐被普遍应用，CORS参考站数量越来越多，其所依靠的通讯网络也越来越广。这些敏感的电子设备抗雷电过电压、过电流及电磁脉冲的能力极低，一旦遭受雷击或雷电感应，整个CORS系统可能会中断服务，甚至造成设备的烧毁等严重后果，从而间接对国民经济造成影响。因此在CORS连续运行参考站的设计和施工过程中，应综合运用各种防雷技术措施，这样才能使CORS系统得到很好的雷电防护效果，进而保障系统的稳定可靠运行。
1.CORS系统的基本构成
CORS连续运行参考站系统由参考站（网）子系统、数据通信子系统、数据处理中心子系统和用户应用子系统组成。其中，数据处理中心子系统由用户管理中心和系统数据中心两部分构成。数据处理中心子系统是CORS的核心，是CORS系统稳定可靠连续不断提供定位服务的保证，由服务器、机柜、UPS、网络设备、数据存储设备等组成。参考站子系统是卫星数据接收模块，为CORS提供数据源，由卫星天线、GNSS接收机、UPS、通信设备、观测墩等组成。数据通信子系统负责各个参考站与数据中心的通信和数据中心与用户移动站的通信。用户应用子系统由卫星天线、卫星接收机和通信模块组成，是CORS系统的终端用户。
2.雷电侵入CORS系统的主要方式及危害
雷电危害一般可分为直击雷、雷电感应和暂态电位抬高3类。雷电感应指的是雷电在放电时，附近导体上产生电磁感应和静电效应，并沿着导体快速扩散的现象。雷电感应虽然属于雷电的间接破坏作用，但雷电的电磁感应与静电感应所产生的暂态过电压比直击雷的直接破坏作用具有更大的危害范围。雷电感应可损坏电气设备和信息系统，甚至造成人员伤亡。因此，在防雷设计中，雷电感应和暂态电位抬高一直受到重视和关注。鉴于雷电感应和暂态电位抬高容易对CORS系统造成危害，下面着重分析其危害性。
2.1通过GNss天线传输电缆和网络通讯线路入侵
参考站卫星天线一般都架设在空旷露天制高点，与之连接的GNSS天线传输电缆和其他通讯线路也处于较高状态，一旦遭受雷击，雷电击穿线缆外皮，使得过电压、过电流入侵线路。雷云对地放电时，未采取屏蔽措施的线缆上感应出的过电压可达上千伏，进而CORS系统的GNSS接收机、机房服务器等设备。沿着设备连接线路入侵通信系统，则可能危害到与其连接的整个通信网络。
2.2通过电源供电系统入侵
高压电力线路遭到直击雷后，雷电流经过变压器耦合到低压侧，进而危害GNSS接收机、机房内服务器等设备。此外，低压线路也可能遭受直击雷或雷电感应的危害，低压线路遭受雷电感应的过电压平均可达10KV，大大超过了CORS系统中任何电子设备的承受能力。
2.3暂态电位抬高
在没有遭受雷击时，接地物体维持着大地的零电位水平。当雷击接地物体时，强大的雷电流将从雷击点击中物体，沿物体通流路径并经接地体散入大地，在此暂态传输过程中，被击物体上将出现暂态电位抬高现象。由于雷击时暂态电位抬高，使GNSS～星天线和接收机外壳会呈现高电位状态，将损坏卫星接收机内部的电子元器件及电路。此外暂态电位抬高又会与周围的导体之间形成电位差，当该电位差超过两者之间的空气间隙的绝缘耐受强度时，间隙就会被击穿，从而危害机房内的其他设备。
3.CORS系统的雷电综合防护设计
综合分析CORS系统的基本构成和雷电侵入CORS系统的主要方式及危害，采用外部防雷和内部防雷相结合的综合防雷措施可有效地减少甚至避免雷电对CORS系统的危害（见图1）。
3.1外部雷电防护设计
外部雷电防护系统由4部分组成，分别是接闪器（避雷针）、引下线、屏蔽、接地装置。
GNSS扼流圈天线位置较高，因此设置避雷针进行保护。避雷针是直接承受雷电的部分，当雷电云的下行先导向地面上被保护的物体发展时，位于高处的避雷针率先将先导引向自身，使得强大的雷电流经引下线和接地体泄入大地，从而保护GNSS扼流圈天线免受直击雷。
此外，当雷电云出现在地面上空时，随着阶梯式先导向下发展到邻近地面时，避雷针顶端周围的电场将发生严重的畸变，使避雷针周围的电场强度明显高于其他地方，所以避雷针可容易地将雷电先导吸引过来，使雷击点出现在避雷针顶端，而不是雷击扼流圈天线。
由于扼流圈天线承受瞬时雷电过电压的能力比较脆弱，故按照I级雷电防护标准来设计避雷针，取滚球半径hr=30m，根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中给出的公式计算保护半径。为了防止雷电反击，避雷针与GNSS扼流圈天线的水平距离不宜小于3m。
引下线是雷电流泄入大地的通道，其主要作用是将避雷针接闪的雷电流安全地泄入大地。引下线的接长必须采用焊接，采用10mm的圆钢或同等面积的扁钢接入，应与建筑各层均压环可靠焊接。针对框架结构的建筑物，引下线须采用建筑结构内的主筋作为防雷引下线，弯折处不能形成锐角或直角。引下线接近地面处应加保护层，防止在雷雨天气中人员接触而发生意外。
屏蔽是为了减少雷电电磁干扰和雷电感应。进入机房的天线电缆和其他通信线缆应采用穿金属管（金属管应良好接地）铺设或埋地的方式。
接地在防雷系统中至关重要，如果没有良好的接地装置，各种防雷措施将不能发挥良好的保护作用。在雷电流的泄放过程中，接地体向大地泄放的是高幅值的快速冲击电流。雷电流的散流状况直接关系着由雷击产生的暂态地电位水平，因此必须具备良好的泄放条件。根据GB/T2887-2000《电子计算机场地通用规范》规定，防雷保护地的接地电阻不应大于10Ω。
3.2内部雷电防护设计
内部雷电防护主要针对GNSS接收机和机房内容易受雷电过电压危害的设备，如服务器电脑、电源设备、通信设备等。在这些设备线路上安装浪涌保护器件，可有效地抑制雷电过电压，保护设备的正常运行。内部雷电防护主要措施有：安装浪涌保护器、合理布线、等电位连接、屏蔽、接地等。
机房内电源一般是是先经过配电柜，再由不间断电源UPS给机房内设备供电的。因此，从外部进入机房的电力线是关键的引雷途径。须对电源实施二级防雷保护。第一级保护即在机房的配电柜内并联安装电源浪涌保护器，并在其前端安装断路器。第二级保护在电源线进入UPS前加装电源电涌保护器或防雷插座。
从外部进入机房的GNSS天线电缆和通信线缆也是引雷的主要途径。应在网络通信线路与交换机端口连接处安装网络信号浪涌保护器；在GNSS天线电缆与GNSS接收机连接处安装馈线浪涌保护器。馈线浪涌保护器的选型须考虑被保护设备的一些特性，如被保护设备的工作电压、接口类型、特性阻抗、传输速率、插入损耗等参数。
进入机房的金属管道、信号电缆外层屏蔽层、电力电缆外铠装应在机房的入口处做等电位连接后接入地网，并与机房周围的金属构件连接在一起。为了保证机房内设备的正常运行，电子设备工作接地应与电源接地、屏蔽接地、浪涌保护器接地采用联合接地的方式。采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地体统一连接作为接地网，以自然接地体为基础，人工接地体作为补充，接地体尽可能采用闭合环形。
4.结语
针对CORS系统的基本结构和雷电入侵的主要途径和危害进行分析，结合雷电防护相关标准，从外部雷电防护和内部雷电防护两个角度进行CORS系统的雷电防护设计，建立三维立体的雷电防护体系。防雷施工结束后，可委托当地气象部门进行防雷检验，确保防雷设施万无一失。此外，避雷装置要定期维护和检验，以防某个防雷器件损坏造成雷电入侵。
