淺談AP1000核電廠儀控設(shè)備接地技術(shù)

田青旺　 國核自儀系統(tǒng)工程有限公司

淺談AP1000核電廠儀控設(shè)備接地技術(shù)

田青旺 國核自儀系統(tǒng)工程有限公司

通過參考國內(nèi)外核電廠儀控設(shè)備接地技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析了AP1000核電廠如何通過實(shí)施合理儀控接地方案和電纜屏蔽層兩端接地技術(shù)，解決了引入數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）后核電廠在電磁兼容方面面臨的問題，對今后新建核電項(xiàng)目的儀控設(shè)備接地與屏蔽方案提出了建議。

屏蔽接地；電磁兼容；儀控；DCS；AP1000

0 引言

核電廠的儀表和控制設(shè)備的接地應(yīng)設(shè)計成使信號電纜中的噪聲最小，并在配電系統(tǒng)的電路與機(jī)箱或機(jī)架之間因故障而發(fā)生電擊時能對工作人員進(jìn)行保護(hù)。儀控設(shè)備接地應(yīng)包括以下幾類接地：設(shè)備保護(hù)接地、信號接地和電纜屏蔽接地。我國現(xiàn)行核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/ T1065—1998《核電廠儀表和控制設(shè)備的接地和屏蔽設(shè)計準(zhǔn)則》規(guī)定了核電廠儀表和控制設(shè)備的接地和屏蔽要求，定義了儀表和控制設(shè)備的接地應(yīng)符合“一點(diǎn)接地”和“樹形連接”的基本原則。

近十幾年來，人們經(jīng)過理論研究和工業(yè)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：屏蔽接地是一點(diǎn)接地還是兩點(diǎn)接地與電磁干擾的頻率有關(guān)。IEEE 1100-2005的8.5.4.5條就如何選擇單點(diǎn)接/多點(diǎn)接地時明確指出：當(dāng)電子系統(tǒng)頻率低于300kHz時，模擬線路推薦采用一點(diǎn)接地；當(dāng)電子系統(tǒng)為MHz級數(shù)字電路時，推薦采用多點(diǎn)接地。

AP1000核電站引入了全套數(shù)字化控制系統(tǒng)，其設(shè)計控制文件雖然不遵守IEEE 1100-2005，但是其設(shè)計導(dǎo)則也明確規(guī)定了儀控設(shè)備接地方案和電纜屏蔽的兩端接地方式（參考IEEE 1050-1996）。

1 儀控設(shè)備接地技術(shù)的演化

在核電廠中，電磁干擾/無線電干擾（EMI/RFI）會在信號線中引入非預(yù)期的電流，從而顯著的影響設(shè)備運(yùn)行。干擾電流體現(xiàn)為模擬回路中的噪聲，甚至極端情況下會造成數(shù)字回路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。

1.1單點(diǎn)接地

圖1　典型的接地環(huán)路

由于在電源系統(tǒng)不同接地點(diǎn)和接地點(diǎn)土壤的電阻率各不相同，使得核電廠內(nèi)不同接地點(diǎn)上的點(diǎn)位不一樣。通常這些接地點(diǎn)之間電位差的頻率為50Hz或數(shù)倍頻。當(dāng)一個儀表回路接到兩個分離的“接地點(diǎn)”后，在兩個接地點(diǎn)之間就會產(chǎn)生電流，從而把共模噪聲疊加到正在傳輸?shù)男盘柹?，表現(xiàn)為噪聲電位。見圖1。

電廠中，影響最大的共模噪聲是由電源系統(tǒng)的兩個分離的接地點(diǎn)引起的接地環(huán)路對信號回路的耦合造成的。

DCS首先引入到早期的火電、化工等行業(yè)，當(dāng)時的工作環(huán)境中干擾頻率以低頻為主，只要關(guān)注接地電阻值是否合格即可。數(shù)十年來，實(shí)踐證明，屏蔽電纜在信號源處的單點(diǎn)接地在防止低頻干擾方面是十分可靠的。歐美的核電機(jī)組多建于20世紀(jì)60至80年代，控制設(shè)備以繼電器等模擬設(shè)備為主，因而屏蔽接地方面使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)接地為主。

1.2多點(diǎn)接地

當(dāng)前，核電廠的電磁干擾主要有以下四種形式：

（1）通過設(shè)備連接電纜的電容性或電感性耦合從外界進(jìn)入設(shè)備，這些干擾產(chǎn)生于兩個設(shè)備上不同參考地之間的電位差或者遠(yuǎn)距離設(shè)備連接電纜上的電位差；

（2）人員接觸控制盤、機(jī)殼或機(jī)柜時會產(chǎn)生靜電放電干擾；

（3）對講機(jī)、手機(jī)、廣播臺和電視臺以及雷達(dá)站會產(chǎn)生電磁場輻射干擾；

（4）交流供電容易受到雷電和各種開關(guān)動作產(chǎn)生的浪涌干擾。

近年來，電廠接地網(wǎng)設(shè)計技術(shù)越發(fā)成熟，一般都采取網(wǎng)格型的接地設(shè)計或稱為格柵形共用接地網(wǎng)絡(luò)。接地系統(tǒng)的電阻值很小，這樣才能在發(fā)生最大單相接地故障時，引起的對地電壓升低于電廠可接受的標(biāo)準(zhǔn)。可通過IEEE 665-1995中描述的方法來降低接地電阻，考慮到中國核電廠址的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和儀表接地的特殊性，AP1000項(xiàng)目的接地電阻要求低于0.5Ω。不同接地點(diǎn)間的電位差雖不能消除，但是可以達(dá)到盡量小，甚至忽略不計。儀表和控制系統(tǒng)都采用了高度共模抑制比的技術(shù)，可以有效控制接地環(huán)路耦合帶來的共模噪聲。

近10多年，大量新型電子設(shè)備及非線性電氣設(shè)備的使用，核電廠中儀表和控制技術(shù)應(yīng)用引入了高時鐘頻率/低邏輯電壓電路。電廠通訊（如無線通訊等）使用的高頻率（達(dá)到10GHz）傳輸源對核電廠的傳統(tǒng)EMC保護(hù)方案提出了更高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的EMI/RFI保護(hù)方式已經(jīng)落伍。這就需要一種新的接地方式以增強(qiáng)EMC保護(hù)原理的魯棒性。

近代電磁干擾技術(shù)的理論研究及某些核電廠數(shù)字化儀表和控制技術(shù)的工程實(shí)踐，例如田灣核電站的儀控系統(tǒng)是目前我國核電站首次引進(jìn)的全數(shù)字化儀控系統(tǒng)，它由運(yùn)行儀控TelepermXP和安全儀控TelepermXS兩部分組成，其接地就采用多點(diǎn)接地為主的接地原則。紅沿河一期核電廠項(xiàng)目（安全級DCS采用三菱MELTAC平臺，非安全級控制系統(tǒng)平臺采用廣利核產(chǎn)品），電纜屏蔽均采用的兩點(diǎn)接地技術(shù)，其良好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，兩點(diǎn)接地技術(shù)有助于應(yīng)對當(dāng)今核電廠面臨的EMC挑戰(zhàn)。

2 AP1000電纜屏蔽層的多點(diǎn)接地技術(shù)的理論基礎(chǔ)

排除干擾的最佳方法是將一個回路置于一個全EMC屏蔽殼之內(nèi)，這種保護(hù)歸咎于集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)（ skin effect）指交變電流在導(dǎo)體中不按導(dǎo)體截面均勻分布,而是集中在導(dǎo)體表面流動的現(xiàn)象。集膚效應(yīng)適用于所有的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括機(jī)柜/外殼、管道/導(dǎo)管及辮狀屏蔽層。導(dǎo)體表面的電流流向接地點(diǎn)，以消除回路中潛在的危害。

美國電力研究協(xié)會發(fā)布了一份報告TR-102323，《核電廠電磁干擾試驗(yàn)導(dǎo)則》，提供了一種解決電磁兼容性（EMC）問題的方法，美國核管會（NRC）在1996年的安全評估報告中背書了這份報告。隨后，NRC發(fā)布的管理導(dǎo)則1.180 R1，《安全相關(guān)儀表和控制系統(tǒng)電磁和射頻干擾評價導(dǎo)則》正式建立了官方的EMC導(dǎo)則。兩份文件都指向了IEEE Std 1050-1996，《電廠儀表控制設(shè)備接地導(dǎo)則》。

RG 1.180-2003立場6明確表示，鑒于高速微處理器和無線通訊技術(shù)的發(fā)展，輻射抗擾度試驗(yàn)應(yīng)關(guān)注1GHz到10GHz高頻干擾。AP1000設(shè)計導(dǎo)則也明確要求核電廠EMC電場干擾的試驗(yàn)上限是10GHz。

IEEE 1050-1996提供了核電廠接地的工業(yè)導(dǎo)則，其6.1節(jié)-電纜屏蔽要求中，對電纜屏蔽的接地實(shí)踐提出了以下陳述：總體上，當(dāng)電纜長度和信號波長比例（L/λ）大于0.15時，電纜屏蔽應(yīng)該兩點(diǎn)接地。當(dāng)L=λ/4且屏蔽層僅單端接地時，電纜屏蔽層容易形成“天線效應(yīng)”。當(dāng)電纜相對較短且在低頻環(huán)境下，電纜屏蔽層的單端接地才有效。

根據(jù)AP1000設(shè)備鑒定大綱，1GHz是電場干擾高頻段的低限。

在1GHz條件下，線纜長度低于0.07495米（L=λ/4）才能有效避免前述現(xiàn)象（天線效應(yīng)）。假定電纜長度均低于0.07495米顯然是很不合常理的。我國目前主流的4G手機(jī)運(yùn)行商，中國移動、中國聯(lián)通和中國電信手機(jī)頻段均大于1GHz。以海陽I期現(xiàn)場為例，用的是無線呼叫電話系統(tǒng)（采用Spectralink 8030的WiFi手機(jī)），機(jī)站型號AP-70，頻率是2.4GHz。從網(wǎng)上公開的檢索信息可以得知，目前，我國國內(nèi)的塔臺、電視臺以及雷達(dá)站從幾十兆到幾千兆不等，也都集中在高頻段。

AP1000在早期的設(shè)計中，屏蔽接地也是采用單點(diǎn)接地。后來，在西屋在總結(jié)對瑞典的靈哈爾斯2#（Ringhals 2）電廠儀控升級改造項(xiàng)目中多點(diǎn)接地成功經(jīng)驗(yàn)，及研究設(shè)計控制文件中遵守的相關(guān)核管會和IEEE標(biāo)準(zhǔn)后，才通過正式變更，決定在儀控設(shè)備中采用屏蔽層的兩點(diǎn)接地方案。

AP1000的堆外核測系統(tǒng)，由于監(jiān)測的是低電平信號，信號線屏蔽層依然采用機(jī)柜側(cè)單點(diǎn)接地的方案。這也符合EJ/T1065—1998中附錄B的要求：當(dāng)屏蔽電纜的屏蔽層也作為信號傳輸線時（如同軸/三軸電纜的屏蔽層），該屏蔽層就不應(yīng)在傳輸?shù)倪^程中與儀表系統(tǒng)的接地母線相連。

綜上，AP1000采用的兩點(diǎn)接地技術(shù)具備理論基礎(chǔ)，適應(yīng)當(dāng)今核電廠面臨的高頻挑戰(zhàn)。

3 多點(diǎn)接地的幾個注意事項(xiàng)

3.1單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地相組合問題

IEEE 1050-2004中，提到了電纜屏蔽接地可采用單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地相結(jié)合的概念，見圖2。電纜屏蔽一端接地，然后經(jīng)過電容器連接到另一接地端；在低頻段，電容有較大的阻抗，相當(dāng)于開路，可以認(rèn)為是一端接地；高頻時，電容阻抗變小，電容器起短路作用，則成為兩端接地[5]。

AP1000申請執(zhí)照和系統(tǒng)、設(shè)備的鑒定設(shè)計是執(zhí)行IEEE 1050-1996版本，所以，單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地相組合的問題在AP1000儀控設(shè)備工程實(shí)踐中需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2接地簇

AP1000的非安全控制系統(tǒng)采用Ovation平臺，其接地采用接地簇的形式，機(jī)柜間串行連接在一起，最后由中心機(jī)柜接一根接地線到電廠接地網(wǎng)。根據(jù)工程實(shí)踐，從接地柜到其他機(jī)柜的接地線最好采用星形方式，這樣可以避免一個機(jī)柜出現(xiàn)接地故障會擴(kuò)展影響到同簇內(nèi)的其他機(jī)柜。

3.3機(jī)柜焊接的接地問題

AP1000儀控機(jī)柜采用焊接固定在底座槽鋼上，又通過一個接地線連接到接地網(wǎng)。底座槽鋼與電廠接地網(wǎng)是聯(lián)通的，這樣就形成了兩個接地點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是：即使接地線故障，也存在一條備用的通過槽鋼的低阻抗的泄放通道，不容易形成浮點(diǎn)接地；缺點(diǎn)是：槽鋼與共用接地網(wǎng)的接點(diǎn)可能與高電壓、大電流入地點(diǎn)（包括防雷引下線）沿接地導(dǎo)體的距離不足，高壓系統(tǒng)瞬態(tài)期間的大電流或雷擊浪涌可能會傳遞到電子設(shè)備上去。

圖 2　一端和兩端屏蔽接地的組合

3.4機(jī)柜上進(jìn)線

AP1000項(xiàng)目的核島廠房內(nèi)的大量儀控機(jī)柜采用上進(jìn)線方式。電纜的屏蔽層在柜頂通過EMC格蘭與機(jī)柜接地。目前機(jī)柜的EMC接地點(diǎn)設(shè)計在機(jī)柜底部，干擾電流到大地間需要經(jīng)過很長的機(jī)柜殼體，不利于柜內(nèi)電子設(shè)備的電磁干擾防護(hù)。更壞情況是，若干擾電流流經(jīng)機(jī)柜前門或后門時，機(jī)柜的進(jìn)/出風(fēng)口或風(fēng)扇口會改變干擾電流的速度和方向，柜門開口破壞了電流的集膚效應(yīng)并可能導(dǎo)致干擾電流從開口耦合進(jìn)機(jī)柜內(nèi)的回路中。如圖3，干擾電流速度和方向改變示意圖。

圖3　干擾電流速度和方向改變示意圖

3.5雙層屏蔽電纜

AP1000建議對于單獨(dú)的屏蔽絞合對組成的帶有整體屏蔽的多芯電纜，整體屏蔽層應(yīng)在外殼的入口處端接，單束電纜的屏蔽可以原封不動的進(jìn)入機(jī)柜。

IEEE 1050-2004的6.2.8節(jié)中建議，為了達(dá)到更好的屏蔽效果，采用獨(dú)立的屏蔽線對和整體屏蔽接地的雙層屏蔽電纜，芯屏采用一段接地進(jìn)行電磁干擾保護(hù)，總屏雙端接地以保護(hù)芯屏免受高頻干擾。

相比較，IEEE 1050-2004建議的雙層屏蔽電纜接地方案更加好。

3.6其他

為確保屏蔽兩點(diǎn)接地的效果，最大限度減少電磁干擾，AP1000要求:電纜的編制屏蔽層應(yīng)至少具有90%的覆蓋率（以增大表面積減少高頻集膚效應(yīng)導(dǎo)致的高頻阻抗），并360度環(huán)形屏蔽接在儀控系統(tǒng)機(jī)柜上。這里之所以強(qiáng)調(diào)360度的連接，就是為了保證整個屏蔽體達(dá)到完全的封閉，最大限度地減少信號線受到外界干擾的可能。顯然只有在電纜的兩端采取相同的措施才能達(dá)到這種效果。AP1000項(xiàng)目的機(jī)柜或殼體還普遍使用EMC格蘭，EMC格蘭在周向提供整體的屏蔽接觸，將電纜屏蔽層通過低阻抗接地（不大于0.1Ω）以消除干擾電流。

AP1000的儀控系統(tǒng)的接地線采用120mm2截面的接地銅導(dǎo)線。當(dāng)電廠的土壤為低到中性土壤電阻率（腐蝕性特性）時，土地下面的各種金屬會進(jìn)行各種反應(yīng)鏈，和鋼筋、管道、地樁和地下其他金屬相比，接地銅導(dǎo)線將成為陰極。接地銅導(dǎo)線尺寸≥120mm2并且不裸露的情況下可以持續(xù)到整個核電廠壽期。為確保接地系統(tǒng)安全有效地運(yùn)行，需執(zhí)行周期性的測試來檢測接地電阻是否正常。檢測方法為IEEE 665中的Wenner Three-Pin。

4 結(jié)束語

AP1000作為第三代核電機(jī)組，采用了全數(shù)字化的儀控系統(tǒng)。根據(jù)引入DCS后核電廠對高頻干擾的新挑戰(zhàn)，通過借鑒前期的核電儀控升級改造經(jīng)驗(yàn)，在滿足申請執(zhí)照時提出的相關(guān)核管會和IEEE標(biāo)準(zhǔn)的前提下，設(shè)計導(dǎo)則上明確提出了兩點(diǎn)接地的理念，并在設(shè)備鑒定和EMC試驗(yàn)時進(jìn)行了驗(yàn)證。

目前，AP1000國內(nèi)首批兩個項(xiàng)目，海陽一期和三門一期后期并網(wǎng)發(fā)電后，電纜屏蔽層的兩點(diǎn)接地技術(shù)方法即將迎來實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)。針對上進(jìn)線屏蔽與接地點(diǎn)距離遠(yuǎn)的問題，建議電纜敷設(shè)設(shè)計時考慮機(jī)柜底部進(jìn)線的方案。

[1]IEEE Standard 1050-1996, IEEE Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations[S].

[2] EJ/T 1065-1998,核電廠儀表和控制設(shè)備的接地和屏蔽設(shè)計準(zhǔn)則[S].

[3] 孫輝.核電廠接地設(shè)計中的關(guān)鍵問題[J].電力科學(xué)與工程，2014，30（7）：12-17.

[4] NRC RG 1.180-2003,Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems[S].

[5] 陳戰(zhàn).核電廠儀控設(shè)備接地探討[J].電氣應(yīng)用，2012，22:55-59.

[6] IEEE Standard 1050-2004,IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment.

[7] 趙穎濱.核電站核島接地的概念及基本準(zhǔn)則[J].電氣應(yīng)用，2013，18：69-73.

田青旺，男，1979年生，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事AP1000儀控相關(guān)工作。