核電站DCS系統(tǒng)防雷設(shè)計研究

摘 要：進入21世紀(jì)以來，電子技術(shù)的發(fā)展速度超乎了人們的想象，新型數(shù)字化核電站建設(shè)成為了主要趨勢越來越受到各行各業(yè)的青睞，核電站控制系統(tǒng)的數(shù)字化也是一個必然的趨勢。然而，很多大型設(shè)備的防雷電能力都非常脆弱，在核電站中，一旦雷雨天氣導(dǎo)致核電站的設(shè)備發(fā)生故障，就會嚴重影響核電站的日常運行，因此，對核電站DCS系統(tǒng)設(shè)計防雷措施具有非常現(xiàn)實的意義。文章首先闡述了雷電入侵核電站DCS系統(tǒng)的主要途徑，隨后分析了雷電對核電站DCS系統(tǒng)的危害，最后提出了幾點具有針對性的核電站DCS系統(tǒng)防雷設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：核電站；DCS系統(tǒng)；防雷設(shè)計；儀控系統(tǒng)

引言

雷雨是生活中常見的一種天氣，雷電的破壞力強，在高空中自然放電時嚴重威脅著動植物生命的安全以及設(shè)施財產(chǎn)的安全[1]。數(shù)字化控制核電站是指儀控系統(tǒng)采用以微技術(shù)處理（即CPU為基準(zhǔn)的數(shù)字化技術(shù)），告別了以往核電站采用的模擬技術(shù)（即采用常規(guī)儀表和繼電器來采用的控制技術(shù)）和開關(guān)量集成電路技術(shù)，DCS全數(shù)字化儀控系統(tǒng)（又稱為全數(shù)字集散控制系統(tǒng)），在微處理機的前提下，以微機集中管理和操作、分散控制為特性，以數(shù)字化處理技術(shù)為特點的智能化電子設(shè)備和計算機系統(tǒng)，除了具有常規(guī)測量儀表和控制功能外，還具有極強的數(shù)據(jù)處理和通訊功能，是一種全方面涵蓋了4C技術(shù)（即圖形顯示技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)）的新型控制系統(tǒng)，最近幾年，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的通訊人類越來越依賴計算機設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)及電氣設(shè)備，而這些設(shè)備的電子元器件的集成化、微型化程度過高，在高壓及高電流狀況下卻又無法自保，所以，構(gòu)建核電站DCS防雷系統(tǒng)作用極強，可以保證DCS實現(xiàn)其高科技功能。

1 雷電入侵核電站DCS系統(tǒng)的主要途徑

1.1 地電位反擊電壓

地電位反擊電壓可高達上萬伏，常見于監(jiān)視控制點不集中的過程系統(tǒng)中。雷電攻擊時會產(chǎn)生強大的雷電流，這些雷電流通過接地體及引下線流入大地，也就是說，接地體附近會呈現(xiàn)放射型的電位分布，當(dāng)有其他連接電子設(shè)備的接地體靠近時，就形成了高壓地電位反擊。

1.2 浪涌電壓

正常狀況下，DCS系統(tǒng)不會因為直接的雷電攻擊而遭到損毀，但是雷電電磁脈沖在信號和電源或通訊線路中感應(yīng)的浪涌電壓以及雷電感應(yīng)高電壓會造成DCS損毀，原因在于電壓波形的上升沿十分不平緩，會直接沖擊DCS系統(tǒng)。一方面，由于信號來源的途徑大范圍延伸，DCS系統(tǒng)對于抵抗雷電波侵入遠不及過去，另一方面，DCS系統(tǒng)內(nèi)部卡件結(jié)果集成化過高，導(dǎo)致設(shè)備耐高壓及耐高電流的能力低下，難以承受雷電（包括操作過電壓浪涌、感應(yīng)雷）的攻擊。

2 雷電對核電站DCS系統(tǒng)的危害

大多數(shù)核電站的建筑物樓頂安裝了必要的直擊雷防護裝置，而核電站的DCS系統(tǒng)處于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物底下一層，所以，雷電對核電站DCS系統(tǒng)的危害主要在電涌侵入、電磁感應(yīng)以及靜電感應(yīng)上，雷電對儀表的電子元件以及核電站DCS系統(tǒng)的攻擊主要分為以下三個點：其一，如果雷云從核電站的DCS控制室上方經(jīng)過，雷云之間放出的大量電荷就會形成雷電波，而雷電波的電磁輻射會直接干擾甚至損壞DCS控制室內(nèi)的線路及電子元件。其二，如果DCS控制室周圍發(fā)生了雷電現(xiàn)象，那么周圍的線路、管道上會形成感應(yīng)電壓，這些載有過壓的線路、管道一旦通過DCS控制室，就會造成其電子元件的損壞[2]。其三，如果DCS控制室所在建筑物的樓頂直擊雷防護裝置接到雷電，瞬間的高雷電流也會對整棟建筑物的系統(tǒng)、儀表以及電子設(shè)備產(chǎn)生影響，包括DCS控制室。

3 核電站DCS系統(tǒng)防雷設(shè)計方案

3.1 控制直擊雷的設(shè)計方案

在設(shè)計核電站工程項目時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)著重考慮DCS系統(tǒng)的防直擊雷的設(shè)計、建立系統(tǒng)的外部防雷系統(tǒng)，在參考《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的同時，安裝好攔截帶和接閃器，確保直擊雷不會對DCS控制室、通訊線路和儀器設(shè)備造成影響，并對閃電接閃的位置進行控制，確保建筑物不會被雷電直接擊中。另外，針對DCS系統(tǒng)，要防止閃電直接攻擊與DCS系統(tǒng)有關(guān)的電纜或DCS系統(tǒng)所在的建筑物，就要根據(jù)實際狀態(tài)具體分析，盡量選擇將DCS控制室建立在周圍有高樓的地區(qū)，并采取縝密的直擊雷防護措施。

3.2 消除地面回路的設(shè)計方案

3.2.1 等電位連接

等電位連接是一種電氣上連續(xù)的整體，它不僅連接了室內(nèi)設(shè)備、元件和組件的構(gòu)件（或金屬外殼），還連接了建筑物的防雷接地系統(tǒng)，這樣一來，可以避免雷擊時在不同的設(shè)備金屬構(gòu)件（或外殼）之間所產(chǎn)生的電位差。核電站DCS系統(tǒng)需要采取等電位連接的部分包括“五柜”和“三臺”，“五柜”即服務(wù)器柜、配電柜、UPS柜、繼電器柜和設(shè)有屏蔽地接地匯流排的儀表柜，“三臺”即打印臺、操作臺和設(shè)有屏蔽地接地匯流排的手操盤臺。

3.2.2 共用接地

利用電氣接地網(wǎng)作為DCS接地網(wǎng)（即與電氣接地網(wǎng)共地）是核電站DCS系統(tǒng)常見的接地方式。這種共用接地主要包括防雷接地與安全接地。防雷接地有兩個要點，其一，DCS系統(tǒng)以及儀表防雷接地應(yīng)與電氣專業(yè)防雷接地系統(tǒng)共用，但不得與獨立避雷裝置共用接地裝置。其二，DCS系統(tǒng)以及儀表及的信號線路在從室外進入室內(nèi)后，如果有需要設(shè)置防雷接地連接的場合，應(yīng)當(dāng)實施防雷接地連接。為電氣設(shè)備和人身的安全而設(shè)置的接地就是安全接地（即保護接地）DCS系統(tǒng)的繼電器柜、配電柜、儀表柜、操作臺以及機柜等用電設(shè)備，一旦其金屬外殼及控制設(shè)備正常不帶電的金屬部分遭遇雷擊（或絕緣破壞），都可能攜帶高電壓，所以全部需要安全接地。

3.3 通訊電纜以及信號傳輸線路的設(shè)計方案

如果通訊線纜和信號傳輸線連接室外（如DCS信號檢測回路），那么遇到雷電天氣時，室外的直擊雷（或感應(yīng)雷）就可能會在回路中形成強烈的浪涌沖入室內(nèi)，因此，想要保護這些通訊和信號回路，就需要我們考慮到線纜的接頭方式以及回路信號的工作頻率、負載電流和工作電壓，并采取串聯(lián)型的信號浪涌保護器，一方面保護DCS系統(tǒng)的正常工作不受到影響，另一方面，簡化工程的實施。通訊傳輸線路由于通常在戶外高空中，所以應(yīng)采用寬、高且工作電壓低的防雷器，而信號傳輸線路應(yīng)配置采用高能、便于安裝的防雷器[3]。與此同時，將屏蔽導(dǎo)線布置在跨裝置之間的信號點，并等電位連接DCS系統(tǒng)的接地。

3.4 確定安全空間的設(shè)計方案

確定安全空間包括系統(tǒng)線纜鋪設(shè)安全間距、儀表設(shè)備放置空間等，通過采取具有針對性的合理布線和屏蔽措施以達到安全空間的要求。為將雷電電磁脈沖在電子信息系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的浪涌降至最低，應(yīng)當(dāng)綜合使用線纜合理布設(shè)、建筑物以及設(shè)備屏蔽等措施。線纜合理布設(shè)有兩塊內(nèi)容，第一，在布置線纜路由走向時，應(yīng)當(dāng)減小由線纜自身形成的電磁感應(yīng)環(huán)路，第二，線纜鋪設(shè)適合在金屬管道或線槽內(nèi)，或者鋪設(shè)在靠近等電位連接網(wǎng)絡(luò)的金屬部件中，但不適合于雷電防護區(qū)的屏蔽層靠太近。

4 結(jié)束語

核電站在設(shè)計防雷接地系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)貫徹大系統(tǒng)的設(shè)計理念，連接全站的各接地網(wǎng)，并構(gòu)建成一個大系統(tǒng)，不僅能保障核電站工作人員的人身安全，還有利于減少接地電阻。

參考文獻

[1]陳懷宇，朱豐林，等.從綜合防雷技術(shù)論核電站全廠防雷接地系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣應(yīng)用，2013，22（14）：176-182.

[2]張健，于衛(wèi)平，等.核電站中基于DCS的抗電磁干擾設(shè)計探討[J].發(fā)電與空調(diào)，2013，3（21）：216-223.

[3] 國楷，黎國民，王群峰，等.核電站安全分級對DCS系統(tǒng)設(shè)計影響分析[J].核動力工程，2014，5（9）：123-128.

作者簡介：溫承祥（1991-），男，福建省龍巖市人，工作單位：中國能源建設(shè)集團廣東火電工程有限公司陽江核島項目部，職務(wù)：電氣設(shè)計工程師，研究方向：電力建設(shè)。