核電廠測量信號屏蔽接地方案介紹及建議

劉仁朋 何林 王東祥

福建福清核電有限公司 福建福清 350300

隨著自動化控制水平的提高，集散控制系統(tǒng)(DCS) 在國內(nèi)新建核電廠中得到了廣泛的應(yīng)用，模擬量儀表全面取代傳統(tǒng)開關(guān)控制器也成為技術(shù)發(fā)展趨勢，對電廠復(fù)雜控制精度的改進等帶來較大的益處。而實際工程應(yīng)用中往往對這些信號傳輸路徑的屏蔽接地規(guī)范重視不夠，導(dǎo)致接地出現(xiàn)異常造成數(shù)據(jù)采集錯誤、控制設(shè)備誤動作等，影響機組的安全性和經(jīng)濟性。本文從工程應(yīng)用的角度，闡述了對測量信號屏蔽接地規(guī)范的理解。

1 測量信號屏蔽接地的意義

核電廠中存在著許多電磁干擾源，如大型電機的啟停、 高電壓開關(guān)切換時的高頻瞬態(tài)、高能通信設(shè)備干擾等。這些噪聲可能在信號源或者電纜中引起信號失真，造成信號偏差。

新建核電大規(guī)模應(yīng)用DCS控制系統(tǒng)，其模擬量采集通道數(shù)量更多，電磁干擾影響的概率和嚴重性都更為嚴峻。屏蔽接地的良好配置，可以有效消除信號傳輸過程中的高頻噪聲、電磁干擾和無線電波引起的電磁擾動。

2 傳統(tǒng)核電廠屏蔽接地方案

國內(nèi)以往核電廠（如典型M310機組）儀控接地與屏蔽的設(shè)計，主要遵循EJ/T 1065-1998《核電廠儀表和控制設(shè)備的接地和屏蔽設(shè)計準則》，其對信號屏蔽接地的總體要求可概括為：使用雙絞線以盡可能減少電磁輻射與外部電磁干擾的影響，低頻段屏蔽接地為避免接地電位差驅(qū)動電流產(chǎn)生感應(yīng)噪聲而在信號源處單點接地，對高頻段屏蔽接地應(yīng)多點接地。[3]

由于以往核電廠將電纜屏蔽層在信號回路接地處進行接地，所以電纜屏蔽層雙端接地僅是一個理想的接地方案，在實際設(shè)計中存在以下3個問題：

由于接地網(wǎng)電勢的不等，屏蔽層兩點接地形成的電勢差將會使信號線串入共模電壓導(dǎo)致干擾。

雙端接地對閃電、系統(tǒng)故障引起的接地電勢差非常敏感，可能導(dǎo)致屏蔽層燒毀。

磁場耦合引入屏蔽層的電流在信號線中引入差模噪聲—除非采用平衡電路，否則低頻信號極其易受干擾.

國內(nèi)以往核電設(shè)計考慮了以上因素，對于電纜屏蔽層雙端接地比較謹慎，基本采用單點接地。

3 三代核電廠屏蔽接地方案

國外以及目前國內(nèi)在建的三代核電廠，則逐漸引入了IEEE1050-1996作為核電廠儀控接地設(shè)計導(dǎo)則。原因是先進的數(shù)字技術(shù)在核電廠的逐漸推廣，將越來越多的高時鐘頻率引入儀控系統(tǒng)，及高頻傳輸源等先進技術(shù)應(yīng)用于核電廠通信。核電廠在應(yīng)對射頻干擾方面的傳統(tǒng)方法也受到了挑戰(zhàn)[1]。

在帶有高頻信號的數(shù)字化控制系統(tǒng)中，電纜是主要的干擾源，它既是高頻干擾的主要發(fā)生器，也是主要的接收器，向空間輻射電磁噪聲的同時又敏感地接收來自鄰近干擾源所發(fā)射的電磁噪聲。隨著無線通信等高頻傳輸源在核電廠的應(yīng)用越來越廣泛，有必要對傳統(tǒng)電纜屏蔽的接地方案進行重新評估。

根據(jù)IEEE 1050-1996中描述，當導(dǎo)體長度與信號波長之比（L/λ）大于0.15時，電纜屏蔽層應(yīng)采用雙端接地，如若采用單端接地將使屏蔽層形成很強的天線效應(yīng)向外輻射干擾信號。[2]

目前國內(nèi)在建的第三代核電廠，如AP1000、華龍一號等大多采用了屏蔽雙端接地方案。以AP1000為例，西屋電氣公司提出了儀控電纜屏蔽層兩端分別通過EMC電纜連接頭與機柜/設(shè)備連接的方案，其設(shè)計中儀控電纜采用了上述連接頭對電纜屏蔽層進行了360°環(huán)向端接。目前采用該方案的核電廠運行經(jīng)驗表明該接地配置運行良好。

4 兩種屏蔽接地方案分析

通過以上第2、3節(jié)闡述分析，無論單點接地還是雙端接地，都有其適用性和優(yōu)劣方面，主要概括為：

（1）單端接地對于低頻信號抗電磁干擾和靜電干擾效果良好，當存在變壓器、電動機、大功率等整流設(shè)備干擾源時應(yīng)采用單端接地，尤其是靜電干擾必須使用單點接地；

（2）當電磁感應(yīng)的干擾較大或高頻電路，宜采用兩點接地；

（3）更為理想的屏蔽接地應(yīng)為雙層絕緣隔離屏蔽，外層屏蔽雙端接地以形成理想法拉第籠消除磁性干擾，內(nèi)層屏蔽單端接地用于防靜電感應(yīng)干擾，但是該種屏蔽接地方案對電纜制造要求較高，成本較高，一般工程應(yīng)用較少[3]。

5 建議及總結(jié)

信號干擾和屏蔽措施在實際電廠工程應(yīng)用時存在諸多難點，原因包括干擾信號無法方便檢測和度量、屏蔽層中電壓或電流缺少有效手段監(jiān)測、干擾很難在線復(fù)現(xiàn)等，出現(xiàn)問題時也往往難以根本上解決。

通過以上分析并結(jié)合工程實際，筆者提出以下建議供核電廠工程技術(shù)人員在安裝、調(diào)試、運維階段參考：

從源頭上控制干擾，主要注意兩點：一是采用強弱電纜分離敷設(shè)盡量避免平行走線以減少導(dǎo)線間的串擾，二是電纜路徑盡量遠離變頻器、電機等強干擾源設(shè)備；

屏蔽接地要遵循同地的原則，系統(tǒng)的控制柜和子信號柜盡可能做到等電勢，減少靜電干擾，應(yīng)在柜間安裝直徑6mm以上的連接線用于平衡電勢；

電纜雙層屏蔽接地因成本問題較難實現(xiàn)，但是在工程應(yīng)用時，保證信號電纜全程都有實底帶蓋板托盤、撓性套管進行保護，可等效起到外層屏蔽的作用，為了保證外層屏蔽雙端接地效果，必須確保托盤、套管完整連接且多段接地；

確保每段屏蔽接地可靠性，一般要求接地電阻應(yīng)＜1歐姆；

對于新項目使用電纜屏蔽雙端接地的設(shè)計，需要確認模擬量是否采集卡件符合平衡電路的設(shè)計，以確保對低頻干擾的屏蔽效果，并且對于非完整閉合的EMC通路的電纜，采用360°環(huán)向端接的屏蔽格蘭連接。