核電廠儀控機(jī)柜的防浪涌保護(hù)器應(yīng)用技術(shù)研究

楊 鍇

(1.上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所，上海 200233；2.國家能源核電站儀表研發(fā)(實驗)中心，上海 200233;3.上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，以第三代核電技術(shù)為主的核電廠正在全國范圍內(nèi)大規(guī)模選址和建造中。以AP1000為例，核電廠中的集散式儀控系統(tǒng)為全部數(shù)字化形式[1]。在安全系統(tǒng)中運用了非能動設(shè)計，使得電氣儀控機(jī)柜需要在各個廠房中密集型排列放置。日本福島事件后，我國重新審視了核電廠的安全問題，并命令所有后續(xù)建造的核電廠都暫緩開工。為避免重蹈福島事件，經(jīng)過相關(guān)決定，對一切電氣及儀控類產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格和全面的試驗[2]。其中，將最具有破壞性的浪涌試驗等級升至最高級，以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的突發(fā)意外。在電磁兼容的設(shè)備鑒定過程中，儀控機(jī)柜也的確遇到了在浪涌試驗上所遇到的問題。

本文通過對浪涌理論分析與實際的浪涌保護(hù)器的試驗驗證，總結(jié)了防浪涌的注意點，為后續(xù)的第三代甚至第四代核電廠電氣儀控機(jī)柜的安全性提供了一定借鑒。

1 電磁兼容試驗

1.1 電磁兼容試驗意義

鑒定試驗的本意是指對設(shè)備的某些性能進(jìn)行評價而進(jìn)行的試驗。實際上就是針對被測設(shè)備，利用外部其他設(shè)備去模擬實際工況下會遇到的最惡劣干擾，并且確保驗證后的設(shè)備仍然能夠正常執(zhí)行其自身所有功能的過程。這樣一個過程所生成的結(jié)果與證據(jù)，用來確保環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心與核電廠相關(guān)方等設(shè)備能在其預(yù)期的任意時刻正常工作、抵御外部干擾，滿足系統(tǒng)所需性能的要求，從而確保核電廠的安全[3]。電磁兼容的設(shè)備鑒定實際上就是一個證明在電磁兼容干擾的情況下，該設(shè)備滿足電磁兼容要求并且在試驗過程中功能與性能始終滿足驗收判據(jù)要求的過程。嚴(yán)格且正確的電磁兼容鑒定程序，應(yīng)當(dāng)是選定某型設(shè)備樣品后一次性完成所有試驗與驗證并順利通過[4]。在整個試驗過程中，不得更換設(shè)備。

1.2 電磁兼容浪涌試驗

浪涌所產(chǎn)生的干擾電壓波形是持續(xù)時間非常短并且上升沿較為陡峭的瞬態(tài)脈沖電壓。雷擊是人類所熟知的產(chǎn)生該類極端浪涌波形的原因之一。平時的切換開關(guān)操作、靜電放電也都會產(chǎn)生浪涌電壓干擾。這種浪涌電壓會通過電容、電流、電感等耦合途徑，從電源、信號線或者線纜的屏蔽層等進(jìn)入帶電工作的設(shè)備或設(shè)備內(nèi)部[5]。

電磁兼容浪涌試驗?zāi)M以下兩大類情況下的干擾。

(1)在輸配電變電站等強(qiáng)電系統(tǒng)中，整個電力系統(tǒng)通斷瞬間可分成與如下操作相關(guān)的瞬態(tài)。

①大功率的電氣/電力/電子裝置及其系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生干擾，例如居民區(qū)等變電站的維護(hù)時的切換。

②局域網(wǎng)中的整體供電環(huán)境，微小的部分瞬態(tài)切換開關(guān)操作。

③諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生(與開關(guān)、通斷或者切換元器件有關(guān)例如二極管、三極管等)。

④在整個現(xiàn)場系統(tǒng)下，各類設(shè)備發(fā)生的問題或者故障，例如電氣開關(guān)柜的短路或者是飛弧擊穿等嚴(yán)重事故。

(2)在雷電瞬態(tài)，雷電產(chǎn)生的浪涌電壓主要機(jī)理如下。

①直擊雷。高壓擊中非內(nèi)部的電路，瞬態(tài)產(chǎn)生的較大電流通過了非內(nèi)部的電路的較大阻抗而產(chǎn)生的高壓。

②間接雷擊(通常是地球大氣層之間的云層所產(chǎn)生的外部雷擊直接擊打到附近設(shè)備物體)。其所在建筑體或者外殼等場合上所產(chǎn)生的電磁場效應(yīng)。通過電磁場空間的傳播，它在建筑物的內(nèi)、外導(dǎo)體上耦合并且出現(xiàn)了感應(yīng)電壓與電流。

③周圍相近的區(qū)域直接向地面進(jìn)行放電或者雷擊電流，將會通過空間感應(yīng)耦合到設(shè)備所處在的組合接地系統(tǒng)中，并且在公用的接地路徑上產(chǎn)生有害的感應(yīng)電壓騷擾。

在核電廠所處的環(huán)境中，最容易受到干擾的是浪涌干擾。CAP1400電磁兼容浪涌試驗鑒定等級如表1所示。

2 浪涌保護(hù)器

2.1 浪涌保護(hù)器概念

無論浪涌沖擊干擾是通過哪一種方式來產(chǎn)生的，其所產(chǎn)生的最終結(jié)果都非常嚴(yán)重。例如儀器設(shè)備的損毀、通信傳輸系統(tǒng)卡頓或者停止，以及更加惡劣的情況(如控制系統(tǒng)失效癱瘓)等。與系統(tǒng)失效和更換元件的代價相比較，監(jiān)測數(shù)據(jù)的丟失和生產(chǎn)收益率的下降等間接損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接損失。為了防止浪涌沖擊破壞如今幾乎全數(shù)字化操作的核電廠儀控系統(tǒng)，所有的儀控機(jī)柜處于危險的接口，如信號輸入和電源入口必須安裝防浪涌保護(hù)器。

浪涌保護(hù)器(surge protection device，SPD)是電氣、電子設(shè)備和供電電力線路等雷電防護(hù)、過電壓防護(hù)所必不可少的一種保護(hù)裝置[6]。浪涌保護(hù)器的作用是將直接或者間接進(jìn)入電力線、電氣及電子設(shè)備以及傳輸環(huán)節(jié)的瞬態(tài)過電壓鉗位在設(shè)備或系統(tǒng)所本身能夠承受的電壓范圍內(nèi)，或者將過高的脈沖電流泄放至大地，使得被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)免受浪涌沖擊而被損壞。

以常用的單相交流或直流電浪涌浪涌保護(hù)器為例[7]，主要分為1P+N型和2P型。1P+N 是指1片壓敏電阻插頭+1片氣體放電管插頭的浪涌保護(hù)器，而2P是指2片壓敏電阻插頭的浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器中執(zhí)行功能的元器件是壓敏電阻與氣體放電管。在L-PE以及N-PE之間均為壓敏電阻串聯(lián)氣體放電管結(jié)構(gòu)，氣體放電管則是共用。浪涌保護(hù)器電路如圖1所示。

圖1 浪涌保護(hù)器電路圖

2.2 浪涌保護(hù)器在試驗中遇到的問題及解決方法

在對用于CAP1400核電廠的儀控機(jī)柜原理樣機(jī)進(jìn)行電磁兼容鑒定時，遇到如下兩點問題，并尋找到了原因和相對應(yīng)解決方法，最終順利完成鑒定試驗。

2.2.1 空氣開關(guān)試驗中會自動跳閘斷開

儀控機(jī)柜一般在配電進(jìn)線端會裝有一個滿足設(shè)計規(guī)范的空氣開關(guān)，之后再串聯(lián)如浪涌保護(hù)器及后續(xù)相關(guān)控制設(shè)備。由于還處于研發(fā)階段并且對浪涌保護(hù)器沒有明確規(guī)定使用1P+N型還是2P型，所以兩者都可能用在機(jī)柜中。在鑒定試驗中，當(dāng)進(jìn)行浪涌試驗時，浪涌保護(hù)器正常工作。但是在進(jìn)行電快速瞬變脈沖群試驗時，由于1P+N型的結(jié)構(gòu)特性，產(chǎn)生了較大的漏電流，使得空氣開關(guān)自動保護(hù)，跳閘斷開，無法通過試驗。對2P型進(jìn)行鑒定試驗時，整個電磁兼容的所有試驗下都未發(fā)生空氣開關(guān)自動跳閘斷開，滿足鑒定要求。

經(jīng)過分析可知，由于兩種浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)特性不同，雖然都能滿足浪涌試驗，但是2P型浪涌保護(hù)器更滿足整個CAP1400的電磁兼容鑒定要求。所以對于核電廠儀控機(jī)柜，選用2P型更為合適。

2.2.2 浪涌保護(hù)器接地線問題引起閃屏問題

某些儀控機(jī)柜配備顯示屏幕，以展現(xiàn)操作界面等內(nèi)容。在對多款不同功能或者不同類型機(jī)柜進(jìn)行浪涌試驗時，多會在多次浪涌試驗后出現(xiàn)閃屏問題；浪涌試驗終止后，自動恢復(fù)正常。

通過排查和比對，發(fā)現(xiàn)許多機(jī)柜浪涌保護(hù)器兩端的接地線較長，并且沒有就近接在接地排上。當(dāng)浪涌干擾進(jìn)行多次施加后，由于能量累積，沒有及時泄放，引起對顯示屏幕的串?dāng)_。最終解決方法為大幅縮短兩端接電線距離，就近加固在接地排上，并且使用截面積不小于16 mm2的接地銅線，同時嚴(yán)格參照GB /T 21431中5.8對SPD的要求。經(jīng)過反復(fù)驗證，接地環(huán)境改善明顯，屏幕不再產(chǎn)生任何異?，F(xiàn)象。

3 結(jié)束語

綜上所述，核電儀控機(jī)柜作為核電廠中核心部分之一，必須得到重視。本文首先闡明了電磁兼容鑒定的意義，并且分析了其中最為不易通過的浪涌試驗；然后給出了浪涌保護(hù)器的具體概念與分析；最終給出浪涌保護(hù)器在實際機(jī)柜內(nèi)得選取與安裝經(jīng)驗，幫助提升了儀控機(jī)柜的電磁兼容抗干擾能力。