核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)

陳劍鋒

摘要：根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，以壓水堆核電站CAP系列裝卸料機(jī)為例，總結(jié)了核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽與接地設(shè)計(jì)要求。恰當(dāng)?shù)钠帘魏徒拥卦O(shè)計(jì)，可確保設(shè)備的電磁兼容性能滿(mǎn)足要求。

關(guān)鍵詞：核電站;電磁兼容性;接地;裝卸料機(jī)

0 引言

核電廠中存在著許多電磁干擾源，如大型電機(jī)、繼電器、變頻器等，這些設(shè)備的運(yùn)行會(huì)發(fā)出空間電磁或者傳導(dǎo)干擾信號(hào)，引起附近儀表或者電源線(xiàn)信號(hào)失真，可能造成測(cè)量誤差或者設(shè)備誤動(dòng)作，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響核電廠的可靠性和安全性。特別是新建的核電站大多采用數(shù)字化儀控設(shè)備，設(shè)備的電磁兼容性（EMC）越來(lái)越受到重視。設(shè)備電磁兼容性除了受其組成器件本身的特性影響以外，還主要取決于其接地、屏蔽的有效性。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

電控系統(tǒng)接地一般可分為保護(hù)接地和工作接地兩種，前者主要是為了保護(hù)附近人員防止其發(fā)生觸電事故，后者主要是為了避免干擾信號(hào)耦合至信號(hào)回路。

目前國(guó)外和國(guó)內(nèi)在建的三代核電站電氣和儀控系統(tǒng)的屏蔽與接地設(shè)計(jì)，主要遵循《Guide for instrumentation and control equipment grounding in generating stations》（IEEE 1050）。該標(biāo)準(zhǔn)是一般發(fā)電廠儀控設(shè)備接地主要的設(shè)計(jì)導(dǎo)則，在理論和實(shí)施方法上都提出了詳細(xì)的說(shuō)明指導(dǎo)，且同樣適用于一般機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)。對(duì)于一些特殊行業(yè)的機(jī)電設(shè)備，其屏蔽和接地設(shè)計(jì)還需要遵循相應(yīng)行業(yè)規(guī)范要求。比如，非標(biāo)類(lèi)機(jī)電設(shè)備應(yīng)遵循《機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分：通用技術(shù)條件》（GB/T 5226.1）中的要求，一般起重機(jī)應(yīng)遵循《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811）中的要求等。此外，由于核電站中機(jī)電設(shè)備類(lèi)型較多，各設(shè)備的設(shè)計(jì)方案和組成器件也各不相同，在參照以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接地設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)充分考慮各器件廠商提出的特殊接地要求及安裝規(guī)范。

2 核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)

核電站內(nèi)的機(jī)電設(shè)備類(lèi)型較多，典型的有裝換料設(shè)備、起重設(shè)備以及各種非標(biāo)機(jī)電設(shè)備等。裝卸料機(jī)是其中一種較為復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，其電控系統(tǒng)涵蓋了機(jī)電設(shè)備常見(jiàn)的電路和器件類(lèi)型。下面以裝卸料機(jī)為例，闡述核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)方法。

2.1? ? 系統(tǒng)接地型式

根據(jù)《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》（GB 14050），電控系統(tǒng)按接地型式不同，可分為T(mén)N系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)等，其中TN系統(tǒng)根據(jù)N與PE的分離狀態(tài)又可以劃分為T(mén)N-S、TN-C和TN-C-S三種，其主要區(qū)別如表1所示。

裝卸料機(jī)作為一種橋式起重機(jī)，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811）規(guī)定：“起重機(jī)本體的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)與供電線(xiàn)路的地線(xiàn)可靠連接。大車(chē)與小車(chē)的車(chē)輪、任何其他的滾輪或端梁連接采用的鉸鏈均不能替代必需的導(dǎo)電連接，而應(yīng)另外用專(zhuān)門(mén)的接地線(xiàn)將各部分結(jié)構(gòu)件上的接地點(diǎn)連接?！薄八须姎庠O(shè)備的金屬外殼、金屬導(dǎo)線(xiàn)管、金屬支架及金屬線(xiàn)糟等均應(yīng)可靠接地。宜采用專(zhuān)門(mén)設(shè)置的接地線(xiàn)，保證電氣設(shè)備的可靠接地?！薄皣?yán)禁用接地線(xiàn)作為載流零線(xiàn)?！币虼耍瑧?yīng)采用TN-S的接地型式，其主要特點(diǎn)有：

（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，PE線(xiàn)上沒(méi)有電流，只是N線(xiàn)上有不平衡電流。PE線(xiàn)對(duì)地沒(méi)有電壓，所以電氣設(shè)備金屬外殼接零保護(hù)是接在專(zhuān)用保護(hù)線(xiàn)PE上，安全可靠。

（2）專(zhuān)用保護(hù)線(xiàn)PE不許斷線(xiàn)，也不許進(jìn)入漏電開(kāi)關(guān)。

（3）N線(xiàn)只用作單相照明負(fù)載回路。

（4）干線(xiàn)上使用漏電保護(hù)器時(shí)，N線(xiàn)不得有重復(fù)接地。

此外，對(duì)于裝卸料機(jī)這種橋式起重機(jī)，其整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)互相連接，橋架和小車(chē)分別形成了一個(gè)天然的等電位整體，當(dāng)出現(xiàn)漏電或相線(xiàn)碰殼等事故時(shí)，若人員正?；蚍钦＝佑|非導(dǎo)電金屬結(jié)構(gòu)或設(shè)備外殼，則不會(huì)出現(xiàn)電壓差，從而避免了觸電事故發(fā)生。

2.2? ? 接地方式的選擇

電控系統(tǒng)接地方式有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地等，表2說(shuō)明了幾種接地方式的主要差別。

由于核電站機(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)絕大多數(shù)屬于低頻系統(tǒng)，工作頻率低于300 kHz，因此大多數(shù)就地操作的機(jī)電設(shè)備可采用單點(diǎn)接地的方式。比如，裝卸料機(jī)上工作頻率最高的設(shè)備是電機(jī)控制器，其信號(hào)頻率不超過(guò)30 kHz，且其電纜長(zhǎng)度均不超過(guò)100 m，適合采用單點(diǎn)接地方式。

單點(diǎn)接地又可以分為串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)混合三種。其中，并聯(lián)單點(diǎn)接地在低頻電路中應(yīng)用最廣，一般是按照模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等分類(lèi)，然后在同類(lèi)電路內(nèi)部采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。對(duì)于同類(lèi)電路或相互干擾較少的電路，可采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，以減少接地線(xiàn)長(zhǎng)度。

對(duì)于部分遠(yuǎn)程操作的機(jī)電設(shè)備，如果接地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，柜子接地點(diǎn)之間會(huì)存在電勢(shì)差。針對(duì)這種情況，可以分別在遠(yuǎn)程操作臺(tái)和設(shè)備上創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的單點(diǎn)接地系統(tǒng)。此時(shí)應(yīng)避免在操作臺(tái)和設(shè)備之間進(jìn)行儀控電纜的低頻互連，而采用高頻的數(shù)據(jù)總線(xiàn)電纜進(jìn)行通信。同時(shí)，它們之間的通信電路應(yīng)對(duì)共模噪聲有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。系統(tǒng)之間的信號(hào)應(yīng)使用分差連接的信號(hào)隔離變換器進(jìn)行耦合。如此連接，形成一個(gè)對(duì)低頻信號(hào)是單點(diǎn)接地，而對(duì)高頻信號(hào)是多點(diǎn)接地的混合接地系統(tǒng)。

2.3? ? 屏蔽線(xiàn)的接地

電纜屏蔽層接地一方面是出于安全要求，另一方面也能為EMI提供雙向衰減，是保證設(shè)備電磁兼容性的重要手段。然而，對(duì)于低頻干擾有效的電纜屏蔽接地的做法對(duì)高頻干擾通常是無(wú)效的，而對(duì)于高頻干擾有效的做法對(duì)低頻可能會(huì)造成問(wèn)題。因此，有必要深入了解屏蔽接地的類(lèi)型和其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以便根據(jù)實(shí)際情況選用最恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞健?/p>

電纜屏蔽層接地的基本型式是單端接地、雙端接地和多點(diǎn)接地，表3說(shuō)明了這三種接地型式的主要差別。

對(duì)于核電站機(jī)電設(shè)備電纜屏蔽層的接地型式，須結(jié)合其傳輸信號(hào)的特性和電纜長(zhǎng)度等因素綜合考慮。裝卸料機(jī)上各種類(lèi)型電纜的接地型式要求如下：