核島廠房防雷接地計(jì)算和電磁屏蔽分析

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 王雪粉

核電廠的防雷接地是一個(gè)非常龐大且復(fù)雜的工作，因?yàn)樯婕暗讲煌摹暗亍保河邢到y(tǒng)接地、屏蔽接地、保護(hù)地、防靜電接地等多個(gè)不同的接地需求。接地系統(tǒng)設(shè)置的目的是保護(hù)設(shè)備及人身安全。當(dāng)建筑物在遭受雷擊時(shí)，因雷電本身帶有的大電流及雷擊時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可能會(huì)使建筑物毀壞，并對(duì)其內(nèi)部的電子設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾使其無(wú)法正常工作，從而發(fā)生故障或者永久性損壞，進(jìn)一步可能導(dǎo)致核電站運(yùn)行故障或者停機(jī)、停堆等嚴(yán)重后果，所以抵御雷擊產(chǎn)生的電磁干擾是防雷接地系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

本文所涉及的核島廠房的防雷接地系統(tǒng)由四部分：接地主網(wǎng)、安全接地網(wǎng)、電子接地網(wǎng)、防雷接地網(wǎng)組成。應(yīng)對(duì)直擊雷的做法是在核島建筑物周圍設(shè)置防雷設(shè)施，在核島廠房屋面采用避雷針或者接閃帶，并在外墻內(nèi)設(shè)置用熱鍍鋅圓鋼組成的間距不大于5m×5m 的法拉第籠網(wǎng)網(wǎng)格作為引下線，應(yīng)對(duì)內(nèi)部的雷電感應(yīng)主要是做好不同接地網(wǎng)的等電位連接[1-2]。本文通過(guò)對(duì)這四部分接地網(wǎng)進(jìn)行等電位連接構(gòu)建的防雷接地系統(tǒng)的介紹，并對(duì)雷擊時(shí)法拉第籠電磁屏蔽的計(jì)算，驗(yàn)證了利用在建筑物混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)中附加的法拉第籠網(wǎng)對(duì)于雷擊的電磁屏蔽效果。

1 防雷接地系統(tǒng)介紹

法拉第籠是一種用于演示等電位、靜電屏蔽和高壓帶電作業(yè)原理的設(shè)備，其籠體與大地連通，根據(jù)導(dǎo)體靜電平衡條件，即使法拉第籠流過(guò)很大的電流但其內(nèi)部物體通過(guò)的電流幾乎為零，即法拉第籠是一個(gè)能導(dǎo)電的、內(nèi)部電位為零的空心球體，在理想情況下電荷均勻分布在球體的表面，在球體里面是沒有電場(chǎng)的，這就阻斷了電磁場(chǎng)，起到了屏蔽作用。另外，由于電荷均勻的分布在法拉第籠球體表面，雷電流會(huì)對(duì)稱流過(guò)法拉第籠內(nèi)的鋼筋，籠內(nèi)的電磁場(chǎng)相互抵消，從而削弱了電磁場(chǎng)的干擾強(qiáng)度[3]。

1.1 主接地網(wǎng)

本文介紹的核電廠接地主網(wǎng)是采用185mm2裸銅纜作為主接地導(dǎo)體構(gòu)成人工接地環(huán)網(wǎng)。包括：敷設(shè)于建筑物筏基層的深埋接地網(wǎng)，以及埋深約1米左右的淺埋接地網(wǎng)。核島及其周邊附屬建筑物按照重要性劃分為一類防雷建筑物[4]。沿著核島廠房周圍設(shè)置接地井，包括防雷接地井、接地檢查井、DCS接地井三種類型，接地井與引下線每隔10米相連接。設(shè)置接地主網(wǎng)的目的，其一是為引下線提供接地連接，并分散沿接閃器和引下線流過(guò)的雷電流；其二是為DCS 系統(tǒng)提供參考電位，因DCS 系統(tǒng)需要可靠干凈的參考電位，DCS 接地井只與DCS 接地箱和深埋接地網(wǎng)相連。

1.2 安全接地網(wǎng)

核島建筑物內(nèi)的接地環(huán)網(wǎng)（敷設(shè)于廠房?jī)?nèi)的接地干線）及電纜橋架上的主接地保護(hù)導(dǎo)體（MPC）連同設(shè)備的保護(hù)接地導(dǎo)體構(gòu)成了安全接地網(wǎng)。在建筑物內(nèi)電壓高于50V 的電氣設(shè)備的外殼、金屬框架、電纜金屬層、變壓器中性點(diǎn)等均與此干線相連。接地干線的做法是，在廠房的筏基層、0m 層、屋面層采用185mm2的裸銅纜或者銅排敷設(shè)接地環(huán)網(wǎng)。在有橋架主接地導(dǎo)體的地方可與其并行敷設(shè)，沒有主橋架接地線的地方可以代替橋架主接地保護(hù)導(dǎo)體，設(shè)備可就近接于此環(huán)網(wǎng)。接地干線環(huán)網(wǎng)在水平方向與橋架主接地導(dǎo)體相連，其余水平層做上下貫穿。最終在每個(gè)建筑物端部形成有2個(gè)垂直的、封閉的、用185mm2的（裸銅纜/銅排）連接的接地網(wǎng)，具體的做法如圖1所示。

圖1 安全接地網(wǎng)示意圖

安全接地網(wǎng)在其環(huán)網(wǎng)兩端至少有兩點(diǎn)與全廠地網(wǎng)相連。安全接地網(wǎng)的引出需要借助廠房?jī)?nèi)的無(wú)載分段等電位銅排與內(nèi)外連通的接地端子，內(nèi)外連通接地端子的一側(cè)與無(wú)法分段等電位銅排連接，另一端引出185mm2的接地裸銅纜最終與接地經(jīng)井中的母排進(jìn)行可靠連接。

1.3 電子接地網(wǎng)、防雷接地網(wǎng)

電子接地網(wǎng)設(shè)置的目的是為儀控系統(tǒng)的電子設(shè)備提供參考電位。核電廠布置有儀控系統(tǒng)電子設(shè)備的建筑物內(nèi)，DCS 電子接地箱應(yīng)通過(guò)絕緣電纜一點(diǎn)接入接地主網(wǎng)。為保證DCS 電子接地總箱的接地可靠性，DCS 電子接地總箱采用兩根并聯(lián)敷設(shè)的絕緣銅纜以盡可能短的路徑連接至接地井，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單點(diǎn)連接。為保證參考電位的純凈，電子接地網(wǎng)只與深埋接地網(wǎng)連接，這種連接在DCS 接地井中進(jìn)行。

防雷接地網(wǎng)由設(shè)置在核島廠房屋面的接閃器（避雷針或者接閃帶）、外墻法拉第籠網(wǎng)鋼筋作為引下線、連接母線和接地網(wǎng)組成。防雷接地系統(tǒng)的接閃導(dǎo)體和引下線接至防雷接地井。參照國(guó)標(biāo)的規(guī)定，核島廠房需滿足一類防雷的要求，每10m 引下一次，因此每隔10m 設(shè)置的接地檢查井和防雷接地井需要與外墻法拉第籠引下線進(jìn)行可靠連接。

1.4 等電位連接

全廠防雷接地網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)大系統(tǒng)，為保證接地網(wǎng)絡(luò)的電氣導(dǎo)通性，主接地網(wǎng)、安全接地網(wǎng)、電子接地網(wǎng)與防雷接地需要進(jìn)行等電位連接。這種連接在廠房附近的接地井中進(jìn)行，每隔10m 設(shè)置的接地井既能為分散和均衡雷擊的大電流、又能為全廠接地網(wǎng)絡(luò)提供連接，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為共用的接地網(wǎng)絡(luò)。

2 核島廠房法拉第籠網(wǎng)

核島廠房法拉第籠網(wǎng)的做法是，在鋼筋混凝土建筑物引入由φ10的鍍鋅圓鋼組成的不大于5m×5m 的格柵，分別布置于建筑物的筏基層、外墻、屋面及電子敏感間，圓鋼于圓鋼之間采用搭接焊。為保證其電氣導(dǎo)通性，法拉第籠網(wǎng)與結(jié)構(gòu)鋼筋每隔1m 進(jìn)行綁扎[5-6]，并最終與主地網(wǎng)相連。布置了法拉第籠網(wǎng)的核島建筑物內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)零電位的球體，籠體又可均流和分流，所以建筑物內(nèi)部是沒有電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布，從而起到電磁屏蔽的作用。

2.1 附加法拉第籠的做法

法拉第籠網(wǎng)設(shè)置在建筑物的筏基層、外墻結(jié)構(gòu)鋼筋外側(cè)、屋面結(jié)構(gòu)鋼筋上部，構(gòu)成的網(wǎng)格寬度不大于5m×5m，使建筑物外部形成一個(gè)大的導(dǎo)電籠體。另外，在有電氣、電子設(shè)備敏感間的地板設(shè)置5m×5m 的網(wǎng)格，在內(nèi)墻立面及地板另需設(shè)置網(wǎng)格大小為2m×2m 的附加法拉第籠網(wǎng)。地板2m×2m的附加法拉第籠網(wǎng)安裝于樓板的二次澆筑中，并從規(guī)格5m×5m 的網(wǎng)格每隔5m 引上與之焊接。另從底板的5m×5m 每隔不超過(guò)2m 的距離引上一次與立面的2m×2m 網(wǎng)格進(jìn)行連接。最后，通過(guò)預(yù)留的接地端子將此法拉第籠網(wǎng)引出與其他接地導(dǎo)體進(jìn)行連接，具體如圖2所示。

圖2 建筑物與內(nèi)部房間法拉第籠網(wǎng)連接示意圖

其中有兩種情況需要單獨(dú)說(shuō)明：對(duì)于上下兩層均是電子敏感房間的情況，中間重疊區(qū)域樓板的法拉第籠網(wǎng)只做2層，分別為5m×5m、2m×2m，考慮到樓板的厚度，不再額外設(shè)置第三層2m×2m 的網(wǎng)格。通過(guò)5m×5m 的法拉第籠網(wǎng)與上下房間墻體中的法拉第籠網(wǎng)連接在一起；對(duì)于左右相鄰房間是電子敏感房間的情況，應(yīng)在兩邊房間墻體內(nèi)側(cè)分別裝設(shè)獨(dú)立的2m×2m 網(wǎng)格，使兩個(gè)房間構(gòu)成單獨(dú)的網(wǎng)格。

2.2 法拉第籠的電磁屏蔽效果分析

在理想情況下，雷擊發(fā)生時(shí)雷擊感應(yīng)電荷可均勻分布于法拉第籠上，其籠體與大地連通，根據(jù)導(dǎo)體靜電平衡條件，建筑物相當(dāng)于被一個(gè)等電位體封閉起來(lái)，建筑物內(nèi)部的電位為零。同時(shí)，法拉第籠又作為防雷引下線，雷電流會(huì)對(duì)稱流過(guò)法拉第籠內(nèi)的鋼筋。建筑物內(nèi)部的磁場(chǎng)相互抵消，這就阻斷了電磁場(chǎng)，屏蔽了雷電流引起的電磁干擾。核島廠房的筏基、外墻、屋面分布的法拉第籠網(wǎng)構(gòu)成了整個(gè)核島一張完整的屏蔽外網(wǎng)，電子敏感間又單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)小單元的屏蔽網(wǎng)并與外網(wǎng)相連，相當(dāng)于有兩層的屏蔽效果。下面對(duì)于屏蔽效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 計(jì)算和分析

當(dāng)雷電閃擊建筑物附近時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式應(yīng)按GB50057中6.3.2如下：H0=i0/2πSa，式中：H0為無(wú)屏蔽時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；i0為最大雷電流（A）；Sa為雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的平均距離。核島廠房按照一類防雷，首次雷擊電流應(yīng)為200kA，其Sa的計(jì)算值根據(jù)下式得出：當(dāng)H＜R時(shí)式中：H為建筑物高度，L為建筑物長(zhǎng)度。對(duì)應(yīng)一類防雷最大滾球半徑R為313m。以國(guó)內(nèi)某核電站核島輔助廠房為例，其高度為H=31m，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=50.4m，且H小于R。得出

IEC 61000-4-9要求，核島廠房的電氣電子設(shè)備對(duì)環(huán)境脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度的試驗(yàn)等級(jí)為300A/m。由公式倒推，進(jìn)一步得出：一類防雷等級(jí)的廠房在發(fā)生雷擊時(shí)且無(wú)屏蔽層的情況下，與雷擊點(diǎn)最大安全距離Sa為106m，大于此距離時(shí)廠房?jī)?nèi)的電氣設(shè)備可以避免電磁干擾。若雷擊距離小于106m，此時(shí)廠房?jī)?nèi)的電氣電子則將收到電磁干擾可能導(dǎo)致?lián)p壞。在最小雷擊距離小于106m的情況下，雷電將直接擊于建筑物上，造成建筑物及其內(nèi)部設(shè)備的損毀和損壞。以Sa=60為例進(jìn)行計(jì)算，可以得出在無(wú)屏蔽防護(hù)的時(shí)候磁場(chǎng)強(qiáng)度為：H0=200×103/2πSa=200×103/（2π×60）=530（A/m）。

在核島廠房外部采用φ10的鍍鋅圓鋼組成的5m×5m 的法拉第籠網(wǎng)時(shí)，其屏蔽效果采用公式計(jì)算：H1=H0/10SF/20，其中，SF為屏蔽系數(shù)（dB）按表1計(jì)算：其中：w為格柵屏蔽網(wǎng)格寬度；r為格柵屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑（m）；w=5m，r=10/2×10-3=0.005（m），SF=20×log（（8.5/5）/=2.28。因此5m×5m 網(wǎng)格的電磁屏蔽結(jié)果為：H1=H0/10SF/20=530/102.28/20=413(A/m)。

表1 格柵形大空間屏蔽的屏蔽系數(shù)

上述結(jié)果對(duì)于電子敏感間的設(shè)備超過(guò)了IEC 規(guī)定的300（A/M），電子敏感的設(shè)備將可能受到干擾發(fā)生故障或者損壞，影響設(shè)備正常運(yùn)行。因此在核島廠房的電氣電子敏感間附加了2m×2m 的法拉第籠網(wǎng)，用于電磁屏蔽，其屏蔽后磁場(chǎng)H2計(jì)算如下：W=2m，r=10/2×10-3=0.005（m），SF=20×log（（8.5/2）因此2m×2m 網(wǎng)格的電磁屏蔽結(jié)果為：H2=H1/10SF/20=413/105.94/20=208（A/m）。由計(jì)算結(jié)果可以看出，利用核島廠房?jī)?nèi)部設(shè)置的法拉第籠網(wǎng)可以極大地削弱雷擊引起的電磁感應(yīng)，對(duì)于電氣電子設(shè)備起到很好的電磁屏蔽效果，從而保護(hù)電子設(shè)備免受雷擊影響。

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某核電站核島廠房的一類防雷做法的計(jì)算，驗(yàn)證了以廠房的結(jié)構(gòu)鋼筋為基礎(chǔ)設(shè)置法拉第籠網(wǎng)對(duì)于電磁干擾的屏蔽效果，尤其是對(duì)電磁擾動(dòng)敏感的房間設(shè)置的附加法拉第籠網(wǎng)的必要性。計(jì)算結(jié)果表明，法拉第籠網(wǎng)能極大程度地削弱電磁感應(yīng)的影響，將電磁感應(yīng)值限制在安全范圍內(nèi)，從而起到保護(hù)電子設(shè)備免受雷擊磁場(chǎng)的干擾的效果，保障核電廠電子設(shè)備的安全運(yùn)行。