核电站仪控设备如何有效地做好防雷工作.doc

核电站仪控设备如何有效地做好防雷工作核电站仪控设备如何有效地做好防雷工作 2011年10月31日一、某核电站仪控设备防雷接地状况 2004年8月，某核电站#1机组因雷雨天气打雷造成汽轮机超速保护动作而跳机，并引起#1核反应堆停堆事故。这一停堆事故引起了各级主管部门的高度关注，要求查清原因，采取措施，严防类似事故的再次发生。 1.防雷接地及存在问题 (1)安全停堆保护系统 核电站仪控设备除了受到雷电电磁波、雷电脉冲等的侵入危害外，还受到来自核反应堆的核子电磁脉冲/中子脉冲的干扰。因此，完善核电站仪控设备的防雷接地措施要比普通电站繁重。特别是安全停堆保护系统，它是核电站安全运行最重要的保护项目，其可靠性之高应居核电站所有保护设备可靠性水平之最，既不能误动，更不能拒动。但是，由于自给能嵌装铂中子探测器输出的信号只有几个微安，极易受到其它信号的干扰影响，严重时会影响到核反应堆的安全运行。 图1为自给能中子探测器测量、控制原理框图。安全停堆保护系统的中子探测器信号电缆通过反应堆引出，经过约20m的距离到达副控室内的控制盘柜。 传输中子信号的信号电缆采用了单屏蔽电缆，而且电缆的走向比较混乱，既有强信号电缆，又有电源电缆，相互之间交叉混杂。 (2)汽机超速保护系统 汽轮机超速保护动作值为110%，其动态响应时间应小于5Oms。整个超速保护系统共采用3个独立的测速测量通道，并以峰-峰值6V的直流脉冲信号输出至超速保护控制柜，进行三取二逻辑运算。图2为该系统的原理框图及电缆走向。 超速保护系统全部为单层屏蔽信号电缆，电缆的屏蔽层接地采用了单点接地方式，接地点均在控制机柜内完成。三个机柜内有屏蔽地、信号地、端子地、机柜保护地等，信号地及端子地连接到机柜侧面仪表地母排上，屏蔽地和机柜保护地等则连接到机柜底部的保护地母排上，见图3。但这两个接地母排在机柜内就完成了相互之间的连接，并通过该机柜的总接地母线穿过地坪与厂接地网裸线相连接。 由于测速探头至前置放大器之间距离很近，探头在厚1020mm的汽机机壳内，以及两者之间的屏蔽电缆大部分也在汽机机壳内，这部分用蔽效果较好，引入高频雷电脉冲的可能性很小。 前置放大器至超速保护柜距离约在200m左右，这段信号电缆采用的是普通的单屏蔽电缆，并且布线环境复杂，该段是最可能引入高频雷电干扰脉冲的地点。当雷击厂房顶时，厂房内的接地引下线、金属构架、电缆桥架等部分会有雷电流流过。该雷电流会对临近的单层屏蔽电缆产生干扰，在单端接地情况下，会在芯线上感应出干扰电压。 (3)存在的问题 通过对上述两个保护系统防雷及接地情况的了解和排查，对照EJ/T1065-1998行业标准、GB50057-94建筑物防雷设计规范和HG/T20513-2000仪表系统接地设计规定要求，发现存在如下问题: a)传输中子探测器的微安级信号电缆采用的是单层屏蔽信号电缆。单层屏蔽信号电缆易受到核子电磁脉冲/中子脉冲的轰击干扰，因此应考虑采用双屏蔽信号电缆，外层屏蔽采取两点接地，内层屏蔽按单点接地。另外，对安全级(IE级)系统的电缆不应与其它电缆一起敷设，而应敷设在独立的电缆托架或管道内。 b)电缆走向混乱。中子探测器信号电缆采用了单屏蔽电缆，其长度约15m。信号电缆经电缆桥架进入控制室，而该信号电缆在桥架内不仅混乱，而且与其它电缆(包括强信号电缆、仪控设备工作电源电缆)混在一起。由于中子探测器所传输的信号十分微弱。因此极易受到其它强电电缆的干扰，严重时会影响到安全停堆保护系统的正常运行。 c)传输中子信号的电缆在穿过地坪时没有采取与其它电缆隔开的措施，穿过地坪后也与其它电缆混在一起。信号电缆在接线盒内排列不清，不仅进来的电缆多、有长有短，而且相互之间还存在扭绞、打圈现象，这些现象对微安级电流信号的传输是十分不利的。 d)汽机超速保护控制系统的三个柜内的仪表接地母排与机柜保护接地母排，实际上没有起到真正分离的作用，在柜内就用较粗的地线连接在一起。这种连接方式不符合行业标准核电厂仪控设各的接地和屏蔽设计准则(EJ/T1065-1998)规定要求，因此容易受到强电磁场及雷电脉冲通过保护地而就近侵入控制卡件。 e)汽机超速保护输出的是峰-峰值为6V的直流脉冲信号。行业标准EJ/T1065-1998第303条明确规定:数字脉冲型的信号电缆应敷设在没有其它类型电缆的独立的电缆桥架、线槽或管道内。但汽机超速保护系统的3个信号电缆与其它电缆走在桥架内，当高频雷电脉冲来临时，会同时干扰三个测速信号，并使三取二判断逻辑满足引起超速保护误动作。 f)控制系统部分信号电缆的穿管与桥架之间出现断层现象。这一方面容易引起电缆在钢管或槽架快口处碰伤、绝缘层磨坏等现象的发生，另一方面强干扰信号(如来自核反应堆的核子电磁脉冲/中子脉冲)易串入，而影响保护系统的正常可靠工作。另外，信号电缆在桥架内转弯过程中没有采取屏蔽措施，有些电缆采取了一根屏蔽钢管串一根电缆的屏蔽措施，但在电缆转弯处却又将几根电缆捆扎在一起，使得原本良好的设计意图失去了应有的作用。 2.整改措施 针对上述问题，对照相关标准要求，应采取如下整改措施: (1)要严格按照EJ/T1065-1998核电厂仪控设备的接地和屏蔽设计准则第4.3条对于极低信号需采用双屏蔽电缆规定要求，对传输中子探测器信号的电缆应用双层屏蔽电缆，外层屏蔽应两端作等电位连接，内层屏蔽采用单端接地方式接地。在这种情况下，外屏蔽层与其它同样做了等电位连接的导体构成环路，感应出一电流，因此产生减低源磁场强度的磁通，从而基本上抵消掉无外屏蔽层时所感应的电压，能有效抵御外来干扰的影响。 (2)根据EJ/T1065-1998核电厂仪控设备的接地和屏蔽设计准则第3.3.1条安全级(IE级)系统的电缆应敷设在独立的电缆托架或管道内规定，对微电流信号电缆应与其它模拟信号电缆分开敷设，更不允许在电缆桥架内相互绞绕在一起，对穿过地坪的信号电缆也应做好屏蔽隔离措施。 (3)根据防雷和抗干扰要求，应将机柜地、屏蔽地、信号地分开连接，以减少相互之间的干扰影响，提高保护系统的可靠性。另外，根据规定，信号电缆在接线端子侧应预留一定长度，但预留长度应在0.30.6m之间，过长的电缆应予以拆除，布放的电缆不得有打圈、捆扎现象。 (4)严格执行核行业标准EJ/T1065-1998第3.3条规定要求，应将3个测速脉冲信号电缆采取各自独立穿管敷设措施，尽可能排除其它不明原因引起的干扰影响。如有可能，则将测速脉冲信号电缆改为光纤电缆，这样可以最大限度地避免传输过程中的电磁脉冲等引起的干扰影响。 (5)对信号电缆穿管与电缆托架之间屏蔽存在的断层现象，应按照核电厂仪控设备的接地和屏蔽设计准则第3.3.2条电缆托架和管道中的规定要求加以完善。特别对穿有信号电缆的管子，在转弯的地方更应做好屏蔽连接措施(如采取金属软管连接)，以提高和增强保护系统的抗干扰能力，确保系统安全、稳定运行。 二、雷电入侵仪控设备的途径 仪控设备可能遭受雷电浪涌威胁的地点有:现场仪表附近雷电浪涌、信号电缆附近雷电浪涌、控制室附近雷电浪涌、仪表设备电源线引入的雷电浪涌。 1、入侵途径及危害 雷电事故的形成，概括起来不外乎雷电的热、电与机械力效应。防雷，就要从避免这三种效应发生入手，以免对设备和人身造成伤害。除直接雷击外，雷的电磁效应所产生的浪涌电流(有的称为二次雷、感应雷)，会通过电阻、电感、电容藕合产生。 雷害通常主要通过以下几种途径给仪控设备带来危害: (1)直击雷造成的地电位浮动而导致的雷电反击; (2)引下线中的雷电流通过近场电磁感应将雷电波(高电位)沿着附近的信号电缆、电源电缆和通信电缆进入仪控设备; (3)当仪控设备周围发生雷击放电时，空间辐射的电磁场会在各种电缆和金属设备上产生感应电压(包括电磁感应和静电感应)，从而使仪控设备失效或损坏。 2、防雷措施 雷电对仪控设备破坏的原因在于其巨大的、远远超出设备承受能力的浪涌电流、电压。阻止和减少浪涌电流侵入仪控设备是预防雷害的关键，因此应从以下几方面着手。 (1)防雷设计 在工程设计阶段就应予以考虑仪控设备的防雷措施，这些措施有: a)对仪控设备以及和它相连的变送器、执行机构等必须采取等电位接地。仪控设备和公用接地系统实行单点接地，即一个接地基准点，各接地汇流排应采用分类汇总，汇总点应尽量靠近该基准点。 b)对外部的电缆要采用金属材质走线槽，并采用双层屏蔽和接地措施。I/0电缆、电源电缆及通信电缆等在室外的敷设段，应在进控制室前大于15m距离内采用埋地方式。同时，要利用建筑物的结构钢筋、金属门窗等(必要时应加设钢板进行壳体屏蔽或用金属丝网进行网格屏蔽)将控制室、机柜室构成一个屏蔽的法拉弟笼。 c)仪控设备的电源系统要采用TN-S系统接地方式，以保证仪控设备的金属外壳(如机柜)在正常运行时不带电。 d)在选用仪控设备时，要考虑它的电磁兼容性(EMC)、浪涌抗扰度和脉冲磁场抗扰度等指标。 (2)防雷接地 从引雷入地的观点出发，较小的接地电阻值有利于提高雷电能量对地的释放速度。防雷一定要接地，接地不好，什么也没有用。接地的目的一是为了安全，避免伤亡及设备损坏事故的发生;二是为了确保仪控系统的精确和稳定运行。 不同的接地方式对接地电阻的要求也不同。电力部门对仪控设备接地电阻的要求是:采用独立接地时接地电阻小于4;采用与电气网共地时接地电阻应小于1;采用防雷地、电气地、仪控设备地三者共地时应小于0.5。 仪控设各的接地方式有3种: 单独接地，即仪表与电气设备分开接地。由于存在地电位差，因此抗干扰能力差，在紧凑布置的工业装置或控制室里，两者接地网络之间要求相距5m也难做到。 联合接地，即仪表与电气设备共同接一个地，并规定其接地电阻不应大于1。这联合接地点与自来水管、建筑物钢筋的接地点之间也存在地电位差，抗干扰能力不理想，尤其对雷电与电涌的影响更显得无能为力。 等电位接地，这是当今安全、经济的抗干扰、保安全的行之有效的方法。不但建筑物、而且装置都要等电位，对仪控系统来说，这是最有效的方法。但要想真正做到绝对等电位是不可能的，只能尽可能的做到等电位。 从仪控设备的接地端子到总接地板之间导体及连接器电阻之和，即接地连接通路的电阻总和，称为连接(Bonding)电阻。按ISA、IEC及国内有关标准规定，此连接电阻推荐为不大于10。而接地极的电位与通过接地极流入大地的电流之比，称为接地极对地电阻，此电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端的连接点电阻之和称为接地电阻。仪控设备的接地电阻即为上述电气专业低压配电系统接地装置的接地电阻，一般应不大于4。因为等电位接地是多点接地，即建筑物钢筋、地下金属管道、电缆金属外皮都与大地接触，也是接地极系统的一部分，因此4的数值是不难做到的。实际上，在等电位接地系统里，人们关注的是上述连接(Bonding)电阻，此电阻小意味着等电位程度高，抵抗电磁、雷电的危害和干扰能力强。 要将仪控设备的接地系统和防雷电系统的接地系统进行等电位连接。即使受到雷电反击，因为它们之间不存在电位差，所以不可能通过雷电反击构成对电子器件的威胁。因此，等电位连接是仪控设备免遭雷击的重要措施。仪控设备的防雷接地宜采用图4的接地方式。图中，保护接地包括仪表及系统机柜的外壳、仪表盘外壳、防静电接地等;工作接地包括电缆屏蔽层、盘装的仪表、直流电源负端、系统柜屏蔽信号等。 (3)屏蔽措施 HG/T20513-2000仪表系统接地设计规定对屏蔽电缆的接地在原则上要求一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应，不能防磁场强度变化所感应的电压、阻碍雷电波的侵入。为减少屏蔽芯线的感应电压，仅在屏蔽层一端做等电位连接的情况下，应采用有绝缘隔开的双层屏蔽，外层屏蔽(如用金属走线槽或穿线金属管作为第二屏蔽层)应至少在两端做等电位连接。从防雷角度看，走线槽及穿线金属管应选择金属材质而不应选用环氧树脂等绝缘材料。 a)现场仪表至控制室连接电缆宜采用双绞屏蔽电缆，置于金属保护管或封闭电缆槽中，尽量避免电缆裸露于保护管之外。保护管及电缆槽应与就近保护接地网有效连接，这样可以最大限度地减少雷击和其它大电场对电缆部分产生的影响。 b)现场仪表的金属外壳应就近与所在建筑物的金属构架相连接，形成等电位体。 (4)设置SPD 电涌(又称浪涌)是指电路中突然出现的瞬间电压或过电流现象。它产生于雷击电磁脉冲、雷电产生的静电感应、静电放电、电源开关的通或断、电磁场干扰等。其中，工频交流或直流产生的常态过电压/过电流，持续时间是秒、毫秒级的;高压系统接地故障出现的暂态过电压(TOV)，持续时间是毫秒级的;波形呈三角形的瞬态电涌，持续时间是微秒、纳秒(ns)级的。后者的瞬态电涌包括4类;开关电磁脉冲(SEMP)，有的经测试可达到4kV;静电放电(ESD)，有的经测试可高达几万伏;雷电电磁脉冲(LEMP)，能量比前两类大得多，危害大。 根据SPD的特点，在选择时特别要注意SPD的工作电压、负载电流与系统回路相匹配，其最大连续操作电压应略大于回路最大正常工作电压，负载电流应大于回路最大正常工作电流，确保SPD在回路中正常工作。对于本安回路，需注意SPD是否有相应本安认证，其路线电阻值应足够小，能保证现场仪表电压正常工作。SPD的安装位置应尽可能靠近被保护设备。在控制室内，SPD柜放在外侧，被保护的机柜放于中心侧。 在仪控设备防雷方面，不强调过多地使用SPD，而注重于屏蔽、接地和等电位连接以及合理布线等防范措施。 三、需要探索的课题 对于仪控设备的防雷与接地技术，函待深入探索的课题有: (1)建立全面的研究体系。随着仪表与控制系统功能越来越强大，而其主要元器件(芯片、大规模集成电路)耐过电压水平呈直线下降的趋势，因此建议要在EMC的基础上统一考虑EMC、保护系统、防雷系统三个方面的工作，这要求电气专业与仪控专业的互相合作，共同探索。 (2)探索SPD的设置方案。仪控系统I/O电缆、CPU甚多，如何经济、有效地设置SPD，这是用户最关心的问题，值得有关方面关注和重视。 (3)建立明确的专业标准。目前在自动化控制系统领域还缺少非常明确、规范的雷电防范设计标准