核電廠儀控設備的接地與屏蔽

李 暉， 王 旭

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

0 引言

目前國內在建的第三代非能動核電廠中，儀控系統采用全數字化技術設計，通過多樣化的安全級、非安全級儀控系統以避免發生共因失效，為核電廠安全有效的運行提供了基本的顯示信息和控制功能。儀控設備接地與屏蔽的有效性將影響核電廠的正常運行和功能實現。

以下總結分析了國內在建第三代非能動核電項目儀控接地系統、現場儀控設備接地與屏蔽的實施情況以及國內外核電廠接地系統的傳統設計、工程經驗，從儀控設備保護和電磁兼容（EMC）等方面，對適用于今后新建核電項目的儀控設備接地方案提出了建議。

1 背景和設計規范

1.1 接地與屏蔽的意義

在核電廠中，存在著許多電磁干擾源，如大型感性負載的開關切換、故障時的高電流、靜態開關及發電機或輸電電壓等級開關切換時的高能高頻瞬態。這些噪聲可能在信號源或者電纜中引起信號失真，可能造成測量誤差和設備控制誤動作，嚴重時會損壞設備。

不同于以往核電廠的模擬儀表設備，新建核電項目大多采用全數字化集散式儀控系統。數字信號對于電磁干擾敏感度更高，若不能有效地抑制噪聲，避免電磁干擾引起的問題，將由于輸入信號失真或控制信號異常而導致計算機軟件共因失效概率提高、儀控系統可靠性降低。因此，儀控設備必須采用有效的屏蔽和接地技術控制噪聲，以保證儀表和設備正常工作。

儀控設備接地一般基于兩個接地系統的概念進行設計：保護接地和工作接地。國外表述為設備地（equipment ground） 和信號參考地 （signal reference ground）。接地和屏蔽的功能要求是無論在正常或異常工況下，儀表箱、機架、電纜護套，或電纜屏蔽層和信號成對的接地都需要確保在設備附近的工作人員受到足夠的保護，不致觸電危及人身；同時應保證干擾信號不耦合至信號回路。

1.2 設計標準和規范

國內以往核電廠儀控接地與屏蔽的設計，主要遵循EJ/T 1065-1998《核電廠儀表和控制設備的接地和屏蔽設計準則》，對應國外標準為RDT C1-1T-1973；RDT C1-1T雖已被IEEE 1050-1989取代，但因為其針對核電廠的特定環境，對儀控設備接地有不少具體實施要求和說明，因此仍具有較大的參考意義。國外以及目前國內在建的三代核電廠，主要遵循IEEE 1050-1996。該標準是核電廠儀控接地主要的設計導則，無論從理論上還是實施中都提出了詳細的說明與設計指導。

除此之外，由于儀表、盤臺、機柜等儀控設備因生產廠商的不同，結構、類型和安裝要求也有所不同，不同的設計方案也可能提出特殊的接地要求。更主要的是由于某些供貨商生產的特殊產品屬于特定行業，這些特殊行業對電磁屏蔽和接地有特殊的行業規范，因此，在參照以上標準進行儀控接地設計的同時，設計者也應充分考慮設備及其安裝規范。

2 設計方案與經驗

2.1 儀控接地傳統方案及工程經驗

回顧以往的核電項目和國內相關行業規定，儀控設備接地與屏蔽的總體方案和實施細節主要是根據EJ/T 1065-1998及IEEE 1050-1996進行設計的。儀表和控制設備的保護接地可通過與核電廠接地系統的連接來實現；信號接地可分為模擬信號接地和數字信號接地兩種，都應遵循一點接地和樹型連接的原則，如圖1所示。其他具體實施細節可參考上述兩份標準。

單點接地的應用在傳統核電廠的設計中得到了較好的驗證，以某核電廠為例，其采用的儀控機柜，屬于低頻儀控設備（工作頻率低于300kHz），對于高頻干擾不敏感，然而接地若形成環路則干擾影響很大，因此其采用單點集中接地。單點接地可以有效地防止共模噪聲的引入。

2.2 國外核電項目的工程經驗

先進的數字技術在核電廠的逐漸推廣，將越來越多的高時鐘頻率/低邏輯電平引入儀控系統。當然，先進技術的引入也伴隨著高頻傳輸源（甚至超過10GHz）應用于核電廠通信，如無線通信和網絡。核電廠在EMC方面的傳統方法也受到了挑戰。

對此，西屋電氣公司（以下簡稱WEC）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/設備連接的方案。此方案的可行性和有效性通過TWICE項目得到了有力驗證。TWICE項目是WEC在瑞典Ringhals 2號機組進行的數字化I&C系統改造項目。該項目中的儀控電纜采用了上述連接頭對電纜屏蔽層進行了360°環向端接。根據該核電廠及其他采用同種接地方案核電廠的運行經驗，該接地配置運行良好并且在服役較長一段時間的核電廠中仍能繼續保持良好的性能。

另外，該接地方案也獲得了IEEE EMC南非分會副主席Howard Reader以及擁有25年EMC經驗、作為2008-2009年度IEEE EMC協會主席的Elya Joffe的充分肯定。

3 第三代非能動核電廠的實施情況

3.1 接地與屏蔽的總體要求

目前國內在建的第三代非能動核電廠設計中有專門的接地和防雷系統部分，儀控接地系統是其子系統之一。該子系統根據IEEE 142，IEEE 665，IEEE 1050和RDT C1-1T的要求，對儀控設備進行接地和屏蔽，以最小化儀表/計算機信號的噪聲干擾。

儀控接地系統采用一點接地（參考IEEE 1050-1996），全廠儀表/計算機通過儀表接地母線或絕緣電纜形成放射狀接地系統。放射狀接地系統通過一點連接到接地網，并與其他接地回路相絕緣，如圖2所示。信號接地點獨立于保護接地點，只有在信號接地系統中需要避免出現回路的情況下才考慮采用共用接地點。設備（保護）接地母排直接連接到接地系統上。

圖2 儀控接地的典型布置

上述要求與以往核電項目的儀表和控制設備的接地方案大致相同。目前國內在建的三代非能動核電項目在上述框架下實施儀控接地和屏蔽的設計。

3.2 電纜屏蔽層接地的設計改進

針對儀控信號的屏蔽，充分考慮數字化儀控核電廠的EMC要求后，WEC對傳輸儀控信號的電纜屏蔽層接地方案進行設計改進。對敷設于非連續閉合EMC通路中的儀控電纜，其屏蔽層應使用EMC電纜連接頭與設備外殼連接形成完整的EMC通路。這與傳統核電廠要求儀控電纜屏蔽層僅在信號回路接地點處接地的要求不同。

以下部分對上述儀控電纜屏蔽層改進方案的原因及是否合理進行分析。

3.2.1 儀控電纜屏蔽層雙端接地的原因

在帶有高頻信號的數字化控制系統中，電纜是主要的干擾源，它既是高頻干擾的主要發生器，也是主要的接收器。電纜作為發生器，它向空間輻射電磁噪聲；作為接收器，它能敏感地接收來自鄰近干擾源所發射的電磁噪聲。隨著高頻傳輸源在核電廠的應用越來越廣泛（如無線通信技術的推廣），有必要對傳統電纜屏蔽的接地方案進行重新評估。

根據IEEE 1050-1996中第6.1節的描述，當導體長度與信號波長之比（L/λ）大于0.15時[1]，電纜屏蔽層應采用雙端接地，這是因為當L=λ/4時，采用單端接地將使屏蔽層形成很強的天線效應向外輻射干擾信號。單端接地僅對于低頻信號且電纜長度相對較短的情況能有效的抑制電磁干擾向外輻射。

由于

式中 C—光速，299792458 m/s；

f—頻率，MHz。

在計算過程中取Motorola MTS 2000（可認為是一種核電廠中常見的手提無線信號源，在無線干擾源中頻率較低）的頻帶下限136MHz作為f的最小值，則：

可以接受這樣的假設：核電廠中不存在短于0.55 m的電纜。

因此，在建的第三代核電項目對儀控接地與屏蔽進行了設計改進（同軸和三軸電纜仍根據慣例進行安裝）：

（1）若電纜通路的EMC不具有連續性，則應將其電纜屏蔽層雙端360°環向導電接觸式連接（使用EMC電纜連接頭）于與其接口的封閉結構/橋架。

（2）若電纜處于連續閉合的橋架（導管）內時，則不需要將其電纜屏蔽層雙端環接。

（3）對于現場供電的設備，若電流回路在設備（就地）處接地，則屏蔽層在設備側的連接應斷開。

3.2.2 傳統設計中屏蔽層雙端接地的弊端

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，在實際設計中存在以下3個問題：

（1）由于接地網電勢的不等，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VCM，嚴重時導致報警或設備誤動作。

（2）雙端接地對由于閃電、系統故障引起的高頻接地電勢差非常敏感，可能導致屏蔽層燒毀。

（3）由于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。