基于雷電效應談核電廠實物保護系統的防雷

張志林 高 偉王 慧

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.西安核儀器廠，陜西 西安 710061；3.國網河北邯鄲縣供電公司，河北 邯鄲 056000）

0 前言

目前，我國核電站大都分布在東部沿海一帶，受氣候環境的影響，東部沿海降雨量較大，雷電對于電力、電子系統的影響很大，特別是弱電控制系統。核電廠實物保護系統作為核電廠防入侵破壞的安全防范系統，受其設備布置及功能特點的限制，系統設備主要分布在核電廠廠房以外，故核電廠廠房防雷系統無法實現對實物保護系統的防雷控制。隨著核電廠實物保護系統的運行經驗積累，實物保護系統防雷的可靠性已經作為新的課題擺在了設計、建造和運行管理人員面前。

1 雷電的危害

1.1 雷電對電力、電子系統的危害

雷電對電力、電子系統的危害包括：直擊雷、雷電波侵入、感應過電壓、地電位反擊。

1.2 浪涌的產生

1.2.1 浪涌的定義

浪涌也叫突波，是電路中出現的一種短暫的電流、電壓波動，發生在僅僅百萬分之一秒時間的一種劇烈脈沖。它包括浪涌電壓和浪涌電流。

1.2.2 浪涌的產生（表1）

浪涌的產生來源分為外部（雷電原因）和內部（電氣設備啟停和故障等）。所以說，雷電是浪涌產生的外部原因。

表1 浪涌產生的原因

2 實物保護系統防雷

2.1 實物保護系統及雷電危害

2.1.1 實物保護系統的組成

核電廠實物保護系統是核材料管制安全的重要組成部分，也是核電廠防范惡意人員入侵及破壞的重要技術措施。核電廠實物保護系統主要由視頻監控系統、周界入侵報警系統、出入口控制系統、內部通訊系統、安保照明系統、供電系統、集成控制與管理系統七部分組成。

2.1.2 雷電對實物保護系統的危害

雷電由實體保護線路入侵（圖1），可分為三種情況：

1）室外傳輸線路受到雷擊。當地面突出物遭直擊雷打擊時，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路。

2）雷電帶來的電磁脈沖輻射。雷云對地面放電時，在線路上感應出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設備，通過設備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。

3）地電位反擊。若通過一條多芯電纜連接不同來源的導線或者多條電纜平行鋪設時，當某一導線被雷電擊中時，會在相鄰的導線感應出過電壓，擊壞低壓電子設備。

圖1 雷電對實物保護系統的入侵

2.2 實物保護系統防雷要求

根據實物保護系統的特點，易被雷擊損壞的設備進行防雷，依據《建筑物防雷設計規范》GS 50057-2010（2010年版）對實物保護系統提出了具體的防雷設計要求。

2.2.1 周界入侵報警系統防雷要求

周界入侵報警系統防雷要求：

1）周界入侵報警系統設備應設置等電位接地。

2）周界入侵報警系統電纜由室外進入室內時 ，應在敷設線纜兩端設置浪涌保護器。

3）微波探測器、多普勒探測器、紅外對射探測器、張力鐵絲Y16控制板輸入和輸出線路均設置防雷保護器。

2.2.2 視頻監控系統防雷要求

視頻監控系統防雷要求：

1）視頻信號防雷器，主要對視頻同軸線路過壓、限流保護，給室外攝像機作防雷保護。

2）控制信號防雷器，主要對RS422/485信號防雷保護。3）電源防雷器，主要對視頻監控系統供電部分進行防雷。

2.2.3 內部通信系統防雷要求

保安內部通信系統具有語音通訊、過濾、防雷及對外通信接口等功能，應對對講用戶終端進行防雷設計。

2.2.4 出入口控制系統防雷要求

1）系統應設置等電位接地。

2）出入口管理系統電纜由室外進入室內時，應在線纜兩端設置浪涌保護器。

3）旋轉門讀卡器控制板和門禁控制板應具有防雷保護。4）出入口控制系統計算機通信網絡交換機具有防雷保護。

2.2.5 實物保護系統供電系統防雷要求

實物保護系統的供電系統需要有三級電源防雷保護。即一級電源電涌保護器、二級電源電涌保護器、三級電源電涌保護器保護。

2.2.6 實物保護系統防雷接地要求

實物保護系統的設備必須采取等電位連接與接地保護措施。實物保護系統設備防雷接地與交流電工作接地、直流電工作接地、安全保護接地采用聯合接地，接電電阻應小于1歐姆。

2.3 實物保護系統防雷措施（圖2）

實物保護系統防雷可采用兩種措施，即外部防雷和內部防雷。外部防雷可將絕大部分雷電流直接引入地下泄散；內部防雷可阻塞沿電源或信號線所引入的雷電波。這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。

圖2 實物保護系統防雷的組成

2.3.1 實物保護系統外部防雷

實物保護系統外部防雷主要是指建筑物的防雷，如實物保護系統機房防雷，保護實物保護系統弱電設備、計算機網絡通訊的安全，一般是防護直擊雷，其技術措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網等金屬接閃器）、引下線、接地體等。

外部接地電阻應符合相關標準，防雷接地一般為1Ω。對某些設備制造廠商有特殊接地要求的，應將其接地與其它接地類型分開以避免電磁干擾和地電位升高。但當有雷電對地釋放時，高電壓將通過接地線反擊設備，因此對于這種情況宜在防雷接地和其他接地之間加裝地電位均衡器，避免反擊現象。

2.3.2 實物保護系統內部防雷實物保護系統內部防雷分為電源防雷和信號防雷兩種。1）電源防雷

電源系統受到雷擊入侵的可能性最大，依據《建筑物防雷設計規范》GS 50057-2010（2010年版）的防雷要求，對電源系統實施三級保護。

第一級：在保衛控制中心（實物保護系統的中央處理和管理中心）總配電柜安裝三相電源防雷器，可將數萬伏的過電壓初步限制到2500V 以內，通過容量（8/20μs）40KA-80KA。

第二級：在輸出配電柜（箱）的設備前安裝三相電源防雷器，可將通過第一級釋放后的過電壓進一步限制到1800伏內，通流容量（8/20μs）：20KA-40KA。

第三級：對實保衛控制中心各系統工作站及控制系統需要保護的重要設備如：交換機、門禁控制器、周界探測控制單元、UPS、攝像機等等，可將通過第二級后的過電壓限制到800伏內（IEC標準要求限制在 900 伏以內）通流容量（8/20μs）：10KA。

2）信號防雷

（1）報警系統：如果是有源報警信號，在報警傳輸線上配置信號防雷器；如果是無源（通常稱：干接點）報警信號，在報警傳輸線上不需要進行信號防雷器。

（2）集成控制與管理系統、出入口控制系統、視頻監控系統的工作站、服務器等重要設備配置網絡防雷器進行保護。

（3）視頻監控系統的室外視頻傳輸設備配置同軸信號防雷器進行保護（不包括光纖傳輸的攝像機）。

2.3.3 實物保護系統防雷接地

實物保護系統接地是雷電保護、過電壓保護、靜電保護等的基礎，良好的接地系統可以使設備的工作和數據的傳輸更為安全可靠，防雷接地為1Ω。

地電位處理有以下三種：

1）防雷接接地與其它機房接地應嚴格分開。

2）由于環境、場地等限制，在實際中難以保證做到國家有關標準要求的距離（一般約在20-30m以上），造成兩個建筑物之間的地電壓差較大，因此應做地電位均衡器處理。

3）在建筑物與建筑物之間的接地網加裝地電位均衡器處理，以保證雷擊瞬間各地電網間達到等電位平衡。

3 結論

隨著通信設備、網絡設備、計算機應用系統、電子集成電路在實體保護系統大量使用，雷電在核電廠實物保護系統中造成的風險越來越嚴重。以往的防護體系已不能滿足通信、網絡、計算機、電子集成電路等安全的要求。從單純一維防護（避雷針引雷入地-無源防護）轉為三維防護（有源和無源防護），即從防直擊雷、防感應雷電波浸入、防雷電電磁感應、防地電位反擊等多方面作系統綜合考慮。

［1］建筑物防雷設計規范 GS 50057-2010[S].2010.

［2］李翔超.電涌保護器(SPD)原理與應用[M].氣象出版社.