淺談AP1000核電廠儀控設備接地技術

田青旺　 國核自儀系統工程有限公司

淺談AP1000核電廠儀控設備接地技術

田青旺 國核自儀系統工程有限公司

通過參考國內外核電廠儀控設備接地技術的相關標準，分析了AP1000核電廠如何通過實施合理儀控接地方案和電纜屏蔽層兩端接地技術，解決了引入數字化儀控系統（DCS）后核電廠在電磁兼容方面面臨的問題，對今后新建核電項目的儀控設備接地與屏蔽方案提出了建議。

屏蔽接地；電磁兼容；儀控；DCS；AP1000

0 引言

核電廠的儀表和控制設備的接地應設計成使信號電纜中的噪聲最小，并在配電系統的電路與機箱或機架之間因故障而發生電擊時能對工作人員進行保護。儀控設備接地應包括以下幾類接地：設備保護接地、信號接地和電纜屏蔽接地。我國現行核行業標準EJ/ T1065—1998《核電廠儀表和控制設備的接地和屏蔽設計準則》規定了核電廠儀表和控制設備的接地和屏蔽要求，定義了儀表和控制設備的接地應符合“一點接地”和“樹形連接”的基本原則。

近十幾年來，人們經過理論研究和工業實踐發現：屏蔽接地是一點接地還是兩點接地與電磁干擾的頻率有關。IEEE 1100-2005的8.5.4.5條就如何選擇單點接/多點接地時明確指出：當電子系統頻率低于300kHz時，模擬線路推薦采用一點接地；當電子系統為MHz級數字電路時，推薦采用多點接地。

AP1000核電站引入了全套數字化控制系統，其設計控制文件雖然不遵守IEEE 1100-2005，但是其設計導則也明確規定了儀控設備接地方案和電纜屏蔽的兩端接地方式（參考IEEE 1050-1996）。

1 儀控設備接地技術的演化

在核電廠中，電磁干擾/無線電干擾（EMI/RFI）會在信號線中引入非預期的電流，從而顯著的影響設備運行。干擾電流體現為模擬回路中的噪聲，甚至極端情況下會造成數字回路的狀態翻轉。

1.1單點接地

圖1　典型的接地環路

由于在電源系統不同接地點和接地點土壤的電阻率各不相同，使得核電廠內不同接地點上的點位不一樣。通常這些接地點之間電位差的頻率為50Hz或數倍頻。當一個儀表回路接到兩個分離的“接地點”后，在兩個接地點之間就會產生電流，從而把共模噪聲疊加到正在傳輸的信號上，表現為噪聲電位。見圖1。

電廠中，影響最大的共模噪聲是由電源系統的兩個分離的接地點引起的接地環路對信號回路的耦合造成的。

DCS首先引入到早期的火電、化工等行業，當時的工作環境中干擾頻率以低頻為主，只要關注接地電阻值是否合格即可。數十年來，實踐證明，屏蔽電纜在信號源處的單點接地在防止低頻干擾方面是十分可靠的。歐美的核電機組多建于20世紀60至80年代，控制設備以繼電器等模擬設備為主，因而屏蔽接地方面使用傳統的單點接地為主。

1.2多點接地

當前，核電廠的電磁干擾主要有以下四種形式：

（1）通過設備連接電纜的電容性或電感性耦合從外界進入設備，這些干擾產生于兩個設備上不同參考地之間的電位差或者遠距離設備連接電纜上的電位差；

（2）人員接觸控制盤、機殼或機柜時會產生靜電放電干擾；

（3）對講機、手機、廣播臺和電視臺以及雷達站會產生電磁場輻射干擾；

（4）交流供電容易受到雷電和各種開關動作產生的浪涌干擾。

近年來，電廠接地網設計技術越發成熟，一般都采取網格型的接地設計或稱為格柵形共用接地網絡。接地系統的電阻值很小，這樣才能在發生最大單相接地故障時，引起的對地電壓升低于電廠可接受的標準。可通過IEEE 665-1995中描述的方法來降低接地電阻，考慮到中國核電廠址的實際經驗和儀表接地的特殊性，AP1000項目的接地電阻要求低于0.5Ω。不同接地點間的電位差雖不能消除，但是可以達到盡量小，甚至忽略不計。儀表和控制系統都采用了高度共模抑制比的技術，可以有效控制接地環路耦合帶來的共模噪聲。

近10多年，大量新型電子設備及非線性電氣設備的使用，核電廠中儀表和控制技術應用引入了高時鐘頻率/低邏輯電壓電路。電廠通訊（如無線通訊等）使用的高頻率（達到10GHz）傳輸源對核電廠的傳統EMC保護方案提出了更高的挑戰，傳統的EMI/RFI保護方式已經落伍。這就需要一種新的接地方式以增強EMC保護原理的魯棒性。

近代電磁干擾技術的理論研究及某些核電廠數字化儀表和控制技術的工程實踐，例如田灣核電站的儀控系統是目前我國核電站首次引進的全數字化儀控系統，它由運行儀控TelepermXP和安全儀控TelepermXS兩部分組成，其接地就采用多點接地為主的接地原則。紅沿河一期核電廠項目（安全級DCS采用三菱MELTAC平臺，非安全級控制系統平臺采用廣利核產品），電纜屏蔽均采用的兩點接地技術，其良好的運行經驗表明，兩點接地技術有助于應對當今核電廠面臨的EMC挑戰。

2 AP1000電纜屏蔽層的多點接地技術的理論基礎

排除干擾的最佳方法是將一個回路置于一個全EMC屏蔽殼之內，這種保護歸咎于集膚效應。集膚效應（ skin effect）指交變電流在導體中不按導體截面均勻分布,而是集中在導體表面流動的現象。集膚效應適用于所有的導體結構，包括機柜/外殼、管道/導管及辮狀屏蔽層。導體表面的電流流向接地點，以消除回路中潛在的危害。

美國電力研究協會發布了一份報告TR-102323，《核電廠電磁干擾試驗導則》，提供了一種解決電磁兼容性（EMC）問題的方法，美國核管會（NRC）在1996年的安全評估報告中背書了這份報告。隨后，NRC發布的管理導則1.180 R1，《安全相關儀表和控制系統電磁和射頻干擾評價導則》正式建立了官方的EMC導則。兩份文件都指向了IEEE Std 1050-1996，《電廠儀表控制設備接地導則》。

RG 1.180-2003立場6明確表示，鑒于高速微處理器和無線通訊技術的發展，輻射抗擾度試驗應關注1GHz到10GHz高頻干擾。AP1000設計導則也明確要求核電廠EMC電場干擾的試驗上限是10GHz。

IEEE 1050-1996提供了核電廠接地的工業導則，其6.1節-電纜屏蔽要求中，對電纜屏蔽的接地實踐提出了以下陳述：總體上，當電纜長度和信號波長比例（L/λ）大于0.15時，電纜屏蔽應該兩點接地。當L=λ/4且屏蔽層僅單端接地時，電纜屏蔽層容易形成“天線效應”。當電纜相對較短且在低頻環境下，電纜屏蔽層的單端接地才有效。

根據AP1000設備鑒定大綱，1GHz是電場干擾高頻段的低限。

在1GHz條件下，線纜長度低于0.07495米（L=λ/4）才能有效避免前述現象（天線效應）。假定電纜長度均低于0.07495米顯然是很不合常理的。我國目前主流的4G手機運行商，中國移動、中國聯通和中國電信手機頻段均大于1GHz。以海陽I期現場為例，用的是無線呼叫電話系統（采用Spectralink 8030的WiFi手機），機站型號AP-70，頻率是2.4GHz。從網上公開的檢索信息可以得知，目前，我國國內的塔臺、電視臺以及雷達站從幾十兆到幾千兆不等，也都集中在高頻段。

AP1000在早期的設計中，屏蔽接地也是采用單點接地。后來，在西屋在總結對瑞典的靈哈爾斯2#（Ringhals 2）電廠儀控升級改造項目中多點接地成功經驗，及研究設計控制文件中遵守的相關核管會和IEEE標準后，才通過正式變更，決定在儀控設備中采用屏蔽層的兩點接地方案。

AP1000的堆外核測系統，由于監測的是低電平信號，信號線屏蔽層依然采用機柜側單點接地的方案。這也符合EJ/T1065—1998中附錄B的要求：當屏蔽電纜的屏蔽層也作為信號傳輸線時（如同軸/三軸電纜的屏蔽層），該屏蔽層就不應在傳輸的過程中與儀表系統的接地母線相連。

綜上，AP1000采用的兩點接地技術具備理論基礎，適應當今核電廠面臨的高頻挑戰。

3 多點接地的幾個注意事項

3.1單點接地與多點接地相組合問題

IEEE 1050-2004中，提到了電纜屏蔽接地可采用單點接地與多點接地相結合的概念，見圖2。電纜屏蔽一端接地，然后經過電容器連接到另一接地端；在低頻段，電容有較大的阻抗，相當于開路，可以認為是一端接地；高頻時，電容阻抗變小，電容器起短路作用，則成為兩端接地[5]。

AP1000申請執照和系統、設備的鑒定設計是執行IEEE 1050-1996版本，所以，單點接地和多點接地相組合的問題在AP1000儀控設備工程實踐中需要進一步驗證。

3.2接地簇

AP1000的非安全控制系統采用Ovation平臺，其接地采用接地簇的形式，機柜間串行連接在一起，最后由中心機柜接一根接地線到電廠接地網。根據工程實踐，從接地柜到其他機柜的接地線最好采用星形方式，這樣可以避免一個機柜出現接地故障會擴展影響到同簇內的其他機柜。

3.3機柜焊接的接地問題

AP1000儀控機柜采用焊接固定在底座槽鋼上，又通過一個接地線連接到接地網。底座槽鋼與電廠接地網是聯通的，這樣就形成了兩個接地點。優點是：即使接地線故障，也存在一條備用的通過槽鋼的低阻抗的泄放通道，不容易形成浮點接地；缺點是：槽鋼與共用接地網的接點可能與高電壓、大電流入地點（包括防雷引下線）沿接地導體的距離不足，高壓系統瞬態期間的大電流或雷擊浪涌可能會傳遞到電子設備上去。

圖 2　一端和兩端屏蔽接地的組合

3.4機柜上進線

AP1000項目的核島廠房內的大量儀控機柜采用上進線方式。電纜的屏蔽層在柜頂通過EMC格蘭與機柜接地。目前機柜的EMC接地點設計在機柜底部，干擾電流到大地間需要經過很長的機柜殼體，不利于柜內電子設備的電磁干擾防護。更壞情況是，若干擾電流流經機柜前門或后門時，機柜的進/出風口或風扇口會改變干擾電流的速度和方向，柜門開口破壞了電流的集膚效應并可能導致干擾電流從開口耦合進機柜內的回路中。如圖3，干擾電流速度和方向改變示意圖。

圖3　干擾電流速度和方向改變示意圖

3.5雙層屏蔽電纜

AP1000建議對于單獨的屏蔽絞合對組成的帶有整體屏蔽的多芯電纜，整體屏蔽層應在外殼的入口處端接，單束電纜的屏蔽可以原封不動的進入機柜。

IEEE 1050-2004的6.2.8節中建議，為了達到更好的屏蔽效果，采用獨立的屏蔽線對和整體屏蔽接地的雙層屏蔽電纜，芯屏采用一段接地進行電磁干擾保護，總屏雙端接地以保護芯屏免受高頻干擾。

相比較，IEEE 1050-2004建議的雙層屏蔽電纜接地方案更加好。

3.6其他

為確保屏蔽兩點接地的效果，最大限度減少電磁干擾，AP1000要求:電纜的編制屏蔽層應至少具有90%的覆蓋率（以增大表面積減少高頻集膚效應導致的高頻阻抗），并360度環形屏蔽接在儀控系統機柜上。這里之所以強調360度的連接，就是為了保證整個屏蔽體達到完全的封閉，最大限度地減少信號線受到外界干擾的可能。顯然只有在電纜的兩端采取相同的措施才能達到這種效果。AP1000項目的機柜或殼體還普遍使用EMC格蘭，EMC格蘭在周向提供整體的屏蔽接觸，將電纜屏蔽層通過低阻抗接地（不大于0.1Ω）以消除干擾電流。

AP1000的儀控系統的接地線采用120mm2截面的接地銅導線。當電廠的土壤為低到中性土壤電阻率（腐蝕性特性）時，土地下面的各種金屬會進行各種反應鏈，和鋼筋、管道、地樁和地下其他金屬相比，接地銅導線將成為陰極。接地銅導線尺寸≥120mm2并且不裸露的情況下可以持續到整個核電廠壽期。為確保接地系統安全有效地運行，需執行周期性的測試來檢測接地電阻是否正常。檢測方法為IEEE 665中的Wenner Three-Pin。

4 結束語

AP1000作為第三代核電機組，采用了全數字化的儀控系統。根據引入DCS后核電廠對高頻干擾的新挑戰，通過借鑒前期的核電儀控升級改造經驗，在滿足申請執照時提出的相關核管會和IEEE標準的前提下，設計導則上明確提出了兩點接地的理念，并在設備鑒定和EMC試驗時進行了驗證。

目前，AP1000國內首批兩個項目，海陽一期和三門一期后期并網發電后，電纜屏蔽層的兩點接地技術方法即將迎來實踐的進一步檢驗。針對上進線屏蔽與接地點距離遠的問題，建議電纜敷設設計時考慮機柜底部進線的方案。

[1]IEEE Standard 1050-1996, IEEE Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations[S].

[2] EJ/T 1065-1998,核電廠儀表和控制設備的接地和屏蔽設計準則[S].

[3] 孫輝.核電廠接地設計中的關鍵問題[J].電力科學與工程，2014，30（7）：12-17.

[4] NRC RG 1.180-2003,Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems[S].

[5] 陳戰.核電廠儀控設備接地探討[J].電氣應用，2012，22:55-59.

[6] IEEE Standard 1050-2004,IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment.

[7] 趙穎濱.核電站核島接地的概念及基本準則[J].電氣應用，2013，18：69-73.

田青旺，男，1979年生，工程師，工學學士，主要從事AP1000儀控相關工作。