核電站DCS系統防雷設計研究

摘 要：進入21世紀以來，電子技術的發展速度超乎了人們的想象，新型數字化核電站建設成為了主要趨勢越來越受到各行各業的青睞，核電站控制系統的數字化也是一個必然的趨勢。然而，很多大型設備的防雷電能力都非常脆弱，在核電站中，一旦雷雨天氣導致核電站的設備發生故障，就會嚴重影響核電站的日常運行，因此，對核電站DCS系統設計防雷措施具有非常現實的意義。文章首先闡述了雷電入侵核電站DCS系統的主要途徑，隨后分析了雷電對核電站DCS系統的危害，最后提出了幾點具有針對性的核電站DCS系統防雷設計方案。

關鍵詞：核電站；DCS系統；防雷設計；儀控系統

引言

雷雨是生活中常見的一種天氣，雷電的破壞力強，在高空中自然放電時嚴重威脅著動植物生命的安全以及設施財產的安全[1]。數字化控制核電站是指儀控系統采用以微技術處理（即CPU為基準的數字化技術），告別了以往核電站采用的模擬技術（即采用常規儀表和繼電器來采用的控制技術）和開關量集成電路技術，DCS全數字化儀控系統（又稱為全數字集散控制系統），在微處理機的前提下，以微機集中管理和操作、分散控制為特性，以數字化處理技術為特點的智能化電子設備和計算機系統，除了具有常規測量儀表和控制功能外，還具有極強的數據處理和通訊功能，是一種全方面涵蓋了4C技術（即圖形顯示技術、通訊技術、控制技術及計算機技術）的新型控制系統，最近幾年，隨著計算機技術和網絡的通訊人類越來越依賴計算機設備、計算機網絡及電氣設備，而這些設備的電子元器件的集成化、微型化程度過高，在高壓及高電流狀況下卻又無法自保，所以，構建核電站DCS防雷系統作用極強，可以保證DCS實現其高科技功能。

1 雷電入侵核電站DCS系統的主要途徑

1.1 地電位反擊電壓

地電位反擊電壓可高達上萬伏，常見于監視控制點不集中的過程系統中。雷電攻擊時會產生強大的雷電流，這些雷電流通過接地體及引下線流入大地，也就是說，接地體附近會呈現放射型的電位分布，當有其他連接電子設備的接地體靠近時，就形成了高壓地電位反擊。

1.2 浪涌電壓

正常狀況下，DCS系統不會因為直接的雷電攻擊而遭到損毀，但是雷電電磁脈沖在信號和電源或通訊線路中感應的浪涌電壓以及雷電感應高電壓會造成DCS損毀，原因在于電壓波形的上升沿十分不平緩，會直接沖擊DCS系統。一方面，由于信號來源的途徑大范圍延伸，DCS系統對于抵抗雷電波侵入遠不及過去，另一方面，DCS系統內部卡件結果集成化過高，導致設備耐高壓及耐高電流的能力低下，難以承受雷電（包括操作過電壓浪涌、感應雷）的攻擊。

2 雷電對核電站DCS系統的危害

大多數核電站的建筑物樓頂安裝了必要的直擊雷防護裝置，而核電站的DCS系統處于鋼筋混凝土結構建筑物底下一層，所以，雷電對核電站DCS系統的危害主要在電涌侵入、電磁感應以及靜電感應上，雷電對儀表的電子元件以及核電站DCS系統的攻擊主要分為以下三個點：其一，如果雷云從核電站的DCS控制室上方經過，雷云之間放出的大量電荷就會形成雷電波，而雷電波的電磁輻射會直接干擾甚至損壞DCS控制室內的線路及電子元件。其二，如果DCS控制室周圍發生了雷電現象，那么周圍的線路、管道上會形成感應電壓，這些載有過壓的線路、管道一旦通過DCS控制室，就會造成其電子元件的損壞[2]。其三，如果DCS控制室所在建筑物的樓頂直擊雷防護裝置接到雷電，瞬間的高雷電流也會對整棟建筑物的系統、儀表以及電子設備產生影響，包括DCS控制室。

3 核電站DCS系統防雷設計方案

3.1 控制直擊雷的設計方案

在設計核電站工程項目時，設計人員應當著重考慮DCS系統的防直擊雷的設計、建立系統的外部防雷系統，在參考《建筑物防雷設計規范》的同時，安裝好攔截帶和接閃器，確保直擊雷不會對DCS控制室、通訊線路和儀器設備造成影響，并對閃電接閃的位置進行控制，確保建筑物不會被雷電直接擊中。另外，針對DCS系統，要防止閃電直接攻擊與DCS系統有關的電纜或DCS系統所在的建筑物，就要根據實際狀態具體分析，盡量選擇將DCS控制室建立在周圍有高樓的地區，并采取縝密的直擊雷防護措施。

3.2 消除地面回路的設計方案

3.2.1 等電位連接

等電位連接是一種電氣上連續的整體，它不僅連接了室內設備、元件和組件的構件（或金屬外殼），還連接了建筑物的防雷接地系統，這樣一來，可以避免雷擊時在不同的設備金屬構件（或外殼）之間所產生的電位差。核電站DCS系統需要采取等電位連接的部分包括“五柜”和“三臺”，“五柜”即服務器柜、配電柜、UPS柜、繼電器柜和設有屏蔽地接地匯流排的儀表柜，“三臺”即打印臺、操作臺和設有屏蔽地接地匯流排的手操盤臺。

3.2.2 共用接地

利用電氣接地網作為DCS接地網（即與電氣接地網共地）是核電站DCS系統常見的接地方式。這種共用接地主要包括防雷接地與安全接地。防雷接地有兩個要點，其一，DCS系統以及儀表防雷接地應與電氣專業防雷接地系統共用，但不得與獨立避雷裝置共用接地裝置。其二，DCS系統以及儀表及的信號線路在從室外進入室內后，如果有需要設置防雷接地連接的場合，應當實施防雷接地連接。為電氣設備和人身的安全而設置的接地就是安全接地（即保護接地）DCS系統的繼電器柜、配電柜、儀表柜、操作臺以及機柜等用電設備，一旦其金屬外殼及控制設備正常不帶電的金屬部分遭遇雷擊（或絕緣破壞），都可能攜帶高電壓，所以全部需要安全接地。

3.3 通訊電纜以及信號傳輸線路的設計方案

如果通訊線纜和信號傳輸線連接室外（如DCS信號檢測回路），那么遇到雷電天氣時，室外的直擊雷（或感應雷）就可能會在回路中形成強烈的浪涌沖入室內，因此，想要保護這些通訊和信號回路，就需要我們考慮到線纜的接頭方式以及回路信號的工作頻率、負載電流和工作電壓，并采取串聯型的信號浪涌保護器，一方面保護DCS系統的正常工作不受到影響，另一方面，簡化工程的實施。通訊傳輸線路由于通常在戶外高空中，所以應采用寬、高且工作電壓低的防雷器，而信號傳輸線路應配置采用高能、便于安裝的防雷器[3]。與此同時，將屏蔽導線布置在跨裝置之間的信號點，并等電位連接DCS系統的接地。

3.4 確定安全空間的設計方案

確定安全空間包括系統線纜鋪設安全間距、儀表設備放置空間等，通過采取具有針對性的合理布線和屏蔽措施以達到安全空間的要求。為將雷電電磁脈沖在電子信息系統內產生的浪涌降至最低，應當綜合使用線纜合理布設、建筑物以及設備屏蔽等措施。線纜合理布設有兩塊內容，第一，在布置線纜路由走向時，應當減小由線纜自身形成的電磁感應環路，第二，線纜鋪設適合在金屬管道或線槽內，或者鋪設在靠近等電位連接網絡的金屬部件中，但不適合于雷電防護區的屏蔽層靠太近。

4 結束語

核電站在設計防雷接地系統時，應當貫徹大系統的設計理念，連接全站的各接地網，并構建成一個大系統，不僅能保障核電站工作人員的人身安全，還有利于減少接地電阻。

參考文獻

[1]陳懷宇，朱豐林，等.從綜合防雷技術論核電站全廠防雷接地系統設計[J].電氣應用，2013，22（14）：176-182.

[2]張健，于衛平，等.核電站中基于DCS的抗電磁干擾設計探討[J].發電與空調，2013，3（21）：216-223.

[3] 國楷，黎國民，王群峰，等.核電站安全分級對DCS系統設計影響分析[J].核動力工程，2014，5（9）：123-128.

作者簡介：溫承祥（1991-），男，福建省龍巖市人，工作單位：中國能源建設集團廣東火電工程有限公司陽江核島項目部，職務：電氣設計工程師，研究方向：電力建設。