核電廠儀控機柜的防浪涌保護器應用技術研究

楊 鍇

(1.上海儀器儀表自控系統檢驗測試所，上海 200233；2.國家能源核電站儀表研發(實驗)中心，上海 200233;3.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，以第三代核電技術為主的核電廠正在全國范圍內大規模選址和建造中。以AP1000為例，核電廠中的集散式儀控系統為全部數字化形式[1]。在安全系統中運用了非能動設計，使得電氣儀控機柜需要在各個廠房中密集型排列放置。日本福島事件后，我國重新審視了核電廠的安全問題，并命令所有后續建造的核電廠都暫緩開工。為避免重蹈福島事件，經過相關決定，對一切電氣及儀控類產品進行嚴格和全面的試驗[2]。其中，將最具有破壞性的浪涌試驗等級升至最高級，以應對未來可能出現的突發意外。在電磁兼容的設備鑒定過程中，儀控機柜也的確遇到了在浪涌試驗上所遇到的問題。

本文通過對浪涌理論分析與實際的浪涌保護器的試驗驗證，總結了防浪涌的注意點，為后續的第三代甚至第四代核電廠電氣儀控機柜的安全性提供了一定借鑒。

1 電磁兼容試驗

1.1 電磁兼容試驗意義

鑒定試驗的本意是指對設備的某些性能進行評價而進行的試驗。實際上就是針對被測設備，利用外部其他設備去模擬實際工況下會遇到的最惡劣干擾，并且確保驗證后的設備仍然能夠正常執行其自身所有功能的過程。這樣一個過程所生成的結果與證據，用來確保環境保護部核與輻射安全中心與核電廠相關方等設備能在其預期的任意時刻正常工作、抵御外部干擾，滿足系統所需性能的要求，從而確保核電廠的安全[3]。電磁兼容的設備鑒定實際上就是一個證明在電磁兼容干擾的情況下，該設備滿足電磁兼容要求并且在試驗過程中功能與性能始終滿足驗收判據要求的過程。嚴格且正確的電磁兼容鑒定程序，應當是選定某型設備樣品后一次性完成所有試驗與驗證并順利通過[4]。在整個試驗過程中，不得更換設備。

1.2 電磁兼容浪涌試驗

浪涌所產生的干擾電壓波形是持續時間非常短并且上升沿較為陡峭的瞬態脈沖電壓。雷擊是人類所熟知的產生該類極端浪涌波形的原因之一。平時的切換開關操作、靜電放電也都會產生浪涌電壓干擾。這種浪涌電壓會通過電容、電流、電感等耦合途徑，從電源、信號線或者線纜的屏蔽層等進入帶電工作的設備或設備內部[5]。

電磁兼容浪涌試驗模擬以下兩大類情況下的干擾。

(1)在輸配電變電站等強電系統中，整個電力系統通斷瞬間可分成與如下操作相關的瞬態。

①大功率的電氣/電力/電子裝置及其系統在轉換時會產生干擾，例如居民區等變電站的維護時的切換。

②局域網中的整體供電環境，微小的部分瞬態切換開關操作。

③諧振現象的產生(與開關、通斷或者切換元器件有關例如二極管、三極管等)。

④在整個現場系統下，各類設備發生的問題或者故障，例如電氣開關柜的短路或者是飛弧擊穿等嚴重事故。

(2)在雷電瞬態，雷電產生的浪涌電壓主要機理如下。

①直擊雷。高壓擊中非內部的電路，瞬態產生的較大電流通過了非內部的電路的較大阻抗而產生的高壓。

②間接雷擊(通常是地球大氣層之間的云層所產生的外部雷擊直接擊打到附近設備物體)。其所在建筑體或者外殼等場合上所產生的電磁場效應。通過電磁場空間的傳播，它在建筑物的內、外導體上耦合并且出現了感應電壓與電流。

③周圍相近的區域直接向地面進行放電或者雷擊電流，將會通過空間感應耦合到設備所處在的組合接地系統中，并且在公用的接地路徑上產生有害的感應電壓騷擾。

在核電廠所處的環境中，最容易受到干擾的是浪涌干擾。CAP1400電磁兼容浪涌試驗鑒定等級如表1所示。

2 浪涌保護器

2.1 浪涌保護器概念

無論浪涌沖擊干擾是通過哪一種方式來產生的，其所產生的最終結果都非常嚴重。例如儀器設備的損毀、通信傳輸系統卡頓或者停止，以及更加惡劣的情況(如控制系統失效癱瘓)等。與系統失效和更換元件的代價相比較，監測數據的丟失和生產收益率的下降等間接損失遠遠大于直接損失。為了防止浪涌沖擊破壞如今幾乎全數字化操作的核電廠儀控系統，所有的儀控機柜處于危險的接口，如信號輸入和電源入口必須安裝防浪涌保護器。

浪涌保護器(surge protection device，SPD)是電氣、電子設備和供電電力線路等雷電防護、過電壓防護所必不可少的一種保護裝置[6]。浪涌保護器的作用是將直接或者間接進入電力線、電氣及電子設備以及傳輸環節的瞬態過電壓鉗位在設備或系統所本身能夠承受的電壓范圍內，或者將過高的脈沖電流泄放至大地，使得被保護的設備或系統免受浪涌沖擊而被損壞。

以常用的單相交流或直流電浪涌浪涌保護器為例[7]，主要分為1P+N型和2P型。1P+N 是指1片壓敏電阻插頭+1片氣體放電管插頭的浪涌保護器，而2P是指2片壓敏電阻插頭的浪涌保護器。浪涌保護器中執行功能的元器件是壓敏電阻與氣體放電管。在L-PE以及N-PE之間均為壓敏電阻串聯氣體放電管結構，氣體放電管則是共用。浪涌保護器電路如圖1所示。

圖1 浪涌保護器電路圖

2.2 浪涌保護器在試驗中遇到的問題及解決方法

在對用于CAP1400核電廠的儀控機柜原理樣機進行電磁兼容鑒定時，遇到如下兩點問題，并尋找到了原因和相對應解決方法，最終順利完成鑒定試驗。

2.2.1 空氣開關試驗中會自動跳閘斷開

儀控機柜一般在配電進線端會裝有一個滿足設計規范的空氣開關，之后再串聯如浪涌保護器及后續相關控制設備。由于還處于研發階段并且對浪涌保護器沒有明確規定使用1P+N型還是2P型，所以兩者都可能用在機柜中。在鑒定試驗中，當進行浪涌試驗時，浪涌保護器正常工作。但是在進行電快速瞬變脈沖群試驗時，由于1P+N型的結構特性，產生了較大的漏電流，使得空氣開關自動保護，跳閘斷開，無法通過試驗。對2P型進行鑒定試驗時，整個電磁兼容的所有試驗下都未發生空氣開關自動跳閘斷開，滿足鑒定要求。

經過分析可知，由于兩種浪涌保護器結構特性不同，雖然都能滿足浪涌試驗，但是2P型浪涌保護器更滿足整個CAP1400的電磁兼容鑒定要求。所以對于核電廠儀控機柜，選用2P型更為合適。

2.2.2 浪涌保護器接地線問題引起閃屏問題

某些儀控機柜配備顯示屏幕，以展現操作界面等內容。在對多款不同功能或者不同類型機柜進行浪涌試驗時，多會在多次浪涌試驗后出現閃屏問題；浪涌試驗終止后，自動恢復正常。

通過排查和比對，發現許多機柜浪涌保護器兩端的接地線較長，并且沒有就近接在接地排上。當浪涌干擾進行多次施加后，由于能量累積，沒有及時泄放，引起對顯示屏幕的串擾。最終解決方法為大幅縮短兩端接電線距離，就近加固在接地排上，并且使用截面積不小于16 mm2的接地銅線，同時嚴格參照GB /T 21431中5.8對SPD的要求。經過反復驗證，接地環境改善明顯，屏幕不再產生任何異常現象。

3 結束語

綜上所述，核電儀控機柜作為核電廠中核心部分之一，必須得到重視。本文首先闡明了電磁兼容鑒定的意義，并且分析了其中最為不易通過的浪涌試驗；然后給出了浪涌保護器的具體概念與分析；最終給出浪涌保護器在實際機柜內得選取與安裝經驗，幫助提升了儀控機柜的電磁兼容抗干擾能力。