对台山EPR核电站安全厂房DCS系统防雷接地浅析

摘要：台山EPR核电站是我国引进的欧洲第三代压水堆核电站，也是全世界第三座EPR核电站。坐落于台山市赤溪镇腰鼓村，是我国在建的单堆容量最大的核电站。而台山市属于我国亚热带地区，属于亚热带季风气候，地形复杂，受海洋天气影响显著，气候多变，雷暴活动频繁，年平均雷暴日为86日，属于强雷区。

核电站DCS系统属于核电站精密电子设备，对核电站的安全运营起着至关重要的作用，在台山这样的强雷区修建核电站，防雷接地保护十分必要，特别是在DCS设备云集的安全厂房，防雷接地的可靠性直接影响核电站的安全运行。

关键词：EPR 核电站 防雷 接地 磁场 DCS 屏蔽

中图分类号：TM623 文献标识码： A

1 DCS系统在安全厂房的房间布置

图例1：1#安全厂房8.10m厂房布置图

图例2：2&3#安全厂房16.8m厂房布置图（主控室）

而DCS系统建筑物应分为建筑物直击雷防护系统及内部电气、电子系统防雷电电磁脉冲（LEMP）系统两个部分组成。而LEMP防护又包含五个方面的具体措施：接地、等电位连接、屏蔽（空间屏蔽、线缆屏蔽）、合理布线（包括电子设备安放位置的规定）、设置安装浪涌保护器（SPD）。在新建时一次设计、一次施工和一次投资，既经济合理又减轻技术难度，对提高DCS系统的安全性具有极大的好处。

2防雷接地在核电站中的作用

核电站防雷接地系统的主要功能主要有以下几点：

将由各种原因产生的故障电流引向大地，将跨步电压及接触电压限制在安全数值以内，防止工作人员触摸因绝缘损坏而带电的金属部件或接触带电部件而造成的人身伤亡；

将过电压和静电向大地释放，以确保人身和设备安全；

提供电气系统中性点，以及电子设备的工作基准点，确保设备安全正确运行；

EPR核电站的防雷接地系统是一个公共接地网，各种土建接地点和设备接地点、电压系统的中线和保护线、核岛防雷接闪装置连接到一起，组成了一个庞大而系统分明的接地大系统。

3接闪时DCS房间电磁环境的考虑

当建筑物顶部接闪装置接闪时，按照IEC62305-4附录A《LPZ区内电磁环境评估基础》提供的计算方法和我国二类建筑物雷击参数，首次雷击电流参数为：150KA；后继雷击电流为37.5KA。对安全厂房来讲，屋顶受到直接雷击时的雷电磁场大于邻近雷击的磁场强度，故只考虑本建筑物雷击磁场。

4安全厂房等电位连接方式

根据EPR核电站接地系统设计的一般惯例，DCS系统接地一般采用多点网形接地，为加强屏蔽性，在电缆屏蔽的两端都进行接地，而且能达到以下三点要求：

厂房内部共用等电位连接网（CBN）与建筑物结构钢筋连接；

厂房之间共用等电位连接网（CBN）的连接；

以上部分与厂区接地网的连接。

依据我国电力行业标准DL/T621-1997第5.1.1条第一章第一项：一般情况下，发电厂、核电站、变电所电气装置的接地电阻应符合下式要求：

式中：R-考虑季节变化的最大接地电阻，Ω；

I-计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。

若核电站发电的电流为4000A，

则Ω

这个0.5Ω接地网设计，不仅满足工频短路电流安全泄放的要求。还要满足雷电冲击电流安全泄放的要求。大面积地网可增大地网对地电容，有利于降低地网的冲击阻抗；而网格状的大面积地网，可降低地网接地体的感抗，有利于均衡电位的作用，防止高电位差反击事故的发生。而DCS系统及低压电气系统的就接地系统是由共用接地装置与等电位连接网络两个部分组成。在钢筋混凝土结构的建筑物中，共用接地装置是建筑物基础钢结构件与大地的连接，建筑物防雷系统（LPS）和内部电气、电子系统的等电位连接以这个接地装置为基础。防雷电，确保正常工作都是靠建筑物的基础地网。因此，做好基础接地装置与各个楼层的内部等电位连接很重要。建筑物的基础地网由外围环形接地体或地下深处与厂区大地网相连。CBN公用连接网包括：连接到外接地网的建筑物钢结构、建筑物钢筋、金属管道、交流电力线（低压）槽道和PE、线金属支架以及连接导体，而仪控系统的网形结构就近与共用接地系统即楼层内钢筋主筋、地板金属件连接。避免与外墙柱钢筋相连，因为雷击时易引入较高过电压，使设备受到损害。特别是只有LPZ1一个防雷区的情况要特别注意这种危害。

5 DCS系统接地和等电位连接

DCS系统的等电位连接是在每个楼层，通过电缆桥架用铜质导体敷设成环状水平等电位连接网络，这个连接网络不仅要构成M型结构（网形连接），还应有S型结构（星形连接）以及这两者的组合型。这个连接网络通过连接导体与建筑物的共用接地系统连接，这就是接地。 DCS系统是复杂的电子系统，不可能都是高速率的数字设备，可能有低速率或低频设备，其等电位连接用S型的效果较好。还要注意一个问题就是DCS系统设备的信号接地：信号接地即数字设备的逻辑接地。可以减轻干扰，避免信号漂移，使数字设备的数字电路有统一的基准电位，又成为电流回路的一部分。数字设备的信号接地，现在又叫功能性接地。设备的信号接地（SE）和设备的保护接地导体（PE）对一台设备而言，是同一导体，同时兼顾信号接地和保护接地的功能。可以起到防干扰、防电击、给信号提出基准参考点，所以称为功能性接地。它是高频接地，接地线应尽量直短，接地线的感抗起重要作用。如果接地线长度为干扰频率波长的λ/4或奇数倍时将产生谐振，其地线阻抗为无穷大，不能起到抗干扰作用。DCS系统的等电位连接很重要，接地电阻作用较小，厂区大地网对DCS系统的接地与等电位连接不起什么作用，大地网只对工频起作用。

6电磁干扰降低方案

电缆的外屏蔽层应双端接地；

避免电力、信号和数据线路共用路径而产生的感应环路；

电力及信号电缆通道应保持适当隔离距离；

采用同芯线的电缆减少进入PE线内的涌流；

变流器的变频调速电动机之间的电气连接应用对称多芯电力电缆；

信号和数据电缆应依照制造说明书上的电磁兼容性要求使用；

在带引下导体的防雷系统处安装电力和信号电缆时，应与引下导体保持最小的距离或利用屏蔽隔开；

等电位连接应采取下列措施使其阻抗尽可能低，尽可能短，电缆截面的选择应确保感应电抗和阻抗足够小。

上述方法是减少电磁干扰的一般方法，但还不够。需要综合考虑以下几个方面：

应对DCS系统各个机房的电磁环境在设计前应作磁场强度的计算，在采用空间屏蔽措施的具体情况下，计算磁场强度，使其磁场强度符合要求。只有磁场环境达到要求，设备才是安全的；

对低压配电系统的要求：因为中压-低压供电变压器设在建筑物内，其配电系统应采用国际国内公认最适合于DCS系统的TN-S系统。这个系统的交流工作接地即“零点”接地，应直接与大地连接，零点以后的中性线（N线）导体，绝不能有意或无意接触PE线或共用接地系统中的金属导体，否则其它接地导体与中性导体连接，中性线上的工频电流（N线电流）再次分流，将产生50HZ基波及谐波的干扰；

做好DCS系统信号功能接地；

电气系统和电子系统的线缆要做好屏蔽与接地。电力线路（低压部分）要考虑本建筑物接闪装置遭雷击时在接地系统的分流作用，因此，一定要分级安装SPD；

应尽量考虑电力系统在输配电时的电磁场，尽量使DCS房间与电力系统设备房间分开。而EPR核电站中，DCS房间和电力系统设备房间大多集中于安全厂房8.1m标高层，距离很近，电力电磁场很容易干扰DCS设备运作。

7结束语

本文主要是基于台山EPR核电处于雷暴区，从雷暴等极端天气对EPR核电站安全厂房DCS房间电磁兼容和屏蔽方向考虑，结合核岛厂房建筑物接地和电气设备接地以及DCS系统接地构成的核岛接地系统，初步分析了DCS系统防雷接地和电磁屏蔽。限于学识和水平，肯定存在很多不足和错误之处，请指正。