核电厂仪控设备的接地与屏蔽

李 晖， 王 旭

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

0 引言

目前国内在建的第三代非能动核电厂中，仪控系统采用全数字化技术设计，通过多样化的安全级、非安全级仪控系统以避免发生共因失效，为核电厂安全有效的运行提供了基本的显示信息和控制功能。仪控设备接地与屏蔽的有效性将影响核电厂的正常运行和功能实现。

以下总结分析了国内在建第三代非能动核电项目仪控接地系统、现场仪控设备接地与屏蔽的实施情况以及国内外核电厂接地系统的传统设计、工程经验，从仪控设备保护和电磁兼容（EMC）等方面，对适用于今后新建核电项目的仪控设备接地方案提出了建议。

1 背景和设计规范

1.1 接地与屏蔽的意义

在核电厂中，存在着许多电磁干扰源，如大型感性负载的开关切换、故障时的高电流、静态开关及发电机或输电电压等级开关切换时的高能高频瞬态。这些噪声可能在信号源或者电缆中引起信号失真，可能造成测量误差和设备控制误动作，严重时会损坏设备。

不同于以往核电厂的模拟仪表设备，新建核电项目大多采用全数字化集散式仪控系统。数字信号对于电磁干扰敏感度更高，若不能有效地抑制噪声，避免电磁干扰引起的问题，将由于输入信号失真或控制信号异常而导致计算机软件共因失效概率提高、仪控系统可靠性降低。因此，仪控设备必须采用有效的屏蔽和接地技术控制噪声，以保证仪表和设备正常工作。

仪控设备接地一般基于两个接地系统的概念进行设计：保护接地和工作接地。国外表述为设备地（equipment ground） 和信号参考地 （signal reference ground）。接地和屏蔽的功能要求是无论在正常或异常工况下，仪表箱、机架、电缆护套，或电缆屏蔽层和信号成对的接地都需要确保在设备附近的工作人员受到足够的保护，不致触电危及人身；同时应保证干扰信号不耦合至信号回路。

1.2 设计标准和规范

国内以往核电厂仪控接地与屏蔽的设计，主要遵循EJ/T 1065-1998《核电厂仪表和控制设备的接地和屏蔽设计准则》，对应国外标准为RDT C1-1T-1973；RDT C1-1T虽已被IEEE 1050-1989取代，但因为其针对核电厂的特定环境，对仪控设备接地有不少具体实施要求和说明，因此仍具有较大的参考意义。国外以及目前国内在建的三代核电厂，主要遵循IEEE 1050-1996。该标准是核电厂仪控接地主要的设计导则，无论从理论上还是实施中都提出了详细的说明与设计指导。

除此之外，由于仪表、盘台、机柜等仪控设备因生产厂商的不同，结构、类型和安装要求也有所不同，不同的设计方案也可能提出特殊的接地要求。更主要的是由于某些供货商生产的特殊产品属于特定行业，这些特殊行业对电磁屏蔽和接地有特殊的行业规范，因此，在参照以上标准进行仪控接地设计的同时，设计者也应充分考虑设备及其安装规范。

2 设计方案与经验

2.1 仪控接地传统方案及工程经验

回顾以往的核电项目和国内相关行业规定，仪控设备接地与屏蔽的总体方案和实施细节主要是根据EJ/T 1065-1998及IEEE 1050-1996进行设计的。仪表和控制设备的保护接地可通过与核电厂接地系统的连接来实现；信号接地可分为模拟信号接地和数字信号接地两种，都应遵循一点接地和树型连接的原则，如图1所示。其他具体实施细节可参考上述两份标准。

单点接地的应用在传统核电厂的设计中得到了较好的验证，以某核电厂为例，其采用的仪控机柜，属于低频仪控设备（工作频率低于300kHz），对于高频干扰不敏感，然而接地若形成环路则干扰影响很大，因此其采用单点集中接地。单点接地可以有效地防止共模噪声的引入。

2.2 国外核电项目的工程经验

先进的数字技术在核电厂的逐渐推广，将越来越多的高时钟频率/低逻辑电平引入仪控系统。当然，先进技术的引入也伴随着高频传输源（甚至超过10GHz）应用于核电厂通信，如无线通信和网络。核电厂在EMC方面的传统方法也受到了挑战。

对此，西屋电气公司（以下简称WEC）提出了仪控电缆屏蔽层两端分别通过EMC电缆连接头与机柜/设备连接的方案。此方案的可行性和有效性通过TWICE项目得到了有力验证。TWICE项目是WEC在瑞典Ringhals 2号机组进行的数字化I&C系统改造项目。该项目中的仪控电缆采用了上述连接头对电缆屏蔽层进行了360°环向端接。根据该核电厂及其他采用同种接地方案核电厂的运行经验，该接地配置运行良好并且在服役较长一段时间的核电厂中仍能继续保持良好的性能。

另外，该接地方案也获得了IEEE EMC南非分会副主席Howard Reader以及拥有25年EMC经验、作为2008-2009年度IEEE EMC协会主席的Elya Joffe的充分肯定。

3 第三代非能动核电厂的实施情况

3.1 接地与屏蔽的总体要求

目前国内在建的第三代非能动核电厂设计中有专门的接地和防雷系统部分，仪控接地系统是其子系统之一。该子系统根据IEEE 142，IEEE 665，IEEE 1050和RDT C1-1T的要求，对仪控设备进行接地和屏蔽，以最小化仪表/计算机信号的噪声干扰。

仪控接地系统采用一点接地（参考IEEE 1050-1996），全厂仪表/计算机通过仪表接地母线或绝缘电缆形成放射状接地系统。放射状接地系统通过一点连接到接地网，并与其他接地回路相绝缘，如图2所示。信号接地点独立于保护接地点，只有在信号接地系统中需要避免出现回路的情况下才考虑采用共用接地点。设备（保护）接地母排直接连接到接地系统上。

图2 仪控接地的典型布置

上述要求与以往核电项目的仪表和控制设备的接地方案大致相同。目前国内在建的三代非能动核电项目在上述框架下实施仪控接地和屏蔽的设计。

3.2 电缆屏蔽层接地的设计改进

针对仪控信号的屏蔽，充分考虑数字化仪控核电厂的EMC要求后，WEC对传输仪控信号的电缆屏蔽层接地方案进行设计改进。对敷设于非连续闭合EMC通路中的仪控电缆，其屏蔽层应使用EMC电缆连接头与设备外壳连接形成完整的EMC通路。这与传统核电厂要求仪控电缆屏蔽层仅在信号回路接地点处接地的要求不同。

以下部分对上述仪控电缆屏蔽层改进方案的原因及是否合理进行分析。

3.2.1 仪控电缆屏蔽层双端接地的原因

在带有高频信号的数字化控制系统中，电缆是主要的干扰源，它既是高频干扰的主要发生器，也是主要的接收器。电缆作为发生器，它向空间辐射电磁噪声；作为接收器，它能敏感地接收来自邻近干扰源所发射的电磁噪声。随着高频传输源在核电厂的应用越来越广泛（如无线通信技术的推广），有必要对传统电缆屏蔽的接地方案进行重新评估。

根据IEEE 1050-1996中第6.1节的描述，当导体长度与信号波长之比（L/λ）大于0.15时[1]，电缆屏蔽层应采用双端接地，这是因为当L=λ/4时，采用单端接地将使屏蔽层形成很强的天线效应向外辐射干扰信号。单端接地仅对于低频信号且电缆长度相对较短的情况能有效的抑制电磁干扰向外辐射。

由于

式中 C—光速，299792458 m/s；

f—频率，MHz。

在计算过程中取Motorola MTS 2000（可认为是一种核电厂中常见的手提无线信号源，在无线干扰源中频率较低）的频带下限136MHz作为f的最小值，则：

可以接受这样的假设：核电厂中不存在短于0.55 m的电缆。

因此，在建的第三代核电项目对仪控接地与屏蔽进行了设计改进（同轴和三轴电缆仍根据惯例进行安装）：

（1）若电缆通路的EMC不具有连续性，则应将其电缆屏蔽层双端360°环向导电接触式连接（使用EMC电缆连接头）于与其接口的封闭结构/桥架。

（2）若电缆处于连续闭合的桥架（导管）内时，则不需要将其电缆屏蔽层双端环接。

（3）对于现场供电的设备，若电流回路在设备（就地）处接地，则屏蔽层在设备侧的连接应断开。

3.2.2 传统设计中屏蔽层双端接地的弊端

由于以往核电厂将电缆屏蔽层在信号回路接地处进行接地，所以电缆屏蔽层双端接地仅是一个理想的接地方案，在实际设计中存在以下3个问题：

（1）由于接地网电势的不等，屏蔽层两点接地形成的电势差将会使信号线串入共模电压VCM，严重时导致报警或设备误动作。

（2）双端接地对由于闪电、系统故障引起的高频接地电势差非常敏感，可能导致屏蔽层烧毁。

（3）由于磁场耦合引入屏蔽层的电流在信号线中引入差模噪声—除非采用平衡电路，否则低频信号极其易受干扰。