核电厂接地设计中的关键问题

2014-03-25孙辉

电力科学与工程 2014年7期

孙辉

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518057)

0 引言

在一个电厂项目的设计过程中，会遇到各种类型的接地概念，比如防雷接地、电源中性线接地、设备外壳接地、电缆屏蔽接地、电子设备逻辑接地等等。经典的“地”的定义是:一个等电位的点或等电位的面。除了为供电系统或电子电路提供参考电位之外，接地系统的作用可以大致分为两方面:一方面是从人身安全和设备保护的角度出发。当发生雷击或电源系统接地故障时，将故障电流快速泄放进大地，保证建筑物内人能够接触到的一切导电物体都与大地保持连接，设备外壳与大地之间的电位差以及建筑物内感应产生的跨步电压限制在人体安全范围之内;另一方面则与电磁兼容(EMC)设计有关。根据电磁兼容(EMC)定义:设备或系统在其电磁环境中正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力［1］。用通俗的语言说，设备自身能在规定的电磁环境中正常工作，不受其他设备的干扰，也不对环境或其他设备造成不允许的干扰。接地与EMC 之间的关系是通过良好的接地系统设计保证一个系统内不同点的参考地电位差尽可能小，从而不影响电子设备的正常工作，并提高电子设备的抗电磁干扰能力。

多数情况下，来自安全与电磁兼容两方面的设计要求是一致的，但如果存在冲突，必须优先满足安全方面法规要求。本文将主要从EMC 方面考虑接地设计。

随着核电厂自动控制水平的不断提高，数字化控制系统DCS 的普及，大量的敏感控制设备和传感设备得到了应用，这些设备在外界干扰和冲击前变得越来越脆弱。现在基于微处理器的控制系统已经全面替代了早期的电磁或模拟设备。这些采用数字总线架构的设备，工作电平非常低，而且为了实现更小的尺寸、降低功耗，工作电平仍会继续降低。这种结构对干扰更敏感，往往只需要很少的能量就能够改变其状态，而且干扰的后果无法预测。特别是有些产品采用注塑外壳代替金属机架和机箱，这就大大降低了对内部电路的保护程度。根据电厂的管理要求，进入核电厂的重要区域后不能使用手机等无线通信设备，就是出于减少外界干扰源对电子设备产生不利影响的考虑。

而与之相对应的却是，外界可能的干扰源越趋复杂［3］。通常将变化频率小于1 kHz 的信号称为低频信号，而将变化频率大于10 kHz 的信号称为射频信号(RF)。针对不同频率的干扰源通常认为需要采取不同的接地设计方案［4］。随着现代电子技术的发展，微处理器、无线通讯、高频开关电子设备、变频调速传动设备等得到了广泛的应用。这些设备的共同特点都是需要工作在150 kHz 以上的射频范围，而且这个趋势继续在发展，比如蜂窝移动电话系统工作在2 000 MHz 附近。因此从EMC 的角度来说，需要考虑的频率已远不是传统的工频范围，而是范围更广、频率更高的射频范围。这些因素导致接地设计领域的一些传统做法未必能够很好地满足今天现实的需要。为此，适应新形式的EMC 标准逐渐成为各国的强制性标准，而接地设计作为实现EMC 目标的重要手段之一，其作用日益突显出来。如果接地系统的设计存在缺陷，将对电力设施的安全运行带来不利影响［3，6］。

岭澳二期核电厂是国内首个采用DCS 的核电项目，其参考的堆型大亚湾和岭澳一期均没有DCS，控制设备以继电器等模拟设备为主，因而接地方面的设计标准并未太多考虑DCS 等敏感电子设备在电磁兼容方面的特殊要求。在项目设计初期，即对引入DCS 后核电厂在防雷和接地设计方面面临的新问题进行分析，结合DCS 供应商产品的技术要求及最新的IEC 相关标准开展研究，最终形成了基于IEC61000 系列标准的接地设计方案。

1 共用接地网络

1.1 不同的接地网络设计概念

按照接地线连接设备的不同，可以将接地分为防雷接地、电源接地和电子设备接地。传统观念认为，电子设备非常敏感，不宜与其他两种接地设备共用接地电极，为此专门设计独立接地系统，试图为电子设备提供一个“干净”的接地环境［7］，如图1 所示。这实际上并不能提高电子设备的EMC 能力，更重要的是它存在严重的安全隐患。由于不同的安装设备之间总能通过大地、杂散电容、设备之间的感应等实现电磁方面的联系，完全独立的专用接地系统无法真正实现。这样在发生雷击或大电流故障情况下，专用接地电极与设备之间可能产生危险的瞬态电压。因此这种接地系统已经不被最新的标准推荐。

图1 错误的独立接地网络设计概念示意图

另一种接地设计思路是将防雷、动力电源和电子设备分别组成3 个独立的接地网络，最后连接到公共点通过单一的接地电极接地，即传统设计上普遍采用的单点接地(也称作星型接地)，如图2 所示。这种设计在工频信号下可以满足安全方面的要求，但是遇到高频信号时，它无法满足EMC 的要求，因此也不被EMC 的标准所推荐。

图2 星型接地网络设计概念示意图

目前普遍推荐的接地系统设计方案是共用接地网络，即无论什么设备需要接地，都只需就近接入到共用接地网络上［8，9］。由于接地网络是共用的，从全厂范围来看，其必然是一种分散接地方案。为了减少接地电阻并尽量保持不同接地点之间的电位相等，一般都采取网格型的接地设计，或称为格栅形共用接地网络。图3 是这种接地方式的示意图。

格栅形共用接地网络作为全厂接地系统的一部分，它需要和厂房的防雷接地网及深埋接地网的接地电极相连。一般来说，对于高层建筑物接地网络与防雷接地网每隔15～20 m 高度就增加一处连接。各个接地电极之间互连构成深埋接地网，接地网络与防雷接地网、深埋接地网保持多点连接，由此各种接地系统可以相互连接构成全厂的共用接地网络。

图3 推荐的格栅形共用接地网络示意图

1.2 格栅形共用接地网络的实现

格栅形共用接地网络这种接地方式不仅在50 Hz信号下能获得非常低的接地阻抗，而且在射频信号下也能获得低阻抗(取决于网格尺寸)。由接地导体构成的网格间距越小，其接地阻抗也就越小，这意味着能够控制系统中更高频的射频(RF)电流。

大电流的设备需要设计更小的网格来防止大故障电流可能引起的危险跨步电压或接触电压。使用高频信号的电子设备(比如计算机或通讯系统等)以及敏感的仪器仪表也需要更小的网格设计(通常小于600 mm)降低外来高频信号的干扰，保证不同电子设备之间的地电位差小到可以满足设备规范的要求。

采用网格接地设计可以实现低接地阻抗，保证不同接地点间的电位尽量均衡，减少地电位的提升，从而避免设备承受过电压冲击的危险。比如，为了防止雷电感应电压的冲击，一般推荐的网格接地系统的网格间距在任何方向都不大于4 m。

从图3 可以看出，这种接地方式是立体的、三维的，理想的接地网络应该是由大量的小接地环路组成。在电厂内可以利用多种手段来构建接地网络。首先是建筑物的各种自然金属结构，比如混凝土结构内的钢筋、电梯轨道、吊车、金属地板、金属门框架、设施管道、电缆桥架等内部导电物，都通过最短路径连到最近的等电位连接带，各导电物之间根据需要可以附加多次相互连接。建筑物内导电设备之间的等电位连接要求来源于防雷方面的规范要求，其本来目的是为了防止雷击或雷击电磁脉冲对人身和设备产生危害，但这无意中已构成了格栅形接地网络的雏形。

1.3 格栅形共用接地网络优于星形接地网络

星形接地是一项传统的设计方法，如果采用它就无法实现电缆屏蔽层的两端接地，从而无法获得最佳的EMC 效果;而且它不能保证电子设备免受过电压的冲击。

采用星形接地的最主要理由是避免信号线中产生环流噪声，但实际上，如果导体(包括钢结构、金属管道、托盘等)的长度超出了环境中射频干扰信号波长的一半，则无论导体的接地方式如何，一端接地还是两端接地，射频干扰信号都将在其中感应出明显的电流。很多时候，由于杂散电容和杂散电感的存在，一个系统中高频电流已经占到主导地位。而星形接地和屏蔽电缆单端接地设计，就很容易判断出它只适用于射频信号还很不普遍的年代。到了电子技术以及无线通讯技术迅速发展的今天，对接地系统设计进行改进是必然的。核电厂的厂房设计为了防范雷电干扰的影响，一般都在重要子项厂房的墙内埋设金属导体以形成法拉第笼的设计结构，这会让格栅形共用接地网络更易于实现。

2 电缆屏蔽接地

采用屏蔽电缆传输控制、测量等弱电信号是普遍的做法，但对于屏蔽电缆的屏蔽层接地却有不同的做法。

电缆屏蔽效果的好坏主要取决于其屏蔽层整体(包括端接头)的表面转移阻抗ZT，ZT值越低代表其屏蔽效果越好。不同类型的电缆由于其屏蔽线材料和结构的不同，ZT值先天就差异很大，比如采用铜带屏蔽的电缆，由于全长范围都不存在开孔，屏蔽效果自然最佳。干扰源的频率范围对ZT也有很显著的影响。在比较高的频率范围，电缆屏蔽线中任何的开孔缝隙都可能导致ZT上升。这也正是针对高频干扰源传统的屏蔽接地手段不再适用的原因。

2.1 正确的电缆屏蔽线连接方法

为了在全射频范围内都能实现良好的屏蔽效果，采用屏蔽电缆仅是第一步，还必须采用正确的安装方法。只有做到电缆全长范围良好连通，无中断，无间隙，才能将屏蔽效果发挥到最佳。具体到安装实践，可采取的措施之一是使用合格的端接头。

图4 描述了一种正确的屏蔽电缆安装方法。机柜外壳一般采用金属材料并实现了良好的屏蔽，直接与附近的等电位连接带相连。在进入机柜处电缆屏蔽通过专用的端接头与机柜外壳保持360°的连接。这里之所以强调360°的连接，就是为了保证整个屏蔽体达到完全的封闭，最大限度地减少信号线受到外界干扰的可能。显然只有在电缆的两端采取相同的措施才能达到这种效果。

图4 屏蔽电缆屏蔽层连接示意图

电缆屏蔽线的习惯端接方法是利用一根导线将屏蔽与附近的接地端子排连接。这种连接方法实际上破坏了电缆在射频范围的屏蔽效果。接地线通常需要100～300 mm 长，在许多安装场合甚至需要几m 长。在高频信号作用下，导线的感应系数会非常显著。1 根100 mm 长的导线感应系数大约为0．1 μH，在30 MHz 下电抗有19 Ω，如果是300 MHz 电抗将达到190 Ω。

由于电缆屏蔽本身对地存在一定的杂散电容，在一定的频率范围内，电缆的电容与接地线的电抗之间会发生共振。共振现象一旦出现，电缆的屏蔽效果会大大减低。比如一根3 m 长的电缆在30 MHz 以上的频率下，只需要25 mm 的接地线就可以将屏蔽效果几乎破坏殆尽。

正确的端接方法是利用专用的端接头，保证屏蔽线的每个方向即360°都与端接头接触，而端接头再与机柜外壳大面积接触，最终利用机柜的接地设备实现屏蔽线与地的连接。机柜外壳通过等电位连接带与共用接地网络连接，其接地阻抗即使在射频范围也可以做到很低。

2.2 电缆屏蔽两端接地

传统上，电厂中用到的屏蔽电缆只在盘柜侧一端接地，而在现场侧如传感器端悬空。采取这种做法主要考虑的是避免在屏蔽线内出现环流，担心此环流噪声对信号的影响［10］。IEEE 的标准［11，12］提出屏蔽层应一点接地，但也有研究提出不同意见，最新的IEC 标准［13］则推荐屏蔽层采取两点接地。查看近些年出版的关于EMC 或防雷方面的标准规范或专著［14］，会发现电缆屏蔽线两端接地的做法已经被广泛推荐。

单一接地网络作为一项传统技术已经无法满足在射频条件下的安全和EMC 要求，已不被新标准所推荐。在格栅形共用接地网络这种新的外部环境下，电缆屏蔽两端接地成为控制射频干扰保证信号质量的优选方案。如果仍然只在电缆屏蔽一端实现接地，另一端处于悬空状态，这等于整个屏蔽体没有封闭，有缝隙存在，这会带来一系列的问题:

(1)缝隙的存在导致射频信号可以穿透电缆，破坏整个电缆的屏蔽效果。

(2)当电缆长度超过1/6 信号波长后，电缆屏蔽将扮演共振天线的作用，导致屏蔽特性全部丧失。

(3)高速数据通讯采用的技术要求信号传输介质的阻抗保持连续，屏蔽层的中断会危害到信号的完整性和传输速率。

(4)对于磁场干扰信号，将无法提供所有方位的屏蔽保护。

2.3 电缆屏蔽接地方式对地电位升高的影响

在发生例如雷击、接地故障、切除大型感性负载或者操作高压断路器等事件时，都会导致电磁场的瞬态突变。由于任何共用接地系统都不可避免的存在一定的阻抗，瞬态电流流过共用接地系统时，会在同一建筑物的不同接地导体之间产生电位差。接地系统设计的一项首要目标就是保证这种电位差足够低，因为这与人身及设备的安全密切相关。如果采用传统的星形接地系统设计概念下衍生出来的电缆屏蔽一端接地方案，实践证明这种接地方案会在设备另一端产生足以危害人身及设备安全的过电压。

2.4 并联接地导体(PEC)

电缆屏蔽层两端接地不可避免的带来了一项副作用，即电缆屏蔽层内会有一定的电流存在。虽然这种电流并不会对正常的信号产生影响，但仍然有一个问题不能忽略，电流如果过大，有可能导致电缆过热甚至发生烧毁电缆屏蔽层［15］。

如果完全遵守格栅形共用接地网络的技术要求开展接地系统设计，则同一建筑物内不同设备之间的地电位差可以保证在非常低的水平。这样两端接地的电缆屏蔽层在工频状态，甚至接地故障情况下也不会出现大的电流。

但是如果格栅形共用接地网络不能得到完全的实现，并且屏蔽层内流过的电流大到有可能损坏电缆的时候，就必须采用称为并联接地导体(PEC)的安装技术。顾名思义，PEC 的含义就是沿着电缆安装方向，额外敷设一组接地导体。

接地系统中流过的最大电流一般都是工频电流。按照电流的基本特性，当有几条路径可供选择的时候，电流总是优先流过阻抗值最小的回路。而在类似工频的低频环境下，电阻值是决定阻抗值的关键因素。因此，为了使本来要在电缆屏蔽内流过的电流改由PEC 形成的回路流过，必须保证PEC 的电阻比电缆屏蔽层电阻低得多，从而可以使得电缆屏蔽层内流过的电流始终在可接受的水平之下。

仅考虑工频电流是不够的，在瞬态工况下，接地网中流过电流会包含相当大量的高频电流。雷电冲击波的峰值分量通常在10 kHz，但有可能包含500 kHz 分量。高压断路器的操作冲击波可以产生500 kHz 附近的电流250 kA。接地故障电流几乎都是工频电流，但是在电弧出现以及故障清除时刻可能出现几百MHz 的电流。对于这些高频电流分量来说，最小阻抗通常取决于最小的自感系数。因此，为了保证PEC 在各种频率电流下都能起到作用，除了电阻低，还得比电缆屏蔽的自感系统低。

当同一组设备之间有大量的电缆联系，而且这些电缆的屏蔽层两端都连接到共同的接地体上，那么这些电缆屏蔽层可以互相充当为对方的PEC。尽管单个电缆屏蔽的电阻和自感都很高，但多根并联在一起，可以分享接地回路中的电流，由此可以免除安装专门PEC 的需要。

在完整实现了格栅形共用接地网络的建筑物内，通常都可以很方便地利用共用接地设备的一部分来充当自然的PEC，比如电缆托盘、管道等。如果建筑物的自然金属接地设备无法利用，则需要专门敷设大截面的导线充当PEC。

3 结论

通过对IEC61000 标准的研究，并借鉴成熟的工业实践，采用格栅形共用接地网络，并实施与之配套电缆屏蔽层的两端接地方法，可以满足引入DCS 后核电厂在电磁兼容方面对接地设计提出的新要求。目前，在国内核电项目具备供货业绩的DCS 供应商包括阿海珐/西门子、三菱和西屋等，这几家供应商对于核电厂接地设计的要求并不相同，甚至差异很大，因此，在工程设计实践中需要与DCS 供应商进行深入探讨以确定本项目的接地设计方案。

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