基于雷电效应谈核电厂实物保护系统的防雷

张志林 高 伟王 慧

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.西安核仪器厂，陕西 西安 710061；3.国网河北邯郸县供电公司，河北 邯郸 056000）

0 前言

目前，我国核电站大都分布在东部沿海一带，受气候环境的影响，东部沿海降雨量较大，雷电对于电力、电子系统的影响很大，特别是弱电控制系统。核电厂实物保护系统作为核电厂防入侵破坏的安全防范系统，受其设备布置及功能特点的限制，系统设备主要分布在核电厂厂房以外，故核电厂厂房防雷系统无法实现对实物保护系统的防雷控制。随着核电厂实物保护系统的运行经验积累，实物保护系统防雷的可靠性已经作为新的课题摆在了设计、建造和运行管理人员面前。

1 雷电的危害

1.1 雷电对电力、电子系统的危害

雷电对电力、电子系统的危害包括：直击雷、雷电波侵入、感应过电压、地电位反击。

1.2 浪涌的产生

1.2.1 浪涌的定义

浪涌也叫突波，是电路中出现的一种短暂的电流、电压波动，发生在仅仅百万分之一秒时间的一种剧烈脉冲。它包括浪涌电压和浪涌电流。

1.2.2 浪涌的产生（表1）

浪涌的产生来源分为外部（雷电原因）和内部（电气设备启停和故障等）。所以说，雷电是浪涌产生的外部原因。

表1 浪涌产生的原因

2 实物保护系统防雷

2.1 实物保护系统及雷电危害

2.1.1 实物保护系统的组成

核电厂实物保护系统是核材料管制安全的重要组成部分，也是核电厂防范恶意人员入侵及破坏的重要技术措施。核电厂实物保护系统主要由视频监控系统、周界入侵报警系统、出入口控制系统、内部通讯系统、安保照明系统、供电系统、集成控制与管理系统七部分组成。

2.1.2 雷电对实物保护系统的危害

雷电由实体保护线路入侵（图1），可分为三种情况：

1）室外传输线路受到雷击。当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。

2）雷电带来的电磁脉冲辐射。雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的电器设备，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。

3）地电位反击。若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电子设备。

图1 雷电对实物保护系统的入侵

2.2 实物保护系统防雷要求

根据实物保护系统的特点，易被雷击损坏的设备进行防雷，依据《建筑物防雷设计规范》GS 50057-2010（2010年版）对实物保护系统提出了具体的防雷设计要求。

2.2.1 周界入侵报警系统防雷要求

周界入侵报警系统防雷要求：

1）周界入侵报警系统设备应设置等电位接地。

2）周界入侵报警系统电缆由室外进入室内时 ，应在敷设线缆两端设置浪涌保护器。

3）微波探测器、多普勒探测器、红外对射探测器、张力铁丝Y16控制板输入和输出线路均设置防雷保护器。

2.2.2 视频监控系统防雷要求

视频监控系统防雷要求：

1）视频信号防雷器，主要对视频同轴线路过压、限流保护，给室外摄像机作防雷保护。

2）控制信号防雷器，主要对RS422/485信号防雷保护。3）电源防雷器，主要对视频监控系统供电部分进行防雷。

2.2.3 内部通信系统防雷要求

保安内部通信系统具有语音通讯、过滤、防雷及对外通信接口等功能，应对对讲用户终端进行防雷设计。

2.2.4 出入口控制系统防雷要求

1）系统应设置等电位接地。

2）出入口管理系统电缆由室外进入室内时，应在线缆两端设置浪涌保护器。

3）旋转门读卡器控制板和门禁控制板应具有防雷保护。4）出入口控制系统计算机通信网络交换机具有防雷保护。

2.2.5 实物保护系统供电系统防雷要求

实物保护系统的供电系统需要有三级电源防雷保护。即一级电源电涌保护器、二级电源电涌保护器、三级电源电涌保护器保护。

2.2.6 实物保护系统防雷接地要求

实物保护系统的设备必须采取等电位连接与接地保护措施。实物保护系统设备防雷接地与交流电工作接地、直流电工作接地、安全保护接地采用联合接地，接电电阻应小于1欧姆。

2.3 实物保护系统防雷措施（图2）

实物保护系统防雷可采用两种措施，即外部防雷和内部防雷。外部防雷可将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；内部防雷可阻塞沿电源或信号线所引入的雷电波。这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。

图2 实物保护系统防雷的组成

2.3.1 实物保护系统外部防雷

实物保护系统外部防雷主要是指建筑物的防雷，如实物保护系统机房防雷，保护实物保护系统弱电设备、计算机网络通讯的安全，一般是防护直击雷，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体等。

外部接地电阻应符合相关标准，防雷接地一般为1Ω。对某些设备制造厂商有特殊接地要求的，应将其接地与其它接地类型分开以避免电磁干扰和地电位升高。但当有雷电对地释放时，高电压将通过接地线反击设备，因此对于这种情况宜在防雷接地和其他接地之间加装地电位均衡器，避免反击现象。

2.3.2 实物保护系统内部防雷实物保护系统内部防雷分为电源防雷和信号防雷两种。1）电源防雷

电源系统受到雷击入侵的可能性最大，依据《建筑物防雷设计规范》GS 50057-2010（2010年版）的防雷要求，对电源系统实施三级保护。

第一级：在保卫控制中心（实物保护系统的中央处理和管理中心）总配电柜安装三相电源防雷器，可将数万伏的过电压初步限制到2500V 以内，通过容量（8/20μs）40KA-80KA。

第二级：在输出配电柜（箱）的设备前安装三相电源防雷器，可将通过第一级释放后的过电压进一步限制到1800伏内，通流容量（8/20μs）：20KA-40KA。

第三级：对实保卫控制中心各系统工作站及控制系统需要保护的重要设备如：交换机、门禁控制器、周界探测控制单元、UPS、摄像机等等，可将通过第二级后的过电压限制到800伏内（IEC标准要求限制在 900 伏以内）通流容量（8/20μs）：10KA。

2）信号防雷

（1）报警系统：如果是有源报警信号，在报警传输线上配置信号防雷器；如果是无源（通常称：干接点）报警信号，在报警传输线上不需要进行信号防雷器。

（2）集成控制与管理系统、出入口控制系统、视频监控系统的工作站、服务器等重要设备配置网络防雷器进行保护。

（3）视频监控系统的室外视频传输设备配置同轴信号防雷器进行保护（不包括光纤传输的摄像机）。

2.3.3 实物保护系统防雷接地

实物保护系统接地是雷电保护、过电压保护、静电保护等的基础，良好的接地系统可以使设备的工作和数据的传输更为安全可靠，防雷接地为1Ω。

地电位处理有以下三种：

1）防雷接接地与其它机房接地应严格分开。

2）由于环境、场地等限制，在实际中难以保证做到国家有关标准要求的距离（一般约在20-30m以上），造成两个建筑物之间的地电压差较大，因此应做地电位均衡器处理。

3）在建筑物与建筑物之间的接地网加装地电位均衡器处理，以保证雷击瞬间各地电网间达到等电位平衡。

3 结论

随着通信设备、网络设备、计算机应用系统、电子集成电路在实体保护系统大量使用，雷电在核电厂实物保护系统中造成的风险越来越严重。以往的防护体系已不能满足通信、网络、计算机、电子集成电路等安全的要求。从单纯一维防护（避雷针引雷入地-无源防护）转为三维防护（有源和无源防护），即从防直击雷、防感应雷电波浸入、防雷电电磁感应、防地电位反击等多方面作系统综合考虑。

［1］建筑物防雷设计规范 GS 50057-2010[S].2010.

［2］李翔超.电涌保护器(SPD)原理与应用[M].气象出版社.