CPR1000核电厂核岛防雷接地设计

梁　伟

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518057）

CPR1000核电厂核岛防雷接地设计

梁伟

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518057）

目前，CPR1000核电厂主流的核岛防雷接地设计方案有两种：一种是以日本三菱公司为代表的方案，强调DCS的独立性；另一种是以德国西门子公司为代表的方案，强调接地系统的等电位联结。二者均有广泛而成功的实践，也各有利弊。实际接地方案的设计，要结合DCS厂商的要求进行设计。由于防雷接地为先行隐蔽工程，施工时，DCS供应商尚未提出防雷接地设计要求，如果设计不当，将会带来较大的改造困难。文章通过介绍两种方案的原理，分析其各自的优缺点，提出“地下部分标准化设计，地上部分根据DCS供应商要求调整安装”的设计方案，并分别采取安装电压限制器和分区分层布置的方式，来弥补各自的不足。目前，采用两种设计方案的核电厂均已正常发电，防雷接地效果良好。

防雷；接地；DCS；核电厂；等电位联结

目前，我国有多座在运和在建的核电厂采用了CPR1000（中国改进型压水堆）设计方案，该设计方案已成为国内应用最广泛的核电设计方案之一。相对于大亚湾核电厂所采用的M310设计方案而言，CPR1000采取了多项重大改进，其中最重要的改进之一便是采用了DCS。与火电厂使用的DCS相比，核电厂DCS系统更加庞大和复杂，对安全性、可靠性的要求更高，世界上仅有少数几家厂商可以满足核电使用要求。因此，核岛防雷接地设计方案需根据DCS供应商的要求，进行不同的设计。

由于干扰源种类较多，不确定性大，难以量化比较，导致防雷接地系统设计十分复杂，目前尚无各方一致认可的完美方案，各种方案均有或多或少的不足。在国际上，DCS供应商设计理念也有分歧，导致存在两种主要的防雷接地设计方案，给工程实践带来了麻烦。防雷接地设施为隐蔽工程，施工较早，后期更改麻烦。为避免两种方案带来难以变更的影响，CPR1000核电厂采取了“地下部分标准化设计，地上根据需要调整安装”的方案，较好地解决了不同方案的兼容问题。在设计中，注意到不同方案之间的缺陷，也采取了相应的弥补措施。

1　主要防雷接地设计方案

在IEC61000-5-02《电磁兼容》第5部分，第2节——《接地和布线》5.3.1中介绍了两种可采用的防雷接地设计方案。

方案一：电源地、干净地（仪控设备地）、防雷接地共用一个接地极网，但地上部分相互绝缘，强调不同“地”之间的相对独立。相应地，其仪控设备工作地要求采用绝缘电缆，信号电缆的屏蔽层采用单端接地，最终组成单点接地的“树型”仪控设备接地系统。该接地方案目前的接受程度最高，技术最成熟，应用最广泛，中国、美国、日本等国的大多数标准规范均推荐采用此方案，如：EJ/T 1065-1998《核电厂仪表和控制设备的接地和屏蔽设计准则》。以西屋电气、三菱重工为代表的DCS供应商也采用此方案。接地方案一如图1所示。

图1　接地方案一Fig.1　Earthing method 1

方案二：电源地、干净地、防雷接地共用一个接地极网，电源、电子设备在地面以上仍然共用接地网，当建筑物为多层时，防雷接地在地面上也与其相连，该方案更强调等电位连接。相应地，仪控设备工作地等不需要采用绝缘电缆，可以在地面上就近连接。仪控设备工作地、屏蔽地、保护地可以在机柜内连接后就近接地，电缆屏蔽层采用双端接地。这种方案为IEC61000-5-2主推方案。在以法国、德国为首的欧洲国家接受程度较高，中国的GB 50057-1994《建筑物防雷设计规范》（2000年版）也推荐此方案。岭澳二期工程的DCS供应商西门子公司采用此方案。接地方案二如图2所示。

2　两种方案的优缺点

图2　接地方案二Fig.2　Earthing method 2

上述两种方案的关键分歧在于三种“地”在地面上，要不要电气隔离以及电缆屏蔽层采用单端接地还是双端接地。

如果地上部分在干净地和电源地之间采取了电气隔离，则最大的危害是强电磁干扰下的闪击问题。因为电源地和干净地在地下部分是相连的，而地上部分没有电气连接。这样，二者的接地导线便组成一个环路，在二者接近的地方，如仪控设备内部，则可能发生火花放电，如图3所示。

图3　方案一存在的闪击问题Fig.3　 The problem of earthing method 1

根据GB 50057中给出的公式6.3.2.-1和附7.1，不考虑墙体屏蔽效果的情况下，可以计算出环路的电压［1］。

式中：H0——无屏蔽时，雷电闪击在某处产生的磁场强度（A/m）；

i0——雷电流（A）；

S0——雷击点与屏蔽空间之间的平均距离（m）；

Umax——最大开路电压（V）；

μ0——真空的磁导系数，其值等于4×π×10-7；

b——环路的宽（m）；

l——环路的长（m）；

Hmax——计算范围内的最大磁场强度；

T1——雷电流的波头时间（s）。

由于CPR1000核电厂的仪控设备主要布置在15.5 m。取环路的典型宽度为20 m，高度为15 m。核岛采用二类防雷设计，按照GB 50057，附表6.1选取其雷电流幅值为150 kA，波头时间为10 μs。

代入式（1）和式（2）后，可以计算出离雷击点不同距离的环路电压，见表1。

从表1中可以看出，如果雷击点发生在离环路10 m远的地方，在环路上可以产生高达90 kV的电压，足以击穿低压控制回路和保护接地之间的绝缘。实际上因为墙体屏蔽的原因，一般达不到该数值，但仍可能产生足以击穿低压电缆绝缘的电压。

如果采用方案二，则带来的最大问题是相互干扰。特别是电动机等设备启动、短路时，会在接地线上产生一定的干扰电流，从而影响到仪控设备的工作。

对于电缆屏蔽层的接地问题，根据已有的研究，人为单端接地具有较好的抗工频干扰能力，不会在屏蔽层产生环流，但抗高频干扰较差；双端接地具有较好的抗高频干扰能力，但抗低频干扰能力不足，并可能会在屏蔽层产生环流［2］。因此，高频干扰严重的情况下，宜采用双端接地，反之则宜采用单端接地。GB 50217-2007《电力工程电缆设计规范》第3.6.9条规定［3］如下：

1）计算机监控系统的模拟信号回路控制电缆屏蔽层，不得构成两点或多点接地，应集中式一点接地。

表1　离雷击点不同距离下的环路电压Table1　 The loop voltage at different distances from the lightning striking points

2）集成电路、微机保护的电流、电压和信号的控制电缆屏蔽层，应在开关安置场所与控制室同时接地。

3）除上述情况的控制电缆屏蔽层，当电磁感应的干扰较大时，宜采用两点接地；静电感应的干扰较大时，可采用一点接地。

方案一应用比较广泛、成熟，接受程度较高，单端接地的屏蔽层对低频干扰有较好的屏蔽作用且不会产生环流；但其抗高频干扰能力差，在雷电情况下可能会导致干净地和电源地之间火花放电。对工程而言，该方案还导致接地系统安装复杂，接地线可能过长，产生“天线效应”，从而耦合电磁干扰或阻碍接地线上的高频信号散流入地［4］。

方案二比较符合现代防雷接地理念，双端接地的屏蔽层对高频干扰屏蔽效果较好；但该方案抗工频干扰能力差，接受程度低，普遍担忧屏蔽层会产生环流，以及电源地和防雷接地流经大电流时，对仪控设备产生干扰和冲击，但IEC61000-5-2的分析认为通过分层、分区布置，可以解决此问题。对工程实践而言，该方法安装比较简单，所有设备可就近接地。

3　CPR1000核电厂核岛采取的方案

上述两种方案，在不同的标准规范中，选择倾向不同，实践中都广泛采用，但都存在一定的缺陷。CPR1000核电厂接地方案设计中，因DCS供应商理念的差别，两种方案都有采用，但采取了相应的弥补措施，以达到最优的接地效果。

在岭澳二期核岛防雷接地方案的设计中，采用了方案二为基础的设计理念。核岛接地系统包括深埋接地、浅埋接地、室内接地网及相应的接地连接。

深埋接地是位于核岛负挖区最底部的接地极网，埋深约为10 m；浅埋接地是位于地坪以下1 m的常规接地极网。室内接地网则是位于建筑物内的用于各种设备接地的装置。其中，浅埋接地直接与防雷接地引下线和深埋接地相连，深埋接地还通过若干引上线和室内接地网直接相连，如图4所示。

此外，墙体内的钢筋网也与室内接地网相连，以增强屏蔽作用和有利于各种电流的消散。不同类型的供用电设备采用分区、分层布置的方式，以减少相互间的干扰。电缆屏蔽层采用了双端接地，以防止高频干扰。防雷接地接闪器及引下线与浅埋接地网相连，在地下部分与全厂接地系统相连，并与其他设备接地的入地点保持足够远的电气距离（一般要求大于15 m）。

图4　岭澳二期接地系统示意图Fig.4　The sketch of the earthing system used in Ling Ao NPP

在后续CPR1000系列核电厂的建设中，DCS供应商由西门子公司换成了三菱公司。根据DCS供应商的要求，DCS防雷接地部分采用了方案一为基础的设计理念。方案一和方案二的地下接地部分基本相同，全厂共用一个接地网，不区分电源地和仪控设备地。主要区别是在地上部分，方案一强调仪控系统的独立性，仪控设备接地与其他接地分开，仪控电缆屏蔽层采用单端接地。

最初，供应商要求从浅埋接地网引出单独的接地点，供DCS系统接地使用。但该做法工程量较大，需要在核岛墙体上穿孔，在室外做接地井，引起较大的设计和施工变更。

为了减少对工程的影响，设计方提出将2个深埋接地引上线改为DCS专用，剩余10余条深埋接地引上线可以满足其他设备接地的需要。这样只用调整一下安装，便可以满足DCS的要求。深埋接地网远离防雷引下线入地点，受雷电影响小，相比浅埋接地网，更加“纯净”，也避免了给工程带来较大的变更。

在新CPR1000核电厂的设计中，核岛防雷将地面以下部分的接地网进行标准化设计，通过调整室内的安装方式来满足两种方案的要求。

如果采用方案一的设计理念，可增加深埋接地引上线的数量，引上后，一部分与独立的接地端子箱连接，专用于DCS系统接地，满足仪控设备接地的独立性。接地线应尽可能短，以抑制“天线效应”。同时，为避免可能造成的破坏性火花放电，在DCS机柜内“干净地”和“电源地”之间设置了电压限制器。正常状态下，二者之间绝缘，避免了相互干扰；当二者之间的电压达到一定值，便自动导通，避免火花放电，从而弥补了方案一的不足，见图5。控制电缆屏蔽层仍采用单端接地，但DCS所在房间的墙内钢筋应焊接，组成法拉第笼，以屏蔽外界雷电流等带来的电磁干扰。

图5　干净地和电源地间的电压限制器Fig.5　The voltage limitator between clean earth and power earth

如果采用方案二的设计理念，仪控设备与强电设备应布置在不同的厂房，并且相互之间尽可能远离。这样，电动机启动、或强电设备发生短路导致产生大的接地电流时，可以在传达到仪控设备接地系统之间前基本消散。电缆采用双端接地，所有不带电导体、电缆桥架、设备金属外壳等均应接地，以构成更多电气通路，减少电缆屏蔽层的环流。

目前，已运行的CPR1000核电厂中，岭澳二期采用了方案二的设计理念加上述改进，红沿河核电厂、宁德核电厂采用了方案一的设计理念加上述改进，两种方案下均运行良好。

4　结论

1）由于DCS供应商的不同，CPR1000核电厂核岛分别采用两种不同的防雷接地设计方案。

2）方案一强调“干净地”的概念，在一般情况下，可减少不同系统接地系统间的干扰，但可能会导致强电磁干扰情况下的火花放电以及天线效应。通过设置不同“地”之间的电压限制器，可以避免这一情况。

3）方案二强调“等电位”的概念，可以避免强电磁干扰情况下的火花放电，对高频电磁防护效果更佳。通过分层、分区布置，可以避免不同“地”之间的干扰。

4）通过地下部分标准化设计，地上部分根据DCS供应商要求调整安装的方式，可以同时满足两种设计方案。

［1］ 中华人民共和国机械工业部.建筑物防雷设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2001.（Ministry of Mechanical Industry. Design Specifications for Building Lightening Protection［S］. Beijing： China Plan Press， 2001.）

［2］ 何金良，曾嵘. 电力系统接地技术［M］.北京：科学出版社，2007.（HE Jin-liang， ZENG Rong. Grounding Technique of Electric Power System［M］. Beijing： China Science Press， 2007.）

［3］ 中国电力企业联合会.电力工程电缆设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2008.（China Electricity Council. Design Specifications for Electric Power Cables ［S］. Beijing： China Plan Press， 2008.）

Introduction of Lightning Protection and Grounding for Nuclear Island of CPR1000 Nuclear Power Plant

LIANG Wei
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518057， China）

There are two kinds of lightning protection and grounding methods for nuclear island of CPR1000 nuclear power plant. The design recommended by Japanese supplier Mitsubishi emphasizes that the DCS signal grounding system should be independent with the power grounding. The design recommended by German supplier Siemens emphasizes that all equipments should be connected to make equipotential bonding. They are both widely adopted and have their advantages and disadvantages. The application of grounding method is largely decided by the requests of the DCS supplier. As the design and construction of grounding system will be on the earlier stage of a project， it may cause problems if the DCS supplier changes its request. The paper will introduce the two kinds of design and there advantages anddisadvantages， then introduces a method which will only adjust the devices above the ground and be compatible with the two kinds of design. Voltage limiting device and different zones for electrical and electronic should be applied in order to minimize the disadvantage of them.

lighting protection； grounding； DCS； nuclear power plant； equipotential bonding

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0371-05

TL37

A

1674-1617（2015）04-0371-05

2015-10-28

梁 伟（1983—），男，河南人，工程师，大学本科，从事核电厂电气一次设计和研究工作。