CPR1000核电厂仪控屏蔽接地改进分析

徐志辉

（中广核工程有限公司，深圳 518124）

核电厂仪表和控制系统处于诸多电磁噪声源的环境之中，仪表安装位置和电缆走线路径较为分散，很容易受到电磁环境的干扰，从而导致测量信号偏差或者系统和设备正常功能无法实现。

屏蔽与接地是电磁抗干扰控制的重要手段，可以有效地抑制电磁干扰[1]。屏蔽与接地在分布式控制系统DCS的安装和使用过程中是很重要的一环，处理不当往往引起很多费解的报警故障。屏蔽接地故障具有隐蔽性，排查困难、耗时长，如果发生在辐射区域、联调试验或者功率运行期间，往往会对工期、效益等造成很大的影响。

1 近期发生的屏蔽接地故障

2014年12月，A核电厂多个消防探测器闪发故障报警，导致反应堆厂房100多个消防探头不可用。经检查确认，是由于反应堆厂房火警系统屏蔽线未全线贯通，而导致大面积闪发故障。

2015年3月、5月，A核电厂高压调阀阀位反馈信号异常波动，同指令信号的偏差大于设定值，导致汽轮机2次跳闸。经最终确认，是由于高压调阀先导阀阀位反馈信号受到干扰，产生了负指令。

2018年2月，B核电厂1号机反应堆监测系统1个探头发生“闪发计数”事件。经确认，是由于在大修期间执行焊接作业时，焊机地线与就近的钢结构相连接，而该钢结构的接地线是与反应堆监测系统走线托盘相连的，因而在焊接时托盘产生感应电流，对反应堆监测系统信号产生干扰，造成“闪发计数”事件。

2018年5月，B核电厂5号汽轮机监测系统共12个瓦振探头同时闪发瓦振探头故障信号，触发故障跳机保护信号。经确认，是由于主给水泵动力电缆与探头电缆敷设在上下层，在电机启动瞬间探头信号受到干扰。

分析以上近期发生的一些影响较大的屏蔽接地故障，屏蔽接地在实际工作中未受到足够的重视，设计图纸往往含混不清，不仅很多用户不清楚，就连安装承包商、DCS厂商的现场支持人员往往也不清楚。此外，不同DCS厂家对接地的要求各不相同。

2 CPR1000核电仪控系统屏蔽干扰类型

电磁干扰是一种不传送信息的时变电磁场，它可能与被传输信号叠加或组合形成干扰，一般分为差模干扰和共模干扰[2]。由于仪表和控制系统（模拟的和数字的）对电磁干扰的敏感性和易损性，因而要求仪表和控制系统的设计应在可能产生危害的内部或外部电磁干扰下都能完成其功能。核电厂仪表和控制系统的设计和安装，应充分考虑周围环境电磁干扰源对其产生的电磁干扰，并分析各种形式的干扰源和采取相应的包括屏蔽与接地在内的防护措施，以减少或消除电磁干扰的影响。

2.1 可能产生电磁干扰的主要源及类型

CPR1000核电厂可能产生电磁干扰的主要源和电磁干扰的类型如下：①动力设备的启停操作及故障；②非线性负荷的启动或断开；③架空动力电缆的辐射；④大型电气设备如变压器、发电机、变频器等产生的磁场；⑤接地泄露电流；⑥雷击；⑦其他干扰源（如不适当的临时接地、静电放电、电源的浪涌等）。

2.2 电磁干扰耦合到信号中的方式及影响

电磁干扰耦合到信号中的方式是：①传导耦合（电流传导或直接接触）；②电容耦合（静电）；③感应耦合（磁场）；④辐射耦合（电磁波或无线电波）。其中，以感应耦合和辐射耦合为主，主要导致信号的漂移和失真。

3 屏蔽接地的抗干扰分析

3.1 干扰的分类

屏蔽系统可以在一定程度上保证信号传输的完整性，这是屏蔽电缆抵抗外界干扰的主要体现。外界干扰一般分为低频干扰和高频干扰2种。低频干扰主要是电磁干扰，电机及动力电缆是常见的干扰源；高频干扰主要是射频干扰，无线电、对讲机、雷达及其他无线通信是常见的干扰源。CPR1000核电站的主要干扰源是低频干扰[4]。

屏蔽接地是为阻止外界感应电磁场通过电缆屏蔽层串入传输系统对信号造成干扰而采取的措施，可以防止信号传输系统因受外界干扰而影响其工作或对其它设备造成新的干扰[3]。

3.2 不同干扰类型的应对方式

对抵抗低频干扰有效的方式可能对于抵抗高频干扰无效，而对抵抗高频干扰有效的方式也可能对于抵抗低频干扰无效。因此，在实践中抗干扰方式应依据所受干扰源的情况、抗干扰要求、施工工艺的复杂程度等并结合电厂的现场实际情况进行优选。

3.2.1 对于抵抗低频干扰

金属网屏蔽因其具有较低的临界电阻，故最为有效[4]。

信号电缆屏蔽接地应在信号回路上单端接地。如果有多个接地点，屏蔽层将因地电位差而产生屏蔽电流，并在信号线路中感应出共模噪声，最终转变为与信号回路阻抗不平衡成比例的差模噪声电压进入信号线路。

要保证整个系统屏蔽的完整性和电气连续性，防止电缆屏蔽层多点接地，2根屏蔽电缆之间的连接应在1个接线盒内的绝缘端子上进行屏蔽连接，并用绝缘外套包覆。

对于低频模拟信号线路的屏蔽应在信号源处接地，在信号接收点浮空，以便将接地电流引起的低频噪声干扰降低到最小。

需要电磁感应屏蔽的信号线应采用双绞线并对每对进行屏蔽，以降低共模噪声和串扰的影响。

对于成对双绞线需采用电缆连接器，则应为每个屏蔽提供隔离的插脚并进行配置，使得屏蔽耦合到信号线的干扰影响最小。

3.2.2 对于抵抗高频干扰

金属箔屏蔽因其所产生的缝隙可使得高频信号自由地进出，故最为有效[4]。

信号线路的屏蔽应双端接地，而不仅是末端接地。如果采用电缆连接器，则连接器应作为一个接地点。

双层屏蔽电缆可以达到更好的屏蔽效果，使外层整体屏蔽与内层独立屏蔽分别接地，内层独立屏蔽一端接地，外层整体屏蔽双端接地[5]。

3.2.3 对于抵抗高低频混合干扰

编制层采用金属箔与金属网组合的方式，信号线路的屏蔽采用单端接地与多端接地相结合的混合接地，可同时应对低频干扰和高频干扰的问题[6]。

4 常用屏蔽层接地方式的对比分析

4.1 屏蔽层单端接地

将屏蔽电缆一端的金属网直接接地，另一端保护接地或不接地。单端接地时，屏蔽层无电势环流通过，非接地端的金属网屏蔽层有对地感应电压存在，该感应电压值与电缆长度成正比，利用抑制电势电位差可以达到消除电磁干扰的目的[7]。单端接地适合长度较短的线路，因为如果电缆过长会导致所对应的感应电压超过安全电压，将影响传输信号的稳定，甚至形成天线效应，成为新的干扰源[8]。

4.2 屏蔽层双端接地

将屏蔽电缆两端的金属箔屏蔽层均直接接地，此时金属箔屏蔽层2个接地点会因受干扰磁通影响产生不同的电势[9]，因为会形成的电势环流对传输信号产生抵消效果[10]。

屏蔽层双端接地是CPR1000核电站建设中常见的接地错误。建设高质量的等电位全厂接地网，所有的仪控设备均连接到一个共同的接地网，使潜在的电势差几乎为零，有助于消除电势环流的问题[11]。

4.3 屏蔽层混合接地

混合接地一般利用电感和电容器件在不同频率下呈现的不同阻抗特性[12]，使接地系统在低频干扰和高频干扰下都有良好的抗干扰作用，适用于工作在低频和高频混合下的信号系统[13]。

4.4 双层屏蔽电缆接地

屏蔽层双端接地时，屏蔽层中的感应环流将对传输信号形成容性耦合干扰，此时应采用外层整体屏蔽双端接地，内层独立屏蔽单端接地的双层屏蔽接地方案。最外层屏蔽两端接地是由于当周围有干扰源时，双端接地环路中的磁通将产生变化，同时也会产生与磁通反向变化的磁通量，降低源磁场强度的磁通，屏蔽层形成了一个理想的法拉第笼，消除感性干扰，保证传输信号不受干扰磁通的影响[14]。内层独立屏蔽单端接地可以消除外层双端接地环路对传输信号形成的容性干扰[15]。

5 核电屏蔽接地规范化与标准化改进

5.1 CPR1000核电仪控屏蔽接地面临的问题

目前，CPR1000核电仪控屏蔽接地面临的主要问题如下：①局部存在控制电缆与动力电缆电气间隔不满足要求；②部分动力电缆接地点与屏蔽电缆接地点距离不满足要求；③存在临时接地线搭接在敏感信号电缆走线托盘的情况；④设计接地要求不明确，导致现场接地情况混乱；⑤接地标准错误，导致单、双端接地混用；⑥不同厂家接地要求各异，匹配错误；⑦部分重要敏感信号未采用双层屏蔽，或对于双层屏蔽接地方式及中间转接箱连接方式未给予明确。

5.2 屏蔽层接地方式规范化与标准化改进

CPR1000核电仪控系统屏蔽层接地方式规范化与标准化改进如下：

1）为了确保传输信号的精度，提高DCS的抗干扰能力，所有控制电缆的屏蔽层必须牢固接地，不得甩空或虚接。

2）CPR1000核电厂的主要干扰源是低频干扰，双端接地电势环流对传输信号精度影响明显，同时考虑到经济性和操作简易性，接地总原则是一个完整的信号系统只能有一个接地点。

3）对于不同DCS的交互信号，接地原则是：对于模拟量信号，在信号发出方接地；对于开关量信号，在供电侧接地。

以广利核非安全级系统（NC-DCS）与西门子汽轮发电机控制系统（TCS）的连接为例，可采取的接地方式如图1所示。

图1 DCS交互信号Fig.1 DCS interactive signal

4）当屏蔽电缆经过接线盒时，为保持整个信号路径上屏蔽的连续性，应在接线盒内将两端的屏蔽层相连。

5）保护接地和电缆屏蔽层接地可就近通过电缆托盘接入全厂接地系统，但应与工作接地分开，工作地要求单独接入全厂接地系统。

6）对于经过贯穿件的信号电缆，贯穿件中已有连接电缆屏蔽层的端子和芯线，可采取的单端接地方式如图2所示。

图2 贯穿件屏蔽贯通Fig.2 Penetration shielding through

7）对于贯穿件中没有连接电缆屏蔽层的端子和芯线，考虑到电站贯穿件的实际情况以及控制信号的电平为DC 48 V，不易被干扰，可采取的接地方式如图3所示。

图3 贯穿件屏蔽中断Fig.3 Penetration shielding interruption

8）对于不经过贯穿件，直接接入DCS机柜（DCS CABINET）的信号电缆，可采取的接地方式如图4所示。

图4 直接接入DCS机柜Fig.4 Direct access to DCS cabinet

9）对于重要的传感器和监测保护系统，确保动力电缆和信号电缆的分桥架、分导管安装，满足必要的电气间隔要求，且防止布线托盘引入额外的干扰。

就地传感器—接线盒—控制柜间的电缆，只需要在控制柜内单端接地，接线盒上的接地端子（PE）改为普通端子，不再单独接地，保持接地屏蔽线连续接至控制柜即可，如图5所示。

图5 敏感探头信号Fig.5 Sensitive probe signal

10）对于汽轮机振动相关的跨岛测量电缆，应采用双层屏蔽电缆线，且电缆的总屏应接机柜本体屏蔽地，分屏接机柜端子排的屏蔽端。

11）对于超长回路的火警探测系统，不适用单端接地原则，可以采用多端接地，并确保屏蔽全线贯通，减少因设备之间的地线电位差而产生的地环流干扰。

6 结语

文中所述改进措施在CPR1000核电厂实施以后，有效性显而易见。核电站仪控设备的接地基本原则全厂通用，DCS供应商、安装承包商、技术路线的差异只会在工程的具体执行中有适应性调整，不会影响到基本原则。针对DCS供应商接地标准混乱的问题，可以依照文中所提出的接地原则和规范化方案向设计院提出设计要求，明确设计方对于DCS供应商、安装承包商的接地要求，以及DCS供应商对于电站接地的需求，最终达成一致的、有效的接地规范，以期减少不必要的屏蔽接地故障发生，避免不必要的工期、人力浪费，同时确保核电站系统与设备在安全稳定的情况下运行。