核电厂测量信号屏蔽接地方案介绍及建议
2018-12-07刘仁朋何林王东祥
刘仁朋 何林 王东祥
福建福清核电有限公司 福建福清 350300
随着自动化控制水平的提高，集散控制系统(DCS) 在国内新建核电厂中得到了广泛的应用，模拟量仪表全面取代传统开关控制器也成为技术发展趋势，对电厂复杂控制精度的改进等带来较大的益处。而实际工程应用中往往对这些信号传输路径的屏蔽接地规范重视不够，导致接地出现异常造成数据采集错误、控制设备误动作等，影响机组的安全性和经济性。本文从工程应用的角度，阐述了对测量信号屏蔽接地规范的理解。
1 测量信号屏蔽接地的意义
核电厂中存在着许多电磁干扰源，如大型电机的启停、 高电压开关切换时的高频瞬态、高能通信设备干扰等。这些噪声可能在信号源或者电缆中引起信号失真，造成信号偏差。
新建核电大规模应用DCS控制系统，其模拟量采集通道数量更多，电磁干扰影响的概率和严重性都更为严峻。屏蔽接地的良好配置，可以有效消除信号传输过程中的高频噪声、电磁干扰和无线电波引起的电磁扰动。
2 传统核电厂屏蔽接地方案
国内以往核电厂（如典型M310机组）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》，其对信号屏蔽接地的总体要求可概括为：使用双绞线以尽可能减少电磁辐射与外部电磁干扰的影响，低频段屏蔽接地为避免接地电位差驱动电流产生感应噪声而在信号源处单点接地，对高频段屏蔽接地应多点接地。[3]
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：
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导致干扰。
双端接地对闪电、系统故障引起的接地电势差非常敏感，可能导致屏蔽层烧毁。
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.
国内以往核电设计考虑了以上因素，对于电缆屏蔽层双端接地比较谨慎，基本采用单点接地。
3 三代核电厂屏蔽接地方案
国外以及目前国内在建的三代核电厂，则逐渐引入了IEEE1050-1996作为核电厂仪控接地设计导则。原因是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引入仪控系统，及高频传输源等先进技术应用于核电厂通信。核电厂在应对射频干扰方面的传统方法也受到了挑战[1]。
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，向空间辐射电磁噪声的同时又敏感地接收来自邻近干扰源所发射的电磁噪声。随着无线通信等高频传输源在核电厂的应用越来越广泛，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中描述，当导体长度与信号波长之比（L/λ）大于0.15时，电缆屏蔽层应采用双端接地，如若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。[2]
目前国内在建的第三代核电厂，如AP1000、华龙一号等大多采用了屏蔽双端接地方案。以AP1000为例，西屋电气公司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，其设计中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。目前采用该方案的核电厂运行经验表明该接地配置运行良好。
4 两种屏蔽接地方案分析
通过以上第2、3节阐述分析，无论单点接地还是双端接地，都有其适用性和优劣方面，主要概括为：
（1）单端接地对于低频信号抗电磁干扰和静电干扰效果良好，当存在变压器、电动机、大功率等整流设备干扰源时应采用单端接地，尤其是静电干扰必须使用单点接地；
（2）当电磁感应的干扰较大或高频电路，宜采用两点接地；
（3）更为理想的屏蔽接地应为双层绝缘隔离屏蔽，外层屏蔽双端接地以形成理想法拉第笼消除磁性干扰，内层屏蔽单端接地用于防静电感应干扰，但是该种屏蔽接地方案对电缆制造要求较高，成本较高，一般工程应用较少[3]。
5 建议及总结
信号干扰和屏蔽措施在实际电厂工程应用时存在诸多难点，原因包括干扰信号无法方便检测和度量、屏蔽层中电压或电流缺少有效手段监测、干扰很难在线复现等，出现问题时也往往难以根本上解决。
通过以上分析并结合工程实际，笔者提出以下建议供核电厂工程技术人员在安装、调试、运维阶段参考：
从源头上控制干扰，主要注意两点：一是采用强弱电缆分离敷设尽量避免平行走线以减少导线间的串扰，二是电缆路径尽量远离变频器、电机等强干扰源设备；
屏蔽接地要遵循同地的原则，系统的控制柜和子信号柜尽可能做到等电势，减少静电干扰，应在柜间安装直径6mm以上的连接线用于平衡电势；
电缆双层屏蔽接地因成本问题较难实现，但是在工程应用时，保证信号电缆全程都有实底带盖板托盘、挠性套管进行保护，可等效起到外层屏蔽的作用，为了保证外层屏蔽双端接地效果，必须确保托盘、套管完整连接且多段接地；
确保每段屏蔽接地可靠性，一般要求接地电阻应＜1欧姆；
对于新项目使用电缆屏蔽双端接地的设计，需要确认模拟量是否采集卡件符合平衡电路的设计，以确保对低频干扰的屏蔽效果，并且对于非完整闭合的EMC通路的电缆，采用360°环向端接的屏蔽格兰连接。
