核电站机电设备的屏蔽和接地设计

陈剑锋

摘要：根据相关标准的要求，以压水堆核电站CAP系列装卸料机为例，总结了核电站机电设备的屏蔽与接地设计要求。恰当的屏蔽和接地设计，可确保设备的电磁兼容性能满足要求。

关键词：核电站;电磁兼容性;接地;装卸料机

0 引言

核电厂中存在着许多电磁干扰源，如大型电机、继电器、变频器等，这些设备的运行会发出空间电磁或者传导干扰信号，引起附近仪表或者电源线信号失真，可能造成测量误差或者设备误动作，甚至导致设备损坏，影响核电厂的可靠性和安全性。特别是新建的核电站大多采用数字化仪控设备，设备的电磁兼容性（EMC）越来越受到重视。设备电磁兼容性除了受其组成器件本身的特性影响以外，还主要取决于其接地、屏蔽的有效性。

1 设计标准和规范

电控系统接地一般可分为保护接地和工作接地两种，前者主要是为了保护附近人员防止其发生触电事故，后者主要是为了避免干扰信号耦合至信号回路。

目前国外和国内在建的三代核电站电气和仪控系统的屏蔽与接地设计，主要遵循《Guide for instrumentation and control equipment grounding in generating stations》（IEEE 1050）。该标准是一般发电厂仪控设备接地主要的设计导则，在理论和实施方法上都提出了详细的说明指导，且同样适用于一般机电设备的屏蔽和接地设计。对于一些特殊行业的机电设备，其屏蔽和接地设计还需要遵循相应行业规范要求。比如，非标类机电设备应遵循《机械电气安全 机械电气设备 第1部分：通用技术条件》（GB/T 5226.1）中的要求，一般起重机应遵循《起重机设计规范》（GB/T 3811）中的要求等。此外，由于核电站中机电设备类型较多，各设备的设计方案和组成器件也各不相同，在参照以上标准进行接地设计的同时，还应充分考虑各器件厂商提出的特殊接地要求及安装规范。

2 核电站机电设备的屏蔽和接地设计

核电站内的机电设备类型较多，典型的有装换料设备、起重设备以及各种非标机电设备等。装卸料机是其中一种较为复杂的机电设备，其电控系统涵盖了机电设备常见的电路和器件类型。下面以装卸料机为例，阐述核电站机电设备的屏蔽和接地设计方法。

2.1    系统接地型式

根据《系统接地的型式及安全技术要求》（GB 14050），电控系统按接地型式不同，可分为TN系统、TT系统、IT系统等，其中TN系统根据N与PE的分离状态又可以划分为TN-S、TN-C和TN-C-S三种，其主要区别如表1所示。

装卸料机作为一种桥式起重机，根据《起重机设计规范》（GB/T 3811）规定：“起重机本体的金属结构应与供电线路的地线可靠连接。大车与小车的车轮、任何其他的滚轮或端梁连接采用的铰链均不能替代必需的导电连接，而应另外用专门的接地线将各部分结构件上的接地点连接。”“所有电气设备的金属外壳、金属导线管、金属支架及金属线糟等均应可靠接地。宜采用专门设置的接地线，保证电气设备的可靠接地。”“严禁用接地线作为载流零线。”因此，应采用TN-S的接地型式，其主要特点有：

（1）系统正常运行时，PE线上没有电流，只是N线上有不平衡电流。PE线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用保护线PE上，安全可靠。

（2）专用保护线PE不许断线，也不许进入漏电开关。

（3）N线只用作单相照明负载回路。

（4）干线上使用漏电保护器时，N线不得有重复接地。

此外，对于装卸料机這种桥式起重机，其整个金属结构互相连接，桥架和小车分别形成了一个天然的等电位整体，当出现漏电或相线碰壳等事故时，若人员正常或非正常接触非导电金属结构或设备外壳，则不会出现电压差，从而避免了触电事故发生。

2.2    接地方式的选择

电控系统接地方式有单点接地、多点接地和混合接地等，表2说明了几种接地方式的主要差别。

由于核电站机电设备电控系统绝大多数属于低频系统，工作频率低于300 kHz，因此大多数就地操作的机电设备可采用单点接地的方式。比如，装卸料机上工作频率最高的设备是电机控制器，其信号频率不超过30 kHz，且其电缆长度均不超过100 m，适合采用单点接地方式。

单点接地又可以分为串联、并联及串并联混合三种。其中，并联单点接地在低频电路中应用最广，一般是按照模拟信号、数字信号等分类，然后在同类电路内部采用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。对于同类电路或相互干扰较少的电路，可采用串联单点接地，以减少接地线长度。

对于部分远程操作的机电设备，如果接地线过长，柜子接地点之间会存在电势差。针对这种情况，可以分别在远程操作台和设备上创建一个独立的单点接地系统。此时应避免在操作台和设备之间进行仪控电缆的低频互连，而采用高频的数据总线电缆进行通信。同时，它们之间的通信电路应对共模噪声有适当的保护。系统之间的信号应使用分差连接的信号隔离变换器进行耦合。如此连接，形成一个对低频信号是单点接地，而对高频信号是多点接地的混合接地系统。

2.3    屏蔽线的接地

电缆屏蔽层接地一方面是出于安全要求，另一方面也能为EMI提供双向衰减，是保证设备电磁兼容性的重要手段。然而，对于低频干扰有效的电缆屏蔽接地的做法对高频干扰通常是无效的，而对于高频干扰有效的做法对低频可能会造成问题。因此，有必要深入了解屏蔽接地的类型和其各自的优缺点，以便根据实际情况选用最恰当的接地方式。

电缆屏蔽层接地的基本型式是单端接地、双端接地和多点接地，表3说明了这三种接地型式的主要差别。

对于核电站机电设备电缆屏蔽层的接地型式，须结合其传输信号的特性和电缆长度等因素综合考虑。装卸料机上各种类型电缆的接地型式要求如下：