核电站安全级DCS隔离设计研究

北京广利核系统工程有限公司 夏利民

1 引言

为了提高核电站安全级DCS（Digital Control System）的可靠性，保持安全级电气设备和电路的独立性，应进行隔离设计，防止故障在系统内的多重冗余部件之间扩展，或故障从安全重要性较低的系统向安全重要性较高的系统扩展。从而确保在任何设计基准事件发生期间及之后，该安全级系统均能执行所要求的安全功能。

根据核安全法规标准[1][2]要求，核电站安全级DCS需在以下几个方面实现隔离：

（1）安全级内部冗余系统部件之间，如四个停堆保护通道之间，或安全专设序列之间；

（2）不同的安全等级的系统和设备之间，如保护系统（安全级）与控制系统（非安全级）之间；

（3）不同电气类别的电缆之间，如电力电缆和仪表控制电缆之间。

在安全级DCS的设计中，电气设备和电路的隔离是通过实体分隔和电气隔离来实现的。本文将针对安全级DCS电气设备和电路的隔离要求进行分析，在实体分隔和电气隔离两个方面提出相应的 设计方法和设计措施，以提高整个系统的可靠性和稳定性。

2 隔离实现方式

隔离是用于防止安全级DCS内部系统之间或与其他系统之间的不利相互影响的措施。不利相互影响可能产生于子系统中任何部件的异常工作或故障，也可能来源于例如电磁感应、静电干扰、短路、开路、接地故障、火灾、爆炸、飞行物坠毁的存在。

安全级DCS中可采取的隔离措施包括以下两类[1][2]：

（1）实体分隔；

（2）电气隔离。

2.1 实体分隔

为防止火灾、地震、飞射物等意外事件导致保护系统安全功能的失效和丧失，保护系统需满足实体分隔的要求。实体分隔的程度应足以保证发生假设始发事件或故障引起不良后果时，未受事件影响的其余设备和电路仍能完成保护系统的安全功能。安全级DCS中的实体分隔可以采用以下方式[3][4]：

（1）安全级构筑物；

（2）分隔距离；

（3）屏障；

（4）或者是以上三种方式结合的手段。

2.2 电气隔离

电气隔离应能消除系统之间或系统冗余部件之间的有害相互作用，确保其任一端出现可信的故障，例如：开路、短路、接地障碍、出现最大可能的电位等，都不影响其另一端所连设备的正常工作。安全级DCS中的电气隔离可以采用以下方式[3][4]：

（1）放大器；

（2）光纤耦合器；

（3）光-电耦合器；

（4）继电器；

（5）电源装置；

（6）断路器。

3 实体分隔要求及实现

安全级DCS的实体分隔包含两方面的要求，分别为对设备的分隔要求以及对电缆和布线距离的分隔要求。在实际工程设计中，充分考虑以上因素，采用设备分离和配线分离的方式来达到实体分隔的要求。

3.1 设备分离

针对实现相同功能的冗余设备以及不同安全等级的设备，通过不同的安全级构筑物、最小分隔距离或屏障来实现机柜或模块的实体分隔，保证单一设备故障时，不影响安全功能的实现，同时低级别设备的故障不影响高级别设备的正常运行。

3.1.1 机柜实体分隔

为保证冗余设备的独立性，防止其保护功能的执行受到相互之间的影响，冗余通道或列的机柜分别布置在不同防火分区的房间里，以保证冗余设备的有效实体分隔；同样将不同级别的设备分别安装于不同级别的机柜中，将非安全级机柜放置在与安全级机柜不同防火区的房间，或同一个房间的两侧，来实现实体分隔。以阳江某核电站项目为例，其机柜的放置位置如表1所示。

表1 机柜的实体分隔

3.1.2 模块实体分隔

对于同一机柜内实现相同功能的冗余模块，或实现不同安全级别功能的模块之间，应保证足够的实体分隔距离[3][4]：水平分隔距离2.5cm，垂直分隔距离15cm。如果设备或其接线能满足受热条件下不会下垂并触碰到下部的其他设备，则其最小垂直分隔距离能减少到2.5cm。

在实际设备的布置设计中，可通过分别将设备放在机柜的两侧来实现实体分隔要求；若机柜的空间限制无法满足该距离要求时，可以通过增加屏蔽防护罩的方式来实现实体分隔。例如机柜内用于连接安全级线缆和非安全级线缆的端子分别布置于有足够分隔距离的端子排上，以实现实体分隔。

3.2 配线分离

对于不同电气类别的电缆以及不同通道、列或级别的仪表控制电缆之间，应保证最小的分隔距离，或增加屏障。

3.2.1 不同电气类别的电缆隔离

不同电气类别的电缆之间隔离的目的是保护各种电气电路免受电磁干扰。将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定的距离。

安全级DCS中存在三种类型的电缆：动力电缆，控制电缆和仪表电缆。根据标准要求，三种电缆间需保证足够的实体分隔距离，以防止信号干扰。不同种类电缆之间的最小分隔距离要求[3][4]如下。

（1）控制电缆与仪表电缆托架间的最小分隔距离为垂直方向（200～300）mm，水平方向（200～300）mm。

（2）动力电缆与仪表电缆托架间的最小分隔距离为垂直方向500mm，水平方向500mm。

（3）控制电缆与动力电缆托架间的最小分隔距离为垂直方向（200～300）mm，水平方向80mm。

不同电气类别电缆的配线间隔越大，配线距离越短，则噪声影响越小。但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能维持最低限度的间隔距离即可。由于机柜内空间的限制，在上述最小分隔距离无法得到满足的场所，应在需隔离的电缆间设置屏障。

在设计过程中，对于动力电缆，考虑使用专门的配电柜和金属线槽，实现屏蔽的功能，以达到与其他电缆之间的实体隔离；对于控制电缆和仪表电缆的隔离应考虑使用不同的进线孔和金属线槽来实现各种电缆的隔离。

3.2.2 仪表控制电缆内部隔离

机柜内不同安全序列之间、不同安全级别之间的仪表控制电缆应保证足够的分隔距离。具体要求[3][4]为：最小水平距离2.5cm，最小垂直距离7.5cm。如果下方电缆在封闭结构中，则垂直分隔距离可以减少到2.5cm。此外，在上述最小分隔距离无法得到满足的场所，应在需隔离的电缆间设置屏障，设置封闭屏障后的电缆之间无分隔距离要求。如图1所示。

图1 仪表控制电缆的分隔距离

安全级DCS中需要进行隔离的仪表控制电缆包括保护通道之间、专设序列之间、以及与非安全级电缆之间，通过最小分隔距离或在其间设置屏障或两者综合使用来实现实体分隔。当机柜空间限制无法满足上述最小分隔距离要求时，可将线缆置于机柜侧面的独立的金属线槽内进行屏蔽，以实现实体分隔。图2为机柜内线缆的实体分隔图。

图2 机柜内线缆的实体分隔示意

4 电气隔离

当安全级DCS冗余系统之间，或与非安全级系统之间存在信息交换时，需实现电路间的电气隔离。隔离必须考虑信号传输的方向，并应保证电路的独立性[5]。

（1）在下级电路产生的潜在事件不应引起上级电路损坏或在上级电路中产生不正确动作；

（2）在上级电路产生的潜在事件不应损坏下级电路；

（3）在某个潜在事件下，如果隔离装置不能保证其独立性，上级或（和）下级电路应能承受这些事件的影响（如：使用隔离变压器具有传输过电压的能力）。

电气隔离前后级的绝缘和耐压要求[5]如表2所示。

表2 电气隔离的绝缘和耐压要求

针对安全级DCS系统，电气隔离包含两方面的要求，分别是对电力电路的隔离要求以及对仪表和控制电路的隔离要求。

4.1 电力电路的隔离措施

根据标准[3][4]要求，对于电力电路，如下情况需采用安全级隔离装置进行电气隔离：

（1）非安全级电路与安全级电路之间的相互连接；

（2）非安全级电路与相关电路（未采取有效措施实现与安全级电路的实体分隔和电气隔离的非安全级电路）之间的相互连接。

4.1.1 交流供电系统的隔离

由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声，所以对由交流电源供电的电气设备和电路，应采取措施抑制来自交流电源的干扰。可在直流电源前加入滤波器，同时滤波器前后接线均使用双绞线，这样干扰信号经滤波器隔离后可大大减弱，增强了系统的可靠性[6]。

此外，为考虑安全级电路与其他系统电路以及安全级内部不同设备之间的交流电源的隔离，可采用多层级的断路器实现不同等级设备之间的隔离。在交流电进入机柜时，配置总断路器，用来实现供电母线与机柜供电的隔离。

同时针对每组AC/DC电源配置一个断路器，以保证下级电路故障不影响上级交流电源，以及同一机柜中不同等级设备之间的电气隔离，保证施加在其他系统的最大可信电压或电流瞬态，不会导致另一侧电路的工作性能低于可接受的水平。

其原理如图3所示，通过此种方式可实现交流供电系统的电气隔离。

图3 安全级DCS交流供电系统电气隔离示意图

4.1.2 直流供电系统的隔离

安全级DCS直流供电系统内部冗余供电之间需要相互隔离，则它们各自的直流供电电源也应该相互隔离；安全级DCS去往现场或非安全级的直流供电也需要进行电气隔离，其隔离方式如下。

（1）在交流侧使用单独的AC/DC隔离变压器；

（2）在直流侧使用DC/DC隔离电源装置；

（3）使用直流断路器。

在实际系统设计中可根据具体情况选择合适的隔离方式。针对不同类型的供电设备需求，可选择使用单独的AC/DC隔离变压器；对于同一个AC/DC隔离变压器，可选择使用直流断路器，以实现不同等级设备之间的电气隔离；针对采集模块的对外供电，可选择DC/DC隔离电源进行输出电源的隔离。供电隔离示意图如图4所示。

图4 安全级DCS直流供电系统电气隔离示意图

当任一用电设备电路故障时，不影响内部其他直流电路或用电设备的供电，同样也不会影响上级直流系统的供电。

4.2 仪表或控制电路的隔离措施

根据标准[3][4]规定，对于仪表或控制电路，如下情况使用安全级隔离装置：

（1）安全级与非安全级电路的相互连接处；

（2）不同冗余序列的安全级逻辑电路的相互连接处；

（3）相关电路与非安全级电路的相互连接处。

安全级DCS系统内部或与外部系统之间的物理连接主要包括如下三种信号类型[7]。

（1）模拟量输入输出信号，包括来自现场或其他系统的模拟量传感器信号、输出至其他系统或现场调节设备的模拟量驱动信号等。

（2）数字量输入输出信号，包括来自现场或其他系统的数字量触点信号、输出至其他系统或现场开关设备的数字量驱动信号等。

（3）网络通信信号，包括系统之间的点对点和多节点通信信号等。

4.2.1 模拟量输入输出信号

安全级DCS中模拟量输入输出信号均为微电压、微电流模拟信号，其电气隔离相对来说比较复杂，既要考虑精度，频带宽度的因素，又要考虑隔离效果[8]。一般情况下，可采用基于运算放大器隔离原理设计的独立的隔离模块来实现，该模块可以有效地实现模拟量采集模块与现场传感器信号的隔离。模拟量输出信号同样使用该隔离模块进行处理，实现信号输出的隔离。其原理如图5所示。

图5 模拟量输入输出信号电气隔离示意图

4.2.2 数字量输入输出信号

对于硬接线数字量信号，可采用光-电耦合器或继电器实现输入输出的电气隔离。

光-电耦合器的输入端配置发光源，输出端配置受光器，所以输入和输出在电气上是完全隔离的。光-电耦合器是以光为媒介进行耦合，无触点开关器件，具有使用寿命长、反应速度快、噪音低等优点，但也有通过电流小的缺点。多用于控制小电流，高频率的场合。

继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此可利用继电器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免输入输出信号之间的直接接触，实现了电气隔离。由于其是通过金属触点机械动作来传送控制电压或电流，因此可以通过大电流，但也具有使用寿命短、反应速度慢、有电磁噪音等缺点。多用于控制大电流设备的场合。

阳江某核电站项目安全级DCS设计中选用的24V光-电耦合器和继电器的参数对比如表3所示。

表3 光-电耦合器与继电器参数对比

继电器响应时间 20us 5ms释放时间 300us 8ms持续电流 100mA 6A机械寿命 - 2E+7类型光-电耦合器

当输入输出信号为非安全级别时，需采取手段实现电气隔离。安全级DCS采集的数字量输入信号均为触点型，且均为小电流弱信号，因此可以采用光-电耦合器进行隔离；数字量输出信号分为触点型和电压型，去往非安全级的触点信号可通过光-电耦合器进行隔离，而去往现场设备驱动的电压型信号需采用继电器进行隔离。数字量信号电气隔离示意图如图6所示。

图6 数字量输入输出信号电气隔离示意图

当冗余安全序列间进行信号传递时，为防止两列之间的电路的互相影响，对于列间交互的信号需要进行解耦处理[5]。可使用继电器实现解耦方案，解耦电路的电源应与待解耦电路保持充分的独立性，以确保影响解耦电路的潜在故障不会导致上级或下级电路的故障或错误。解耦电路的电缆可沿着执行解耦功能的一个安全序列的电缆槽敷设。冗余序列间的解耦电路原理图如图7所示。

图7 冗余序列间的解耦电路示意图

4.2.3 网络通信信号

安全级DCS的网络通信均通过光纤作为通信介质，可有效实现通信双方的电气隔离。当两种设备进行通讯时，发送方将信号通过电光转换模块将电信号转换成光信号，通过光纤输出给接收方。接收方通过光电转换模块将光信号转换成系统识别的电信号进行处理。采用光纤耦合器以及使用光纤作为通信介质，客观上实现了电气隔离。通信的电气隔离示意图如图8所示。

图8 网络通信信号电气隔离示意图

5 结语

本文通过对核电站安全级DCS隔离相关法规标准的分析，得出了电气设备和电路隔离的设计要求，提出了设计过程中应采取的方法和措施，并在此基础上给出了具体的实体分隔和电气隔离实现方案。该方案已在相应的压水堆项目中进行实施，其工程实施效果可实现安全级DCS电气设备和电路的独立性要求，有效提高系统的可靠性，为系统的稳定运行提供重要保证和支持。

[1] HAD 102/1. 核电厂保护系统及有关设施[S], 2008.

[2] GB/T 13284.1核电厂安全系统[S]. 第1部分:设计准则, 2008.

[3] IEEE 384. IEEE Standard Criteria for Independence of Class 1E Equipment and Circuits. 2008.

[4] GB/T 13286. 核电厂安全级电气设备和电路独立性准则[S]. 2008.

[5] RCC-E Design and Construction Rules for Electrical components of nuclear islands. 2008.

[6] 李传伟. 电气隔离在PLC控制系统上的应用[M]. 自动化技术与应用, 2007.

[7] 鲁超, 夏利民, 王庆明, 孙娇艳, 孙洪涛. 核电厂安全级DCS系统独立性设计[M]. 核科学与工程, 2012.

[8] 曾素琼. 电子电气设备的电路隔离技术探讨[M]. 低压电器, 2005.