浅谈AP1000核电厂仪控设备接地技术

田青旺　 国核自仪系统工程有限公司

浅谈AP1000核电厂仪控设备接地技术

田青旺 国核自仪系统工程有限公司

通过参考国内外核电厂仪控设备接地技术的相关标准，分析了AP1000核电厂如何通过实施合理仪控接地方案和电缆屏蔽层两端接地技术，解决了引入数字化仪控系统（DCS）后核电厂在电磁兼容方面面临的问题，对今后新建核电项目的仪控设备接地与屏蔽方案提出了建议。

屏蔽接地；电磁兼容；仪控；DCS；AP1000

0 引言

核电厂的仪表和控制设备的接地应设计成使信号电缆中的噪声最小，并在配电系统的电路与机箱或机架之间因故障而发生电击时能对工作人员进行保护。仪控设备接地应包括以下几类接地：设备保护接地、信号接地和电缆屏蔽接地。我国现行核行业标准EJ/ T1065—1998《核电厂仪表和控制设备的接地和屏蔽设计准则》规定了核电厂仪表和控制设备的接地和屏蔽要求，定义了仪表和控制设备的接地应符合“一点接地”和“树形连接”的基本原则。

近十几年来，人们经过理论研究和工业实践发现：屏蔽接地是一点接地还是两点接地与电磁干扰的频率有关。IEEE 1100-2005的8.5.4.5条就如何选择单点接/多点接地时明确指出：当电子系统频率低于300kHz时，模拟线路推荐采用一点接地；当电子系统为MHz级数字电路时，推荐采用多点接地。

AP1000核电站引入了全套数字化控制系统，其设计控制文件虽然不遵守IEEE 1100-2005，但是其设计导则也明确规定了仪控设备接地方案和电缆屏蔽的两端接地方式（参考IEEE 1050-1996）。

1 仪控设备接地技术的演化

在核电厂中，电磁干扰/无线电干扰（EMI/RFI）会在信号线中引入非预期的电流，从而显著的影响设备运行。干扰电流体现为模拟回路中的噪声，甚至极端情况下会造成数字回路的状态翻转。

1.1单点接地

图1　典型的接地环路

由于在电源系统不同接地点和接地点土壤的电阻率各不相同，使得核电厂内不同接地点上的点位不一样。通常这些接地点之间电位差的频率为50Hz或数倍频。当一个仪表回路接到两个分离的“接地点”后，在两个接地点之间就会产生电流，从而把共模噪声叠加到正在传输的信号上，表现为噪声电位。见图1。

电厂中，影响最大的共模噪声是由电源系统的两个分离的接地点引起的接地环路对信号回路的耦合造成的。

DCS首先引入到早期的火电、化工等行业，当时的工作环境中干扰频率以低频为主，只要关注接地电阻值是否合格即可。数十年来，实践证明，屏蔽电缆在信号源处的单点接地在防止低频干扰方面是十分可靠的。欧美的核电机组多建于20世纪60至80年代，控制设备以继电器等模拟设备为主，因而屏蔽接地方面使用传统的单点接地为主。

1.2多点接地

当前，核电厂的电磁干扰主要有以下四种形式：

（1）通过设备连接电缆的电容性或电感性耦合从外界进入设备，这些干扰产生于两个设备上不同参考地之间的电位差或者远距离设备连接电缆上的电位差；

（2）人员接触控制盘、机壳或机柜时会产生静电放电干扰；

（3）对讲机、手机、广播台和电视台以及雷达站会产生电磁场辐射干扰；

（4）交流供电容易受到雷电和各种开关动作产生的浪涌干扰。

近年来，电厂接地网设计技术越发成熟，一般都采取网格型的接地设计或称为格栅形共用接地网络。接地系统的电阻值很小，这样才能在发生最大单相接地故障时，引起的对地电压升低于电厂可接受的标准。可通过IEEE 665-1995中描述的方法来降低接地电阻，考虑到中国核电厂址的实际经验和仪表接地的特殊性，AP1000项目的接地电阻要求低于0.5Ω。不同接地点间的电位差虽不能消除，但是可以达到尽量小，甚至忽略不计。仪表和控制系统都采用了高度共模抑制比的技术，可以有效控制接地环路耦合带来的共模噪声。

近10多年，大量新型电子设备及非线性电气设备的使用，核电厂中仪表和控制技术应用引入了高时钟频率/低逻辑电压电路。电厂通讯（如无线通讯等）使用的高频率（达到10GHz）传输源对核电厂的传统EMC保护方案提出了更高的挑战，传统的EMI/RFI保护方式已经落伍。这就需要一种新的接地方式以增强EMC保护原理的鲁棒性。

近代电磁干扰技术的理论研究及某些核电厂数字化仪表和控制技术的工程实践，例如田湾核电站的仪控系统是目前我国核电站首次引进的全数字化仪控系统，它由运行仪控TelepermXP和安全仪控TelepermXS两部分组成，其接地就采用多点接地为主的接地原则。红沿河一期核电厂项目（安全级DCS采用三菱MELTAC平台，非安全级控制系统平台采用广利核产品），电缆屏蔽均采用的两点接地技术，其良好的运行经验表明，两点接地技术有助于应对当今核电厂面临的EMC挑战。

2 AP1000电缆屏蔽层的多点接地技术的理论基础

排除干扰的最佳方法是将一个回路置于一个全EMC屏蔽壳之内，这种保护归咎于集肤效应。集肤效应（ skin effect）指交变电流在导体中不按导体截面均匀分布,而是集中在导体表面流动的现象。集肤效应适用于所有的导体结构，包括机柜/外壳、管道/导管及辫状屏蔽层。导体表面的电流流向接地点，以消除回路中潜在的危害。

美国电力研究协会发布了一份报告TR-102323，《核电厂电磁干扰试验导则》，提供了一种解决电磁兼容性（EMC）问题的方法，美国核管会（NRC）在1996年的安全评估报告中背书了这份报告。随后，NRC发布的管理导则1.180 R1，《安全相关仪表和控制系统电磁和射频干扰评价导则》正式建立了官方的EMC导则。两份文件都指向了IEEE Std 1050-1996，《电厂仪表控制设备接地导则》。

RG 1.180-2003立场6明确表示，鉴于高速微处理器和无线通讯技术的发展，辐射抗扰度试验应关注1GHz到10GHz高频干扰。AP1000设计导则也明确要求核电厂EMC电场干扰的试验上限是10GHz。

IEEE 1050-1996提供了核电厂接地的工业导则，其6.1节-电缆屏蔽要求中，对电缆屏蔽的接地实践提出了以下陈述：总体上，当电缆长度和信号波长比例（L/λ）大于0.15时，电缆屏蔽应该两点接地。当L=λ/4且屏蔽层仅单端接地时，电缆屏蔽层容易形成“天线效应”。当电缆相对较短且在低频环境下，电缆屏蔽层的单端接地才有效。

根据AP1000设备鉴定大纲，1GHz是电场干扰高频段的低限。

在1GHz条件下，线缆长度低于0.07495米（L=λ/4）才能有效避免前述现象（天线效应）。假定电缆长度均低于0.07495米显然是很不合常理的。我国目前主流的4G手机运行商，中国移动、中国联通和中国电信手机频段均大于1GHz。以海阳I期现场为例，用的是无线呼叫电话系统（采用Spectralink 8030的WiFi手机），机站型号AP-70，频率是2.4GHz。从网上公开的检索信息可以得知，目前，我国国内的塔台、电视台以及雷达站从几十兆到几千兆不等，也都集中在高频段。

AP1000在早期的设计中，屏蔽接地也是采用单点接地。后来，在西屋在总结对瑞典的灵哈尔斯2#（Ringhals 2）电厂仪控升级改造项目中多点接地成功经验，及研究设计控制文件中遵守的相关核管会和IEEE标准后，才通过正式变更，决定在仪控设备中采用屏蔽层的两点接地方案。

AP1000的堆外核测系统，由于监测的是低电平信号，信号线屏蔽层依然采用机柜侧单点接地的方案。这也符合EJ/T1065—1998中附录B的要求：当屏蔽电缆的屏蔽层也作为信号传输线时（如同轴/三轴电缆的屏蔽层），该屏蔽层就不应在传输的过程中与仪表系统的接地母线相连。

综上，AP1000采用的两点接地技术具备理论基础，适应当今核电厂面临的高频挑战。

3 多点接地的几个注意事项

3.1单点接地与多点接地相组合问题

IEEE 1050-2004中，提到了电缆屏蔽接地可采用单点接地与多点接地相结合的概念，见图2。电缆屏蔽一端接地，然后经过电容器连接到另一接地端；在低频段，电容有较大的阻抗，相当于开路，可以认为是一端接地；高频时，电容阻抗变小，电容器起短路作用，则成为两端接地[5]。

AP1000申请执照和系统、设备的鉴定设计是执行IEEE 1050-1996版本，所以，单点接地和多点接地相组合的问题在AP1000仪控设备工程实践中需要进一步验证。

3.2接地簇

AP1000的非安全控制系统采用Ovation平台，其接地采用接地簇的形式，机柜间串行连接在一起，最后由中心机柜接一根接地线到电厂接地网。根据工程实践，从接地柜到其他机柜的接地线最好采用星形方式，这样可以避免一个机柜出现接地故障会扩展影响到同簇内的其他机柜。

3.3机柜焊接的接地问题

AP1000仪控机柜采用焊接固定在底座槽钢上，又通过一个接地线连接到接地网。底座槽钢与电厂接地网是联通的，这样就形成了两个接地点。优点是：即使接地线故障，也存在一条备用的通过槽钢的低阻抗的泄放通道，不容易形成浮点接地；缺点是：槽钢与共用接地网的接点可能与高电压、大电流入地点（包括防雷引下线）沿接地导体的距离不足，高压系统瞬态期间的大电流或雷击浪涌可能会传递到电子设备上去。

图 2　一端和两端屏蔽接地的组合

3.4机柜上进线

AP1000项目的核岛厂房内的大量仪控机柜采用上进线方式。电缆的屏蔽层在柜顶通过EMC格兰与机柜接地。目前机柜的EMC接地点设计在机柜底部，干扰电流到大地间需要经过很长的机柜壳体，不利于柜内电子设备的电磁干扰防护。更坏情况是，若干扰电流流经机柜前门或后门时，机柜的进/出风口或风扇口会改变干扰电流的速度和方向，柜门开口破坏了电流的集肤效应并可能导致干扰电流从开口耦合进机柜内的回路中。如图3，干扰电流速度和方向改变示意图。

图3　干扰电流速度和方向改变示意图

3.5双层屏蔽电缆

AP1000建议对于单独的屏蔽绞合对组成的带有整体屏蔽的多芯电缆，整体屏蔽层应在外壳的入口处端接，单束电缆的屏蔽可以原封不动的进入机柜。

IEEE 1050-2004的6.2.8节中建议，为了达到更好的屏蔽效果，采用独立的屏蔽线对和整体屏蔽接地的双层屏蔽电缆，芯屏采用一段接地进行电磁干扰保护，总屏双端接地以保护芯屏免受高频干扰。

相比较，IEEE 1050-2004建议的双层屏蔽电缆接地方案更加好。

3.6其他

为确保屏蔽两点接地的效果，最大限度减少电磁干扰，AP1000要求:电缆的编制屏蔽层应至少具有90%的覆盖率（以增大表面积减少高频集肤效应导致的高频阻抗），并360度环形屏蔽接在仪控系统机柜上。这里之所以强调360度的连接，就是为了保证整个屏蔽体达到完全的封闭，最大限度地减少信号线受到外界干扰的可能。显然只有在电缆的两端采取相同的措施才能达到这种效果。AP1000项目的机柜或壳体还普遍使用EMC格兰，EMC格兰在周向提供整体的屏蔽接触，将电缆屏蔽层通过低阻抗接地（不大于0.1Ω）以消除干扰电流。

AP1000的仪控系统的接地线采用120mm2截面的接地铜导线。当电厂的土壤为低到中性土壤电阻率（腐蚀性特性）时，土地下面的各种金属会进行各种反应链，和钢筋、管道、地桩和地下其他金属相比，接地铜导线将成为阴极。接地铜导线尺寸≥120mm2并且不裸露的情况下可以持续到整个核电厂寿期。为确保接地系统安全有效地运行，需执行周期性的测试来检测接地电阻是否正常。检测方法为IEEE 665中的Wenner Three-Pin。

4 结束语

AP1000作为第三代核电机组，采用了全数字化的仪控系统。根据引入DCS后核电厂对高频干扰的新挑战，通过借鉴前期的核电仪控升级改造经验，在满足申请执照时提出的相关核管会和IEEE标准的前提下，设计导则上明确提出了两点接地的理念，并在设备鉴定和EMC试验时进行了验证。

目前，AP1000国内首批两个项目，海阳一期和三门一期后期并网发电后，电缆屏蔽层的两点接地技术方法即将迎来实践的进一步检验。针对上进线屏蔽与接地点距离远的问题，建议电缆敷设设计时考虑机柜底部进线的方案。

[1]IEEE Standard 1050-1996, IEEE Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations[S].

[2] EJ/T 1065-1998,核电厂仪表和控制设备的接地和屏蔽设计准则[S].

[3] 孙辉.核电厂接地设计中的关键问题[J].电力科学与工程，2014，30（7）：12-17.

[4] NRC RG 1.180-2003,Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems[S].

[5] 陈战.核电厂仪控设备接地探讨[J].电气应用，2012，22:55-59.

[6] IEEE Standard 1050-2004,IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment.

[7] 赵颖滨.核电站核岛接地的概念及基本准则[J].电气应用，2013，18：69-73.

田青旺，男，1979年生，工程师，工学学士，主要从事AP1000仪控相关工作。