核岛厂房防雷接地计算和电磁屏蔽分析

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 王雪粉

核电厂的防雷接地是一个非常庞大且复杂的工作，因为涉及到不同的“地”：有系统接地、屏蔽接地、保护地、防静电接地等多个不同的接地需求。接地系统设置的目的是保护设备及人身安全。当建筑物在遭受雷击时，因雷电本身带有的大电流及雷击时产生的强磁场可能会使建筑物毁坏，并对其内部的电子设备产生强烈的电磁干扰使其无法正常工作，从而发生故障或者永久性损坏，进一步可能导致核电站运行故障或者停机、停堆等严重后果，所以抵御雷击产生的电磁干扰是防雷接地系统中的一项重要内容。

本文所涉及的核岛厂房的防雷接地系统由四部分：接地主网、安全接地网、电子接地网、防雷接地网组成。应对直击雷的做法是在核岛建筑物周围设置防雷设施，在核岛厂房屋面采用避雷针或者接闪带，并在外墙内设置用热镀锌圆钢组成的间距不大于5m×5m 的法拉第笼网网格作为引下线，应对内部的雷电感应主要是做好不同接地网的等电位连接[1-2]。本文通过对这四部分接地网进行等电位连接构建的防雷接地系统的介绍，并对雷击时法拉第笼电磁屏蔽的计算，验证了利用在建筑物混凝土钢筋结构中附加的法拉第笼网对于雷击的电磁屏蔽效果。

1 防雷接地系统介绍

法拉第笼是一种用于演示等电位、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备，其笼体与大地连通，根据导体静电平衡条件，即使法拉第笼流过很大的电流但其内部物体通过的电流几乎为零，即法拉第笼是一个能导电的、内部电位为零的空心球体，在理想情况下电荷均匀分布在球体的表面，在球体里面是没有电场的，这就阻断了电磁场，起到了屏蔽作用。另外，由于电荷均匀的分布在法拉第笼球体表面，雷电流会对称流过法拉第笼内的钢筋，笼内的电磁场相互抵消，从而削弱了电磁场的干扰强度[3]。

1.1 主接地网

本文介绍的核电厂接地主网是采用185mm2裸铜缆作为主接地导体构成人工接地环网。包括：敷设于建筑物筏基层的深埋接地网，以及埋深约1米左右的浅埋接地网。核岛及其周边附属建筑物按照重要性划分为一类防雷建筑物[4]。沿着核岛厂房周围设置接地井，包括防雷接地井、接地检查井、DCS接地井三种类型，接地井与引下线每隔10米相连接。设置接地主网的目的，其一是为引下线提供接地连接，并分散沿接闪器和引下线流过的雷电流；其二是为DCS 系统提供参考电位，因DCS 系统需要可靠干净的参考电位，DCS 接地井只与DCS 接地箱和深埋接地网相连。

1.2 安全接地网

核岛建筑物内的接地环网（敷设于厂房内的接地干线）及电缆桥架上的主接地保护导体（MPC）连同设备的保护接地导体构成了安全接地网。在建筑物内电压高于50V 的电气设备的外壳、金属框架、电缆金属层、变压器中性点等均与此干线相连。接地干线的做法是，在厂房的筏基层、0m 层、屋面层采用185mm2的裸铜缆或者铜排敷设接地环网。在有桥架主接地导体的地方可与其并行敷设，没有主桥架接地线的地方可以代替桥架主接地保护导体，设备可就近接于此环网。接地干线环网在水平方向与桥架主接地导体相连，其余水平层做上下贯穿。最终在每个建筑物端部形成有2个垂直的、封闭的、用185mm2的（裸铜缆/铜排）连接的接地网，具体的做法如图1所示。

图1 安全接地网示意图

安全接地网在其环网两端至少有两点与全厂地网相连。安全接地网的引出需要借助厂房内的无载分段等电位铜排与内外连通的接地端子，内外连通接地端子的一侧与无法分段等电位铜排连接，另一端引出185mm2的接地裸铜缆最终与接地经井中的母排进行可靠连接。

1.3 电子接地网、防雷接地网

电子接地网设置的目的是为仪控系统的电子设备提供参考电位。核电厂布置有仪控系统电子设备的建筑物内，DCS 电子接地箱应通过绝缘电缆一点接入接地主网。为保证DCS 电子接地总箱的接地可靠性，DCS 电子接地总箱采用两根并联敷设的绝缘铜缆以尽可能短的路径连接至接地井，实现系统单点连接。为保证参考电位的纯净，电子接地网只与深埋接地网连接，这种连接在DCS 接地井中进行。

防雷接地网由设置在核岛厂房屋面的接闪器（避雷针或者接闪带）、外墙法拉第笼网钢筋作为引下线、连接母线和接地网组成。防雷接地系统的接闪导体和引下线接至防雷接地井。参照国标的规定，核岛厂房需满足一类防雷的要求，每10m 引下一次，因此每隔10m 设置的接地检查井和防雷接地井需要与外墙法拉第笼引下线进行可靠连接。

1.4 等电位连接

全厂防雷接地网络作为一个大系统，为保证接地网络的电气导通性，主接地网、安全接地网、电子接地网与防雷接地需要进行等电位连接。这种连接在厂房附近的接地井中进行，每隔10m 设置的接地井既能为分散和均衡雷击的大电流、又能为全厂接地网络提供连接，使得整个网络成为共用的接地网络。

2 核岛厂房法拉第笼网

核岛厂房法拉第笼网的做法是，在钢筋混凝土建筑物引入由φ10的镀锌圆钢组成的不大于5m×5m 的格栅，分别布置于建筑物的筏基层、外墙、屋面及电子敏感间，圆钢于圆钢之间采用搭接焊。为保证其电气导通性，法拉第笼网与结构钢筋每隔1m 进行绑扎[5-6]，并最终与主地网相连。布置了法拉第笼网的核岛建筑物内部相当于一个零电位的球体，笼体又可均流和分流，所以建筑物内部是没有电场和磁场的分布，从而起到电磁屏蔽的作用。

2.1 附加法拉第笼的做法

法拉第笼网设置在建筑物的筏基层、外墙结构钢筋外侧、屋面结构钢筋上部，构成的网格宽度不大于5m×5m，使建筑物外部形成一个大的导电笼体。另外，在有电气、电子设备敏感间的地板设置5m×5m 的网格，在内墙立面及地板另需设置网格大小为2m×2m 的附加法拉第笼网。地板2m×2m的附加法拉第笼网安装于楼板的二次浇筑中，并从规格5m×5m 的网格每隔5m 引上与之焊接。另从底板的5m×5m 每隔不超过2m 的距离引上一次与立面的2m×2m 网格进行连接。最后，通过预留的接地端子将此法拉第笼网引出与其他接地导体进行连接，具体如图2所示。

图2 建筑物与内部房间法拉第笼网连接示意图

其中有两种情况需要单独说明：对于上下两层均是电子敏感房间的情况，中间重叠区域楼板的法拉第笼网只做2层，分别为5m×5m、2m×2m，考虑到楼板的厚度，不再额外设置第三层2m×2m 的网格。通过5m×5m 的法拉第笼网与上下房间墙体中的法拉第笼网连接在一起；对于左右相邻房间是电子敏感房间的情况，应在两边房间墙体内侧分别装设独立的2m×2m 网格，使两个房间构成单独的网格。

2.2 法拉第笼的电磁屏蔽效果分析

在理想情况下，雷击发生时雷击感应电荷可均匀分布于法拉第笼上，其笼体与大地连通，根据导体静电平衡条件，建筑物相当于被一个等电位体封闭起来，建筑物内部的电位为零。同时，法拉第笼又作为防雷引下线，雷电流会对称流过法拉第笼内的钢筋。建筑物内部的磁场相互抵消，这就阻断了电磁场，屏蔽了雷电流引起的电磁干扰。核岛厂房的筏基、外墙、屋面分布的法拉第笼网构成了整个核岛一张完整的屏蔽外网，电子敏感间又单独构成一个小单元的屏蔽网并与外网相连，相当于有两层的屏蔽效果。下面对于屏蔽效果进行验证。

2.3 计算和分析

当雷电闪击建筑物附近时，磁场强度的计算公式应按GB50057中6.3.2如下：H0=i0/2πSa，式中：H0为无屏蔽时产生的磁场强度；i0为最大雷电流（A）；Sa为雷击点与屏蔽空间之间的平均距离。核岛厂房按照一类防雷，首次雷击电流应为200kA，其Sa的计算值根据下式得出：当H＜R时式中：H为建筑物高度，L为建筑物长度。对应一类防雷最大滚球半径R为313m。以国内某核电站核岛辅助厂房为例，其高度为H=31m，长度为L=50.4m，且H小于R。得出

IEC 61000-4-9要求，核岛厂房的电气电子设备对环境脉冲磁场强度的试验等级为300A/m。由公式倒推，进一步得出：一类防雷等级的厂房在发生雷击时且无屏蔽层的情况下，与雷击点最大安全距离Sa为106m，大于此距离时厂房内的电气设备可以避免电磁干扰。若雷击距离小于106m，此时厂房内的电气电子则将收到电磁干扰可能导致损坏。在最小雷击距离小于106m的情况下，雷电将直接击于建筑物上，造成建筑物及其内部设备的损毁和损坏。以Sa=60为例进行计算，可以得出在无屏蔽防护的时候磁场强度为：H0=200×103/2πSa=200×103/（2π×60）=530（A/m）。

在核岛厂房外部采用φ10的镀锌圆钢组成的5m×5m 的法拉第笼网时，其屏蔽效果采用公式计算：H1=H0/10SF/20，其中，SF为屏蔽系数（dB）按表1计算：其中：w为格栅屏蔽网格宽度；r为格栅屏蔽网格导体的半径（m）；w=5m，r=10/2×10-3=0.005（m），SF=20×log（（8.5/5）/=2.28。因此5m×5m 网格的电磁屏蔽结果为：H1=H0/10SF/20=530/102.28/20=413(A/m)。

表1 格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数

上述结果对于电子敏感间的设备超过了IEC 规定的300（A/M），电子敏感的设备将可能受到干扰发生故障或者损坏，影响设备正常运行。因此在核岛厂房的电气电子敏感间附加了2m×2m 的法拉第笼网，用于电磁屏蔽，其屏蔽后磁场H2计算如下：W=2m，r=10/2×10-3=0.005（m），SF=20×log（（8.5/2）因此2m×2m 网格的电磁屏蔽结果为：H2=H1/10SF/20=413/105.94/20=208（A/m）。由计算结果可以看出，利用核岛厂房内部设置的法拉第笼网可以极大地削弱雷击引起的电磁感应，对于电气电子设备起到很好的电磁屏蔽效果，从而保护电子设备免受雷击影响。

综上所述，本文通过对国内某核电站核岛厂房的一类防雷做法的计算，验证了以厂房的结构钢筋为基础设置法拉第笼网对于电磁干扰的屏蔽效果，尤其是对电磁扰动敏感的房间设置的附加法拉第笼网的必要性。计算结果表明，法拉第笼网能极大程度地削弱电磁感应的影响，将电磁感应值限制在安全范围内，从而起到保护电子设备免受雷击磁场的干扰的效果，保障核电厂电子设备的安全运行。