基于雷電效應(yīng)談核電廠實物保護系統(tǒng)的防雷

張志林 高 偉王 慧

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.西安核儀器廠，陜西 西安 710061；3.國網(wǎng)河北邯鄲縣供電公司，河北 邯鄲 056000）

0 前言

目前，我國核電站大都分布在東部沿海一帶，受氣候環(huán)境的影響，東部沿海降雨量較大，雷電對于電力、電子系統(tǒng)的影響很大，特別是弱電控制系統(tǒng)。核電廠實物保護系統(tǒng)作為核電廠防入侵破壞的安全防范系統(tǒng)，受其設(shè)備布置及功能特點的限制，系統(tǒng)設(shè)備主要分布在核電廠廠房以外，故核電廠廠房防雷系統(tǒng)無法實現(xiàn)對實物保護系統(tǒng)的防雷控制。隨著核電廠實物保護系統(tǒng)的運行經(jīng)驗積累，實物保護系統(tǒng)防雷的可靠性已經(jīng)作為新的課題擺在了設(shè)計、建造和運行管理人員面前。

1 雷電的危害

1.1 雷電對電力、電子系統(tǒng)的危害

雷電對電力、電子系統(tǒng)的危害包括：直擊雷、雷電波侵入、感應(yīng)過電壓、地電位反擊。

1.2 浪涌的產(chǎn)生

1.2.1 浪涌的定義

浪涌也叫突波，是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流、電壓波動，發(fā)生在僅僅百萬分之一秒時間的一種劇烈脈沖。它包括浪涌電壓和浪涌電流。

1.2.2 浪涌的產(chǎn)生（表1）

浪涌的產(chǎn)生來源分為外部（雷電原因）和內(nèi)部（電氣設(shè)備啟停和故障等）。所以說，雷電是浪涌產(chǎn)生的外部原因。

表1 浪涌產(chǎn)生的原因

2 實物保護系統(tǒng)防雷

2.1 實物保護系統(tǒng)及雷電危害

2.1.1 實物保護系統(tǒng)的組成

核電廠實物保護系統(tǒng)是核材料管制安全的重要組成部分，也是核電廠防范惡意人員入侵及破壞的重要技術(shù)措施。核電廠實物保護系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界入侵報警系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、內(nèi)部通訊系統(tǒng)、安保照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、集成控制與管理系統(tǒng)七部分組成。

2.1.2 雷電對實物保護系統(tǒng)的危害

雷電由實體保護線路入侵（圖1），可分為三種情況：

1）室外傳輸線路受到雷擊。當(dāng)?shù)孛嫱怀鑫镌庵睋衾状驌魰r，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路。

2）雷電帶來的電磁脈沖輻射。雷云對地面放電時，在線路上感應(yīng)出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設(shè)備，通過設(shè)備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。

3）地電位反擊。若通過一條多芯電纜連接不同來源的導(dǎo)線或者多條電纜平行鋪設(shè)時，當(dāng)某一導(dǎo)線被雷電擊中時，會在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過電壓，擊壞低壓電子設(shè)備。

圖1 雷電對實物保護系統(tǒng)的入侵

2.2 實物保護系統(tǒng)防雷要求

根據(jù)實物保護系統(tǒng)的特點，易被雷擊損壞的設(shè)備進行防雷，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GS 50057-2010（2010年版）對實物保護系統(tǒng)提出了具體的防雷設(shè)計要求。

2.2.1 周界入侵報警系統(tǒng)防雷要求

周界入侵報警系統(tǒng)防雷要求：

1）周界入侵報警系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)設(shè)置等電位接地。

2）周界入侵報警系統(tǒng)電纜由室外進入室內(nèi)時 ，應(yīng)在敷設(shè)線纜兩端設(shè)置浪涌保護器。

3）微波探測器、多普勒探測器、紅外對射探測器、張力鐵絲Y16控制板輸入和輸出線路均設(shè)置防雷保護器。

2.2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)防雷要求

視頻監(jiān)控系統(tǒng)防雷要求：

1）視頻信號防雷器，主要對視頻同軸線路過壓、限流保護，給室外攝像機作防雷保護。

2）控制信號防雷器，主要對RS422/485信號防雷保護。3）電源防雷器，主要對視頻監(jiān)控系統(tǒng)供電部分進行防雷。

2.2.3 內(nèi)部通信系統(tǒng)防雷要求

保安內(nèi)部通信系統(tǒng)具有語音通訊、過濾、防雷及對外通信接口等功能，應(yīng)對對講用戶終端進行防雷設(shè)計。

2.2.4 出入口控制系統(tǒng)防雷要求

1）系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置等電位接地。

2）出入口管理系統(tǒng)電纜由室外進入室內(nèi)時，應(yīng)在線纜兩端設(shè)置浪涌保護器。

3）旋轉(zhuǎn)門讀卡器控制板和門禁控制板應(yīng)具有防雷保護。4）出入口控制系統(tǒng)計算機通信網(wǎng)絡(luò)交換機具有防雷保護。

2.2.5 實物保護系統(tǒng)供電系統(tǒng)防雷要求

實物保護系統(tǒng)的供電系統(tǒng)需要有三級電源防雷保護。即一級電源電涌保護器、二級電源電涌保護器、三級電源電涌保護器保護。

2.2.6 實物保護系統(tǒng)防雷接地要求

實物保護系統(tǒng)的設(shè)備必須采取等電位連接與接地保護措施。實物保護系統(tǒng)設(shè)備防雷接地與交流電工作接地、直流電工作接地、安全保護接地采用聯(lián)合接地，接電電阻應(yīng)小于1歐姆。

2.3 實物保護系統(tǒng)防雷措施（圖2）

實物保護系統(tǒng)防雷可采用兩種措施，即外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷可將絕大部分雷電流直接引入地下泄散；內(nèi)部防雷可阻塞沿電源或信號線所引入的雷電波。這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。

圖2 實物保護系統(tǒng)防雷的組成

2.3.1 實物保護系統(tǒng)外部防雷

實物保護系統(tǒng)外部防雷主要是指建筑物的防雷，如實物保護系統(tǒng)機房防雷，保護實物保護系統(tǒng)弱電設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)通訊的安全，一般是防護直擊雷，其技術(shù)措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器）、引下線、接地體等。

外部接地電阻應(yīng)符合相關(guān)標準，防雷接地一般為1Ω。對某些設(shè)備制造廠商有特殊接地要求的，應(yīng)將其接地與其它接地類型分開以避免電磁干擾和地電位升高。但當(dāng)有雷電對地釋放時，高電壓將通過接地線反擊設(shè)備，因此對于這種情況宜在防雷接地和其他接地之間加裝地電位均衡器，避免反擊現(xiàn)象。

2.3.2 實物保護系統(tǒng)內(nèi)部防雷實物保護系統(tǒng)內(nèi)部防雷分為電源防雷和信號防雷兩種。1）電源防雷

電源系統(tǒng)受到雷擊入侵的可能性最大，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GS 50057-2010（2010年版）的防雷要求，對電源系統(tǒng)實施三級保護。

第一級：在保衛(wèi)控制中心（實物保護系統(tǒng)的中央處理和管理中心）總配電柜安裝三相電源防雷器，可將數(shù)萬伏的過電壓初步限制到2500V 以內(nèi)，通過容量（8/20μs）40KA-80KA。

第二級：在輸出配電柜（箱）的設(shè)備前安裝三相電源防雷器，可將通過第一級釋放后的過電壓進一步限制到1800伏內(nèi)，通流容量（8/20μs）：20KA-40KA。

第三級：對實保衛(wèi)控制中心各系統(tǒng)工作站及控制系統(tǒng)需要保護的重要設(shè)備如：交換機、門禁控制器、周界探測控制單元、UPS、攝像機等等，可將通過第二級后的過電壓限制到800伏內(nèi)（IEC標準要求限制在 900 伏以內(nèi)）通流容量（8/20μs）：10KA。

2）信號防雷

（1）報警系統(tǒng)：如果是有源報警信號，在報警傳輸線上配置信號防雷器；如果是無源（通常稱：干接點）報警信號，在報警傳輸線上不需要進行信號防雷器。

（2）集成控制與管理系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作站、服務(wù)器等重要設(shè)備配置網(wǎng)絡(luò)防雷器進行保護。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的室外視頻傳輸設(shè)備配置同軸信號防雷器進行保護（不包括光纖傳輸?shù)臄z像機）。

2.3.3 實物保護系統(tǒng)防雷接地

實物保護系統(tǒng)接地是雷電保護、過電壓保護、靜電保護等的基礎(chǔ)，良好的接地系統(tǒng)可以使設(shè)備的工作和數(shù)據(jù)的傳輸更為安全可靠，防雷接地為1Ω。

地電位處理有以下三種：

1）防雷接接地與其它機房接地應(yīng)嚴格分開。

2）由于環(huán)境、場地等限制，在實際中難以保證做到國家有關(guān)標準要求的距離（一般約在20-30m以上），造成兩個建筑物之間的地電壓差較大，因此應(yīng)做地電位均衡器處理。

3）在建筑物與建筑物之間的接地網(wǎng)加裝地電位均衡器處理，以保證雷擊瞬間各地電網(wǎng)間達到等電位平衡。

3 結(jié)論

隨著通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機應(yīng)用系統(tǒng)、電子集成電路在實體保護系統(tǒng)大量使用，雷電在核電廠實物保護系統(tǒng)中造成的風(fēng)險越來越嚴重。以往的防護體系已不能滿足通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機、電子集成電路等安全的要求。從單純一維防護（避雷針引雷入地-無源防護）轉(zhuǎn)為三維防護（有源和無源防護），即從防直擊雷、防感應(yīng)雷電波浸入、防雷電電磁感應(yīng)、防地電位反擊等多方面作系統(tǒng)綜合考慮。

［1］建筑物防雷設(shè)計規(guī)范 GS 50057-2010[S].2010.

［2］李翔超.電涌保護器(SPD)原理與應(yīng)用[M].氣象出版社.