CPR1000核電廠核島防雷接地設(shè)計(jì)

梁　偉

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518057）

CPR1000核電廠核島防雷接地設(shè)計(jì)

梁偉

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518057）

目前，CPR1000核電廠主流的核島防雷接地設(shè)計(jì)方案有兩種：一種是以日本三菱公司為代表的方案，強(qiáng)調(diào)DCS的獨(dú)立性；另一種是以德國西門子公司為代表的方案，強(qiáng)調(diào)接地系統(tǒng)的等電位聯(lián)結(jié)。二者均有廣泛而成功的實(shí)踐，也各有利弊。實(shí)際接地方案的設(shè)計(jì)，要結(jié)合DCS廠商的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于防雷接地為先行隱蔽工程，施工時(shí)，DCS供應(yīng)商尚未提出防雷接地設(shè)計(jì)要求，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會帶來較大的改造困難。文章通過介紹兩種方案的原理，分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出“地下部分標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，地上部分根據(jù)DCS供應(yīng)商要求調(diào)整安裝”的設(shè)計(jì)方案，并分別采取安裝電壓限制器和分區(qū)分層布置的方式，來彌補(bǔ)各自的不足。目前，采用兩種設(shè)計(jì)方案的核電廠均已正常發(fā)電，防雷接地效果良好。

防雷；接地；DCS；核電廠；等電位聯(lián)結(jié)

目前，我國有多座在運(yùn)和在建的核電廠采用了CPR1000（中國改進(jìn)型壓水堆）設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案已成為國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的核電設(shè)計(jì)方案之一。相對于大亞灣核電廠所采用的M310設(shè)計(jì)方案而言，CPR1000采取了多項(xiàng)重大改進(jìn)，其中最重要的改進(jìn)之一便是采用了DCS。與火電廠使用的DCS相比，核電廠DCS系統(tǒng)更加龐大和復(fù)雜，對安全性、可靠性的要求更高，世界上僅有少數(shù)幾家廠商可以滿足核電使用要求。因此，核島防雷接地設(shè)計(jì)方案需根據(jù)DCS供應(yīng)商的要求，進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。

由于干擾源種類較多，不確定性大，難以量化比較，導(dǎo)致防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，目前尚無各方一致認(rèn)可的完美方案，各種方案均有或多或少的不足。在國際上，DCS供應(yīng)商設(shè)計(jì)理念也有分歧，導(dǎo)致存在兩種主要的防雷接地設(shè)計(jì)方案，給工程實(shí)踐帶來了麻煩。防雷接地設(shè)施為隱蔽工程，施工較早，后期更改麻煩。為避免兩種方案帶來難以變更的影響，CPR1000核電廠采取了“地下部分標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，地上根據(jù)需要調(diào)整安裝”的方案，較好地解決了不同方案的兼容問題。在設(shè)計(jì)中，注意到不同方案之間的缺陷，也采取了相應(yīng)的彌補(bǔ)措施。

1　主要防雷接地設(shè)計(jì)方案

在IEC61000-5-02《電磁兼容》第5部分，第2節(jié)——《接地和布線》5.3.1中介紹了兩種可采用的防雷接地設(shè)計(jì)方案。

方案一：電源地、干凈地（儀控設(shè)備地）、防雷接地共用一個(gè)接地極網(wǎng)，但地上部分相互絕緣，強(qiáng)調(diào)不同“地”之間的相對獨(dú)立。相應(yīng)地，其儀控設(shè)備工作地要求采用絕緣電纜，信號電纜的屏蔽層采用單端接地，最終組成單點(diǎn)接地的“樹型”儀控設(shè)備接地系統(tǒng)。該接地方案目前的接受程度最高，技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛，中國、美國、日本等國的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均推薦采用此方案，如：EJ/T 1065-1998《核電廠儀表和控制設(shè)備的接地和屏蔽設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》。以西屋電氣、三菱重工為代表的DCS供應(yīng)商也采用此方案。接地方案一如圖1所示。

圖1　接地方案一Fig.1　Earthing method 1

方案二：電源地、干凈地、防雷接地共用一個(gè)接地極網(wǎng)，電源、電子設(shè)備在地面以上仍然共用接地網(wǎng)，當(dāng)建筑物為多層時(shí)，防雷接地在地面上也與其相連，該方案更強(qiáng)調(diào)等電位連接。相應(yīng)地，儀控設(shè)備工作地等不需要采用絕緣電纜，可以在地面上就近連接。儀控設(shè)備工作地、屏蔽地、保護(hù)地可以在機(jī)柜內(nèi)連接后就近接地，電纜屏蔽層采用雙端接地。這種方案為IEC61000-5-2主推方案。在以法國、德國為首的歐洲國家接受程度較高，中國的GB 50057-1994《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（2000年版）也推薦此方案。嶺澳二期工程的DCS供應(yīng)商西門子公司采用此方案。接地方案二如圖2所示。

2　兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)

圖2　接地方案二Fig.2　Earthing method 2

上述兩種方案的關(guān)鍵分歧在于三種“地”在地面上，要不要電氣隔離以及電纜屏蔽層采用單端接地還是雙端接地。

如果地上部分在干凈地和電源地之間采取了電氣隔離，則最大的危害是強(qiáng)電磁干擾下的閃擊問題。因?yàn)殡娫吹睾透蓛舻卦诘叵虏糠质窍噙B的，而地上部分沒有電氣連接。這樣，二者的接地導(dǎo)線便組成一個(gè)環(huán)路，在二者接近的地方，如儀控設(shè)備內(nèi)部，則可能發(fā)生火花放電，如圖3所示。

圖3　方案一存在的閃擊問題Fig.3　 The problem of earthing method 1

根據(jù)GB 50057中給出的公式6.3.2.-1和附7.1，不考慮墻體屏蔽效果的情況下，可以計(jì)算出環(huán)路的電壓［1］。

式中：H0——無屏蔽時(shí)，雷電閃擊在某處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度（A/m）；

i0——雷電流（A）；

S0——雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的平均距離（m）；

Umax——最大開路電壓（V）；

μ0——真空的磁導(dǎo)系數(shù)，其值等于4×π×10-7；

b——環(huán)路的寬（m）；

l——環(huán)路的長（m）；

Hmax——計(jì)算范圍內(nèi)的最大磁場強(qiáng)度；

T1——雷電流的波頭時(shí)間（s）。

由于CPR1000核電廠的儀控設(shè)備主要布置在15.5 m。取環(huán)路的典型寬度為20 m，高度為15 m。核島采用二類防雷設(shè)計(jì)，按照GB 50057，附表6.1選取其雷電流幅值為150 kA，波頭時(shí)間為10 μs。

代入式（1）和式（2）后，可以計(jì)算出離雷擊點(diǎn)不同距離的環(huán)路電壓，見表1。

從表1中可以看出，如果雷擊點(diǎn)發(fā)生在離環(huán)路10 m遠(yuǎn)的地方，在環(huán)路上可以產(chǎn)生高達(dá)90 kV的電壓，足以擊穿低壓控制回路和保護(hù)接地之間的絕緣。實(shí)際上因?yàn)閴w屏蔽的原因，一般達(dá)不到該數(shù)值，但仍可能產(chǎn)生足以擊穿低壓電纜絕緣的電壓。

如果采用方案二，則帶來的最大問題是相互干擾。特別是電動機(jī)等設(shè)備啟動、短路時(shí)，會在接地線上產(chǎn)生一定的干擾電流，從而影響到儀控設(shè)備的工作。

對于電纜屏蔽層的接地問題，根據(jù)已有的研究，人為單端接地具有較好的抗工頻干擾能力，不會在屏蔽層產(chǎn)生環(huán)流，但抗高頻干擾較差；雙端接地具有較好的抗高頻干擾能力，但抗低頻干擾能力不足，并可能會在屏蔽層產(chǎn)生環(huán)流［2］。因此，高頻干擾嚴(yán)重的情況下，宜采用雙端接地，反之則宜采用單端接地。GB 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.6.9條規(guī)定［3］如下：

1）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的模擬信號回路控制電纜屏蔽層，不得構(gòu)成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，應(yīng)集中式一點(diǎn)接地。

表1　離雷擊點(diǎn)不同距離下的環(huán)路電壓Table1　 The loop voltage at different distances from the lightning striking points

2）集成電路、微機(jī)保護(hù)的電流、電壓和信號的控制電纜屏蔽層，應(yīng)在開關(guān)安置場所與控制室同時(shí)接地。

3）除上述情況的控制電纜屏蔽層，當(dāng)電磁感應(yīng)的干擾較大時(shí)，宜采用兩點(diǎn)接地；靜電感應(yīng)的干擾較大時(shí)，可采用一點(diǎn)接地。

方案一應(yīng)用比較廣泛、成熟，接受程度較高，單端接地的屏蔽層對低頻干擾有較好的屏蔽作用且不會產(chǎn)生環(huán)流；但其抗高頻干擾能力差，在雷電情況下可能會導(dǎo)致干凈地和電源地之間火花放電。對工程而言，該方案還導(dǎo)致接地系統(tǒng)安裝復(fù)雜，接地線可能過長，產(chǎn)生“天線效應(yīng)”，從而耦合電磁干擾或阻礙接地線上的高頻信號散流入地［4］。

方案二比較符合現(xiàn)代防雷接地理念，雙端接地的屏蔽層對高頻干擾屏蔽效果較好；但該方案抗工頻干擾能力差，接受程度低，普遍擔(dān)憂屏蔽層會產(chǎn)生環(huán)流，以及電源地和防雷接地流經(jīng)大電流時(shí)，對儀控設(shè)備產(chǎn)生干擾和沖擊，但I(xiàn)EC61000-5-2的分析認(rèn)為通過分層、分區(qū)布置，可以解決此問題。對工程實(shí)踐而言，該方法安裝比較簡單，所有設(shè)備可就近接地。

3　CPR1000核電廠核島采取的方案

上述兩種方案，在不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，選擇傾向不同，實(shí)踐中都廣泛采用，但都存在一定的缺陷。CPR1000核電廠接地方案設(shè)計(jì)中，因DCS供應(yīng)商理念的差別，兩種方案都有采用，但采取了相應(yīng)的彌補(bǔ)措施，以達(dá)到最優(yōu)的接地效果。

在嶺澳二期核島防雷接地方案的設(shè)計(jì)中，采用了方案二為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念。核島接地系統(tǒng)包括深埋接地、淺埋接地、室內(nèi)接地網(wǎng)及相應(yīng)的接地連接。

深埋接地是位于核島負(fù)挖區(qū)最底部的接地極網(wǎng)，埋深約為10 m；淺埋接地是位于地坪以下1 m的常規(guī)接地極網(wǎng)。室內(nèi)接地網(wǎng)則是位于建筑物內(nèi)的用于各種設(shè)備接地的裝置。其中，淺埋接地直接與防雷接地引下線和深埋接地相連，深埋接地還通過若干引上線和室內(nèi)接地網(wǎng)直接相連，如圖4所示。

此外，墻體內(nèi)的鋼筋網(wǎng)也與室內(nèi)接地網(wǎng)相連，以增強(qiáng)屏蔽作用和有利于各種電流的消散。不同類型的供用電設(shè)備采用分區(qū)、分層布置的方式，以減少相互間的干擾。電纜屏蔽層采用了雙端接地，以防止高頻干擾。防雷接地接閃器及引下線與淺埋接地網(wǎng)相連，在地下部分與全廠接地系統(tǒng)相連，并與其他設(shè)備接地的入地點(diǎn)保持足夠遠(yuǎn)的電氣距離（一般要求大于15 m）。

圖4　嶺澳二期接地系統(tǒng)示意圖Fig.4　The sketch of the earthing system used in Ling Ao NPP

在后續(xù)CPR1000系列核電廠的建設(shè)中，DCS供應(yīng)商由西門子公司換成了三菱公司。根據(jù)DCS供應(yīng)商的要求，DCS防雷接地部分采用了方案一為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念。方案一和方案二的地下接地部分基本相同，全廠共用一個(gè)接地網(wǎng)，不區(qū)分電源地和儀控設(shè)備地。主要區(qū)別是在地上部分，方案一強(qiáng)調(diào)儀控系統(tǒng)的獨(dú)立性，儀控設(shè)備接地與其他接地分開，儀控電纜屏蔽層采用單端接地。

最初，供應(yīng)商要求從淺埋接地網(wǎng)引出單獨(dú)的接地點(diǎn)，供DCS系統(tǒng)接地使用。但該做法工程量較大，需要在核島墻體上穿孔，在室外做接地井，引起較大的設(shè)計(jì)和施工變更。

為了減少對工程的影響，設(shè)計(jì)方提出將2個(gè)深埋接地引上線改為DCS專用，剩余10余條深埋接地引上線可以滿足其他設(shè)備接地的需要。這樣只用調(diào)整一下安裝，便可以滿足DCS的要求。深埋接地網(wǎng)遠(yuǎn)離防雷引下線入地點(diǎn)，受雷電影響小，相比淺埋接地網(wǎng)，更加“純凈”，也避免了給工程帶來較大的變更。

在新CPR1000核電廠的設(shè)計(jì)中，核島防雷將地面以下部分的接地網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整室內(nèi)的安裝方式來滿足兩種方案的要求。

如果采用方案一的設(shè)計(jì)理念，可增加深埋接地引上線的數(shù)量，引上后，一部分與獨(dú)立的接地端子箱連接，專用于DCS系統(tǒng)接地，滿足儀控設(shè)備接地的獨(dú)立性。接地線應(yīng)盡可能短，以抑制“天線效應(yīng)”。同時(shí)，為避免可能造成的破壞性火花放電，在DCS機(jī)柜內(nèi)“干凈地”和“電源地”之間設(shè)置了電壓限制器。正常狀態(tài)下，二者之間絕緣，避免了相互干擾；當(dāng)二者之間的電壓達(dá)到一定值，便自動導(dǎo)通，避免火花放電，從而彌補(bǔ)了方案一的不足，見圖5?？刂齐娎|屏蔽層仍采用單端接地，但DCS所在房間的墻內(nèi)鋼筋應(yīng)焊接，組成法拉第籠，以屏蔽外界雷電流等帶來的電磁干擾。

圖5　干凈地和電源地間的電壓限制器Fig.5　The voltage limitator between clean earth and power earth

如果采用方案二的設(shè)計(jì)理念，儀控設(shè)備與強(qiáng)電設(shè)備應(yīng)布置在不同的廠房，并且相互之間盡可能遠(yuǎn)離。這樣，電動機(jī)啟動、或強(qiáng)電設(shè)備發(fā)生短路導(dǎo)致產(chǎn)生大的接地電流時(shí)，可以在傳達(dá)到儀控設(shè)備接地系統(tǒng)之間前基本消散。電纜采用雙端接地，所有不帶電導(dǎo)體、電纜橋架、設(shè)備金屬外殼等均應(yīng)接地，以構(gòu)成更多電氣通路，減少電纜屏蔽層的環(huán)流。

目前，已運(yùn)行的CPR1000核電廠中，嶺澳二期采用了方案二的設(shè)計(jì)理念加上述改進(jìn)，紅沿河核電廠、寧德核電廠采用了方案一的設(shè)計(jì)理念加上述改進(jìn)，兩種方案下均運(yùn)行良好。

4　結(jié)論

1）由于DCS供應(yīng)商的不同，CPR1000核電廠核島分別采用兩種不同的防雷接地設(shè)計(jì)方案。

2）方案一強(qiáng)調(diào)“干凈地”的概念，在一般情況下，可減少不同系統(tǒng)接地系統(tǒng)間的干擾，但可能會導(dǎo)致強(qiáng)電磁干擾情況下的火花放電以及天線效應(yīng)。通過設(shè)置不同“地”之間的電壓限制器，可以避免這一情況。

3）方案二強(qiáng)調(diào)“等電位”的概念，可以避免強(qiáng)電磁干擾情況下的火花放電，對高頻電磁防護(hù)效果更佳。通過分層、分區(qū)布置，可以避免不同“地”之間的干擾。

4）通過地下部分標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，地上部分根據(jù)DCS供應(yīng)商要求調(diào)整安裝的方式，可以同時(shí)滿足兩種設(shè)計(jì)方案。

［1］ 中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2001.（Ministry of Mechanical Industry. Design Specifications for Building Lightening Protection［S］. Beijing： China Plan Press， 2001.）

［2］ 何金良，曾嶸. 電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.（HE Jin-liang， ZENG Rong. Grounding Technique of Electric Power System［M］. Beijing： China Science Press， 2007.）

［3］ 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2008.（China Electricity Council. Design Specifications for Electric Power Cables ［S］. Beijing： China Plan Press， 2008.）

Introduction of Lightning Protection and Grounding for Nuclear Island of CPR1000 Nuclear Power Plant

LIANG Wei
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518057， China）

There are two kinds of lightning protection and grounding methods for nuclear island of CPR1000 nuclear power plant. The design recommended by Japanese supplier Mitsubishi emphasizes that the DCS signal grounding system should be independent with the power grounding. The design recommended by German supplier Siemens emphasizes that all equipments should be connected to make equipotential bonding. They are both widely adopted and have their advantages and disadvantages. The application of grounding method is largely decided by the requests of the DCS supplier. As the design and construction of grounding system will be on the earlier stage of a project， it may cause problems if the DCS supplier changes its request. The paper will introduce the two kinds of design and there advantages anddisadvantages， then introduces a method which will only adjust the devices above the ground and be compatible with the two kinds of design. Voltage limiting device and different zones for electrical and electronic should be applied in order to minimize the disadvantage of them.

lighting protection； grounding； DCS； nuclear power plant； equipotential bonding

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0371-05

TL37

A

1674-1617（2015）04-0371-05

2015-10-28

梁 偉（1983—），男，河南人，工程師，大學(xué)本科，從事核電廠電氣一次設(shè)計(jì)和研究工作。