核電廠接地設計中的關鍵問題

孫 輝

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳518057)

0 引言

在一個電廠項目的設計過程中，會遇到各種類型的接地概念，比如防雷接地、電源中性線接地、設備外殼接地、電纜屏蔽接地、電子設備邏輯接地等等。經典的“地”的定義是:一個等電位的點或等電位的面。除了為供電系統或電子電路提供參考電位之外，接地系統的作用可以大致分為兩方面:一方面是從人身安全和設備保護的角度出發。當發生雷擊或電源系統接地故障時，將故障電流快速泄放進大地，保證建筑物內人能夠接觸到的一切導電物體都與大地保持連接，設備外殼與大地之間的電位差以及建筑物內感應產生的跨步電壓限制在人體安全范圍之內;另一方面則與電磁兼容(EMC)設計有關。根據電磁兼容(EMC)定義:設備或系統在其電磁環境中正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力［1］。用通俗的語言說，設備自身能在規定的電磁環境中正常工作，不受其他設備的干擾，也不對環境或其他設備造成不允許的干擾。接地與EMC 之間的關系是通過良好的接地系統設計保證一個系統內不同點的參考地電位差盡可能小，從而不影響電子設備的正常工作，并提高電子設備的抗電磁干擾能力。

多數情況下，來自安全與電磁兼容兩方面的設計要求是一致的，但如果存在沖突，必須優先滿足安全方面法規要求。本文將主要從EMC 方面考慮接地設計。

隨著核電廠自動控制水平的不斷提高，數字化控制系統DCS 的普及，大量的敏感控制設備和傳感設備得到了應用，這些設備在外界干擾和沖擊前變得越來越脆弱。現在基于微處理器的控制系統已經全面替代了早期的電磁或模擬設備。這些采用數字總線架構的設備，工作電平非常低，而且為了實現更小的尺寸、降低功耗，工作電平仍會繼續降低。這種結構對干擾更敏感，往往只需要很少的能量就能夠改變其狀態，而且干擾的后果無法預測。特別是有些產品采用注塑外殼代替金屬機架和機箱，這就大大降低了對內部電路的保護程度。根據電廠的管理要求，進入核電廠的重要區域后不能使用手機等無線通信設備，就是出于減少外界干擾源對電子設備產生不利影響的考慮。

而與之相對應的卻是，外界可能的干擾源越趨復雜［3］。通常將變化頻率小于1 kHz 的信號稱為低頻信號，而將變化頻率大于10 kHz 的信號稱為射頻信號(RF)。針對不同頻率的干擾源通常認為需要采取不同的接地設計方案［4］。隨著現代電子技術的發展，微處理器、無線通訊、高頻開關電子設備、變頻調速傳動設備等得到了廣泛的應用。這些設備的共同特點都是需要工作在150 kHz 以上的射頻范圍，而且這個趨勢繼續在發展，比如蜂窩移動電話系統工作在2 000 MHz 附近。因此從EMC 的角度來說，需要考慮的頻率已遠不是傳統的工頻范圍，而是范圍更廣、頻率更高的射頻范圍。這些因素導致接地設計領域的一些傳統做法未必能夠很好地滿足今天現實的需要。為此，適應新形式的EMC 標準逐漸成為各國的強制性標準，而接地設計作為實現EMC 目標的重要手段之一，其作用日益突顯出來。如果接地系統的設計存在缺陷，將對電力設施的安全運行帶來不利影響［3，6］。

嶺澳二期核電廠是國內首個采用DCS 的核電項目，其參考的堆型大亞灣和嶺澳一期均沒有DCS，控制設備以繼電器等模擬設備為主，因而接地方面的設計標準并未太多考慮DCS 等敏感電子設備在電磁兼容方面的特殊要求。在項目設計初期，即對引入DCS 后核電廠在防雷和接地設計方面面臨的新問題進行分析，結合DCS 供應商產品的技術要求及最新的IEC 相關標準開展研究，最終形成了基于IEC61000 系列標準的接地設計方案。

1 共用接地網絡

1.1 不同的接地網絡設計概念

按照接地線連接設備的不同，可以將接地分為防雷接地、電源接地和電子設備接地。傳統觀念認為，電子設備非常敏感，不宜與其他兩種接地設備共用接地電極，為此專門設計獨立接地系統，試圖為電子設備提供一個“干凈”的接地環境［7］，如圖1 所示。這實際上并不能提高電子設備的EMC 能力，更重要的是它存在嚴重的安全隱患。由于不同的安裝設備之間總能通過大地、雜散電容、設備之間的感應等實現電磁方面的聯系，完全獨立的專用接地系統無法真正實現。這樣在發生雷擊或大電流故障情況下，專用接地電極與設備之間可能產生危險的瞬態電壓。因此這種接地系統已經不被最新的標準推薦。

圖1 錯誤的獨立接地網絡設計概念示意圖

另一種接地設計思路是將防雷、動力電源和電子設備分別組成3 個獨立的接地網絡，最后連接到公共點通過單一的接地電極接地，即傳統設計上普遍采用的單點接地(也稱作星型接地)，如圖2 所示。這種設計在工頻信號下可以滿足安全方面的要求，但是遇到高頻信號時，它無法滿足EMC 的要求，因此也不被EMC 的標準所推薦。

圖2 星型接地網絡設計概念示意圖

目前普遍推薦的接地系統設計方案是共用接地網絡，即無論什么設備需要接地，都只需就近接入到共用接地網絡上［8，9］。由于接地網絡是共用的，從全廠范圍來看，其必然是一種分散接地方案。為了減少接地電阻并盡量保持不同接地點之間的電位相等，一般都采取網格型的接地設計，或稱為格柵形共用接地網絡。圖3 是這種接地方式的示意圖。

格柵形共用接地網絡作為全廠接地系統的一部分，它需要和廠房的防雷接地網及深埋接地網的接地電極相連。一般來說，對于高層建筑物接地網絡與防雷接地網每隔15～20 m 高度就增加一處連接。各個接地電極之間互連構成深埋接地網，接地網絡與防雷接地網、深埋接地網保持多點連接，由此各種接地系統可以相互連接構成全廠的共用接地網絡。

圖3 推薦的格柵形共用接地網絡示意圖

1.2 格柵形共用接地網絡的實現

格柵形共用接地網絡這種接地方式不僅在50 Hz信號下能獲得非常低的接地阻抗，而且在射頻信號下也能獲得低阻抗(取決于網格尺寸)。由接地導體構成的網格間距越小，其接地阻抗也就越小，這意味著能夠控制系統中更高頻的射頻(RF)電流。

大電流的設備需要設計更小的網格來防止大故障電流可能引起的危險跨步電壓或接觸電壓。使用高頻信號的電子設備(比如計算機或通訊系統等)以及敏感的儀器儀表也需要更小的網格設計(通常小于600 mm)降低外來高頻信號的干擾，保證不同電子設備之間的地電位差小到可以滿足設備規范的要求。

采用網格接地設計可以實現低接地阻抗，保證不同接地點間的電位盡量均衡，減少地電位的提升，從而避免設備承受過電壓沖擊的危險。比如，為了防止雷電感應電壓的沖擊，一般推薦的網格接地系統的網格間距在任何方向都不大于4 m。

從圖3 可以看出，這種接地方式是立體的、三維的，理想的接地網絡應該是由大量的小接地環路組成。在電廠內可以利用多種手段來構建接地網絡。首先是建筑物的各種自然金屬結構，比如混凝土結構內的鋼筋、電梯軌道、吊車、金屬地板、金屬門框架、設施管道、電纜橋架等內部導電物，都通過最短路徑連到最近的等電位連接帶，各導電物之間根據需要可以附加多次相互連接。建筑物內導電設備之間的等電位連接要求來源于防雷方面的規范要求，其本來目的是為了防止雷擊或雷擊電磁脈沖對人身和設備產生危害，但這無意中已構成了格柵形接地網絡的雛形。

1.3 格柵形共用接地網絡優于星形接地網絡

星形接地是一項傳統的設計方法，如果采用它就無法實現電纜屏蔽層的兩端接地，從而無法獲得最佳的EMC 效果;而且它不能保證電子設備免受過電壓的沖擊。

采用星形接地的最主要理由是避免信號線中產生環流噪聲，但實際上，如果導體(包括鋼結構、金屬管道、托盤等)的長度超出了環境中射頻干擾信號波長的一半，則無論導體的接地方式如何，一端接地還是兩端接地，射頻干擾信號都將在其中感應出明顯的電流。很多時候，由于雜散電容和雜散電感的存在，一個系統中高頻電流已經占到主導地位。而星形接地和屏蔽電纜單端接地設計，就很容易判斷出它只適用于射頻信號還很不普遍的年代。到了電子技術以及無線通訊技術迅速發展的今天，對接地系統設計進行改進是必然的。核電廠的廠房設計為了防范雷電干擾的影響，一般都在重要子項廠房的墻內埋設金屬導體以形成法拉第籠的設計結構，這會讓格柵形共用接地網絡更易于實現。

2 電纜屏蔽接地

采用屏蔽電纜傳輸控制、測量等弱電信號是普遍的做法，但對于屏蔽電纜的屏蔽層接地卻有不同的做法。

電纜屏蔽效果的好壞主要取決于其屏蔽層整體(包括端接頭)的表面轉移阻抗ZT，ZT值越低代表其屏蔽效果越好。不同類型的電纜由于其屏蔽線材料和結構的不同，ZT值先天就差異很大，比如采用銅帶屏蔽的電纜，由于全長范圍都不存在開孔，屏蔽效果自然最佳。干擾源的頻率范圍對ZT也有很顯著的影響。在比較高的頻率范圍，電纜屏蔽線中任何的開孔縫隙都可能導致ZT上升。這也正是針對高頻干擾源傳統的屏蔽接地手段不再適用的原因。

2.1 正確的電纜屏蔽線連接方法

為了在全射頻范圍內都能實現良好的屏蔽效果，采用屏蔽電纜僅是第一步，還必須采用正確的安裝方法。只有做到電纜全長范圍良好連通，無中斷，無間隙，才能將屏蔽效果發揮到最佳。具體到安裝實踐，可采取的措施之一是使用合格的端接頭。

圖4 描述了一種正確的屏蔽電纜安裝方法。機柜外殼一般采用金屬材料并實現了良好的屏蔽，直接與附近的等電位連接帶相連。在進入機柜處電纜屏蔽通過專用的端接頭與機柜外殼保持360°的連接。這里之所以強調360°的連接，就是為了保證整個屏蔽體達到完全的封閉，最大限度地減少信號線受到外界干擾的可能。顯然只有在電纜的兩端采取相同的措施才能達到這種效果。

圖4 屏蔽電纜屏蔽層連接示意圖

電纜屏蔽線的習慣端接方法是利用一根導線將屏蔽與附近的接地端子排連接。這種連接方法實際上破壞了電纜在射頻范圍的屏蔽效果。接地線通常需要100～300 mm 長，在許多安裝場合甚至需要幾m 長。在高頻信號作用下，導線的感應系數會非常顯著。1 根100 mm 長的導線感應系數大約為0．1 μH，在30 MHz 下電抗有19 Ω，如果是300 MHz 電抗將達到190 Ω。

由于電纜屏蔽本身對地存在一定的雜散電容，在一定的頻率范圍內，電纜的電容與接地線的電抗之間會發生共振。共振現象一旦出現，電纜的屏蔽效果會大大減低。比如一根3 m 長的電纜在30 MHz 以上的頻率下，只需要25 mm 的接地線就可以將屏蔽效果幾乎破壞殆盡。

正確的端接方法是利用專用的端接頭，保證屏蔽線的每個方向即360°都與端接頭接觸，而端接頭再與機柜外殼大面積接觸，最終利用機柜的接地設備實現屏蔽線與地的連接。機柜外殼通過等電位連接帶與共用接地網絡連接，其接地阻抗即使在射頻范圍也可以做到很低。

2.2 電纜屏蔽兩端接地

傳統上，電廠中用到的屏蔽電纜只在盤柜側一端接地，而在現場側如傳感器端懸空。采取這種做法主要考慮的是避免在屏蔽線內出現環流，擔心此環流噪聲對信號的影響［10］。IEEE 的標準［11，12］提出屏蔽層應一點接地，但也有研究提出不同意見，最新的IEC 標準［13］則推薦屏蔽層采取兩點接地。查看近些年出版的關于EMC 或防雷方面的標準規范或專著［14］，會發現電纜屏蔽線兩端接地的做法已經被廣泛推薦。

單一接地網絡作為一項傳統技術已經無法滿足在射頻條件下的安全和EMC 要求，已不被新標準所推薦。在格柵形共用接地網絡這種新的外部環境下，電纜屏蔽兩端接地成為控制射頻干擾保證信號質量的優選方案。如果仍然只在電纜屏蔽一端實現接地，另一端處于懸空狀態，這等于整個屏蔽體沒有封閉，有縫隙存在，這會帶來一系列的問題:

(1)縫隙的存在導致射頻信號可以穿透電纜，破壞整個電纜的屏蔽效果。

(2)當電纜長度超過1/6 信號波長后，電纜屏蔽將扮演共振天線的作用，導致屏蔽特性全部喪失。

(3)高速數據通訊采用的技術要求信號傳輸介質的阻抗保持連續，屏蔽層的中斷會危害到信號的完整性和傳輸速率。

(4)對于磁場干擾信號，將無法提供所有方位的屏蔽保護。

2.3 電纜屏蔽接地方式對地電位升高的影響

在發生例如雷擊、接地故障、切除大型感性負載或者操作高壓斷路器等事件時，都會導致電磁場的瞬態突變。由于任何共用接地系統都不可避免的存在一定的阻抗，瞬態電流流過共用接地系統時，會在同一建筑物的不同接地導體之間產生電位差。接地系統設計的一項首要目標就是保證這種電位差足夠低，因為這與人身及設備的安全密切相關。如果采用傳統的星形接地系統設計概念下衍生出來的電纜屏蔽一端接地方案，實踐證明這種接地方案會在設備另一端產生足以危害人身及設備安全的過電壓。

2.4 并聯接地導體(PEC)

電纜屏蔽層兩端接地不可避免的帶來了一項副作用，即電纜屏蔽層內會有一定的電流存在。雖然這種電流并不會對正常的信號產生影響，但仍然有一個問題不能忽略，電流如果過大，有可能導致電纜過熱甚至發生燒毀電纜屏蔽層［15］。

如果完全遵守格柵形共用接地網絡的技術要求開展接地系統設計，則同一建筑物內不同設備之間的地電位差可以保證在非常低的水平。這樣兩端接地的電纜屏蔽層在工頻狀態，甚至接地故障情況下也不會出現大的電流。

但是如果格柵形共用接地網絡不能得到完全的實現，并且屏蔽層內流過的電流大到有可能損壞電纜的時候，就必須采用稱為并聯接地導體(PEC)的安裝技術。顧名思義，PEC 的含義就是沿著電纜安裝方向，額外敷設一組接地導體。

接地系統中流過的最大電流一般都是工頻電流。按照電流的基本特性，當有幾條路徑可供選擇的時候，電流總是優先流過阻抗值最小的回路。而在類似工頻的低頻環境下，電阻值是決定阻抗值的關鍵因素。因此，為了使本來要在電纜屏蔽內流過的電流改由PEC 形成的回路流過，必須保證PEC 的電阻比電纜屏蔽層電阻低得多，從而可以使得電纜屏蔽層內流過的電流始終在可接受的水平之下。

僅考慮工頻電流是不夠的，在瞬態工況下，接地網中流過電流會包含相當大量的高頻電流。雷電沖擊波的峰值分量通常在10 kHz，但有可能包含500 kHz 分量。高壓斷路器的操作沖擊波可以產生500 kHz 附近的電流250 kA。接地故障電流幾乎都是工頻電流，但是在電弧出現以及故障清除時刻可能出現幾百MHz 的電流。對于這些高頻電流分量來說，最小阻抗通常取決于最小的自感系數。因此，為了保證PEC 在各種頻率電流下都能起到作用，除了電阻低，還得比電纜屏蔽的自感系統低。

當同一組設備之間有大量的電纜聯系，而且這些電纜的屏蔽層兩端都連接到共同的接地體上，那么這些電纜屏蔽層可以互相充當為對方的PEC。盡管單個電纜屏蔽的電阻和自感都很高，但多根并聯在一起，可以分享接地回路中的電流，由此可以免除安裝專門PEC 的需要。

在完整實現了格柵形共用接地網絡的建筑物內，通常都可以很方便地利用共用接地設備的一部分來充當自然的PEC，比如電纜托盤、管道等。如果建筑物的自然金屬接地設備無法利用，則需要專門敷設大截面的導線充當PEC。

3 結論

通過對IEC61000 標準的研究，并借鑒成熟的工業實踐，采用格柵形共用接地網絡，并實施與之配套電纜屏蔽層的兩端接地方法，可以滿足引入DCS 后核電廠在電磁兼容方面對接地設計提出的新要求。目前，在國內核電項目具備供貨業績的DCS 供應商包括阿海琺/西門子、三菱和西屋等，這幾家供應商對于核電廠接地設計的要求并不相同，甚至差異很大，因此，在工程設計實踐中需要與DCS 供應商進行深入探討以確定本項目的接地設計方案。

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