CPR1000核電廠儀控屏蔽接地改進分析

徐志輝

（中廣核工程有限公司，深圳 518124）

核電廠儀表和控制系統(tǒng)處于諸多電磁噪聲源的環(huán)境之中，儀表安裝位置和電纜走線路徑較為分散，很容易受到電磁環(huán)境的干擾，從而導(dǎo)致測量信號偏差或者系統(tǒng)和設(shè)備正常功能無法實現(xiàn)。

屏蔽與接地是電磁抗干擾控制的重要手段，可以有效地抑制電磁干擾[1]。屏蔽與接地在分布式控制系統(tǒng)DCS的安裝和使用過程中是很重要的一環(huán)，處理不當(dāng)往往引起很多費解的報警故障。屏蔽接地故障具有隱蔽性，排查困難、耗時長，如果發(fā)生在輻射區(qū)域、聯(lián)調(diào)試驗或者功率運行期間，往往會對工期、效益等造成很大的影響。

1 近期發(fā)生的屏蔽接地故障

2014年12月，A核電廠多個消防探測器閃發(fā)故障報警，導(dǎo)致反應(yīng)堆廠房100多個消防探頭不可用。經(jīng)檢查確認(rèn)，是由于反應(yīng)堆廠房火警系統(tǒng)屏蔽線未全線貫通，而導(dǎo)致大面積閃發(fā)故障。

2015年3月、5月，A核電廠高壓調(diào)閥閥位反饋信號異常波動，同指令信號的偏差大于設(shè)定值，導(dǎo)致汽輪機2次跳閘。經(jīng)最終確認(rèn)，是由于高壓調(diào)閥先導(dǎo)閥閥位反饋信號受到干擾，產(chǎn)生了負(fù)指令。

2018年2月，B核電廠1號機反應(yīng)堆監(jiān)測系統(tǒng)1個探頭發(fā)生“閃發(fā)計數(shù)”事件。經(jīng)確認(rèn)，是由于在大修期間執(zhí)行焊接作業(yè)時，焊機地線與就近的鋼結(jié)構(gòu)相連接，而該鋼結(jié)構(gòu)的接地線是與反應(yīng)堆監(jiān)測系統(tǒng)走線托盤相連的，因而在焊接時托盤產(chǎn)生感應(yīng)電流，對反應(yīng)堆監(jiān)測系統(tǒng)信號產(chǎn)生干擾，造成“閃發(fā)計數(shù)”事件。

2018年5月，B核電廠5號汽輪機監(jiān)測系統(tǒng)共12個瓦振探頭同時閃發(fā)瓦振探頭故障信號，觸發(fā)故障跳機保護信號。經(jīng)確認(rèn)，是由于主給水泵動力電纜與探頭電纜敷設(shè)在上下層，在電機啟動瞬間探頭信號受到干擾。

分析以上近期發(fā)生的一些影響較大的屏蔽接地故障，屏蔽接地在實際工作中未受到足夠的重視，設(shè)計圖紙往往含混不清，不僅很多用戶不清楚，就連安裝承包商、DCS廠商的現(xiàn)場支持人員往往也不清楚。此外，不同DCS廠家對接地的要求各不相同。

2 CPR1000核電儀控系統(tǒng)屏蔽干擾類型

電磁干擾是一種不傳送信息的時變電磁場，它可能與被傳輸信號疊加或組合形成干擾，一般分為差模干擾和共模干擾[2]。由于儀表和控制系統(tǒng)（模擬的和數(shù)字的）對電磁干擾的敏感性和易損性，因而要求儀表和控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)在可能產(chǎn)生危害的內(nèi)部或外部電磁干擾下都能完成其功能。核電廠儀表和控制系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，應(yīng)充分考慮周圍環(huán)境電磁干擾源對其產(chǎn)生的電磁干擾，并分析各種形式的干擾源和采取相應(yīng)的包括屏蔽與接地在內(nèi)的防護措施，以減少或消除電磁干擾的影響。

2.1 可能產(chǎn)生電磁干擾的主要源及類型

CPR1000核電廠可能產(chǎn)生電磁干擾的主要源和電磁干擾的類型如下：①動力設(shè)備的啟停操作及故障；②非線性負(fù)荷的啟動或斷開；③架空動力電纜的輻射；④大型電氣設(shè)備如變壓器、發(fā)電機、變頻器等產(chǎn)生的磁場；⑤接地泄露電流；⑥雷擊；⑦其他干擾源（如不適當(dāng)?shù)呐R時接地、靜電放電、電源的浪涌等）。

2.2 電磁干擾耦合到信號中的方式及影響

電磁干擾耦合到信號中的方式是：①傳導(dǎo)耦合（電流傳導(dǎo)或直接接觸）；②電容耦合（靜電）；③感應(yīng)耦合（磁場）；④輻射耦合（電磁波或無線電波）。其中，以感應(yīng)耦合和輻射耦合為主，主要導(dǎo)致信號的漂移和失真。

3 屏蔽接地的抗干擾分析

3.1 干擾的分類

屏蔽系統(tǒng)可以在一定程度上保證信號傳輸?shù)耐暾裕@是屏蔽電纜抵抗外界干擾的主要體現(xiàn)。外界干擾一般分為低頻干擾和高頻干擾2種。低頻干擾主要是電磁干擾，電機及動力電纜是常見的干擾源；高頻干擾主要是射頻干擾，無線電、對講機、雷達及其他無線通信是常見的干擾源。CPR1000核電站的主要干擾源是低頻干擾[4]。

屏蔽接地是為阻止外界感應(yīng)電磁場通過電纜屏蔽層串入傳輸系統(tǒng)對信號造成干擾而采取的措施，可以防止信號傳輸系統(tǒng)因受外界干擾而影響其工作或?qū)ζ渌O(shè)備造成新的干擾[3]。

3.2 不同干擾類型的應(yīng)對方式

對抵抗低頻干擾有效的方式可能對于抵抗高頻干擾無效，而對抵抗高頻干擾有效的方式也可能對于抵抗低頻干擾無效。因此，在實踐中抗干擾方式應(yīng)依據(jù)所受干擾源的情況、抗干擾要求、施工工藝的復(fù)雜程度等并結(jié)合電廠的現(xiàn)場實際情況進行優(yōu)選。

3.2.1 對于抵抗低頻干擾

金屬網(wǎng)屏蔽因其具有較低的臨界電阻，故最為有效[4]。

信號電纜屏蔽接地應(yīng)在信號回路上單端接地。如果有多個接地點，屏蔽層將因地電位差而產(chǎn)生屏蔽電流，并在信號線路中感應(yīng)出共模噪聲，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榕c信號回路阻抗不平衡成比例的差模噪聲電壓進入信號線路。

要保證整個系統(tǒng)屏蔽的完整性和電氣連續(xù)性，防止電纜屏蔽層多點接地，2根屏蔽電纜之間的連接應(yīng)在1個接線盒內(nèi)的絕緣端子上進行屏蔽連接，并用絕緣外套包覆。

對于低頻模擬信號線路的屏蔽應(yīng)在信號源處接地，在信號接收點浮空，以便將接地電流引起的低頻噪聲干擾降低到最小。

需要電磁感應(yīng)屏蔽的信號線應(yīng)采用雙絞線并對每對進行屏蔽，以降低共模噪聲和串?dāng)_的影響。

對于成對雙絞線需采用電纜連接器，則應(yīng)為每個屏蔽提供隔離的插腳并進行配置，使得屏蔽耦合到信號線的干擾影響最小。

3.2.2 對于抵抗高頻干擾

金屬箔屏蔽因其所產(chǎn)生的縫隙可使得高頻信號自由地進出，故最為有效[4]。

信號線路的屏蔽應(yīng)雙端接地，而不僅是末端接地。如果采用電纜連接器，則連接器應(yīng)作為一個接地點。

雙層屏蔽電纜可以達到更好的屏蔽效果，使外層整體屏蔽與內(nèi)層獨立屏蔽分別接地，內(nèi)層獨立屏蔽一端接地，外層整體屏蔽雙端接地[5]。

3.2.3 對于抵抗高低頻混合干擾

編制層采用金屬箔與金屬網(wǎng)組合的方式，信號線路的屏蔽采用單端接地與多端接地相結(jié)合的混合接地，可同時應(yīng)對低頻干擾和高頻干擾的問題[6]。

4 常用屏蔽層接地方式的對比分析

4.1 屏蔽層單端接地

將屏蔽電纜一端的金屬網(wǎng)直接接地，另一端保護接地或不接地。單端接地時，屏蔽層無電勢環(huán)流通過，非接地端的金屬網(wǎng)屏蔽層有對地感應(yīng)電壓存在，該感應(yīng)電壓值與電纜長度成正比，利用抑制電勢電位差可以達到消除電磁干擾的目的[7]。單端接地適合長度較短的線路，因為如果電纜過長會導(dǎo)致所對應(yīng)的感應(yīng)電壓超過安全電壓，將影響傳輸信號的穩(wěn)定，甚至形成天線效應(yīng)，成為新的干擾源[8]。

4.2 屏蔽層雙端接地

將屏蔽電纜兩端的金屬箔屏蔽層均直接接地，此時金屬箔屏蔽層2個接地點會因受干擾磁通影響產(chǎn)生不同的電勢[9]，因為會形成的電勢環(huán)流對傳輸信號產(chǎn)生抵消效果[10]。

屏蔽層雙端接地是CPR1000核電站建設(shè)中常見的接地錯誤。建設(shè)高質(zhì)量的等電位全廠接地網(wǎng)，所有的儀控設(shè)備均連接到一個共同的接地網(wǎng)，使?jié)撛诘碾妱莶顜缀鯙榱悖兄谙妱莪h(huán)流的問題[11]。

4.3 屏蔽層混合接地

混合接地一般利用電感和電容器件在不同頻率下呈現(xiàn)的不同阻抗特性[12]，使接地系統(tǒng)在低頻干擾和高頻干擾下都有良好的抗干擾作用，適用于工作在低頻和高頻混合下的信號系統(tǒng)[13]。

4.4 雙層屏蔽電纜接地

屏蔽層雙端接地時，屏蔽層中的感應(yīng)環(huán)流將對傳輸信號形成容性耦合干擾，此時應(yīng)采用外層整體屏蔽雙端接地，內(nèi)層獨立屏蔽單端接地的雙層屏蔽接地方案。最外層屏蔽兩端接地是由于當(dāng)周圍有干擾源時，雙端接地環(huán)路中的磁通將產(chǎn)生變化，同時也會產(chǎn)生與磁通反向變化的磁通量，降低源磁場強度的磁通，屏蔽層形成了一個理想的法拉第籠，消除感性干擾，保證傳輸信號不受干擾磁通的影響[14]。內(nèi)層獨立屏蔽單端接地可以消除外層雙端接地環(huán)路對傳輸信號形成的容性干擾[15]。

5 核電屏蔽接地規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化改進

5.1 CPR1000核電儀控屏蔽接地面臨的問題

目前，CPR1000核電儀控屏蔽接地面臨的主要問題如下：①局部存在控制電纜與動力電纜電氣間隔不滿足要求；②部分動力電纜接地點與屏蔽電纜接地點距離不滿足要求；③存在臨時接地線搭接在敏感信號電纜走線托盤的情況；④設(shè)計接地要求不明確，導(dǎo)致現(xiàn)場接地情況混亂；⑤接地標(biāo)準(zhǔn)錯誤，導(dǎo)致單、雙端接地混用；⑥不同廠家接地要求各異，匹配錯誤；⑦部分重要敏感信號未采用雙層屏蔽，或?qū)τ陔p層屏蔽接地方式及中間轉(zhuǎn)接箱連接方式未給予明確。

5.2 屏蔽層接地方式規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化改進

CPR1000核電儀控系統(tǒng)屏蔽層接地方式規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化改進如下：

1）為了確保傳輸信號的精度，提高DCS的抗干擾能力，所有控制電纜的屏蔽層必須牢固接地，不得甩空或虛接。

2）CPR1000核電廠的主要干擾源是低頻干擾，雙端接地電勢環(huán)流對傳輸信號精度影響明顯，同時考慮到經(jīng)濟性和操作簡易性，接地總原則是一個完整的信號系統(tǒng)只能有一個接地點。

3）對于不同DCS的交互信號，接地原則是：對于模擬量信號，在信號發(fā)出方接地；對于開關(guān)量信號，在供電側(cè)接地。

以廣利核非安全級系統(tǒng)（NC-DCS）與西門子汽輪發(fā)電機控制系統(tǒng)（TCS）的連接為例，可采取的接地方式如圖1所示。

圖1 DCS交互信號Fig.1 DCS interactive signal

4）當(dāng)屏蔽電纜經(jīng)過接線盒時，為保持整個信號路徑上屏蔽的連續(xù)性，應(yīng)在接線盒內(nèi)將兩端的屏蔽層相連。

5）保護接地和電纜屏蔽層接地可就近通過電纜托盤接入全廠接地系統(tǒng)，但應(yīng)與工作接地分開，工作地要求單獨接入全廠接地系統(tǒng)。

6）對于經(jīng)過貫穿件的信號電纜，貫穿件中已有連接電纜屏蔽層的端子和芯線，可采取的單端接地方式如圖2所示。

圖2 貫穿件屏蔽貫通Fig.2 Penetration shielding through

7）對于貫穿件中沒有連接電纜屏蔽層的端子和芯線，考慮到電站貫穿件的實際情況以及控制信號的電平為DC 48 V，不易被干擾，可采取的接地方式如圖3所示。

圖3 貫穿件屏蔽中斷Fig.3 Penetration shielding interruption

8）對于不經(jīng)過貫穿件，直接接入DCS機柜（DCS CABINET）的信號電纜，可采取的接地方式如圖4所示。

圖4 直接接入DCS機柜Fig.4 Direct access to DCS cabinet

9）對于重要的傳感器和監(jiān)測保護系統(tǒng)，確保動力電纜和信號電纜的分橋架、分導(dǎo)管安裝，滿足必要的電氣間隔要求，且防止布線托盤引入額外的干擾。

就地傳感器—接線盒—控制柜間的電纜，只需要在控制柜內(nèi)單端接地，接線盒上的接地端子（PE）改為普通端子，不再單獨接地，保持接地屏蔽線連續(xù)接至控制柜即可，如圖5所示。

圖5 敏感探頭信號Fig.5 Sensitive probe signal

10）對于汽輪機振動相關(guān)的跨島測量電纜，應(yīng)采用雙層屏蔽電纜線，且電纜的總屏應(yīng)接機柜本體屏蔽地，分屏接機柜端子排的屏蔽端。

11）對于超長回路的火警探測系統(tǒng)，不適用單端接地原則，可以采用多端接地，并確保屏蔽全線貫通，減少因設(shè)備之間的地線電位差而產(chǎn)生的地環(huán)流干擾。

6 結(jié)語

文中所述改進措施在CPR1000核電廠實施以后，有效性顯而易見。核電站儀控設(shè)備的接地基本原則全廠通用，DCS供應(yīng)商、安裝承包商、技術(shù)路線的差異只會在工程的具體執(zhí)行中有適應(yīng)性調(diào)整，不會影響到基本原則。針對DCS供應(yīng)商接地標(biāo)準(zhǔn)混亂的問題，可以依照文中所提出的接地原則和規(guī)范化方案向設(shè)計院提出設(shè)計要求，明確設(shè)計方對于DCS供應(yīng)商、安裝承包商的接地要求，以及DCS供應(yīng)商對于電站接地的需求，最終達成一致的、有效的接地規(guī)范，以期減少不必要的屏蔽接地故障發(fā)生，避免不必要的工期、人力浪費，同時確保核電站系統(tǒng)與設(shè)備在安全穩(wěn)定的情況下運行。