核電站機電設備的屏蔽和接地設計

陳劍鋒

摘要：根據相關標準的要求，以壓水堆核電站CAP系列裝卸料機為例，總結了核電站機電設備的屏蔽與接地設計要求。恰當的屏蔽和接地設計，可確保設備的電磁兼容性能滿足要求。

關鍵詞：核電站;電磁兼容性;接地;裝卸料機

0 引言

核電廠中存在著許多電磁干擾源，如大型電機、繼電器、變頻器等，這些設備的運行會發出空間電磁或者傳導干擾信號，引起附近儀表或者電源線信號失真，可能造成測量誤差或者設備誤動作，甚至導致設備損壞，影響核電廠的可靠性和安全性。特別是新建的核電站大多采用數字化儀控設備，設備的電磁兼容性（EMC）越來越受到重視。設備電磁兼容性除了受其組成器件本身的特性影響以外，還主要取決于其接地、屏蔽的有效性。

1 設計標準和規范

電控系統接地一般可分為保護接地和工作接地兩種，前者主要是為了保護附近人員防止其發生觸電事故，后者主要是為了避免干擾信號耦合至信號回路。

目前國外和國內在建的三代核電站電氣和儀控系統的屏蔽與接地設計，主要遵循《Guide for instrumentation and control equipment grounding in generating stations》（IEEE 1050）。該標準是一般發電廠儀控設備接地主要的設計導則，在理論和實施方法上都提出了詳細的說明指導，且同樣適用于一般機電設備的屏蔽和接地設計。對于一些特殊行業的機電設備，其屏蔽和接地設計還需要遵循相應行業規范要求。比如，非標類機電設備應遵循《機械電氣安全 機械電氣設備 第1部分：通用技術條件》（GB/T 5226.1）中的要求，一般起重機應遵循《起重機設計規范》（GB/T 3811）中的要求等。此外，由于核電站中機電設備類型較多，各設備的設計方案和組成器件也各不相同，在參照以上標準進行接地設計的同時，還應充分考慮各器件廠商提出的特殊接地要求及安裝規范。

2 核電站機電設備的屏蔽和接地設計

核電站內的機電設備類型較多，典型的有裝換料設備、起重設備以及各種非標機電設備等。裝卸料機是其中一種較為復雜的機電設備，其電控系統涵蓋了機電設備常見的電路和器件類型。下面以裝卸料機為例，闡述核電站機電設備的屏蔽和接地設計方法。

2.1? ? 系統接地型式

根據《系統接地的型式及安全技術要求》（GB 14050），電控系統按接地型式不同，可分為TN系統、TT系統、IT系統等，其中TN系統根據N與PE的分離狀態又可以劃分為TN-S、TN-C和TN-C-S三種，其主要區別如表1所示。

裝卸料機作為一種橋式起重機，根據《起重機設計規范》（GB/T 3811）規定：“起重機本體的金屬結構應與供電線路的地線可靠連接。大車與小車的車輪、任何其他的滾輪或端梁連接采用的鉸鏈均不能替代必需的導電連接，而應另外用專門的接地線將各部分結構件上的接地點連接。”“所有電氣設備的金屬外殼、金屬導線管、金屬支架及金屬線糟等均應可靠接地。宜采用專門設置的接地線，保證電氣設備的可靠接地。”“嚴禁用接地線作為載流零線。”因此，應采用TN-S的接地型式，其主要特點有：

（1）系統正常運行時，PE線上沒有電流，只是N線上有不平衡電流。PE線對地沒有電壓，所以電氣設備金屬外殼接零保護是接在專用保護線PE上，安全可靠。

（2）專用保護線PE不許斷線，也不許進入漏電開關。

（3）N線只用作單相照明負載回路。

（4）干線上使用漏電保護器時，N線不得有重復接地。

此外，對于裝卸料機這種橋式起重機，其整個金屬結構互相連接，橋架和小車分別形成了一個天然的等電位整體，當出現漏電或相線碰殼等事故時，若人員正常或非正常接觸非導電金屬結構或設備外殼，則不會出現電壓差，從而避免了觸電事故發生。

2.2? ? 接地方式的選擇

電控系統接地方式有單點接地、多點接地和混合接地等，表2說明了幾種接地方式的主要差別。

由于核電站機電設備電控系統絕大多數屬于低頻系統，工作頻率低于300 kHz，因此大多數就地操作的機電設備可采用單點接地的方式。比如，裝卸料機上工作頻率最高的設備是電機控制器，其信號頻率不超過30 kHz，且其電纜長度均不超過100 m，適合采用單點接地方式。

單點接地又可以分為串聯、并聯及串并聯混合三種。其中，并聯單點接地在低頻電路中應用最廣，一般是按照模擬信號、數字信號等分類，然后在同類電路內部采用串聯單點接地，不同類型的電路采用并聯單點接地。對于同類電路或相互干擾較少的電路，可采用串聯單點接地，以減少接地線長度。

對于部分遠程操作的機電設備，如果接地線過長，柜子接地點之間會存在電勢差。針對這種情況，可以分別在遠程操作臺和設備上創建一個獨立的單點接地系統。此時應避免在操作臺和設備之間進行儀控電纜的低頻互連，而采用高頻的數據總線電纜進行通信。同時，它們之間的通信電路應對共模噪聲有適當的保護。系統之間的信號應使用分差連接的信號隔離變換器進行耦合。如此連接，形成一個對低頻信號是單點接地，而對高頻信號是多點接地的混合接地系統。

2.3? ? 屏蔽線的接地

電纜屏蔽層接地一方面是出于安全要求，另一方面也能為EMI提供雙向衰減，是保證設備電磁兼容性的重要手段。然而，對于低頻干擾有效的電纜屏蔽接地的做法對高頻干擾通常是無效的，而對于高頻干擾有效的做法對低頻可能會造成問題。因此，有必要深入了解屏蔽接地的類型和其各自的優缺點，以便根據實際情況選用最恰當的接地方式。

電纜屏蔽層接地的基本型式是單端接地、雙端接地和多點接地，表3說明了這三種接地型式的主要差別。

對于核電站機電設備電纜屏蔽層的接地型式，須結合其傳輸信號的特性和電纜長度等因素綜合考慮。裝卸料機上各種類型電纜的接地型式要求如下：