核島廠房防雷接地計算和電磁屏蔽分析

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 王雪粉

核電廠的防雷接地是一個非常龐大且復雜的工作，因為涉及到不同的“地”：有系統接地、屏蔽接地、保護地、防靜電接地等多個不同的接地需求。接地系統設置的目的是保護設備及人身安全。當建筑物在遭受雷擊時，因雷電本身帶有的大電流及雷擊時產生的強磁場可能會使建筑物毀壞，并對其內部的電子設備產生強烈的電磁干擾使其無法正常工作，從而發生故障或者永久性損壞，進一步可能導致核電站運行故障或者停機、停堆等嚴重后果，所以抵御雷擊產生的電磁干擾是防雷接地系統中的一項重要內容。

本文所涉及的核島廠房的防雷接地系統由四部分：接地主網、安全接地網、電子接地網、防雷接地網組成。應對直擊雷的做法是在核島建筑物周圍設置防雷設施，在核島廠房屋面采用避雷針或者接閃帶，并在外墻內設置用熱鍍鋅圓鋼組成的間距不大于5m×5m 的法拉第籠網網格作為引下線，應對內部的雷電感應主要是做好不同接地網的等電位連接[1-2]。本文通過對這四部分接地網進行等電位連接構建的防雷接地系統的介紹，并對雷擊時法拉第籠電磁屏蔽的計算，驗證了利用在建筑物混凝土鋼筋結構中附加的法拉第籠網對于雷擊的電磁屏蔽效果。

1 防雷接地系統介紹

法拉第籠是一種用于演示等電位、靜電屏蔽和高壓帶電作業原理的設備，其籠體與大地連通，根據導體靜電平衡條件，即使法拉第籠流過很大的電流但其內部物體通過的電流幾乎為零，即法拉第籠是一個能導電的、內部電位為零的空心球體，在理想情況下電荷均勻分布在球體的表面，在球體里面是沒有電場的，這就阻斷了電磁場，起到了屏蔽作用。另外，由于電荷均勻的分布在法拉第籠球體表面，雷電流會對稱流過法拉第籠內的鋼筋，籠內的電磁場相互抵消，從而削弱了電磁場的干擾強度[3]。

1.1 主接地網

本文介紹的核電廠接地主網是采用185mm2裸銅纜作為主接地導體構成人工接地環網。包括：敷設于建筑物筏基層的深埋接地網，以及埋深約1米左右的淺埋接地網。核島及其周邊附屬建筑物按照重要性劃分為一類防雷建筑物[4]。沿著核島廠房周圍設置接地井，包括防雷接地井、接地檢查井、DCS接地井三種類型，接地井與引下線每隔10米相連接。設置接地主網的目的，其一是為引下線提供接地連接，并分散沿接閃器和引下線流過的雷電流；其二是為DCS 系統提供參考電位，因DCS 系統需要可靠干凈的參考電位，DCS 接地井只與DCS 接地箱和深埋接地網相連。

1.2 安全接地網

核島建筑物內的接地環網（敷設于廠房內的接地干線）及電纜橋架上的主接地保護導體（MPC）連同設備的保護接地導體構成了安全接地網。在建筑物內電壓高于50V 的電氣設備的外殼、金屬框架、電纜金屬層、變壓器中性點等均與此干線相連。接地干線的做法是，在廠房的筏基層、0m 層、屋面層采用185mm2的裸銅纜或者銅排敷設接地環網。在有橋架主接地導體的地方可與其并行敷設，沒有主橋架接地線的地方可以代替橋架主接地保護導體，設備可就近接于此環網。接地干線環網在水平方向與橋架主接地導體相連，其余水平層做上下貫穿。最終在每個建筑物端部形成有2個垂直的、封閉的、用185mm2的（裸銅纜/銅排）連接的接地網，具體的做法如圖1所示。

圖1 安全接地網示意圖

安全接地網在其環網兩端至少有兩點與全廠地網相連。安全接地網的引出需要借助廠房內的無載分段等電位銅排與內外連通的接地端子，內外連通接地端子的一側與無法分段等電位銅排連接，另一端引出185mm2的接地裸銅纜最終與接地經井中的母排進行可靠連接。

1.3 電子接地網、防雷接地網

電子接地網設置的目的是為儀控系統的電子設備提供參考電位。核電廠布置有儀控系統電子設備的建筑物內，DCS 電子接地箱應通過絕緣電纜一點接入接地主網。為保證DCS 電子接地總箱的接地可靠性，DCS 電子接地總箱采用兩根并聯敷設的絕緣銅纜以盡可能短的路徑連接至接地井，實現系統單點連接。為保證參考電位的純凈，電子接地網只與深埋接地網連接，這種連接在DCS 接地井中進行。

防雷接地網由設置在核島廠房屋面的接閃器（避雷針或者接閃帶）、外墻法拉第籠網鋼筋作為引下線、連接母線和接地網組成。防雷接地系統的接閃導體和引下線接至防雷接地井。參照國標的規定，核島廠房需滿足一類防雷的要求，每10m 引下一次，因此每隔10m 設置的接地檢查井和防雷接地井需要與外墻法拉第籠引下線進行可靠連接。

1.4 等電位連接

全廠防雷接地網絡作為一個大系統，為保證接地網絡的電氣導通性，主接地網、安全接地網、電子接地網與防雷接地需要進行等電位連接。這種連接在廠房附近的接地井中進行，每隔10m 設置的接地井既能為分散和均衡雷擊的大電流、又能為全廠接地網絡提供連接，使得整個網絡成為共用的接地網絡。

2 核島廠房法拉第籠網

核島廠房法拉第籠網的做法是，在鋼筋混凝土建筑物引入由φ10的鍍鋅圓鋼組成的不大于5m×5m 的格柵，分別布置于建筑物的筏基層、外墻、屋面及電子敏感間，圓鋼于圓鋼之間采用搭接焊。為保證其電氣導通性，法拉第籠網與結構鋼筋每隔1m 進行綁扎[5-6]，并最終與主地網相連。布置了法拉第籠網的核島建筑物內部相當于一個零電位的球體，籠體又可均流和分流，所以建筑物內部是沒有電場和磁場的分布，從而起到電磁屏蔽的作用。

2.1 附加法拉第籠的做法

法拉第籠網設置在建筑物的筏基層、外墻結構鋼筋外側、屋面結構鋼筋上部，構成的網格寬度不大于5m×5m，使建筑物外部形成一個大的導電籠體。另外，在有電氣、電子設備敏感間的地板設置5m×5m 的網格，在內墻立面及地板另需設置網格大小為2m×2m 的附加法拉第籠網。地板2m×2m的附加法拉第籠網安裝于樓板的二次澆筑中，并從規格5m×5m 的網格每隔5m 引上與之焊接。另從底板的5m×5m 每隔不超過2m 的距離引上一次與立面的2m×2m 網格進行連接。最后，通過預留的接地端子將此法拉第籠網引出與其他接地導體進行連接，具體如圖2所示。

圖2 建筑物與內部房間法拉第籠網連接示意圖

其中有兩種情況需要單獨說明：對于上下兩層均是電子敏感房間的情況，中間重疊區域樓板的法拉第籠網只做2層，分別為5m×5m、2m×2m，考慮到樓板的厚度，不再額外設置第三層2m×2m 的網格。通過5m×5m 的法拉第籠網與上下房間墻體中的法拉第籠網連接在一起；對于左右相鄰房間是電子敏感房間的情況，應在兩邊房間墻體內側分別裝設獨立的2m×2m 網格，使兩個房間構成單獨的網格。

2.2 法拉第籠的電磁屏蔽效果分析

在理想情況下，雷擊發生時雷擊感應電荷可均勻分布于法拉第籠上，其籠體與大地連通，根據導體靜電平衡條件，建筑物相當于被一個等電位體封閉起來，建筑物內部的電位為零。同時，法拉第籠又作為防雷引下線，雷電流會對稱流過法拉第籠內的鋼筋。建筑物內部的磁場相互抵消，這就阻斷了電磁場，屏蔽了雷電流引起的電磁干擾。核島廠房的筏基、外墻、屋面分布的法拉第籠網構成了整個核島一張完整的屏蔽外網，電子敏感間又單獨構成一個小單元的屏蔽網并與外網相連，相當于有兩層的屏蔽效果。下面對于屏蔽效果進行驗證。

2.3 計算和分析

當雷電閃擊建筑物附近時，磁場強度的計算公式應按GB50057中6.3.2如下：H0=i0/2πSa，式中：H0為無屏蔽時產生的磁場強度；i0為最大雷電流（A）；Sa為雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離。核島廠房按照一類防雷，首次雷擊電流應為200kA，其Sa的計算值根據下式得出：當H＜R時式中：H為建筑物高度，L為建筑物長度。對應一類防雷最大滾球半徑R為313m。以國內某核電站核島輔助廠房為例，其高度為H=31m，長度為L=50.4m，且H小于R。得出

IEC 61000-4-9要求，核島廠房的電氣電子設備對環境脈沖磁場強度的試驗等級為300A/m。由公式倒推，進一步得出：一類防雷等級的廠房在發生雷擊時且無屏蔽層的情況下，與雷擊點最大安全距離Sa為106m，大于此距離時廠房內的電氣設備可以避免電磁干擾。若雷擊距離小于106m，此時廠房內的電氣電子則將收到電磁干擾可能導致損壞。在最小雷擊距離小于106m的情況下，雷電將直接擊于建筑物上，造成建筑物及其內部設備的損毀和損壞。以Sa=60為例進行計算，可以得出在無屏蔽防護的時候磁場強度為：H0=200×103/2πSa=200×103/（2π×60）=530（A/m）。

在核島廠房外部采用φ10的鍍鋅圓鋼組成的5m×5m 的法拉第籠網時，其屏蔽效果采用公式計算：H1=H0/10SF/20，其中，SF為屏蔽系數（dB）按表1計算：其中：w為格柵屏蔽網格寬度；r為格柵屏蔽網格導體的半徑（m）；w=5m，r=10/2×10-3=0.005（m），SF=20×log（（8.5/5）/=2.28。因此5m×5m 網格的電磁屏蔽結果為：H1=H0/10SF/20=530/102.28/20=413(A/m)。

表1 格柵形大空間屏蔽的屏蔽系數

上述結果對于電子敏感間的設備超過了IEC 規定的300（A/M），電子敏感的設備將可能受到干擾發生故障或者損壞，影響設備正常運行。因此在核島廠房的電氣電子敏感間附加了2m×2m 的法拉第籠網，用于電磁屏蔽，其屏蔽后磁場H2計算如下：W=2m，r=10/2×10-3=0.005（m），SF=20×log（（8.5/2）因此2m×2m 網格的電磁屏蔽結果為：H2=H1/10SF/20=413/105.94/20=208（A/m）。由計算結果可以看出，利用核島廠房內部設置的法拉第籠網可以極大地削弱雷擊引起的電磁感應，對于電氣電子設備起到很好的電磁屏蔽效果，從而保護電子設備免受雷擊影響。

綜上所述，本文通過對國內某核電站核島廠房的一類防雷做法的計算，驗證了以廠房的結構鋼筋為基礎設置法拉第籠網對于電磁干擾的屏蔽效果，尤其是對電磁擾動敏感的房間設置的附加法拉第籠網的必要性。計算結果表明，法拉第籠網能極大程度地削弱電磁感應的影響，將電磁感應值限制在安全范圍內，從而起到保護電子設備免受雷擊磁場的干擾的效果，保障核電廠電子設備的安全運行。