控制系統(tǒng)論文大亞灣核電站微電子系統(tǒng)的防雷保護(hù)

1、控制系統(tǒng)論文|大亞灣核電站微電子系統(tǒng)的防雷保護(hù)    摘要：針對(duì)大亞灣核電站計(jì)算機(jī)、通信和儀表控制系統(tǒng)（統(tǒng)稱“微電子系統(tǒng)”）的防雷保護(hù)問題，從分析雷害侵入途徑和防止微電子系統(tǒng)設(shè)備雷害事故發(fā)生的防護(hù)措施入手，通過防雷接地系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)大亞灣核電站微電子系統(tǒng)設(shè)備、廠房防雷設(shè)施等的狀況進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。以典型雷害事件為例，分析了大亞灣核電站微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工等方面存在的問題，并介紹了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造的情況。2 m2 X9 e7 Q) d; ( u8 ?" r關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；通信系統(tǒng)；儀表控制系統(tǒng)；防

2、雷保護(hù)2 '4 K5 C! N) o7 i8 s計(jì)算機(jī)、通信和儀表控制系統(tǒng)（以下統(tǒng)稱“微電子系統(tǒng)”）在工業(yè)化社會(huì)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，這些系統(tǒng)的微電子器件的集成化和微型化程度愈來愈高，而其元器件的抗電氣沖擊水平卻都很低，因此，防雷問題和元器件間、系統(tǒng)間的電磁兼容問題日顯突出。大亞灣核電站是自動(dòng)化程度很高的核電站，自1994年投入商業(yè)運(yùn)行以來，微電子系統(tǒng)的雷害事件偶有發(fā)生。因此，本文從防雷保護(hù)技術(shù)的角度對(duì)核電站微電子系統(tǒng)的防雷概況進(jìn)行分析。$ b- I. P0 O4 s0 U* H1、微電子系統(tǒng)設(shè)備遭受雷害的途徑和防雷保護(hù)措施6

3、 |8 S/ q$ k  y9 $ j1.1 遭受雷害的途徑% " b: J, x; d- 微電子系統(tǒng)設(shè)備遭受雷害的途徑有直擊雷的侵害、反擊，由電源線路引入的雷電侵入波、感應(yīng)雷或雷電電磁脈沖的侵害等。電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的過電壓沖擊或電磁耦合等也會(huì)造成設(shè)備損壞。- : v8 q2 e* A* n1 '8 v在電力網(wǎng)內(nèi)部因系統(tǒng)操作失誤或出現(xiàn)異常工況甚至短路等故障，會(huì)引起電力網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)部過電壓或電壓瞬態(tài)降低的現(xiàn)象。大亞灣核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源（RAM）系統(tǒng)快速降功率保護(hù)裝置就曾因香港400kV電網(wǎng)瞬時(shí)接地短路而動(dòng)作，造成該電動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)跳閘。此類過電壓會(huì)經(jīng)電源

4、侵入微電子設(shè)備，也會(huì)因布線不當(dāng)而通過線路耦合到微電子器件的電路中。同樣地，某些繼電器設(shè)備在動(dòng)作時(shí)會(huì)瞬態(tài)產(chǎn)生高達(dá)4kV的電壓干擾波1，這種干擾波的波頭上升前沿可達(dá)0.4kVns，它既產(chǎn)生傳導(dǎo)性干擾，也產(chǎn)生輻射性干擾。因此，在核電站微電子系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)部應(yīng)考慮電器設(shè)備之間的電磁兼對(duì)于雷電電磁脈沖過電壓，其波的過程時(shí)間非常短，采用工頻穩(wěn)壓裝置或不間斷電源是不能消除其影響的，而且過電壓往往會(huì)損壞這些設(shè)備。( X1 X9 S9 ' T2 j" A1.2 防雷保護(hù)措施& S  t; d: c4 _$ 8 P, b由于微電子系統(tǒng)設(shè)備對(duì)雷電特有的敏感性和雷害途徑的多

5、樣性，在對(duì)微電子系統(tǒng)設(shè)備的雷電防護(hù)方面，應(yīng)根據(jù)各微電子系統(tǒng)的重要程度劃分防雷區(qū)域，并針對(duì)微電子系統(tǒng)設(shè)備的可靠性要求程度確定出相應(yīng)的雷電防護(hù)等級(jí)，全方位、多層次地建立一套完整的防護(hù)體系，這種防護(hù)體系也就是核安全采用的縱深防御體系。9 f7 p' _* E3 v' 0 p1 Z+ b針對(duì)雷害特點(diǎn)，采取的防護(hù)措施有：" E( q1 L3 N; i6 o' '3 Oa）利用雷電接閃器（避雷針、避雷帶等）及其構(gòu)成的系統(tǒng)防止直擊雷的侵害。  a! e$ 2 R9 c6 J: N0 b）泄流（分流）雷電能量，防止直擊雷反擊。" . p3

6、 h2 i. S" oc）采用對(duì)系統(tǒng)設(shè)備接地的等電位連接的方法防止直擊雷反擊。& g* E- g. K( ?  8 Ed）采用多層次的電磁屏蔽來降低或限制感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生。這些屏蔽包括建筑物屏蔽、微電子系統(tǒng)設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)屏蔽、設(shè)備外殼屏蔽和信號(hào)管線屏蔽等。作為電磁屏蔽，在微電子系統(tǒng)的設(shè)備中，除了要具備防雷暴屏蔽外，還要求達(dá)到設(shè)備間、電子元件間的電磁干擾屏蔽，即系統(tǒng)間、設(shè)備間要達(dá)到電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)要求。4 r/ K. 1 f' L5 W  e）采用過電壓保護(hù)器防止元器件損壞，即在微電子系統(tǒng)的電源回路、信號(hào)接口等回路安裝過電壓保護(hù)器（如過

7、電壓限制器或浪涌吸收器等），經(jīng)限制器將已產(chǎn)生的過電壓箝制于限制值以下，保證系統(tǒng)設(shè)備或元器件免于異常動(dòng)作或損壞。過電壓保護(hù)器的設(shè)置或選擇應(yīng)按其保護(hù)系統(tǒng)的重要級(jí)別或系統(tǒng)回路接口方式全面、系統(tǒng)地統(tǒng)籌考慮。& g% O2 F/ E3 p% w- A以上措施是微電子系統(tǒng)設(shè)備防雷害和過電壓保護(hù)的基本措施，由它們構(gòu)成一個(gè)完整的現(xiàn)代雷電防護(hù)體系，即全方位、多層次的綜合防護(hù)措施，任何單一的防護(hù)技術(shù)并不能有效地防止雷電的侵害。因此，計(jì)算機(jī)、通信和儀表控制等微電子系統(tǒng)的防雷保護(hù)工作應(yīng)全面、綜合地予以考慮，在可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)或技術(shù)改進(jìn)。+ . p% R( 6 " n2、大亞灣核電站微電子系

8、統(tǒng)的防雷概況; d; '6 V0 Q7 d, |/ O2.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)4 a2 N' A$ |3 i. J' N作為大亞灣核電站的生產(chǎn)管理、生產(chǎn)控制的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行中起著非常重要的作用。電站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由計(jì)算中心（電站計(jì)算機(jī)輔助隔離系統(tǒng)、廣東核電生產(chǎn)管理系統(tǒng)等）、工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀表控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。計(jì)算中心中央計(jì)算機(jī)位于01樓一樓的全封閉機(jī)房?jī)?nèi)，自其投入運(yùn)行以來，尚未發(fā)生過因雷害造成系統(tǒng)停運(yùn)或主設(shè)備損壞等事故。但在1999年8月，曾發(fā)生過網(wǎng)口設(shè)備以及多個(gè)用戶收發(fā)器因雷害而損壞的事件，另外北區(qū)部分餐廳計(jì)算機(jī)收費(fèi)系統(tǒng)的終端也曾因雷害

9、多次出現(xiàn)異常工作狀態(tài)。有鑒于此，在1999年度對(duì)北區(qū)部分計(jì)算機(jī)用戶進(jìn)行了接地設(shè)施增改處理。- r, K5 v2 6 W8 q+ v* U$ s8 b4 g計(jì)算中心的主計(jì)算機(jī)房在防雷保護(hù)方面具有較好的防直擊雷和感應(yīng)雷的設(shè)計(jì)工況。作為工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀表控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其主設(shè)備布置在主廠房?jī)?nèi)，僅廠區(qū)和辦公樓出入監(jiān)督（KKK）系統(tǒng)部分裝置設(shè)置在戶外區(qū)域。歷史上KKK系統(tǒng)曾發(fā)生過因雷害而造成板件損壞的事件，這些系統(tǒng)的防雷概況見2.3節(jié)的分析。: T+ ?# E; E, h( p) ?. l  t: t: R2.2 通信系統(tǒng)5 U, e# g' L7 t' o% g通

10、信系統(tǒng)在生產(chǎn)中的作用是不言而喻的。大亞灣核電站采用完全獨(dú)立而互為備用的微波中繼通信電路和光纖通信電路，其構(gòu)成的閉環(huán)通信系統(tǒng)保證了廣東核電通信有較高的可靠性。目前分布于核電站現(xiàn)場(chǎng)的主要通信設(shè)施有微波站、01樓通信交換機(jī)機(jī)房、南區(qū)通信機(jī)房、BX樓通信交換機(jī)機(jī)房等。大亞灣核電站微波站投入運(yùn)行已10年有余，電站自建設(shè)和商業(yè)運(yùn)行以來，通信系統(tǒng)一直保持著良好的工作狀態(tài)，雖然因雷擊發(fā)生過用戶部分模塊板件損壞，但微波站主機(jī)系統(tǒng)未出現(xiàn)過因雷害造成重大設(shè)備損壞或系統(tǒng)失效的事件。: 3 T3 & ?: n+ W由于雷電存在著隨機(jī)性和不可控性，通信系統(tǒng)運(yùn)行正常并不代表系統(tǒng)設(shè)計(jì)或狀態(tài)符合保護(hù)的要求，所以，在20

11、00年11月，核電站對(duì)微波站的防雷工況進(jìn)行了一次全面的檢查和評(píng)估。檢查、評(píng)估工作的主要內(nèi)容包括：防雷設(shè)計(jì)、施工評(píng)估核實(shí)原防雷設(shè)計(jì)的實(shí)施情況；接地網(wǎng)電氣性能測(cè)試測(cè)量接地網(wǎng)接地電阻和屏蔽線的連接等情況；接地網(wǎng)工2 V: C& N4 Z  Z9   S* F查和評(píng)估。檢查、評(píng)估工作的主要內(nèi)容包括：防雷設(shè)計(jì)、施工評(píng)估核實(shí)原防雷設(shè)計(jì)的實(shí)施情況；接地網(wǎng)電氣性能測(cè)試測(cè)量接地網(wǎng)接地電阻和屏蔽線的連接等情況；接地網(wǎng)工況評(píng)估評(píng)判接地電阻、電氣連接等是否合格，接地網(wǎng)腐蝕狀況（包括局部開挖檢查）、接地網(wǎng)是否符合設(shè)計(jì)要求或是否滿足運(yùn)行要求等。' S7 S8 U5

12、f* j通過對(duì)微波站防雷設(shè)施的全面檢查，發(fā)現(xiàn)存在問題較多，主要是：接地網(wǎng)接地電阻的檢測(cè)值與設(shè)計(jì)值（4Ω）相比偏大，為7.15Ω；接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，水平接地帶與垂直接地極已基本腐蝕斷開，垂直接地極已起不到應(yīng)有作用；防雷保護(hù)設(shè)計(jì)部分不符合要求；交、直流電源配電設(shè)備各側(cè)及交流屏輸入端等未裝備氧化鋅避雷器等保護(hù)裝置，直流屏輸入端亦未安裝相應(yīng)浪涌吸收裝置等。- % T' n& e8 y0 b) B, 9 |1 N針對(duì)上述檢測(cè)和評(píng)估結(jié)果，為防止雷害事故的發(fā)生，對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行了改造，并于2001年11月全部完成了接地網(wǎng)的改造和有關(guān)防雷設(shè)施整的改工作。整改

13、后微波站接地電阻和保護(hù)配置達(dá)到了規(guī)程要求，提高了整個(gè)通信系統(tǒng)的防雷水平。  M9 1 P7 J* I7 n& G8 2.3工業(yè)計(jì)算機(jī)儀表控制系統(tǒng)核島、常規(guī)島工業(yè)計(jì)算機(jī)儀表控制系統(tǒng)對(duì)核電站的安全、可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此，在防雷領(lǐng)域中，與核安全相關(guān)的計(jì)量、檢測(cè)和控制系統(tǒng)是防雷工作的重中之重。機(jī)組自投入商業(yè)運(yùn)行以來，尚未有明確的因雷害造成核安全系統(tǒng)異常動(dòng)作的記錄。從防雷角度來看，核島工業(yè)計(jì)算機(jī)儀表控制系統(tǒng)采用多重全封閉式屏蔽設(shè)計(jì)，即整個(gè)核島廠房采用全封閉鋼筑水泥建筑構(gòu)成等電位連接的法拉第屏蔽籠的結(jié)構(gòu)模式；常規(guī)島工業(yè)計(jì)算機(jī)儀表控制系統(tǒng)亦基本采用封閉式屏蔽設(shè)計(jì)。無論

14、是核島還是常規(guī)島，其建筑物外部均設(shè)有完善的接閃器（避雷針、避雷帶），接閃器經(jīng)接地引下線接入電站主接地系統(tǒng)，因此，對(duì)直擊雷和感應(yīng)雷的侵害都可有效地進(jìn)行防護(hù)。從侵入波方面來考慮雷電沖擊過電壓的影響，在電源供電系統(tǒng)中，來自電網(wǎng)500kV和400kV系統(tǒng)的侵入波在經(jīng)過SF6全密封組合電器（GIS）、主變壓器等設(shè)備進(jìn)入廠用6.6kV系統(tǒng)后，通過電站避雷器的防雷保護(hù)以及多回路的分流和波過程的衰減，侵入波已得到有效的阻止。因此，可認(rèn)為來自外部的雷電波對(duì)核島或常規(guī)島工業(yè)計(jì)算機(jī)儀表控制系統(tǒng)是不會(huì)構(gòu)成威脅的。核島內(nèi)微電子系統(tǒng)應(yīng)以防護(hù)內(nèi)部系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓或系統(tǒng)間的電磁干擾為主，對(duì)外部防雷工作應(yīng)以檢查建筑物接地引下線、

15、連接可靠性和接地網(wǎng)的工況為主。+ 8 G! : ) m' h3 i在2000年10月對(duì)大亞灣核電站主接地網(wǎng)的電氣性能檢測(cè)和對(duì)運(yùn)行10年后的主接地網(wǎng)的腐蝕工況開挖檢查中，已確認(rèn)目前核電站主接地網(wǎng)狀況良好，接地網(wǎng)接地電阻為0.174Ω，符合國家接地標(biāo)準(zhǔn)的要求。核電站主接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)高于國內(nèi)電站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，接地網(wǎng)設(shè)計(jì)壽期與核電站壽期一致，如接地母線、接地引下線全部采用銅質(zhì)導(dǎo)體（預(yù)埋前作防腐處理），接地導(dǎo)線截面選擇遠(yuǎn)大于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，引下線與接地母線連接規(guī)范且狀況良好。在對(duì)660多個(gè)連接點(diǎn)的檢查中，僅發(fā)現(xiàn)2個(gè)連接點(diǎn)接觸不良。通過開挖檢查和對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，認(rèn)為接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)、

16、安裝、維護(hù)和運(yùn)行工況是滿足核電站運(yùn)行要求的。因此，可認(rèn)為核島和常規(guī)島微電子系統(tǒng)的防雷保護(hù)體系具有很高的可靠性，并且目前運(yùn)行工況良好。& + y" ! n5 e" v: V3、大亞灣核電站輔助系統(tǒng)的典型雷害事件分析及系統(tǒng)改造情況1999年8月和2000年6月，0SEP生水箱水位檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生多起雷害事件，其原因和系統(tǒng)改造分析如下。, x% O8 i  E1 s  g. d3.10SEP系統(tǒng)變送器雷害事件描述1999年8月6日，雷暴天氣，飲用水（SEP）系統(tǒng)的儲(chǔ)水池的0SEP401402MN水位測(cè)量變送器、9KRG151AR柜中的0

17、SEP007008CA板件，以及變送器（0TER013MN和0SEL001002003 N）等設(shè)備，在雷電沖擊下?lián)p壞。同一天，雷害還造成與計(jì)算中心同軸電纜連接的10個(gè)終端機(jī)的收發(fā)器損壞，廠區(qū)通信交換機(jī)上48V直流電源開關(guān)跳閘，導(dǎo)致全廠4位數(shù)電話機(jī)系統(tǒng)不可用，使主控制室與外界聯(lián)系受到嚴(yán)重影響。$ v. Y0 u6 + m" n3.2原因分析SEP系統(tǒng)的儲(chǔ)水池位于電站北面山坡上，因?yàn)榈貏?shì)較高，所以儲(chǔ)水池有遭受直擊雷破壞的風(fēng)險(xiǎn)；0SEP儲(chǔ)水池側(cè)水位測(cè)量變送器0SEP40140MN露天安裝，未設(shè)計(jì)有防雷裝置；電站側(cè)機(jī)房?jī)?nèi)9KRG151AR柜中亦未設(shè)計(jì)安裝相應(yīng)的防雷裝置；從儲(chǔ)水池到電站內(nèi)機(jī)房的

18、9KRG151AR柜的距離長1000m左右，兩地之間儀表控制電纜在跨越公路時(shí)采用架空鋪設(shè)，其余部分沿地面敷設(shè)，該電纜采用的是非鎧裝電纜，沿線亦未采取任何屏蔽管線等屏蔽措施。因此，當(dāng)儲(chǔ)水池遭受雷擊或沿線路附近落雷時(shí)，地電位升高或空間雷電電磁脈沖波在電纜上耦合產(chǎn)生過電壓，這種感應(yīng)過電壓的侵入造成測(cè)量變送器和板件等的損壞，過大的雷電流甚至造成同系統(tǒng)電源的其它變送器損壞，如這次事件中的廢液排放（TER）系統(tǒng)、常規(guī)島廢液排放（SEL）系統(tǒng)和輔助給水（ASG）系統(tǒng)的部分變送器損壞。在查無直擊落雷點(diǎn)后，可初步認(rèn)為本次事件的原因是設(shè)備遭受感應(yīng)雷侵害。: t4 c! ; ?  j3.3改造情況實(shí)際上在過去幾年的雷雨季節(jié)里，0SEP生水箱水位檢測(cè)系統(tǒng)的0SEP401402MN水位測(cè)量變送器和CA板件曾多次損壞。針對(duì)1999年8月這次雷害事件，于2000年5月，大亞灣核電站技術(shù)部門對(duì)生水箱水位檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將露天敷設(shè)的電纜安裝封閉式金屬電纜托盤和變送器屏蔽罩