核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)

摘

要：根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，以壓水堆核電站CAP系列裝卸料機(jī)為例，總結(jié)了核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽與接地設(shè)計(jì)要求。恰當(dāng)?shù)钠帘魏徒拥卦O(shè)計(jì)，可確保設(shè)備的電磁兼容性能滿足要求。關(guān)鍵詞：核電站；電磁兼容性；接地；裝卸料機(jī)0

引言核電廠中存在著許多電磁干擾源，如大型電機(jī)、繼電器、變頻器等，這些設(shè)備的運(yùn)行會(huì)發(fā)出空間電磁或者傳導(dǎo)干擾信號(hào)，引起附近儀表或者電源線信號(hào)失真，可能造成測(cè)量誤差或者設(shè)備誤動(dòng)作，甚至導(dǎo)致設(shè)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(shù)字化儀控設(shè)備，設(shè)備的電磁兼容性（EMC）越來越受到重視。設(shè)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范電控系統(tǒng)接地一般可分為保護(hù)接地和工作接地兩種，前者主要是為了保護(hù)附近人員防止其發(fā)生觸電事故，后者主要是為了避免干擾信號(hào)耦合至信號(hào)回路。目前國外和國內(nèi)在建的三代核電站電氣和儀控系統(tǒng)的屏蔽與接地設(shè)計(jì)，主要遵循《Guideforinstrumentationandcontrolequipmentgroundingingeneratingstations》（IEEE1050）。該標(biāo)準(zhǔn)是一般發(fā)電廠儀控設(shè)備接地主要的設(shè)計(jì)導(dǎo)則，在理論和實(shí)施方法上都提出了詳細(xì)的說明指導(dǎo)，且同樣適用于一般機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)。對(duì)于一些特殊行業(yè)的機(jī)電設(shè)備，其屏蔽和接地設(shè)計(jì)還需要遵循相應(yīng)行業(yè)規(guī)范要求。比如，非標(biāo)類機(jī)電設(shè)備應(yīng)遵循《機(jī)械電氣安全機(jī)械電氣設(shè)備第1部分：通用技術(shù)條件》（GB/T5226.1）中的要求，一般起重機(jī)應(yīng)遵循《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T3811）中的要求等。此外，由于核電站中機(jī)電設(shè)備類型較多，各設(shè)備的設(shè)計(jì)方案和組成器件也各不相同，在參照以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接地設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)充分考慮各器件廠商提出的特殊接地要求及安裝規(guī)范。2

核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)核電站內(nèi)的機(jī)電設(shè)備類型較多，典型的有裝換料設(shè)備、起重設(shè)備以及各種非標(biāo)機(jī)電設(shè)備等。裝卸料機(jī)是其中一種較為復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，其電控系統(tǒng)涵蓋了機(jī)電設(shè)備常見的電路和器件類型。下面以裝卸料機(jī)為例，闡述核電站機(jī)電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計(jì)方法。2.1

系統(tǒng)接地型式根據(jù)《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》（GB14050），電控系統(tǒng)按接地型式不同，可分為TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)等，其中TN系統(tǒng)根據(jù)N與PE的分離狀態(tài)又可以劃分為TN-S、TN-C和TN-C-S三種，其主要區(qū)別如表1所示。裝卸料機(jī)作為一種橋式起重機(jī)，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T3811）規(guī)定：“起重機(jī)本體的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)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(dǎo)電連接，而應(yīng)另外用專門的接地線將各部分結(jié)構(gòu)件上的接地點(diǎn)連接?！薄八须姎庠O(shè)備的金屬外殼、金屬導(dǎo)線管、金屬支架及金屬線糟等均應(yīng)可靠接地。宜采用專門設(shè)置的接地線，保證電氣設(shè)備的可靠接地?！薄皣?yán)禁用接地線作為載流零線?！币虼耍瑧?yīng)采用TN-S的接地型式，其主要特點(diǎn)有：（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，PE線上沒有電流，只是N線上有不平衡電流。PE線對(duì)地沒有電壓，所以電氣設(shè)備金屬外殼接零保護(hù)是接在專用保護(hù)線PE上，安全可靠。（2）專用保護(hù)線PE不許斷線，也不許進(jìn)入漏電開關(guān)。（3）N線只用作單相照明負(fù)載回路。（4）干線上使用漏電保護(hù)器時(shí)，N線不得有重復(fù)接地。此外，對(duì)于裝卸料機(jī)這種橋式起重機(jī)，其整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)互相連接，橋架和小車分別形成了一個(gè)天然的等電位整體，當(dāng)出現(xiàn)漏電或相線碰殼等事故時(shí)，若人員正常或非正常接觸非導(dǎo)電金屬結(jié)構(gòu)或設(shè)備外殼，則不會(huì)出現(xiàn)電壓差，從而避免了觸電事故發(fā)生。2.2

接地方式的選擇電控系統(tǒng)接地方式有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)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(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)絕大多數(shù)屬于低頻系統(tǒng)，工作頻率低于300kHz，因此大多數(shù)就地操作的機(jī)電設(shè)備可采用單點(diǎn)接地的方式。比如，裝卸料機(jī)上工作頻率最高的設(shè)備是電機(jī)控制器，其信號(hào)頻率不超過30kHz，且其電纜長度均不超過100m，適合采用單點(diǎn)接地方式。單點(diǎn)接地又可以分為串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)混合3種。其中，并聯(lián)單點(diǎn)接地在低頻電路中應(yīng)用最廣，一般是按照模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等分類，然后在同類電路內(nèi)部采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。對(duì)于同類電路或相互干擾較少的電路，可采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，以減少接地線長度。對(duì)于部分遠(yuǎn)程操作的機(jī)電設(shè)備，如果接地線過長，柜子接地點(diǎn)之間會(huì)存在電勢(shì)差。針對(duì)這種情況，可以分別在遠(yuǎn)程操作臺(tái)和設(shè)備上創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的單點(diǎn)接地系統(tǒng)。此時(shí)應(yīng)避免在操作臺(tái)和設(shè)備之間進(jìn)行儀控電纜的低頻互連，而采用高頻的數(shù)據(jù)總線電纜進(jìn)行通信。同時(shí)，它們之間的通信電路應(yīng)對(duì)共模噪聲有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。系統(tǒng)之間的信號(hào)應(yīng)使用分差連接的信號(hào)隔離變換器進(jìn)行耦合。如此連接，形成一個(gè)對(duì)低頻信號(hào)是單點(diǎn)接地，而對(duì)高頻信號(hào)是多點(diǎn)接地的混合接地系統(tǒng)。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(shè)備電磁兼容性的重要手段。然而，對(duì)于低頻干擾有效的電纜屏蔽接地的做法對(duì)高頻干擾通常是無效的，而對(duì)于高頻干擾有效的做法對(duì)低頻可能會(huì)造成問題。因此，有必要深入了解屏蔽接地的類型和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以便根據(jù)實(shí)際情況選用最恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞健ｋ娎|屏蔽層接地的基本型式是單端接地、雙端接地和多點(diǎn)接地，表3說明了這三種接地型式的主要差別。對(duì)于核電站機(jī)電設(shè)備電纜屏蔽層的接地型式，須結(jié)合其傳輸信號(hào)的特性和電纜長度等因素綜合考慮。裝卸料機(jī)上各種類型電纜的接地型式要求如下：（1）三芯電力電纜：通常采用雙端接地的方式。三芯電力電纜的三相負(fù)荷不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致其屏蔽層上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，采用雙端接地方式可防止金屬屏蔽層過電壓時(shí)對(duì)電纜和人身造成傷害。通過雙端接地，不平衡電流產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)在金屬屏蔽層與大地之間形成環(huán)流，但由于金屬屏蔽層的阻抗較大，環(huán)流很小，環(huán)流對(duì)電纜本身以及對(duì)由環(huán)流產(chǎn)生的電磁干擾較小。（2）電機(jī)電源復(fù)合電纜：裝卸料機(jī)電機(jī)電源線通常選擇含有電機(jī)三相電源芯線、制動(dòng)器電源芯線、溫控開關(guān)控制芯線的雙層屏蔽復(fù)合電纜，除了帶有總屏蔽層，制動(dòng)器和溫控開關(guān)的控制芯線還具有分屏蔽層。針對(duì)這種情況，應(yīng)對(duì)獨(dú)立屏蔽的控制芯線在機(jī)柜一端進(jìn)行屏蔽接地以保護(hù)低頻的EMI，同時(shí)整體屏蔽層可在雙端接地，以保護(hù)獨(dú)立屏蔽免受高頻干擾。（3）電機(jī)反饋電纜：電機(jī)反饋電纜傳輸?shù)氖悄M電壓或電流信號(hào)，通常采用的是單層或者雙層屏蔽雙絞線。對(duì)于單層屏蔽線和雙層屏蔽線的總屏蔽層，應(yīng)在機(jī)柜側(cè)進(jìn)行單端接地；雙層屏蔽線的分屏蔽層，通常應(yīng)與電機(jī)控制器的模擬地連接，模擬地浮空。（4）控制和信號(hào)電纜：裝卸料機(jī)采用就地控制方式，電纜長度較短，通常采用單端接地的型式，可有效提高信號(hào)抗低頻干擾的能力。對(duì)于一些遠(yuǎn)程操作的設(shè)備，特別是帶有高頻信號(hào)的數(shù)字化控制系統(tǒng)，當(dāng)其電纜長度與信號(hào)波長之比大于0.15時(shí)，應(yīng)采用雙端接地的型式。（5）同軸電纜：同軸電纜的外導(dǎo)體（屏蔽層）的內(nèi)表面起到了用作信號(hào)的兩個(gè)導(dǎo)體中的一個(gè)導(dǎo)體的作用；它的外表面因趨膚效應(yīng)也為EMI提供了通路，以保持信號(hào)與EMI電流在屏蔽層截面中的分離。同軸電纜可用于傳輸所有頻率的信號(hào)，其接地方式同樣應(yīng)根據(jù)信號(hào)的頻率高低、傳輸距離的遠(yuǎn)近確定。比如，若用于傳輸長距離的高頻視頻信號(hào)，應(yīng)采用雙端接地的方式以減少干擾；若用于傳輸壓電傳感器的電荷信號(hào)，則應(yīng)采用單端接地的方式。2.4

單相變壓器和直流電源的接地2.4.1

單相變壓器的接地為滿足安全需求，單相變壓器的外殼和鐵芯應(yīng)進(jìn)行接地，如圖1所示，但對(duì)于其二次側(cè)是否接地應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求確定。（1）二次側(cè)接地：如圖1（a）所示，二次側(cè)接地后，接地端對(duì)地電壓為0。如果人站在地上觸及其不接地端，則可能發(fā)生觸電事故。如果繞組絕緣損壞，一次側(cè)電壓竄入二次側(cè)，由于二次側(cè)接地，一方面限制了這時(shí)的二次故障電壓，另一方面可能有較大的接地電流（如果一次側(cè)是大電流接地系統(tǒng)），在保護(hù)器件的作用下，將自動(dòng)切斷電源。（2）二次側(cè)不接地：如圖1（b）所示，二次側(cè)電壓浮空，與一次側(cè)相隔離，屬于隔離變壓器。如果人站在地上觸摸其中任一根線，均不會(huì)發(fā)生觸電事故。但是，如果繞組間絕緣損壞，一次電壓將竄入二次側(cè)，若一次側(cè)電壓較高，則可能危及人身或者設(shè)備安全。因此，對(duì)于二次側(cè)不接地的方式，應(yīng)采用加強(qiáng)絕緣的安全隔離變壓器以確保其絕緣性能；而對(duì)于控制變壓器，由于存在一次側(cè)電壓竄入二次側(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，所以二次側(cè)應(yīng)進(jìn)行接地以確保安全。2.4.2

直流電源的接地直流電源的接地主要有保護(hù)地和信號(hào)地兩種。以西門子的SITOP直流電源為例，其端子上一般有3個(gè)接線引腳：+24V、0V、PE。其中PE應(yīng)連接保護(hù)地，以防止因其外殼帶電而發(fā)生觸電事故；對(duì)于其公共端0V引腳，是否接地實(shí)際上就是信號(hào)地是否應(yīng)該連接到大地的問題。這兩種方案各有優(yōu)劣。如果公共端不接地，則相當(dāng)于信號(hào)地浮空（簡(jiǎn)稱浮地）。浮地可使功率地與信號(hào)地之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，也容易因積累靜電電荷而對(duì)人身安全造成危害，而且對(duì)絕緣要求較高，一旦絕緣下降就會(huì)帶來干擾。若將公共端接地，可以將電路中的靜電