核電站機電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計

摘

要：根據(jù)相關(guān)標準的要求，以壓水堆核電站CAP系列裝卸料機為例，總結(jié)了核電站機電設(shè)備的屏蔽與接地設(shè)計要求。恰當?shù)钠帘魏徒拥卦O(shè)計，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(shè)備的運行會發(fā)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(shè)備誤動作，甚至導致設(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)計標準和規(guī)范電控系統(tǒng)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(fā)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(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，主要遵循《Guideforinstrumentationandcontrolequipmentgroundingingeneratingstations》（IEEE1050）。該標準是一般發(fā)電廠儀控設(shè)備接地主要的設(shè)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(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計。對于一些特殊行業(yè)的機電設(shè)備，其屏蔽和接地設(shè)計還需要遵循相應行業(yè)規(guī)范要求。比如，非標類機電設(shè)備應遵循《機械電氣安全機械電氣設(shè)備第1部分：通用技術(shù)條件》（GB/T5226.1）中的要求，一般起重機應遵循《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB/T3811）中的要求等。此外，由于核電站中機電設(shè)備類型較多，各設(shè)備的設(shè)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(shè)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(guī)范。2

核電站機電設(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計核電站內(nèi)的機電設(shè)備類型較多，典型的有裝換料設(shè)備、起重設(shè)備以及各種非標機電設(shè)備等。裝卸料機是其中一種較為復雜的機電設(shè)備，其電控系統(tǒng)涵蓋了機電設(shè)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(shè)備的屏蔽和接地設(shè)計方法。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。裝卸料機作為一種橋式起重機，根據(jù)《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB/T3811）規(guī)定：“起重機本體的金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件上的接地點連接?！薄八须姎庠O(shè)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(shè)置的接地線，保證電氣設(shè)備的可靠接地?！薄皣澜媒拥鼐€作為載流零線?！币虼耍瑧捎肨N-S的接地型式，其主要特點有：（1）系統(tǒng)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(shè)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(guān)。（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(jié)構(gòu)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(xiàn)漏電或相線碰殼等事故時，若人員正?；蚍钦＝佑|非導電金屬結(jié)構(gòu)或設(shè)備外殼，則不會出現(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(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)就地操作的機電設(shè)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(shè)備是電機控制器，其信號頻率不超過30kHz，且其電纜長度均不超過100m，適合采用單點接地方式。單點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)單點接地在低頻電路中應用最廣，一般是按照模擬信號、數(shù)字信號等分類，然后在同類電路內(nèi)部采用串聯(lián)單點接地，不同類型的電路采用并聯(lián)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(lián)單點接地，以減少接地線長度。對于部分遠程操作的機電設(shè)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(shè)備上創(chuàng)建一個獨立的單點接地系統(tǒng)。此時應避免在操作臺和設(shè)備之間進行儀控電纜的低頻互連，而采用高頻的數(shù)據(jù)總線電纜進行通信。同時，它們之間的通信電路應對共模噪聲有適當?shù)谋Ｗo。系統(tǒng)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(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各自的優(yōu)缺點，以便根據(jù)實際情況選用最恰當?shù)慕拥胤绞?。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(shè)備電纜屏蔽層的接地型式，須結(jié)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：（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荷不對稱會導致其屏蔽層上產(chǎn)生感應電動勢，采用雙端接地方式可防止金屬屏蔽層過電壓時對電纜和人身造成傷害。通過雙端接地，不平衡電流產(chǎn)生的感應電動勢就會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)流對電纜本身以及對由環(huán)流產(chǎn)生的電磁干擾較小。（2）電機電源復合電纜：裝卸料機電機電源線通常選擇含有電機三相電源芯線、制動器電源芯線、溫控開關(guān)控制芯線的雙層屏蔽復合電纜，除了帶有總屏蔽層，制動器和溫控開關(guān)的控制芯線還具有分屏蔽層。針對這種情況，應對獨立屏蔽的控制芯線在機柜一端進行屏蔽接地以保護低頻的EMI，同時整體屏蔽層可在雙端接地，以保護獨立屏蔽免受高頻干擾。（3）電機反饋電纜：電機反饋電纜傳輸?shù)氖悄M電壓或電流信號，通常采用的是單層或者雙層屏蔽雙絞線。對于單層屏蔽線和雙層屏蔽線的總屏蔽層，應在機柜側(cè)進行單端接地；雙層屏蔽線的分屏蔽層，通常應與電機控制器的模擬地連接，模擬地浮空。（4）控制和信號電纜：裝卸料機采用就地控制方式，電纜長度較短，通常采用單端接地的型式，可有效提高信號抗低頻干擾的能力。對于一些遠程操作的設(shè)備，特別是帶有高頻信號的數(shù)字化控制系統(tǒng)，當其電纜長度與信號波長之比大于0.15時，應采用雙端接地的型式。（5）同軸電纜：同軸電纜的外導體（屏蔽層）的內(nèi)表面起到了用作信號的兩個導體中的一個導體的作用；它的外表面因趨膚效應也為EMI提供了通路，以保持信號與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，其接地方式同樣應根據(jù)信號的頻率高低、傳輸距離的遠近確定。比如，若用于傳輸長距離的高頻視頻信號，應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，則應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進行接地，如圖1所示，但對于其二次側(cè)是否接地應根據(jù)實際要求確定。（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)），在保護器件的作用下，將自動切斷電源。（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，對于二次側(cè)不接地的方式，應采用加強絕緣的安全隔離變壓器以確保其絕緣性能；而對于控制變壓器，由于存在一次側(cè)電壓竄入二次側(cè)的風險，所以二次側(cè)應進行接地以確保安全。2.4.2

直流電源的接地直流電源的接地主要有保護地和信號地兩種。以西門子的SITOP直流電源為例，其端子上一般有3個接線引腳：+24V、0V、PE。其中PE應連接保護地，以防止因其外殼帶電而發(fā)生觸電事故；對于其公共端0V引腳，是否接地實際上就是信號地是否應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，則相當于信號地浮空（簡稱浮地）。浮地可使功率地與信號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人身安全造成危害，而且對絕緣要求較高，一旦絕緣下降就會帶來干擾。若將公共端接地，可以將電路中的靜電