楊 鍇

(1.上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所，上海 200233；2.國(guó)家能源核電站儀表研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心，上海 200233;3.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，以第三代核電技術(shù)為主的核電廠正在全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模選址和建造中。以AP1000為例，核電廠中的集散式儀控系統(tǒng)為全部數(shù)字化形式[1]。在安全系統(tǒng)中運(yùn)用了非能動(dòng)設(shè)計(jì)，使得電氣儀控機(jī)柜需要在各個(gè)廠房中密集型排列放置。日本福島事件后，我國(guó)重新審視了核電廠的安全問題，并命令所有后續(xù)建造的核電廠都暫緩開工。為避免重蹈福島事件，經(jīng)過相關(guān)決定，對(duì)一切電氣及儀控類產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格和全面的試驗(yàn)[2]。其中，將最具有破壞性的浪涌試驗(yàn)等級(jí)升至最高級(jí)，以應(yīng)對(duì)未來可能出現(xiàn)的突發(fā)意外。在電磁兼容的設(shè)備鑒定過程中，儀控機(jī)柜也的確遇到了在浪涌試驗(yàn)上所遇到的問題。

本文通過對(duì)浪涌理論分析與實(shí)際的浪涌保護(hù)器的試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)了防浪涌的注意點(diǎn)，為后續(xù)的第三代甚至第四代核電廠電氣儀控機(jī)柜的安全性提供了一定借鑒。

1 電磁兼容試驗(yàn)

1.1 電磁兼容試驗(yàn)意義

鑒定試驗(yàn)的本意是指對(duì)設(shè)備的某些性能進(jìn)行評(píng)價(jià)而進(jìn)行的試驗(yàn)。實(shí)際上就是針對(duì)被測(cè)設(shè)備，利用外部其他設(shè)備去模擬實(shí)際工況下會(huì)遇到的最惡劣干擾，并且確保驗(yàn)證后的設(shè)備仍然能夠正常執(zhí)行其自身所有功能的過程。這樣一個(gè)過程所生成的結(jié)果與證據(jù)，用來確保環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心與核電廠相關(guān)方等設(shè)備能在其預(yù)期的任意時(shí)刻正常工作、抵御外部干擾，滿足系統(tǒng)所需性能的要求，從而確保核電廠的安全[3]。電磁兼容的設(shè)備鑒定實(shí)際上就是一個(gè)證明在電磁兼容干擾的情況下，該設(shè)備滿足電磁兼容要求并且在試驗(yàn)過程中功能與性能始終滿足驗(yàn)收判據(jù)要求的過程。嚴(yán)格且正確的電磁兼容鑒定程序，應(yīng)當(dāng)是選定某型設(shè)備樣品后一次性完成所有試驗(yàn)與驗(yàn)證并順利通過[4]。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，不得更換設(shè)備。

1.2 電磁兼容浪涌試驗(yàn)

浪涌所產(chǎn)生的干擾電壓波形是持續(xù)時(shí)間非常短并且上升沿較為陡峭的瞬態(tài)脈沖電壓。雷擊是人類所熟知的產(chǎn)生該類極端浪涌波形的原因之一。平時(shí)的切換開關(guān)操作、靜電放電也都會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓干擾。這種浪涌電壓會(huì)通過電容、電流、電感等耦合途徑，從電源、信號(hào)線或者線纜的屏蔽層等進(jìn)入帶電工作的設(shè)備或設(shè)備內(nèi)部[5]。

電磁兼容浪涌試驗(yàn)?zāi)M以下兩大類情況下的干擾。

(1)在輸配電變電站等強(qiáng)電系統(tǒng)中，整個(gè)電力系統(tǒng)通斷瞬間可分成與如下操作相關(guān)的瞬態(tài)。

①大功率的電氣/電力/電子裝置及其系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾，例如居民區(qū)等變電站的維護(hù)時(shí)的切換。

②局域網(wǎng)中的整體供電環(huán)境，微小的部分瞬態(tài)切換開關(guān)操作。

③諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生(與開關(guān)、通斷或者切換元器件有關(guān)例如二極管、三極管等)。

④在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)下，各類設(shè)備發(fā)生的問題或者故障，例如電氣開關(guān)柜的短路或者是飛弧擊穿等嚴(yán)重事故。

(2)在雷電瞬態(tài)，雷電產(chǎn)生的浪涌電壓主要機(jī)理如下。

①直擊雷。高壓擊中非內(nèi)部的電路，瞬態(tài)產(chǎn)生的較大電流通過了非內(nèi)部的電路的較大阻抗而產(chǎn)生的高壓。

②間接雷擊(通常是地球大氣層之間的云層所產(chǎn)生的外部雷擊直接擊打到附近設(shè)備物體)。其所在建筑體或者外殼等場(chǎng)合上所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)效應(yīng)。通過電磁場(chǎng)空間的傳播，它在建筑物的內(nèi)、外導(dǎo)體上耦合并且出現(xiàn)了感應(yīng)電壓與電流。

③周圍相近的區(qū)域直接向地面進(jìn)行放電或者雷擊電流，將會(huì)通過空間感應(yīng)耦合到設(shè)備所處在的組合接地系統(tǒng)中，并且在公用的接地路徑上產(chǎn)生有害的感應(yīng)電壓騷擾。

在核電廠所處的環(huán)境中，最容易受到干擾的是浪涌干擾。CAP1400電磁兼容浪涌試驗(yàn)鑒定等級(jí)如表1所示。

2 浪涌保護(hù)器

2.1 浪涌保護(hù)器概念

無(wú)論浪涌沖擊干擾是通過哪一種方式來產(chǎn)生的，其所產(chǎn)生的最終結(jié)果都非常嚴(yán)重。例如儀器設(shè)備的損毀、通信傳輸系統(tǒng)卡頓或者停止，以及更加惡劣的情況(如控制系統(tǒng)失效癱瘓)等。與系統(tǒng)失效和更換元件的代價(jià)相比較，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的丟失和生產(chǎn)收益率的下降等間接損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接損失。為了防止浪涌沖擊破壞如今幾乎全數(shù)字化操作的核電廠儀控系統(tǒng)，所有的儀控機(jī)柜處于危險(xiǎn)的接口，如信號(hào)輸入和電源入口必須安裝防浪涌保護(hù)器。

浪涌保護(hù)器(surge protection device，SPD)是電氣、電子設(shè)備和供電電力線路等雷電防護(hù)、過電壓防護(hù)所必不可少的一種保護(hù)裝置[6]。浪涌保護(hù)器的作用是將直接或者間接進(jìn)入電力線、電氣及電子設(shè)備以及傳輸環(huán)節(jié)的瞬態(tài)過電壓鉗位在設(shè)備或系統(tǒng)所本身能夠承受的電壓范圍內(nèi)，或者將過高的脈沖電流泄放至大地，使得被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)免受浪涌沖擊而被損壞。

以常用的單相交流或直流電浪涌浪涌保護(hù)器為例[7]，主要分為1P+N型和2P型。1P+N 是指1片壓敏電阻插頭+1片氣體放電管插頭的浪涌保護(hù)器，而2P是指2片壓敏電阻插頭的浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器中執(zhí)行功能的元器件是壓敏電阻與氣體放電管。在L-PE以及N-PE之間均為壓敏電阻串聯(lián)氣體放電管結(jié)構(gòu)，氣體放電管則是共用。浪涌保護(hù)器電路如圖1所示。

圖1 浪涌保護(hù)器電路圖

2.2 浪涌保護(hù)器在試驗(yàn)中遇到的問題及解決方法

在對(duì)用于CAP1400核電廠的儀控機(jī)柜原理樣機(jī)進(jìn)行電磁兼容鑒定時(shí)，遇到如下兩點(diǎn)問題，并尋找到了原因和相對(duì)應(yīng)解決方法，最終順利完成鑒定試驗(yàn)。

2.2.1 空氣開關(guān)試驗(yàn)中會(huì)自動(dòng)跳閘斷開

儀控機(jī)柜一般在配電進(jìn)線端會(huì)裝有一個(gè)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的空氣開關(guān)，之后再串聯(lián)如浪涌保護(hù)器及后續(xù)相關(guān)控制設(shè)備。由于還處于研發(fā)階段并且對(duì)浪涌保護(hù)器沒有明確規(guī)定使用1P+N型還是2P型，所以兩者都可能用在機(jī)柜中。在鑒定試驗(yàn)中，當(dāng)進(jìn)行浪涌試驗(yàn)時(shí)，浪涌保護(hù)器正常工作。但是在進(jìn)行電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)時(shí)，由于1P+N型的結(jié)構(gòu)特性，產(chǎn)生了較大的漏電流，使得空氣開關(guān)自動(dòng)保護(hù)，跳閘斷開，無(wú)法通過試驗(yàn)。對(duì)2P型進(jìn)行鑒定試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)電磁兼容的所有試驗(yàn)下都未發(fā)生空氣開關(guān)自動(dòng)跳閘斷開，滿足鑒定要求。

經(jīng)過分析可知，由于兩種浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)特性不同，雖然都能滿足浪涌試驗(yàn)，但是2P型浪涌保護(hù)器更滿足整個(gè)CAP1400的電磁兼容鑒定要求。所以對(duì)于核電廠儀控機(jī)柜，選用2P型更為合適。

2.2.2 浪涌保護(hù)器接地線問題引起閃屏問題

某些儀控機(jī)柜配備顯示屏幕，以展現(xiàn)操作界面等內(nèi)容。在對(duì)多款不同功能或者不同類型機(jī)柜進(jìn)行浪涌試驗(yàn)時(shí)，多會(huì)在多次浪涌試驗(yàn)后出現(xiàn)閃屏問題；浪涌試驗(yàn)終止后，自動(dòng)恢復(fù)正常。

通過排查和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)許多機(jī)柜浪涌保護(hù)器兩端的接地線較長(zhǎng)，并且沒有就近接在接地排上。當(dāng)浪涌干擾進(jìn)行多次施加后，由于能量累積，沒有及時(shí)泄放，引起對(duì)顯示屏幕的串?dāng)_。最終解決方法為大幅縮短兩端接電線距離，就近加固在接地排上，并且使用截面積不小于16 mm2的接地銅線，同時(shí)嚴(yán)格參照GB /T 21431中5.8對(duì)SPD的要求。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，接地環(huán)境改善明顯，屏幕不再產(chǎn)生任何異?，F(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，核電儀控機(jī)柜作為核電廠中核心部分之一，必須得到重視。本文首先闡明了電磁兼容鑒定的意義，并且分析了其中最為不易通過的浪涌試驗(yàn)；然后給出了浪涌保護(hù)器的具體概念與分析；最終給出浪涌保護(hù)器在實(shí)際機(jī)柜內(nèi)得選取與安裝經(jīng)驗(yàn)，幫助提升了儀控機(jī)柜的電磁兼容抗干擾能力。