控制系統(tǒng)論文大亞灣核電站微電子系統(tǒng)的防雷保護

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    摘要：針對大亞灣核電站計算機、通信和儀表控制系統(tǒng)（統(tǒng)稱“微電子系統(tǒng)”）的防雷保護問題，從分析雷害侵入途徑和防止微電子系統(tǒng)設備雷害事故發(fā)生的防護措施入手，通過防雷接地系統(tǒng)的檢測結果，對大亞灣核電站微電子系統(tǒng)設備、廠房防雷設施等的狀況進行了分析和評價。以典型雷害事件為例，分析了大亞灣核電站微電子系統(tǒng)設計、施工等方面存在的問題，并介紹了對系統(tǒng)進行改造的情況。2 m2 X9 e7 Q) d; ( u8 ?" r關鍵詞：計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)；通信系統(tǒng)；儀表控制系統(tǒng)；防

2、雷保護2 '4 K5 C! N) o7 i8 s計算機、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)化社會得到了廣泛的應用，隨著科學技術的快速發(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化程度很高的核電站，自1994年投入商業(yè)運行以來，微電子系統(tǒng)的雷害事件偶有發(fā)生。因此，本文從防雷保護技術的角度對核電站微電子系統(tǒng)的防雷概況進行分析。$ b- I. P0 O4 s0 U* H1、微電子系統(tǒng)設備遭受雷害的途徑和防雷保護措施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、感應雷或雷電電磁脈沖的侵害等。電網(wǎng)系統(tǒng)內部產生的過電壓沖擊或電磁耦合等也會造成設備損壞。- : v8 q2 e* A* n1 '8 v在電力網(wǎng)內部因系統(tǒng)操作失誤或出現(xiàn)異常工況甚至短路等故障，會引起電力網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)內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動機構電源（RAM）系統(tǒng)快速降功率保護裝置就曾因香港400kV電網(wǎng)瞬時接地短路而動作，造成該電動發(fā)電機系統(tǒng)跳閘。此類過電壓會經(jīng)電源

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

5、樣性，在對微電子系統(tǒng)設備的雷電防護方面，應根據(jù)各微電子系統(tǒng)的重要程度劃分防雷區(qū)域，并針對微電子系統(tǒng)設備的可靠性要求程度確定出相應的雷電防護等級，全方位、多層次地建立一套完整的防護體系，這種防護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針對雷害特點，采取的防護措施有：" 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）采用對系統(tǒng)設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過電壓的產生。這些屏蔽包括建筑物屏蔽、微電子系統(tǒng)設備機房內屏蔽、設備外殼屏蔽和信號管線屏蔽等。作為電磁屏蔽，在微電子系統(tǒng)的設備中，除了要具備防雷暴屏蔽外，還要求達到設備間、電子元件間的電磁干擾屏蔽，即系統(tǒng)間、設備間要達到電磁兼容的標準要求。4 r/ K. 1 f' L5 W  e）采用過電壓保護器防止元器件損壞，即在微電子系統(tǒng)的電源回路、信號接口等回路安裝過電壓保護器（如過

7、電壓限制器或浪涌吸收器等），經(jīng)限制器將已產生的過電壓箝制于限制值以下，保證系統(tǒng)設備或元器件免于異常動作或損壞。過電壓保護器的設置或選擇應按其保護系統(tǒng)的重要級別或系統(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)設備防雷害和過電壓保護的基本措施，由它們構成一個完整的現(xiàn)代雷電防護體系，即全方位、多層次的綜合防護措施，任何單一的防護技術并不能有效地防止雷電的侵害。因此，計算機、通信和儀表控制等微電子系統(tǒng)的防雷保護工作應全面、綜合地予以考慮，在可靠性評估的基礎上進行設計或技術改進。+ . 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 計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)4 a2 N' A$ |3 i. J' N作為大亞灣核電站的生產管理、生產控制的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，在發(fā)電機組安全、穩(wěn)定運行中起著非常重要的作用。電站計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由計算中心（電站計算機輔助隔離系統(tǒng)、廣東核電生產管理系統(tǒng)等）、工業(yè)計算機系統(tǒng)和儀表控制計算機系統(tǒng)組成。計算中心中央計算機位于01樓一樓的全封閉機房內，自其投入運行以來，尚未發(fā)生過因雷害造成系統(tǒng)停運或主設備損壞等事故。但在1999年8月，曾發(fā)生過網(wǎng)口設備以及多個用戶收發(fā)器因雷害而損壞的事件，另外北區(qū)部分餐廳計算機收費系統(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年度對北區(qū)部分計算機用戶進行了接地設施增改處理。- r, K5 v2 6 W8 q+ v* U$ s8 b4 g計算中心的主計算機房在防雷保護方面具有較好的防直擊雷和感應雷的設計工況。作為工業(yè)計算機系統(tǒng)和儀表控制計算機系統(tǒng)，其主設備布置在主廠房內，僅廠區(qū)和辦公樓出入監(jiān)督（KKK）系統(tǒng)部分裝置設置在戶外區(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)在生產中的作用是不言而喻的。大亞灣核電站采用完全獨立而互為備用的微波中繼通信電路和光纖通信電路，其構成的閉環(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)場的主要通信設施有微波站、01樓通信交換機機房、南區(qū)通信機房、BX樓通信交換機機房等。大亞灣核電站微波站投入運行已10年有余，電站自建設和商業(yè)運行以來，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，但微波站主機系統(tǒng)未出現(xiàn)過因雷害造成重大設備損壞或系統(tǒng)失效的事件。: 3 T3 & ?: n+ W由于雷電存在著隨機性和不可控性，通信系統(tǒng)運行正常并不代表系統(tǒng)設計或狀態(tài)符合保護的要求，所以，在20

11、00年11月，核電站對微波站的防雷工況進行了一次全面的檢查和評估。檢查、評估工作的主要內容包括：防雷設計、施工評估核實原防雷設計的實施情況；接地網(wǎng)電氣性能測試測量接地網(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查和評估。檢查、評估工作的主要內容包括：防雷設計、施工評估核實原防雷設計的實施情況；接地網(wǎng)電氣性能測試測量接地網(wǎng)接地電阻和屏蔽線的連接等情況；接地網(wǎng)工況評估評判接地電阻、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)是否符合設計要求或是否滿足運行要求等。' S7 S8 U5

12、f* j通過對微波站防雷設施的全面檢查，發(fā)現(xiàn)存在問題較多，主要是：接地網(wǎng)接地電阻的檢測值與設計值（4Ω）相比偏大，為7.15Ω；接地網(wǎng)腐蝕嚴重，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有作用；防雷保護設計部分不符合要求；交、直流電源配電設備各側及交流屏輸入端等未裝備氧化鋅避雷器等保護裝置，直流屏輸入端亦未安裝相應浪涌吸收裝置等。- % T' n& e8 y0 b) B, 9 |1 N針對上述檢測和評估結果，為防止雷害事故的發(fā)生，對通信系統(tǒng)進行了改造，并于2001年11月全部完成了接地網(wǎng)的改造和有關防雷設施整的改工作。整改

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

14、是核島還是常規(guī)島，其建筑物外部均設有完善的接閃器（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，對直擊雷和感應雷的侵害都可有效地進行防護。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）、主變壓器等設備進入廠用6.6kV系統(tǒng)后，通過電站避雷器的防雷保護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，可認為來自外部的雷電波對核島或常規(guī)島工業(yè)計算機儀表控制系統(tǒng)是不會構成威脅的。核島內微電子系統(tǒng)應以防護內部系統(tǒng)產生過電壓或系統(tǒng)間的電磁干擾為主，對外部防雷工作應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月對大亞灣核電站主接地網(wǎng)的電氣性能檢測和對運行10年后的主接地網(wǎng)的腐蝕工況開挖檢查中，已確認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，符合國家接地標準的要求。核電站主接地網(wǎng)的設計高于國內電站的設計標準，接地網(wǎng)設計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導體（預埋前作防腐處理），接地導線截面選擇遠大于國內標準，引下線與接地母線連接規(guī)范且狀況良好。在對660多個連接點的檢查中，僅發(fā)現(xiàn)2個連接點接觸不良。通過開挖檢查和對檢測結果進行綜合評價，認為接地網(wǎng)的設計、

16、安裝、維護和運行工況是滿足核電站運行要求的。因此，可認為核島和常規(guī)島微電子系統(tǒng)的防雷保護體系具有很高的可靠性，并且目前運行工況良好。& + 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)的儲水池的0SEP401402MN水位測量變送器、9KRG151AR柜中的0

17、SEP007008CA板件，以及變送器（0TER013MN和0SEL001002003 N）等設備，在雷電沖擊下?lián)p壞。同一天，雷害還造成與計算中心同軸電纜連接的10個終端機的收發(fā)器損壞，廠區(qū)通信交換機上48V直流電源開關跳閘，導致全廠4位數(shù)電話機系統(tǒng)不可用，使主控制室與外界聯(lián)系受到嚴重影響。$ v. Y0 u6 + m" n3.2原因分析SEP系統(tǒng)的儲水池位于電站北面山坡上，因為地勢較高，所以儲水池有遭受直擊雷破壞的風險；0SEP儲水池側水位測量變送器0SEP40140MN露天安裝，未設計有防雷裝置；電站側機房內9KRG151AR柜中亦未設計安裝相應的防雷裝置；從儲水池到電站內機房的

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采用架空鋪設，其余部分沿地面敷設，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，當儲水池遭受雷擊或沿線路附近落雷時，地電位升高或空間雷電電磁脈沖波在電纜上耦合產生過電壓，這種感應過電壓的侵入造成測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。在查無直擊落雷點后，可初步認為本次事件的原因是設備遭受感應雷侵害。: t4 c! ; ?  j3.3改造情況實際上在過去幾年的雷雨季節(jié)里，0SEP生水箱水位檢測系統(tǒng)的0SEP401402MN水位測量變送器和CA板件曾多次損壞。針對1999年8月這次雷害事件，于2000年5月，大亞灣核電站技術部門對生水箱水位檢測系統(tǒng)進行了改造，將露天敷設的電纜安裝封閉式金屬電纜托盤和變送器屏蔽罩