核电厂仪控机柜的防浪涌保护器应用技术研究

2019-10-09杨锴

自动化仪表 2019年9期

杨锴

(1.上海仪器仪表自控系统检验测试所，上海 200233；2.国家能源核电站仪表研发(实验)中心，上海 200233;3.上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，以第三代核电技术为主的核电厂正在全国范围内大规模选址和建造中。以AP1000为例，核电厂中的集散式仪控系统为全部数字化形式[1]。在安全系统中运用了非能动设计，使得电气仪控机柜需要在各个厂房中密集型排列放置。日本福岛事件后，我国重新审视了核电厂的安全问题，并命令所有后续建造的核电厂都暂缓开工。为避免重蹈福岛事件，经过相关决定，对一切电气及仪控类产品进行严格和全面的试验[2]。其中，将最具有破坏性的浪涌试验等级升至最高级，以应对未来可能出现的突发意外。在电磁兼容的设备鉴定过程中，仪控机柜也的确遇到了在浪涌试验上所遇到的问题。

本文通过对浪涌理论分析与实际的浪涌保护器的试验验证，总结了防浪涌的注意点，为后续的第三代甚至第四代核电厂电气仪控机柜的安全性提供了一定借鉴。

1 电磁兼容试验

1.1 电磁兼容试验意义

鉴定试验的本意是指对设备的某些性能进行评价而进行的试验。实际上就是针对被测设备，利用外部其他设备去模拟实际工况下会遇到的最恶劣干扰，并且确保验证后的设备仍然能够正常执行其自身所有功能的过程。这样一个过程所生成的结果与证据，用来确保环境保护部核与辐射安全中心与核电厂相关方等设备能在其预期的任意时刻正常工作、抵御外部干扰，满足系统所需性能的要求，从而确保核电厂的安全[3]。电磁兼容的设备鉴定实际上就是一个证明在电磁兼容干扰的情况下，该设备满足电磁兼容要求并且在试验过程中功能与性能始终满足验收判据要求的过程。严格且正确的电磁兼容鉴定程序，应当是选定某型设备样品后一次性完成所有试验与验证并顺利通过[4]。在整个试验过程中，不得更换设备。

1.2 电磁兼容浪涌试验

浪涌所产生的干扰电压波形是持续时间非常短并且上升沿较为陡峭的瞬态脉冲电压。雷击是人类所熟知的产生该类极端浪涌波形的原因之一。平时的切换开关操作、静电放电也都会产生浪涌电压干扰。这种浪涌电压会通过电容、电流、电感等耦合途径，从电源、信号线或者线缆的屏蔽层等进入带电工作的设备或设备内部[5]。

电磁兼容浪涌试验模拟以下两大类情况下的干扰。

(1)在输配电变电站等强电系统中，整个电力系统通断瞬间可分成与如下操作相关的瞬态。

①大功率的电气/电力/电子装置及其系统在转换时会产生干扰，例如居民区等变电站的维护时的切换。

②局域网中的整体供电环境，微小的部分瞬态切换开关操作。

③谐振现象的产生(与开关、通断或者切换元器件有关例如二极管、三极管等)。

④在整个现场系统下，各类设备发生的问题或者故障，例如电气开关柜的短路或者是飞弧击穿等严重事故。

(2)在雷电瞬态，雷电产生的浪涌电压主要机理如下。

①直击雷。高压击中非内部的电路，瞬态产生的较大电流通过了非内部的电路的较大阻抗而产生的高压。

②间接雷击(通常是地球大气层之间的云层所产生的外部雷击直接击打到附近设备物体)。其所在建筑体或者外壳等场合上所产生的电磁场效应。通过电磁场空间的传播，它在建筑物的内、外导体上耦合并且出现了感应电压与电流。

③周围相近的区域直接向地面进行放电或者雷击电流，将会通过空间感应耦合到设备所处在的组合接地系统中，并且在公用的接地路径上产生有害的感应电压骚扰。

在核电厂所处的环境中，最容易受到干扰的是浪涌干扰。CAP1400电磁兼容浪涌试验鉴定等级如表1所示。

2 浪涌保护器

2.1 浪涌保护器概念

无论浪涌冲击干扰是通过哪一种方式来产生的，其所产生的最终结果都非常严重。例如仪器设备的损毁、通信传输系统卡顿或者停止，以及更加恶劣的情况(如控制系统失效瘫痪)等。与系统失效和更换元件的代价相比较，监测数据的丢失和生产收益率的下降等间接损失远远大于直接损失。为了防止浪涌冲击破坏如今几乎全数字化操作的核电厂仪控系统，所有的仪控机柜处于危险的接口，如信号输入和电源入口必须安装防浪涌保护器。

浪涌保护器(surge protection device，SPD)是电气、电子设备和供电电力线路等雷电防护、过电压防护所必不可少的一种保护装置[6]。浪涌保护器的作用是将直接或者间接进入电力线、电气及电子设备以及传输环节的瞬态过电压钳位在设备或系统所本身能够承受的电压范围内，或者将过高的脉冲电流泄放至大地，使得被保护的设备或系统免受浪涌冲击而被损坏。

以常用的单相交流或直流电浪涌浪涌保护器为例[7]，主要分为1P+N型和2P型。1P+N 是指1片压敏电阻插头+1片气体放电管插头的浪涌保护器，而2P是指2片压敏电阻插头的浪涌保护器。浪涌保护器中执行功能的元器件是压敏电阻与气体放电管。在L-PE以及N-PE之间均为压敏电阻串联气体放电管结构，气体放电管则是共用。浪涌保护器电路如图1所示。

图1 浪涌保护器电路图

2.2 浪涌保护器在试验中遇到的问题及解决方法

在对用于CAP1400核电厂的仪控机柜原理样机进行电磁兼容鉴定时，遇到如下两点问题，并寻找到了原因和相对应解决方法，最终顺利完成鉴定试验。

2.2.1 空气开关试验中会自动跳闸断开

仪控机柜一般在配电进线端会装有一个满足设计规范的空气开关，之后再串联如浪涌保护器及后续相关控制设备。由于还处于研发阶段并且对浪涌保护器没有明确规定使用1P+N型还是2P型，所以两者都可能用在机柜中。在鉴定试验中，当进行浪涌试验时，浪涌保护器正常工作。但是在进行电快速瞬变脉冲群试验时，由于1P+N型的结构特性，产生了较大的漏电流，使得空气开关自动保护，跳闸断开，无法通过试验。对2P型进行鉴定试验时，整个电磁兼容的所有试验下都未发生空气开关自动跳闸断开，满足鉴定要求。

经过分析可知，由于两种浪涌保护器结构特性不同，虽然都能满足浪涌试验，但是2P型浪涌保护器更满足整个CAP1400的电磁兼容鉴定要求。所以对于核电厂仪控机柜，选用2P型更为合适。

2.2.2 浪涌保护器接地线问题引起闪屏问题

某些仪控机柜配备显示屏幕，以展现操作界面等内容。在对多款不同功能或者不同类型机柜进行浪涌试验时，多会在多次浪涌试验后出现闪屏问题；浪涌试验终止后，自动恢复正常。

通过排查和比对，发现许多机柜浪涌保护器两端的接地线较长，并且没有就近接在接地排上。当浪涌干扰进行多次施加后，由于能量累积，没有及时泄放，引起对显示屏幕的串扰。最终解决方法为大幅缩短两端接电线距离，就近加固在接地排上，并且使用截面积不小于16 mm2的接地铜线，同时严格参照GB /T 21431中5.8对SPD的要求。经过反复验证，接地环境改善明显，屏幕不再产生任何异常现象。