大亚湾核电站微电子系统的防雷保护

　 摘要：针对大亚湾核电站计算机、通信和仪表控制系统（统称“微电子系统”）的防雷保护问题，从分析雷害侵入途径和防止微电子系统设备雷害事故发生的防护措施入手，通过防雷接地系统的检测结果，对大亚湾核电站微电子系统设备、厂房防雷设施等的状况进行了分析和评价。以典型雷害事件为例，分析了大亚湾核电站微电子系统设计、施工等方面存在的问题，并介绍了对系统进行改造的情况。
　　 关键词：计算机网络系统；通信系统；仪表控制系统；防雷保护
　　计算机、通信和仪表控制系统（以下统称“微电子系统”）在工业化社会得到了广泛的应用，随着科学技术的快速发展，这些系统的微电子器件的集成化和微型化程度愈来愈高，而其元器件的抗电气冲击水平却都很低，因此，防雷问题和元器件间、系统间的电磁兼容问题日显突出。大亚湾核电站是自动化程度很高的核电站，自1994年投入商业运行以来，微电子系统的雷害事件偶有发生。因此，本文从防雷保护技术的角度对核电站微电子系统的防雷概况进行分析。
　 　1、微电子系统设备遭受雷害的途径和防雷保护措施
　　1.1 遭受雷害的途径
　　微电子系统设备遭受雷害的途径有直击雷的侵害、反击，由电源线路引入的雷电侵入波、感应雷或雷电电磁脉冲的侵害等。电网系统内部产生的过电压冲击或电磁耦合等也会造成设备损坏。
　　在电力网内部因系统操作失误或出现异常工况甚至短路等故障，会引起电力网系统出现内部过电压或电压瞬态降低的现象。大亚湾核电站控制棒驱动机构电源（RAM）系统快速降功率保护装置就曾因香港400kV电网瞬时接地短路而动作，造成该电动发电机系统跳闸。此类过电压会经电源侵入微电子设备，也会因布线不当而通过线路耦合到微电子器件的电路中。同样地，某些继电器设备在动作时会瞬态产生高达4kV的电压干扰波［1］，这种干扰波的波头上升前沿可达0.4kV／ns，它既产生传导性干扰，也产生辐射性干扰。因此，在核电站微电子系统设备的内部应考虑电器设备之间的电磁兼对于雷电电磁脉冲过电压，其波的过程时间非常短，采用工频稳压装置或不间断电源是不能消除其影响的，而且过电压往往会损坏这些设备。
　　1.2 防雷保护措施
　　由于微电子系统设备对雷电特有的敏感性和雷害途径的多样性，在对微电子系统设备的雷电防护方面，应根据各微电子系统的重要程度划分防雷区域，并针对微电子系统设备的可靠性要求程度确定出相应的雷电防护等级，全方位、多层次地建立一套完整的防护体系，这种防护体系也就是核安全采用的纵深防御体系。
　 　针对雷害特点，采取的防护措施有：
　　a）利用雷电接闪器（避雷针、避雷带等）及其构成的系统防止直击雷的侵害。
　　b）泄流（分流）雷电能量，防止直击雷反击。
　　c）采用对系统设备接地的等电位连接的方法防止直击雷反击。
　　d）采用多层次的电磁屏蔽来降低或限制感应过电压的产生。这些屏蔽包括建筑物屏蔽、微电子系统设备机房内屏蔽、设备外壳屏蔽和信号管线屏蔽等。作为电磁屏蔽，在微电子系统的设备中，除了要具备防雷暴屏蔽外，还要求达到设备间、电子元件间的电磁干扰屏蔽，即系统间、设备间要达到电磁兼容的标准要求。
　　e）采用过电压保护器防止元器件损坏，即在微电子系统的电源回路、信号接口等回路安装过电压保护器（如过电压限制器或浪涌吸收器等），经限制器将已产生的过电压箝制于限制值以下，保证系统设备或元器件免于异常动作或损坏。过电压保护器的设置或选择应按其保护系统的重要级别或系统回路接口方式全面、系统地统筹考虑。
　　以上措施是微电子系统设备防雷害和过电压保护的基本措施，由它们构成一个完整的现代雷电防护体系，即全方位、多层次的综合防护措施，任何单一的防护技术并不能有效地防止雷电的侵害。因此，计算机、通信和仪表控制等微电子系统的防雷保护工作应全面、综合地予以考虑，在可靠性评估的基础上进行设计或技术改进。
　　 2、大亚湾核电站微电子系统的防雷概况
　　2.1 计算机网络系统
　　作为大亚湾核电站的生产管理、生产控制的计算机网络系统，在发电机组安全、稳定运行中起着非常重要的作用。电站计算机网络系统主要由计算中心（电站计算机辅助隔离系统、广东核电生产管理系统等）、工业计算机系统和仪表控制计算机系统组成。计算中心中央计算机位于01楼一楼的全封闭机房内，自其投入运行以来，尚未发生过因雷害造成系统停运或主设备损坏等事故。但在1999年8月，曾发生过网口设备以及多个用户收发器因雷害而损坏的事件，另外北区部分餐厅计算机收费系统的终端也曾因雷害多次出现异常工作状态。有鉴于此，在1999年度对北区部分计算机用户进行了接地设施增改处理。
　　计算中心的主计算机房在防雷保护方面具有较好的防直击雷和感应雷的设计工况。作为工业计算机系统和仪表控制计算机系统，其主设备布置在主厂房内，仅厂区和办公楼出入监督（KKK）系统部分装置设置在户外区域。历史上KKK系统曾发生过因雷害而造成板件损坏的事件，这些系统的防雷概况见2.3节的分析。
　　2.2 通信系统
　　通信系统在生产中的作用是不言而喻的。大亚湾核电站采用完全独立而互为备用的微波中继通信电路和光纤通信电路，其构成的闭环通信系统保证了广东核电通信有较高的可靠性。目前分布于核电站现场的主要通信设施有微波站、01楼通信交换机机房、南区通信机房、BX楼通信交换机机房等。大亚湾核电站微波站投入运行已10年有余，电站自建设和商业运行以来，通信系统一直保持着良好的工作状态，虽然因雷击发生过用户部分模块板件损坏，但微波站主机系统未出现过因雷害造成重大设备损坏或系统失效的事件。
　　由于雷电存在着随机性和不可控性，通信系统运行正常并不代表系统设计或状态符合保护的要求，所以，在2000年11月，核电站对微波站的防雷工况进行了一次全面的检查和评估。检查、评估工作的主要内容包括：防雷设计、施工评估―――核实原防雷设计的实施情况；接地网电气性能测试―――测量接地网接地电阻和屏蔽线的连接等情况；接地网工
　　查和评估。检查、评估工作的主要内容包括：防雷设计、施工评估―――核实原防雷设计的实施情况；接地网电气性能测试―――测量接地网接地电阻和屏蔽线的连接等情况；接地网工况评估―――评判接地电阻、电气连接等是否合格，接地网腐蚀状况（包括局部开挖检查）、接地网是否符合设计要求或是否满足运行要求等。
　　通过对微波站防雷设施的全面检查，发现存在问题较多，主要是：接地网接地电阻的检测值与设计值（4Ω）相比偏大，为7.15Ω；接地网腐蚀严重，水平接地带与垂直接地极已基本腐蚀断开，垂直接地极已起不到应有作用；防雷保护设计部分不符合要求；交、直流电源配电设备各侧及交流屏输入端等未装备氧化锌避雷器等保护装置，直流屏输入端亦未安装相应浪涌吸收装置等。
　　针对上述检测和评估结果，为防止雷害事故的发生，对通信系统进行了改造，并于2001年11月全部完成了接地网的改造和有关防雷设施整的改工作。整改后微波站接地电阻和保护配置达到了规程要求，提高了整个通信系统的防雷水平。
　　2.3　工业计算机仪表控制系统核岛、常规岛工业计算机仪表控制系统对核电站的安全、可靠运行起着至关重要的作用，因此，在防雷领域中，与核安全相关的计量、检测和控制系统是防雷工作的重中之重。机组自投入商业运行以来，尚未有明确的因雷害造成核安全系统异常动作的记录。从防雷角度来看，核岛工业计算机仪表控制系统采用多重全封闭式屏蔽设计，即整个核岛厂房采用全封闭钢筑水泥建筑构成等电位连接的法拉第屏蔽笼的结构模式；常规岛工业计算机仪表控制系统亦基本采用封闭式屏蔽设计。无论是核岛还是常规岛，其建筑物外部均设有完善的接闪器（避雷针、避雷带），接闪器经接地引下线接入电站主接地系统，因此，对直击雷和感应雷的侵害都可有效地进行防护。从侵入波方面来考虑雷电冲击过电压的影响，在电源供电系统中，来自电网500kV和400kV系统的侵入波在经过SF6全密封组合电器（GIS）、主变压器等设备进入厂用6.6kV系统后，通过电站避雷器的防雷保护以及多回路的分流和波过程的衰减，侵入波已得到有效的阻止。因此，可认为来自外部的雷电波对核岛或常规岛工业计算机仪表控制系统是不会构成威胁的。核岛内微电子系统应以防护内部系统产生过电压或系统间的电磁干扰为主，对外部防雷工作应以检查建筑物接地引下线、连接可靠性和接地网的工况为主。
　　在2000年10月对大亚湾核电站主接地网的电气性能检测和对运行10年后的主接地网的腐蚀工况开挖检查中，已确认目前核电站主接地网状况良好，接地网接地电阻为0.174Ω，符合国家接地标准的要求。核电站主接地网的设计高于国内电站的设计标准，接地网设计寿期与核电站寿期一致，如接地母线、接地引下线全部采用铜质导体（预埋前作防腐处理），接地导线截面选择远大于国内标准，引下线与接地母线连接规范且状况良好。在对660多个连接点的检查中，仅发现2个连接点接触不良。通过开挖检查和对检测结果进行综合评价，认为接地网的设计、安装、维护和运行工况是满足核电站运行要求的。因此，可认为核岛和常规岛微电子系统的防雷保护体系具有很高的可靠性，并且目前运行工况良好。
　　 3、大亚湾核电站辅助系统的典型雷害事件分析及系统改造情况1999年8月和2000年6月，0SEP生水箱水位检测系统发生多起雷害事件，其原因和系统改造分析如下。
　　3.10SEP系统变送器雷害事件描述1999年8月6日，雷暴天气，饮用水（SEP）系统的储水池的0SEP401／402MN水位测量变送器、9KRG151AR柜中的0SEP007／008CA板件，以及变送器（0TER013MN和0SEL001／002／003 N）等设备，在雷电冲击下损坏。同一天，雷害还造成与计算中心同轴电缆连接的10个终端机的收发器损坏，厂区通信交换机上48V直流电源开关跳闸，导致全厂4位数电话机系统不可用，使主控制室与外界联系受到严重影响。
　　3.2原因分析SEP系统的储水池位于电站北面山坡上，因为地势较高，所以储水池有遭受直击雷破坏的风险；0SEP储水池侧水位测量变送器0SEP401／40MN露天安装，未设计有防雷装置；电站侧机房内9KRG151AR柜中亦未设计安装相应的防雷装置；从储水池到电站内机房的9KRG151AR柜的距离长1000m左右，两地之间仪表控制电缆在跨越公路时采用架空铺设，其余部分沿地面敷设，该电缆采用的是非铠装电缆，沿线亦未采取任何屏蔽管线等屏蔽措施。因此，当储水池遭受雷击或沿线路附近落雷时，地电位升高或空间雷电电磁脉冲波在电缆上耦合产生过电压，这种感应过电压的侵入造成测量变送器和板件等的损坏，过大的雷电流甚至造成同系统电源的其它变送器损坏，如这次事件中的废液排放（TER）系统、常规岛废液排放（SEL）系统和辅助给水（ASG）系统的部分变送器损坏。在查无直击落雷点后，可初步认为本次事件的原因是设备遭受感应雷侵害。
　　3.3　改造情况实际上在过去几年的雷雨季节里，0SEP生水箱水位检测系统的0SEP401／402MN水位测量变送器和CA板件曾多次损坏。针对1999年8月这次雷害事件，于2000年5月，大亚湾核电站技术部门对生水箱水位检测系统进行了改造，将露天敷设的电缆安装封闭式金属电缆托盘和变送器屏蔽罩接地。由于改造措施单一，其效果不甚理想，随后因受雷电冲击又发生一起储水池0SEP401／402MN水位测量变送器损坏的事件。之后增加改进措施，即在储水池侧0SEP401／402MN水位测量变送器处安装了过电压限制器，经近2年运行考核效果不错。参照此措施已着手在电站侧机房9KRG151AR内
　　 4、结束语
　　微电子系统设备的防雷保护是一项系统工程，本文仅以防护原理为基础对核电站微电子系统作概要分析。对实际的各个微电子系统，在保护配置上应根据保护原则具体问题具体分析，即根据系统设备的重要程度和防雷保护的要求等级进行多层次、全方位的综合防御建立完善的纵深防御体系。
　　 参考文献：
　　［1］马乃祥，周佩白。电磁干扰的预防（一）［J］。华东电力，1999，27（11）：47―50.
　　［2］DL548―1994，电力系统通信站防雷运行管理规程［S］。
　　［3］GB50057―1994，建筑物防雷设计规范［S］。
　　［4］GB50169―1992，电气装置工程接地装置施工及验收规程［S］。
　　［5］DL／T621―1997，交流电气装置的接地［S］。