大亞灣核電站微電子系統的防雷保護

計算機、通信和儀表控制系統（以下統稱“微電子系統”）在工業化社會得到了廣泛的應用，隨著科學技術的快速發展，這些系統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年投入商業運行以來，微電子系統的雷害事件偶有發生。因此，本文從防雷保護技術的角度對核電站微電子系統的防雷概況進行分析。


1　微電子系統設備遭受雷害的途徑和防雷保護措施
1．1　遭受雷害的途徑
　　微電子系統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。電網系統內部產生的過電壓沖擊或電磁耦合等也會造成設備損壞。

　　在電力網內部因系統操作失誤或出現異常工況甚至短路等故障，會引起電力網系統出現內部過電壓或電壓瞬態降低的現象。大亞灣核電站控制棒驅動機構電源（RAM）系統快速降功率保護裝置就曾因香港400 k V電網瞬時接地短路而動作，造成該電動發電機系統跳閘。此類過電壓會經電源侵入微電子設備，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產生高達4 kV的電壓干擾波［1］，這種干擾波的波頭上升前沿可達0．4 kV／ns，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。

1．2　防雷保護措施
　　由于微電子系統設備對雷電特有的敏感性和雷害途徑的多樣性，在對微電子系統設備的雷電防護方面，應根據各微電子系統的重要程度劃分防雷區域，并針對微電子系統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。
針對雷害特點，采取的防護措施有：
　　a）利用雷電接閃器（避雷針、避雷帶等）及其構成的系統防止直擊雷的侵害。
b）泄流（分流）雷電能量，防止直擊雷反擊。
　　c）采用對系統設備接地的等電位連接的方法防止直擊雷反擊。
　　d）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，即系統間、設備間要達到電磁兼容的標準要求。
　　e）采用過電壓保護器防止元器件損壞，即在微電子系統的電源回路、信號接口等回路安裝過電壓保護器（如過電壓限制器或浪涌吸收器等），經限制器將已產生的過電壓箝制于限制值以下，保證系統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的重要級別或系統回路接口方式全面、系統地統籌考慮。
　　以上措施是微電子系統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。

2　大亞灣核電站微電子系統的防雷概況
2．1　計算機網絡系統
作為大亞灣核電站的生產管理、生產控制的計算機網絡系統，在發電機組安全、穩定運行中起著非常重要的作用。電站計算機網絡系統主要由計算中心（電站計算機輔助隔離系統、廣東核電生產管理系統等）、工業計算機系統和儀表控制計算機系統組成。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，尚未發生過因雷害造成系統停運或主設備損壞等事故。但在1999年8月，曾發生過網口設備以及多個用戶收發器因雷害而損壞的事件，另外北區部分餐廳計算機收費系統的終端也曾因雷害多次出現異常工作狀態。有鑒于此，在1999年度對北區部分計算機用戶進行了接地設施增改處理。




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。作為工業計算機系統和儀表控制計算機系統，其主設備布置在主廠房內，僅廠區和辦公樓出入監督（KKK）系統部分裝置設置在戶外區域。歷史上KKK系統曾發生過因雷害而造成板件損壞的事件，這些系統的防雷概況見2．3節的分析。

2．2　通信系統
　　通信系統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，其構成的閉環通信系統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場的主要通信設施有微波站、01樓通信交換機機房、南區通信機房、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，電站自建設和商業運行以來，通信系統一直保持著良好的工作狀態，雖然因雷擊發生過用戶部分模塊板件損壞，但微波站主機系統未出現過因雷害造成重大設備損壞或系統失效的事件。

　　由于雷電存在著隨機性和不可控性，通信系統運行正常并不代表系統設計或狀態符合保護的要求，所以，在2000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；接地網電氣性能測試———測量接地網接地電阻和屏蔽線的連接等情況；接地網工況評估———評判接地電阻、電氣連接等是否合格，接地網腐蝕狀況（包括局部開挖檢查）、接地網是否符合設計要求或是否滿足運行要求等。

　　通過對微波站防雷設施的全面檢查，發現存在問題較多，主要是：接地網接地電阻的檢測值與設計值（4Ω）相比偏大，為7．15Ω；接地網腐蝕嚴重，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。

　　針對上述檢測和評估結果，為防止雷害事故的發生，對通信系統進行了改造，并于2001年11月全部完成了接地網的改造和有關防雷設施整的改工作。整改后微波站接地電阻和保護配置達到了規程要求，提高了整個通信系統的防雷水平。

2．3　工業計算機儀表控制系統
　　核島、常規島工業計算機儀表控制系統對核電站的安全、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、檢測和控制系統是防雷工作的重中之重。機組自投入商業運行以來，尚未有明確的因雷害造成核安全系統異常動作的記錄。從防雷角度來看，核島工業計算機儀表控制系統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；常規島工業計算機儀表控制系統亦基本采用封閉式屏蔽設計。無論是核島還是常規島，其建筑物外部均設有完善的接閃器（避雷針、避雷帶），接閃器經接地引下線接入電站主接地系統，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，在電源供電系統中，來自電網500 k V和400 k V系統的侵入波在經過SF6全密封組合電器（GIS）、主變壓器等設備進入廠用6．6 k V系統后，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島工業計算機儀表控制系統是不會構成威脅的。核島內微電子系統應以防護內部系統產生過電壓或系統間的電磁干擾為主，對外部防雷工作應以檢查建筑物接地引下線、連接可靠性和接地網的工況為主。

　　在2000年10月對大亞灣核電站主接地網的電氣性能檢測和對運行10年后的主接地網的腐蝕工況開挖檢查中，已確認目前核電站主接地網狀況良好，接地網接地電阻為0．174Ω，符合國家接地標準的要求。核電站主接地網的設計高于國內電站的設計標準，接地網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范且狀況良好。在對660多個連接點的檢查中，僅發現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，認為接地網的設計、安裝、維護和運行工況是滿足核電站運行要求的。因此，可認為核島和常規島微電子系統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。

3　大亞灣核電站輔助系統的典型雷害事件分析及系統改造情況　　
　　1999年8月和2000年6月，0SEP生水箱水位檢測系統發生多起雷害事件，其原因和系統改造分析如下。
3．1　0SEP系統變送器雷害事件描述
　　1999年8月6日，雷暴天氣，飲用水（SEP）系統的儲水池的0SEP401／402 MN水位測量變送器、9KRG151AR柜中的0SEP007／008CA板件，以及變送器（0TER013 MN和0SEL001／002／003 MN）等設備，在雷電沖擊下損壞。同一天，雷害還造成與計算中心同軸電纜連接的10個終端機的收發器損壞，廠區通信交換機上48 V直流電源開關跳閘，導致全廠4位數電話機系統不可用，使主控制室與外界聯系受到嚴重影響。
3．2　原因分析
　　SEP系統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0SEP401／402 MN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9KRG151AR柜的距離長1 000 m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電源的其它變送器損壞，如這次事件中的廢液排放（TER）系統、常規島廢液排放（SEL）系統和輔助給水（ASG）系統的部分變送器損壞。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。
3．3　改造情況
　　實際上在過去幾年的雷雨季節里，0SEP生水箱水位檢測系統的0SEP401／402 MN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接地。由于改造措施單一，其效果不甚理想，隨后因受雷電沖擊又發生一起儲水池0SEP401／402 MN水位測量變送器損壞的事件。之后增加改進措施，即在儲水池側0SEP401／402 MN水位測量變送器處安裝了過電壓限制器，經近2年運行考核效果不錯。參照此措施已著手在電站側機房9KRG151AR內4　

結束語
　　微電子系統設備的防雷保護是一項系統工程，本文僅以防護原理為基礎對核電站微電子系統作概要分析。對實際的各個微電子系統，在保護配置上應根據保護原則具體問題具體分析，即根據系統設備的重要程度和防雷保護的要求等級進行多層次、全方位的綜合防御，建立完善的縱深防御體系。


參考文獻

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