摘要：根据相关标准的要求，以压水堆核电站CAP系列装卸料机为例，总结了核电站机电设备的屏蔽与接地设计要求。恰当的屏蔽和接地设计，可确保设备的电磁兼容性能满足要求。
关键词：核电站；电磁兼容性；接地；装卸料机
0引言
核电厂中存在着许多电磁干扰源，如大型电机、继电器、变频器等，这些设备的运行会发出空间电磁或者传导干扰信号，引起附近仪表或者电源线信号失真，可能造成测量误差或者设备误动作，甚至导致设备损坏，影响核电厂的可靠性和安全性。特别是新建的核电站大多采用数字化仪控设备，设备的电磁兼容性（EMC）越来越受到重视。设备电磁兼容性除了受其组成器件本身的特性影响以外，还主要取决于其接地、屏蔽的有效性。
1设计标准和规范
电控系统接地一般可分为保护接地和工作接地两种，前者主要是为了保护附近人员防止其发生触电事故，后者主要是为了避免干扰信号耦合至信号回路。目前国外和国内在建的三代核电站电气和仪控系统的屏蔽与接地设计，主要遵循《Guideforinstrumentationandcontrolequipmentgroundingingeneratingstations》（IEEE1050）。该标准是一般发电厂仪控设备接地主要的设计导则，在理论和实施方法上都提出了详细的说明指导，且同样适用于一般机电设备的屏蔽和接地设计。对于一些特殊行业的机电设备，其屏蔽和接地设计还需要遵循相应行业规范要求。比如，非标类机电设备应遵循《机械电气安全机械电气设备第1部分：通用技术条件》（GB/T5226.1）中的要求，一般起重机应遵循《起重机设计规范》（GB/T3811）中的要求等。此外，由于核电站中机电设备类型较多，各设备的设计方案和组成器件也各不相同，在参照以上标准进行接地设计的同时，还应充分考虑各器件厂商提出的特殊接地要求及安装规范。
2核电站机电设备的屏蔽和接地设计
核电站内的机电设备类型较多，典型的有装换料设备、起重设备以及各种非标机电设备等。装卸料机是其中一种较为复杂的机电设备，其电控系统涵盖了机电设备常见的电路和器件类型。下面以装卸料机为例，阐述核电站机电设备的屏蔽和接地设计方法。
2.1系统接地型式。根据《系统接地的型式及安全技术要求》（GB14050），电控系统按接地型式不同，可分为TN系统、TT系统、IT系统等，其中TN系统根据N与PE的分离状态又可以划分为TN-S、TN-C和TN-C-S三种，其主要区别如表1所示。装卸料机作为一种桥式起重机，根据《起重机设计规范》（GB/T3811）规定：“起重机本体的金属结构应与供电线路的地线可靠连接。大车与小车的车轮、任何其他的滚轮或端梁连接采用的铰链均不能替代必需的导电连接，而应另外用专门的接地线将各部分结构件上的接地点连接。”“所有电气设备的金属外壳、金属导线管、金属支架及金属线糟等均应可靠接地。宜采用专门设置的接地线，保证电气设备的可靠接地。”“严禁用接地线作为载流零线。”因此，应采用TN-S的接地型式，其主要特点有：（1）系统正常运行时，PE线上没有电流，只是N线上有不平衡电流。PE线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用保护线PE上，安全可靠。（2）专用保护线PE不许断线，也不许进入漏电开关。（3）N线只用作单相照明负载回路。（4）干线上使用漏电保护器时，N线不得有重复接地。此外，对于装卸料机这种桥式起重机，其整个金属结构互相连接，桥架和小车分别形成了一个天然的等电位整体，当出现漏电或相线碰壳等事故时，若人员正常或非正常接触非导电金属结构或设备外壳，则不会出现电压差，从而避免了触电事故发生。
2.2接地方式的选择。电控系统接地方式有单点接地、多点接地和混合接地等，表2说明了几种接地方式的主要差别。由于核电站机电设备电控系统绝大多数属于低频系统，工作频率低于300kHz，因此大多数就地操作的机电设备可采用单点接地的方式。比如，装卸料机上工作频率最高的设备是电机控制器，其信号频率不超过30kHz，且其电缆长度均不超过100m，适合采用单点接地方式。单点接地又可以分为串联、并联及串并联混合三种。其中，并联单点接地在低频电路中应用最广，一般是按照模拟信号、数字信号等分类，然后在同类电路内部采用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。对于同类电路或相互干扰较少的电路，可采用串联单点接地，以减少接地线长度。对于部分远程操作的机电设备，如果接地线过长，柜子接地点之间会存在电势差。针对这种情况，可以分别在远程操作台和设备上创建一个独立的单点接地系统。此时应避免在操作台和设备之间进行仪控电缆的低频互连，而采用高频的数据总线电缆进行通信。同时，它们之间的通信电路应对共模噪声有适当的保护。系统之间的信号应使用分差连接的信号隔离变换器进行耦合。如此连接，形成一个对低频信号是单点接地，而对高频信号是多点接地的混合接地系统。
2.3屏蔽线的接地。电缆屏蔽层接地一方面是出于安全要求，另一方面也能为EMI提供双向衰减，是保证设备电磁兼容性的重要手段。然而，对于低频干扰有效的电缆屏蔽接地的做法对高频干扰通常是无效的，而对于高频干扰有效的做法对低频可能会造成问题。因此，有必要深入了解屏蔽接地的类型和其各自的优缺点，以便根据实际情况选用最恰当的接地方式。电缆屏蔽层接地的基本型式是单端接地、双端接地和多点接地，表3说明了这三种接地型式的主要差别。对于核电站机电设备电缆屏蔽层的接地型式，须结合其传输信号的特性和电缆长度等因素综合考虑。装卸料机上各种类型电缆的接地型式要求如下：（1）三芯电力电缆：通常采用双端接地的方式。三芯电力电缆的三相负荷不对称会导致其屏蔽层上产生感应电动势，采用双端接地方式可防止金属屏蔽层过电压时对电缆和人身造成伤害。通过双端接地，不平衡电流产生的感应电动势就会在金属屏蔽层与大地之间形成环流，但由于金属屏蔽层的阻抗较大，环流很小，环流对电缆本身以及对由环流产生的电磁干扰较小。（2）电机电源复合电缆：装卸料机电机电源线通常选择含有电机三相电源芯线、制动器电源芯线、温控开关控制芯线的双层屏蔽复合电缆，除了带有总屏蔽层，制动器和温控开关的控制芯线还具有分屏蔽层。针对这种情况，应对独立屏蔽的控制芯线在机柜一端进行屏蔽接地以保护低频的EMI，同时整体屏蔽层可在双端接地，以保护独立屏蔽免受高频干扰。（3）电机反馈电缆：电机反馈电缆传输的是模拟电压或电流信号，通常采用的是单层或者双层屏蔽双绞线。对于单层屏蔽线和双层屏蔽线的总屏蔽层，应在机柜侧进行单端接地；双层屏蔽线的分屏蔽层，通常应与电机控制器的模拟地连接，模拟地浮空。（4）控制和信号电缆：装卸料机采用就地控制方式，电缆长度较短，通常采用单端接地的型式，可有效提高信号抗低频干扰的能力。对于一些远程操作的设备，特别是带有高频信号的数字化控制系统，当其电缆长度与信号波长之比大于0.15时，应采用双端接地的型式。（5）同轴电缆：同轴电缆的外导体（屏蔽层）的内表面起到了用作信号的两个导体中的一个导体的作用；它的外表面因趋肤效应也为EMI提供了通路，以保持信号与EMI电流在屏蔽层截面中的分离。同轴电缆可用于传输所有频率的信号，其接地方式同样应根据信号的频率高低、传输距离的远近确定。比如，若用于传输长距离的高频视频信号，应采用双端接地的方式以减少干扰；若用于传输压电传感器的电荷信号，则应采用单端接地的方式。
2.4单相变压器和直流电源的接地。2.4.1单相变压器的接地。为满足安全需求，单相变压器的外壳和铁芯应进行接地，如图1所示，但对于其二次侧是否接地应根据实际要求确定。（1）二次侧接地：如图1（a）所示，二次侧接地后，接地端对地电压为0。如果人站在地上触及其不接地端，则可能发生触电事故。如果绕组绝缘损坏，一次侧电压将窜入二次侧，由于二次侧接地，一方面限制了这时的二次故障电压，另一方面可能有较大的接地电流（如果一次侧是大电流接地系统），在保护器件的作用下，将自动切断电源。（2）二次侧不接地：如图1（b）所示，二次侧电压浮空，与一次侧相隔离，属于隔离变压器。如果人站在地上触摸其中任一根线，均不会发生触电事故。但是，如果绕组间绝缘损坏，一次电压将窜入二次侧，若一次侧电压较高，则可能危及人身或者设备安全。因此，对于二次侧不接地的方式，应采用加强绝缘的安全隔离变压器以确保其绝缘性能；而对于控制变压器，由于存在一次侧电压窜入二次侧的风险，所以二次侧应进行接地以确保安全。2.4.2直流电源的接地。直流电源的接地主要有保护地和信号地两种。以西门子的SITOP直流电源为例，其端子上一般有3个接线引脚：24V、0V、PE。其中PE应连接保护地，以防止因其外壳带电而引发触电事故；对于其公共端0V引脚，是否接地实际上就是信号地是否应该连接到大地的问题。这两种方案各有优劣。如果公共端不接地，则相当于信号地浮空（简称浮地）。浮地可使功率地与信号地之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，也容易因积累静电电荷而对人身安全造成危害，而且对绝缘要求较高，一旦绝缘下降就会带来干扰。若将公共端接地，可以将电路中的静电释放到大地，保护器件和人身的安全。一般直流电源的负极接的都是数字地或者模拟地，再通过磁阻或者电阻单点接地，这样既可以释放电路中的静电电荷，又可以防止引入大地中的交流等干扰信号。
3结语
本文根据相关标准的要求，以压水堆核电站装卸料机为例，从系统接地型式、接地方式、屏蔽线的接地、单相变压器和直流电源的接地等方面出发，详细阐述了核电站机电设备的屏蔽与接地设计方法，有利于确保设备电磁兼容性能满足要求。
作者:陈剑锋 单位:上海核工程研究设计院