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　　1微電子系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)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(yīng)雷或雷電電磁脈沖的侵害等。電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的過電壓沖擊或電磁耦合等也會造成設(shè)備損壞。

　　在電力網(wǎng)內(nèi)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(nèi)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(qū)動機構(gòu)電源(RAM)系統(tǒng)快速降功率保護裝置就曾因香港400 k V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)電源侵入微電子設(shè)備，也會因布線不當(dāng)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(shè)備在動作時會瞬態(tài)產(chǎn)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(chǎn)生傳導(dǎo)性干擾，也產(chǎn)生輻射性干擾。因此，在核電站微電子系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)部應(yīng)考慮電器設(shè)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(shè)備。

　　1.2防雷保護措施

　　由于微電子系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)備的雷電防護方面，應(yīng)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(shè)備的可靠性要求程度確定出相應(yīng)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(gòu)成的系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(yīng)過電壓的產(chǎn)生。這些屏蔽包括建筑物屏蔽、微電子系統(tǒng)設(shè)備機房內(nèi)屏蔽、設(shè)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(shè)備中，除了要具備防雷暴屏蔽外，還要求達到設(shè)備間、電子元件間的電磁干擾屏蔽，即系統(tǒng)間、設(shè)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(tǒng)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(jīng)限制器將已產(chǎn)生的過電壓箝制于限制值以下，保證系統(tǒng)設(shè)備或元器件免于異常動作或損壞。過電壓保護器的設(shè)置或選擇應(yīng)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。

　　以上措施是微電子系統(tǒng)設(shè)備防雷害和過電壓保護的基本措施，由它們構(gòu)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(shù)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(yīng)全面、綜合地予以考慮，在可靠性評估的基礎(chǔ)上進行設(shè)計或技術(shù)改進。

　　2大亞灣核電站微電子系統(tǒng)的防雷概況

　　2.1計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

　　作為大亞灣核電站的生產(chǎn)管理、生產(chǎn)控制的計算機網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(chǎn)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(nèi)，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(shè)備損壞等事故。但在1999年8月，曾發(fā)生過網(wǎng)口設(shè)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(shè)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(yīng)雷的設(shè)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(shè)備布置在主廠房內(nèi)，僅廠區(qū)和辦公樓出入監(jiān)督(KKK)系統(tǒng)部分裝置設(shè)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。

　　2.2通信系統(tǒng)

　　通信系統(tǒng)在生產(chǎn)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(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)備損壞或系統(tǒng)失效的事件。

　　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(shè)計或狀態(tài)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(nèi)容包括：防雷設(shè)計、施工評估———核實原防雷設(shè)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(shè)計要求或是否滿足運行要求等。

　　通過對微波站防雷設(shè)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(shè)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(yīng)有作用；防雷保護設(shè)計部分不符合要求；交、直流電源配電設(shè)備各側(cè)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(yīng)浪涌吸收裝置等。

　　針對上述檢測和評估結(jié)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(guān)防雷設(shè)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(guī)程要求，提高了整個通信系統(tǒng)的防雷水平。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(guān)重要的作用，因此，在防雷領(lǐng)域中，與核安全相關(guān)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(shè)計，即整個核島廠房采用全封閉鋼筑水泥建筑構(gòu)成等電位連接的法拉第屏蔽籠的結(jié)構(gòu)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(shè)計。無論是核島還是常規(guī)島，其建筑物外部均設(shè)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(yīng)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)500 k V和400 k V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(shè)備進入廠用6.6 k V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(gòu)成威脅的。核島內(nèi)微電子系統(tǒng)應(yīng)以防護內(nèi)部系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓或系統(tǒng)間的電磁干擾為主，對外部防雷工作應(yīng)以檢查建筑物接地引下線、連接可靠性和接地網(wǎng)的工況為主。

　　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(shè)計高于國內(nèi)電站的設(shè)計標準，接地網(wǎng)設(shè)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(zhì)導(dǎo)體(預(yù)埋前作防腐處理)，接地導(dǎo)線截面選擇遠大于國內(nèi)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(jié)果進行綜合評價，認為接地網(wǎng)的設(shè)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(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。

　　3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。

　　3.10SEP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(shè)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48 V直流電源開關(guān)跳閘，導(dǎo)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。

　　3.2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(fēng)險；0SEP儲水池側(cè)水位測量變送器0SEP401／402 MN露天安裝，未設(shè)計有防雷裝置；電站側(cè)機房內(nèi)9KRG151AR柜中亦未設(shè)計安裝相應(yīng)的防雷裝置；從儲水池到電站內(nèi)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(shè)，其余部分沿地面敷設(shè)，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(dāng)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(chǎn)生過電壓，這種感應(yīng)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(shè)備遭受感應(yīng)雷侵害。

　　3.3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(shù)部門對生水箱水位檢測系統(tǒng)進行了改造，將露天敷設(shè)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(fā)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(cè)0SEP401／402 MN水位測量變送器處安裝了過電壓限制器，經(jīng)近2年運行考核效果不錯。參照此措施已著手在電站側(cè)機房9KRG151AR內(nèi)

　　4結(jié)束語

　　微電子系統(tǒng)設(shè)備的防雷保護是一項系統(tǒng)工程，本文僅以防護原理為基礎(chǔ)對核電站微電子系統(tǒng)作概要分析。對實際的各個微電子系統(tǒng)，在保護配置上應(yīng)根據(jù)保護原則具體問題具體分析，即根據(jù)系統(tǒng)設(shè)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。