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(xiàn)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(wǎng)系統內部產(chǎn)生的過(guò)電壓沖擊或電磁耦合等也會(huì )造成設備損壞。

　　在電力網(wǎng)內部因系統操作失誤或出現異常工況甚至短路等故障，會(huì )引起電力網(wǎng)系統出現內部過(guò)電壓或電壓瞬態(tài)降低的現象。大亞灣核電站控制棒驅動(dòng)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(wǎng)瞬時(shí)接地短路而動(dòng)作，造成該電動(dòng)發(fā)電機系統跳閘。此類(lèi)過(guò)電壓會(huì )經(jīng)電源侵入微電子設備，也會(huì )因布線(xiàn)不當而通過(guò)線(xiàn)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(dòng)作時(shí)會(huì )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)生傳導性干擾，也產(chǎn)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(guò)電壓，其波的過(guò)程時(shí)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(guò)電壓往往會(huì )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(diǎn)，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(lái)降低或限制感應過(guò)電壓的產(chǎn)生。這些屏蔽包括建筑物屏蔽、微電子系統設備機房?jì)绕帘?、設備外殼屏蔽和信號管線(xiàn)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(guò)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(guò)電壓保護器(如過(guò)電壓限制器或浪涌吸收器等)，經(jīng)限制器將已產(chǎn)生的過(guò)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(dòng)作或損壞。過(guò)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(guò)電壓保護的基本措施，由它們構成一個(gè)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(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(jìn)行設計或技術(shù)改進(jìn)。

　　2大亞灣核電站微電子系統的防雷概況

　　2.1計算機網(wǎng)絡(luò )系統

　　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，在發(fā)電機組安全、穩定運行中起著(zhù)非常重要的作用。電站計算機網(wǎng)絡(luò )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(chǎn)管理系統等)、工業(yè)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?jì)?，自其投入運行以來(lái)，尚未發(fā)生過(guò)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(fā)生過(guò)網(wǎng)口設備以及多個(gè)用戶(hù)收發(fā)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(tài)。有鑒于此，在1999年度對北區部分計算機用戶(hù)進(jìn)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(yè)計算機系統和儀表控制計算機系統，其主設備布置在主廠(chǎng)房?jì)?，僅廠(chǎng)區和辦公樓出入監督(KKK)系統部分裝置設置在戶(hù)外區域。歷史上KKK系統曾發(fā)生過(guò)因雷害而造成板件損壞的事件，這些系統的防雷概況見(jiàn)2.3節的分析。

　　2.2通信系統

　　通信系統在生產(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，其構成的閉環(huán)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(chǎng)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(yè)運行以來(lái)，通信系統一直保持著(zhù)良好的工作狀態(tài)，雖然因雷擊發(fā)生過(guò)用戶(hù)部分模塊板件損壞，但微波站主機系統未出現過(guò)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(zhù)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(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(jìn)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(shí)原防雷設計的實(shí)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(xiàn)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(kāi)挖檢查)、接地網(wǎng)是否符合設計要求或是否滿(mǎn)足運行要求等。

　　通過(guò)對微波站防雷設施的全面檢查，發(fā)現存在問(wèn)題較多，主要是：接地網(wǎng)接地電阻的檢測值與設計值(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(kāi)，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(fā)生，對通信系統進(jìn)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(gè)通信系統的防雷水平。2.3工業(yè)計算機儀表控制系統

　　核島、常規島工業(yè)計算機儀表控制系統對核電站的安全、可靠運行起著(zhù)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、檢測和控制系統是防雷工作的重中之重。機組自投入商業(yè)運行以來(lái)，尚未有明確的因雷害造成核安全系統異常動(dòng)作的記錄。從防雷角度來(lái)看，核島工業(yè)計算機儀表控制系統采用多重全封閉式屏蔽設計，即整個(gè)核島廠(chǎng)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(yè)計算機儀表控制系統亦基本采用封閉式屏蔽設計。無(wú)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(jīng)接地引下線(xiàn)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(jìn)行防護。從侵入波方面來(lái)考慮雷電沖擊過(guò)電壓的影響，在電源供電系統中，來(lái)自電網(wǎng)500 k V和400 k V系統的侵入波在經(jīng)過(guò)SF6全密封組合電器(GIS)、主變壓器等設備進(jìn)入廠(chǎng)用6.6 k V系統后，通過(guò)電站避雷器的防雷保護以及多回路的分流和波過(guò)程的衰減，侵入波已得到有效的阻止。因此，可認為來(lái)自外部的雷電波對核島或常規島工業(yè)計算機儀表控制系統是不會(huì )構成威脅的。核島內微電子系統應以防護內部系統產(chǎn)生過(guò)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(xiàn)、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(kāi)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)的設計高于國內電站的設計標準，接地網(wǎng)設計壽期與核電站壽期一致，如接地母線(xiàn)、接地引下線(xiàn)全部采用銅質(zhì)導體(預埋前作防腐處理)，接地導線(xiàn)截面選擇遠大于國內標準，引下線(xiàn)與接地母線(xiàn)連接規范且狀況良好。在對660多個(gè)連接點(diǎn)的檢查中，僅發(fā)現2個(gè)連接點(diǎn)接觸不良。通過(guò)開(kāi)挖檢查和對檢測結果進(jìn)行綜合評價(jià)，認為接地網(wǎng)的設計、安裝、維護和運行工況是滿(mǎn)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(fā)生多起雷害事件，其原因和系統改造分析如下。

　　3.10SEP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?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(gè)終端機的收發(fā)器損壞，廠(chǎng)區通信交換機上48 V直流電源開(kāi)關(guān)跳閘，導致全廠(chǎng)4位數電話(huà)機系統不可用，使主控制室與外界聯(lián)系受到嚴重影響。

　　3.2原因分析

　　SEP系統的儲水池位于電站北面山坡上，因為地勢較高，所以?xún)λ赜性馐苤睋衾灼茐牡娘L(fēng)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?jì)?KRG151AR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(cháng)1 000 m左右，兩地之間儀表控制電纜在跨越公路時(shí)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(xiàn)亦未采取任何屏蔽管線(xiàn)等屏蔽措施。因此，當儲水池遭受雷擊或沿線(xiàn)路附近落雷時(shí)，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(guò)電壓，這種感應過(guò)電壓的侵入造成測量變送器和板件等的損壞，過(guò)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(wú)直擊落雷點(diǎn)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(shí)際上在過(guò)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(shù)部門(mén)對生水箱水位檢測系統進(jìn)行了改造，將露天敷設的電纜安裝封閉式金屬電纜托盤(pán)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(jìn)措施，即在儲水池側0SEP401／402 MN水位測量變送器處安裝了過(guò)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(zhù)手在電站側機房9KRG151AR內

　　4結束語(yǔ)

　　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(shí)際的各個(gè)微電子系統，在保護配置上應根據保護原則具體問(wèn)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(jìn)行多層次、全方位的綜合防御，建立完善的縱深防御體系。