核電儀控設(shè)備電磁兼容要求與設(shè)計(jì)對(duì)策

俞磊張翼翔梁仙靈

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1,上海 200233;國(guó)家能源核電站儀表研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心2,上海 200233;上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院3,上海 200240)

核電儀控設(shè)備電磁兼容要求與設(shè)計(jì)對(duì)策

俞磊1,2,3張翼翔1,2梁仙靈3

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1,上海 200233;國(guó)家能源核電站儀表研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心2,上海 200233;上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院3,上海 200240)

對(duì)核電電磁兼容的發(fā)展和測(cè)試進(jìn)行了研究,給出了有效合理的完成AP1000電磁兼容測(cè)試的相關(guān)措施。目前核電事業(yè)快速的發(fā)展,也需要各類儀控設(shè)備不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量,特別是在今后的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中,電磁兼容是評(píng)價(jià)儀控設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)。目前各類電子設(shè)備所處的環(huán)境存在各種電磁現(xiàn)象,只有重視了電磁兼容,才能使核電事業(yè)更加安全、快速的發(fā)展。

核電安全 電磁兼容(EMC) 核電測(cè)試法規(guī) 輻射騷擾 傳導(dǎo)騷擾 浪涌測(cè)試

0 引言

電磁兼容性(electro-magnetic compatibility,EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行而并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此,EMC包括兩個(gè)方面的要求:一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;另一方面是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性[1]。

隨著科技的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的電子設(shè)備用于日常生活和工作中,隨之而來(lái)造成的結(jié)果是,電磁環(huán)境越來(lái)越差,如接打手機(jī)時(shí)計(jì)算機(jī)屏幕的閃爍,汽車電子鑰匙的不正常工作等[2]。

1 核電儀控設(shè)備電磁兼容要求

自從日本福島核事故發(fā)生以來(lái),人們把核電安全問(wèn)題提升到了一個(gè)新的高度。核電廠內(nèi)儀控設(shè)備的電磁兼容性也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。設(shè)想一下,如果控制設(shè)備由于電磁兼容問(wèn)題而造成死機(jī)或者重啟,造成的后果是難以想象的。

為了確保核電廠不受電磁兼容問(wèn)題的困擾,目前美國(guó)NRC、法國(guó)RCC-E和我國(guó)GB/T 11684均要求進(jìn)行核電儀控設(shè)備的EMC試驗(yàn)。

美國(guó)NRC規(guī)定核電站設(shè)備電磁兼容型式試驗(yàn)需遵循US NRC Regulatory Guide 1.180。它同時(shí)提供了MIL-STD-461E軍用標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61000系列的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。兩套試驗(yàn)方法可以任選其一[3]。

MIL-STD-461E標(biāo)準(zhǔn)中的EMC試驗(yàn)項(xiàng)目共10項(xiàng),其中EMI電磁發(fā)射試驗(yàn)項(xiàng)目4項(xiàng),EMS抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目6項(xiàng)。

IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)中的EMC試驗(yàn)項(xiàng)目共12項(xiàng),其中EMI電磁發(fā)射試驗(yàn)項(xiàng)目2項(xiàng),EMS抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目10項(xiàng)。

我國(guó)目前核儀器的電磁兼容型式試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11684-2003《核儀器電磁環(huán)境條件與試驗(yàn)方法》。標(biāo)準(zhǔn)中提出了8項(xiàng)電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目,均為抗擾度試驗(yàn),尚未提出EMI電磁發(fā)射要求,制造商可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目選擇。

2 AP1000電磁兼容解析

AP1000核電技術(shù)是目前唯一一項(xiàng)通過(guò)美國(guó)核管理委員會(huì)最終設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的第三代核電技術(shù),這是目前全球核電市場(chǎng)中最安全、最先進(jìn)的商業(yè)核電技術(shù)。對(duì)于使用AP1000技術(shù)的核電站中儀控設(shè)備的EMC測(cè)試,都是參考美國(guó)NRC規(guī)定的測(cè)試法規(guī)。目前有兩套EMC測(cè)試方案,測(cè)試方案二采用較多,具體測(cè)試項(xiàng)目如表1所示。

表1 AP1000電磁兼容試驗(yàn)要求測(cè)試方案二Tab.1 The second test scheme for AP1000 EMC testing requirement

3 AP1000電磁兼容測(cè)試法規(guī)解讀

從AP1000電磁兼容測(cè)試方案二中的試驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)看,此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁兼容的測(cè)試要求非常之高。相對(duì)于普通的工業(yè)或者商用的試驗(yàn)等級(jí),AP1000所規(guī)定的測(cè)試等級(jí)都要高出很多。例如普通的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CISPR22只規(guī)定了受試樣品輻射騷擾的通用測(cè)試頻率至1 GHz,而AP1000中則要求測(cè)試頻率到10 GHz。對(duì)于大家比較關(guān)心的抗擾度測(cè)試,AP1000方案二也采用了IEC 61000系列,但所要求的試驗(yàn)等級(jí)都為標(biāo)準(zhǔn)上的最高測(cè)試等級(jí)。

對(duì)于AP1000這樣的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求,部分儀控設(shè)備通過(guò)此測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)十分困難。雖然現(xiàn)在的儀控設(shè)備在設(shè)計(jì)之初都會(huì)考慮到電磁兼容性的問(wèn)題,部分大型儀控設(shè)備還要求對(duì)每個(gè)組成部分進(jìn)行單獨(dú)的電磁兼容測(cè)試,但是還會(huì)有相當(dāng)一部分儀控設(shè)備不能通過(guò)AP1000的測(cè)試。

主要的原因有以下兩點(diǎn)。

①設(shè)計(jì)之初雖考慮了電磁兼容問(wèn)題,但是所考慮的強(qiáng)度不夠,而且大部分都是理論上的分析,缺少實(shí)際模擬和設(shè)計(jì)時(shí)候的試驗(yàn)。部分設(shè)計(jì)廠商對(duì)EMC的重視程度不夠。

②即使對(duì)每個(gè)組成部分進(jìn)行了單獨(dú)的電磁兼容測(cè)試,整合在一起后,可能還會(huì)由于互相之間的干擾而造成整套設(shè)備的工作不正常。隨著我國(guó)核電事業(yè)的逐步發(fā)展和更加光明的前景,越來(lái)越多的工業(yè)儀表制造商也希望加入到核電儀表的供應(yīng)和制造上來(lái)。進(jìn)入核電業(yè)后,這些廠商所面對(duì)的第一個(gè)大問(wèn)題就是通過(guò)這些復(fù)雜的電磁兼容測(cè)試,特別是通過(guò)更加嚴(yán)格的AP1000電磁兼容測(cè)試[4]。

4 電磁兼容測(cè)試問(wèn)題研究

前面曾提到必須從設(shè)備設(shè)計(jì)之初就開(kāi)始考慮電磁兼容性的問(wèn)題,對(duì)于產(chǎn)品的電磁兼容質(zhì)量問(wèn)題,應(yīng)該由以下幾個(gè)方面來(lái)控制。

①應(yīng)按照產(chǎn)品EMC標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),如使用在核電廠的采用AP1000法規(guī)的,必須按照此試驗(yàn)要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

②試驗(yàn)時(shí)的配置應(yīng)該與實(shí)際運(yùn)行配置一致。這樣更能貼近真實(shí)的測(cè)試情況,使測(cè)試更有意義。

③測(cè)試時(shí),余量的考慮。特別是在測(cè)量樣品本身的對(duì)外騷擾時(shí),需要有一定余量的考慮。

即使前期的準(zhǔn)備工作十分的充分,但是并不能保證各類受試樣品都能順利通過(guò)電磁兼容測(cè)試。從前一段時(shí)間AP1000儀控設(shè)備的測(cè)試來(lái)說(shuō),還是存在比較多的問(wèn)題。其中有2個(gè)電磁兼容問(wèn)題出現(xiàn)頻率最多,也是最令各大設(shè)計(jì)廠商頭疼的,即騷擾試驗(yàn)和浪涌試驗(yàn)[5]。

4.1 騷擾試驗(yàn)

所謂電磁騷擾,即為機(jī)器本身在執(zhí)行應(yīng)有功能的過(guò)程中所產(chǎn)生不利于其他系統(tǒng)的電磁噪聲。AP1000電磁兼容測(cè)試法規(guī)中,主要測(cè)試項(xiàng)目還是傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾,但是其大大擴(kuò)展了測(cè)試頻率范圍。AP1000要求測(cè)試截止頻率為10 GHz,相對(duì)于民用的1 GHz來(lái)說(shuō),兩者有天壤之別。若有產(chǎn)品出現(xiàn)騷擾測(cè)試的問(wèn)題,首先要對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行分析,確定騷擾源。其次再確定一些整改策略。對(duì)于騷擾測(cè)試來(lái)說(shuō),主要的解決方法如下。

①系統(tǒng)接地:接地應(yīng)采用就近接地的原則,注意接地電阻。

②屏蔽問(wèn)題:整個(gè)系統(tǒng)的屏蔽,或者對(duì)騷擾源單獨(dú)進(jìn)行屏蔽也是一個(gè)不錯(cuò)的辦法。

③內(nèi)部電路的處理:對(duì)某些設(shè)備內(nèi)部電路需進(jìn)行整改,特別是電路板布線,需嚴(yán)格按照要求,不能無(wú)謂的飛線,信號(hào)和電源應(yīng)分開(kāi)或者在不同的電路板上,并去除多余的元器件。

④濾波器設(shè)計(jì):濾波器已廣泛使用在各級(jí)電路中,用于處理各類騷擾問(wèn)題。如圖1所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波電路圖。濾波器的選用要得當(dāng),需要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)。現(xiàn)在存在一種誤區(qū),“只要傳導(dǎo)試驗(yàn)不過(guò),加濾波器肯定好用”。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際情況來(lái)選用,濾波器有時(shí)還會(huì)起到反效果[6]。

圖1 濾波器簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of the filter

⑤線纜布置:線纜布置是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題,設(shè)備與設(shè)備之間的連線布置不同,所得的騷擾測(cè)試結(jié)果也會(huì)有很大差距。所以需要更加合理地布置線纜,不能把電源線、信號(hào)線簡(jiǎn)單地捆扎在一起,應(yīng)把不同類型的線分開(kāi),這樣才能把相互之間的干擾減低[7]。

4.2 浪涌試驗(yàn)

由于AP1000電磁兼容測(cè)試中對(duì)浪涌(沖擊)試驗(yàn)的要求非常高,在基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-5中屬于最高等級(jí),而且浪涌測(cè)試具有一定的破壞性,可能造成受試設(shè)備電路上的損壞。這使得有些設(shè)計(jì)廠商十分畏懼浪涌測(cè)試。究其原因就是對(duì)浪涌測(cè)試?yán)斫馍嫌腥笔?對(duì)應(yīng)的測(cè)試策略上也有錯(cuò)誤。

有部分受試產(chǎn)品中使用EMI濾波器或者加強(qiáng)了額定值LC回路作為浪涌抑制電路的情況,這是很不好的。典型浪涌抑制電路構(gòu)成如圖2所示。

圖2 典型浪涌抑制電路圖Fig.2 Typical surge suppression circuit

此浪涌抑制電路由常見(jiàn)的浪涌抑制器構(gòu)成,共分三級(jí),分別為氣體放電管、壓敏電阻和穩(wěn)壓管,中間帶兩級(jí)降壓。我們知道,常用氣體放電管的工作參數(shù)可達(dá)幾千至上百伏,反應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí);壓敏電阻為幾百至幾十伏,反應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。合理的浪涌抑制電路應(yīng)該由多級(jí)構(gòu)成、逐級(jí)降壓,因?yàn)橐种破鞯墓ぷ魈攸c(diǎn)是在達(dá)到工作點(diǎn)前處于“讓過(guò)”狀態(tài)。每一級(jí)都是下一級(jí)的保護(hù),需要分成幾級(jí)逐漸達(dá)到后級(jí)可承受的范圍。

根據(jù)浪涌試驗(yàn)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中浪涌信號(hào)發(fā)生器的原理電路參數(shù),可計(jì)算得4 kV開(kāi)路電壓下單次脈沖的能量為88 J,有部分電路設(shè)計(jì)者據(jù)此選用額定值達(dá)標(biāo)的單個(gè)電容作為吸收器一次解決問(wèn)題。但是這存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性,并不推薦。

典型的EMI濾波結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型EMI濾波電路圖Fig.3 Typical EMI filtering circuit

EMI濾波器(或者LC回路)的問(wèn)題在于,只要參數(shù)足夠,它確實(shí)可以有效抵抗浪涌沖擊,但是在浪涌過(guò)后,它會(huì)把承受的能量再反饋出來(lái)。雖然在后端加吸收負(fù)載等可以稍微降低這部分能量,但對(duì)后方的工作電路來(lái)說(shuō)很可能仍具有無(wú)法承受的破壞性。

合理使用浪涌抑制器,可以確保這部分過(guò)電壓/電流直接回流而不會(huì)沖擊后方的工作電路。且同能級(jí)下的電容封裝體積也遠(yuǎn)大于抑制器件組合后的大小。

對(duì)于成熟的已定型的工業(yè)儀表,外加一組浪涌抑制器來(lái)滿足核電儀表要求是一種不錯(cuò)的選擇。而且在現(xiàn)今復(fù)雜的使用環(huán)境下,如果能把本身作為有次數(shù)壽命限制的浪涌電路制成可更替件也更易維護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)核電AP1000測(cè)試法規(guī)進(jìn)行研究,結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)和相關(guān)儀控設(shè)備,針對(duì)目前儀控設(shè)備遇到的相關(guān)問(wèn)題,給出了解決的方法。特別是在浪涌測(cè)試中,計(jì)算了浪涌試驗(yàn)的整體能量,對(duì)產(chǎn)品測(cè)試提供了指導(dǎo)性建議,使得核電儀控設(shè)備制造商能夠取得高EMC性能的產(chǎn)品,為我國(guó)核電事業(yè)安全、快速的發(fā)展提供良好的保障。

[1] 楊迎建.電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010:75-81.

[2] 保羅.電磁兼容導(dǎo)論[M].2版.聞?dòng)臣t,譯.北京:人民郵電出版社,2007:20-25.

[3] US NRC Regulatory Guide 1.180-2003[S].2003.

[4] 沙斐.信息技術(shù)設(shè)備的電磁輻射及其抑制[J].安全與電磁兼容,2000(3):8-12.

[5] 邱建文,孔海志,莫國(guó)鈞.核電廠電磁兼容挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略[J].原子能科學(xué)技術(shù),2009(S2).

[6] 黃文君,于浩洋,敖春波.核電站數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的電磁兼容性驗(yàn)證與應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].核動(dòng)力工程,2008(3):85-88.

[7] 陸敏,馬欣.核電設(shè)備射頻輻射抗擾度試驗(yàn)方法研究[J].裝備環(huán)境工程,2012(2):25-32.

Requirements and Design Strategy for Electro-magnetic Compatibility of Nuclear Power Instrumentation and Control Equipment

The development and test of electro-magnetic compatibility(EMC)for nuclear power have been researched.Relevant effective and reasonable measures of AP1000 electromagnetic compatibility tests are given.At present,since the nuclear power industry is developing rapidly,the demand for high quality of various I&C is continuously upgraded,especially it is necessary for localization of such products.EMC is an important index to evaluate the instrumentation and control equipment,while the environment in which these instruments and control systems are working does exist various kinds of electromagnetic phenomena,thus EMC shall be paid attention to improve safety of nuclear power industry and make faster development of it.

Safety of nuclear power Electro-magnetic compatibility(EMC) Nuclear power testing regulations Radiation harassment Conducted disturbance Surge test

TP273

A

修改稿收到日期:2014-04-18。

俞磊(1986-),男,2008年畢業(yè)于上海大學(xué)通信專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,工程師;主要從事各類產(chǎn)品EMC測(cè)試研究和分析。