淺談核電廠儀表控制系統(tǒng)電磁兼容性要求

王 冠，郭 弘，姜文華

（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

在工業(yè)領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運用微處理器的先進模擬系統(tǒng)和高處理能力、高集成度的數(shù)字化系統(tǒng)正在逐步替代傳統(tǒng)模擬儀表和控制系統(tǒng)。如今數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)（Instrumentation and Control System，簡稱I&C系統(tǒng)）也已逐漸被核電行業(yè)所采用。目前，數(shù)字化I&C系統(tǒng)已運用于國內(nèi)外的核電廠中，在降低設(shè)計與建造成本、提高可靠性的同時，對處于核電廠電磁環(huán)境中的系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容性提出了更高的要求［1］。在此情況下，核電廠數(shù)字化I&C系統(tǒng)將更關(guān)注于系統(tǒng)設(shè)備抗干擾能力的設(shè)計。對于模擬系統(tǒng)而言，由于電子元器件集成度更高、電壓更低，其對核電廠電磁環(huán)境的敏感度也越來越高。因此，研究核電廠I&C系統(tǒng)的電磁兼容性顯得越來越重要。綜合利用上述分析、評價結(jié)果，結(jié)合通用性的運行經(jīng)驗、類似或參考核電廠的薄弱環(huán)節(jié)評價結(jié)果等，加以工程判斷，找出核電廠的薄弱環(huán)節(jié)［2］。

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）定義為系統(tǒng)或設(shè)備在電磁環(huán)境中既可以正常工作又不會對該環(huán)境中的其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。這就要求系統(tǒng)或設(shè)備在正常運行時，周圍環(huán)境中存在的電磁場不能超過一定的限值，系統(tǒng)或設(shè)備對周圍環(huán)境中存在的電磁騷擾應(yīng)具有一定的抗干擾能力。電磁兼容測試包括電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡稱EMI）測試和敏感度（Electromagnetic Sensitivity，簡稱EMS）測試，每種測試又可分為輻射測試和傳導(dǎo)測試［3-5］。

在核電廠工程設(shè)計時，很多I&C系統(tǒng)如果在設(shè)計時沒有考慮電磁兼容性問題，將會產(chǎn)生錯誤的停堆信號、誤報警以及在關(guān)鍵監(jiān)測和保護設(shè)備上產(chǎn)生強干擾等一系列問題。這些問題雖未表現(xiàn)出直接的安全風(fēng)險，但卻會使核電廠的運營成本增加，影響生產(chǎn)計劃。

1 國內(nèi)外核電廠電磁干擾實例

法國核電廠曾發(fā)生過幾起由于廠內(nèi)使用移動無線電發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備而引起的緊急停堆事件。由于電子儀表設(shè)備的屏蔽保護措施存在某些缺陷，當(dāng)無線電發(fā)射設(shè)備靠近電子儀表設(shè)備時，發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的電磁場對這些儀表設(shè)備產(chǎn)生了干擾并導(dǎo)致事件的發(fā)生［6］。

美國橡樹嶺國家實驗室核安全信息中心根據(jù)持照者事件報告對核電廠數(shù)字化I&C系統(tǒng)遭受的電磁干擾問題進行了統(tǒng)計。在1980—1991年期間，8%的非計劃停堆和專設(shè)安全設(shè)施的啟動是由于數(shù)字化I&C系統(tǒng)受到電磁干擾的影響而造成的。該報告還顯示，在1990—1993年期間，19%的事件是由于數(shù)字化I&C系統(tǒng)遭雷擊而引起的，其中67%的事件導(dǎo)致了誤動作或誤停堆［7］。

大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司儀表控制設(shè)備管理處的工作人員曾用不同的電磁干擾源對敏感儀表設(shè)備進行了電磁影響測試。測試結(jié)果表明：固定式電磁設(shè)備對周圍I&C系統(tǒng)的影響相對穩(wěn)定且影響范圍有限；廠內(nèi)呼機不會對周圍I&C系統(tǒng)產(chǎn)生不利的電磁影響；手機、對講機對不同的儀表控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁影響不同，嚴重時會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生錯誤。

2 核電廠的電磁干擾源及其傳播途徑

核電廠運行環(huán)境中，有形、無形的電磁干擾源種類眾多，它們的產(chǎn)生機制、干擾形式和影響方式存在很大不同。電磁干擾通過輻射或傳導(dǎo)疊加到電源線、信號線和通信線上，輕則造成測量誤差，重則造成設(shè)備損壞［8］。

典型的核電廠電磁環(huán)境干擾源主要包括：手持式無線電收發(fā)機、繼電器、SCR控制電路、電源線路和能量轉(zhuǎn)換裝置。受影響的設(shè)備主要包括低電壓模擬設(shè)備、電耦合裝置等。這些干擾通過電源線、信號線及線纜包層耦合進系統(tǒng)，或者直接通過空間輻射對敏感設(shè)備產(chǎn)生電磁影響。因此，必須經(jīng)過相應(yīng)的鑒定來證明其能夠適應(yīng)這樣的環(huán)境［9］。

3 核電廠對I&C系統(tǒng)的電磁兼容性要求

目前，國際上一些發(fā)達國家基于大量的研究和實踐，相繼提出了對核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的電磁兼容性要求，并制定了具體的評價和測試方法，以保證數(shù)字化核電廠的安全運行。其中，美國核管理委員會（USNRC）于2000年1月發(fā)布了《安全相關(guān)I&C系統(tǒng)EMI/RFI評價導(dǎo)則》（RG1.180-R）。2003年10月，USNRC又發(fā)布了管理導(dǎo)則RG1.180-R1。另外，國外相關(guān)的標準還包括國際電工委員會（IEC）制定的IEC61000系列標準、歐洲核電行業(yè)標準RCC-E及其指定的EN50082、EN55024。在上述標準中，IEC61000-4系列標準是核電廠儀表控制系統(tǒng)經(jīng)常采用的敏感度測試基礎(chǔ)標準，其對應(yīng)我國GB/T17626國家標準［10］。目前，我國核電廠儀表控制系統(tǒng)的電磁兼容測試及相關(guān)標準適用性研究等工作尚處于起步階段。

針對核電廠儀表控制系統(tǒng)的EMC測試對象主要有：電源、傳輸電纜、信號電纜、操作界面等。相對于EMI測試，核電廠儀表控制系統(tǒng)EMC測試更關(guān)心EMS測試，以此來測試設(shè)備、設(shè)施承受各種電磁騷擾的能力。因此，核電廠儀表控制系統(tǒng)EMC測試主要集中于EMS測試。

4 核電廠I&C系統(tǒng)的EMC測試標準

目前，國內(nèi)對核電廠電磁兼容性要求并無專門的產(chǎn)品標準，但作為典型的工業(yè)控制設(shè)備，一般將其歸為輕工（Light Industry）類工業(yè)產(chǎn)品或信息設(shè)備（Information Technology Equipment，ITE），從而采用對應(yīng)的通用標準或產(chǎn)品標準。本文參考的是GB/T17626系列標準，圖1就是核電廠I&C系統(tǒng)在EMC測試中常進行的EMS測試，圖2是輻射敏感度測試布置圖，EMS的主要測試項目和測試設(shè)備如表1—表5所示［11］。

圖1 EMS測試內(nèi)容及其對應(yīng)標準Fig.1 Test content and the corresponding standard of EMS

圖2 輻射敏感度測試布置圖Fig.2 Layout of radiation sensitivity test

表1 靜電放電抗擾度試驗主要測試項目和測試設(shè)備Table 1 Main test programs and equipments of electrostatic discharge immunity test

表2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗主要測試項目和測試設(shè)備Table 2 Main test programs and equipments of electrical fast transient/burst immunity test

表3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗主要測試項目和測試設(shè)備Table 3 Main test programs and equipments of surge immunity test

表4 射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度實驗主要測試項目和測試設(shè)備Table 4 Main test programs and equipments of immunity test to conducted disturbances，induced by radio-frequency fields

表5 電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗主要測試項目和測試設(shè)備Table 5 Main test programs and equipments of voltage dips，short interruptions and voltage variations immunity test

5 核電廠I&C系統(tǒng)的EMC設(shè)計要求

雖然正常運行工況下，核電廠廠內(nèi)電磁環(huán)境與其他類型的電廠沒有本質(zhì)區(qū)別，但核電廠對I&C系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性有著更高的要求。因此，在進行核電廠I&C系統(tǒng)EMC 設(shè)計時，需先充分考慮在I&C系統(tǒng)運行環(huán)境中的電磁騷擾源和干擾類型，再對系統(tǒng)進行有針對性的電磁防護設(shè)計和優(yōu)化，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)［12，13］。核電廠I&C系統(tǒng)EMC設(shè)計要對系統(tǒng)敏感設(shè)備（如系統(tǒng)電源、通訊模塊、傳輸電纜等）進行強化設(shè)計，提高其抗擾度［14］。另外，結(jié)合實際工作環(huán)境，對中央控制室、現(xiàn)場操作間內(nèi)線路布設(shè)進行合理可行的EMC設(shè)計，使核電廠處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

提高系統(tǒng)的電磁兼容性必須采用多種騷擾抑制措施，包括屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)、接地技術(shù)、隔離技術(shù)和平衡傳輸?shù)?，在騷擾傳播途徑中層層設(shè)防，才能達到預(yù)期效果。

6 建議

（1）在核電廠整個建設(shè)和運營過程中，應(yīng)建立相應(yīng)機制，以監(jiān)管EMC的設(shè)計和測試，并檢查各功能團隊（QC控制、I&C工程師、設(shè)計團隊、承包商等）的工作；

（2）保證核電廠設(shè)計時已使用的抗電磁干擾措施能正常發(fā)揮作用，如保證I&C系統(tǒng)接地良好、線纜屏蔽完整、敏感設(shè)備有適當(dāng)?shù)姆雷o距離等，這些在I&C系統(tǒng)設(shè)備維修和操作過程中更要予以特別關(guān)注；

（3）當(dāng)有新設(shè)備要安裝時，要記錄安裝位置的電磁輻射騷擾及其傳導(dǎo)騷擾水平，包括交流電源線穩(wěn)態(tài)噪聲特性和瞬態(tài)噪聲特性，采取措施減小設(shè)備干擾強度，并注意保持產(chǎn)生干擾的設(shè)備與敏感設(shè)備之間的安裝距離；

（4）建立所需的EMC測量體系、方法及檢驗標準，包括器件測試和系統(tǒng)測試，并模擬工作現(xiàn)場環(huán)境進行性能驗證，以保證I&C系統(tǒng)達到電磁兼容性技術(shù)要求。

7 結(jié)束語

隨著我國核電技術(shù)的發(fā)展，會有更多采用先進技術(shù)的核電廠投入運行，集成化、數(shù)字化和智能化是今后技術(shù)發(fā)展的方向，保障這些高技術(shù)水平的I&C系統(tǒng)在核電廠內(nèi)的環(huán)境條件下安全運行就成了關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因此，本文參考國外標準及國內(nèi)相關(guān)行業(yè)標準，對核電廠I&C系統(tǒng)電磁兼容性要求及測試方法展開討論，希望有助于我國核電界在此領(lǐng)域的研究和探索。

面對我國的核電發(fā)展速度，核安全監(jiān)督管理工作將面臨巨大的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇，為使我國核電事業(yè)在保障核安全的前提下健康發(fā)展，必須不斷吸收國內(nèi)外有益的技術(shù)和經(jīng)驗，完善相關(guān)測試體系，以保障核電廠安全、穩(wěn)定的運行［15］。

［1］NRC.Regulatory Guide 1.180（Draft was issued as DG-1119）Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems［S］. Washington D.C.：NRC，2003.

［2］曹學(xué)武，王喆，張英振. 運行核電廠事故管理若干問題的探討［J］. 核安全，2009（2）：14-18.

［3］CENELEC.EN 50082-2. Electromagnetic Compatibility.Generic Immunity Standard Part 2：Industrial environment［S］. Brussels：CENELEC，1997.

［4］CISPR.EN 55024. CISPR 24：1997 Information technology equipment-Immunity Characteristics-Limits and methods of measurement ［S］.London ：BSI，1998.

［5］IEC.IEC 61000-4. Electromagnetic Compatibility（EMC）-Part 4：Testing and Measurement Techniques［S］.Geneva：IEC，1993-2003.

［6］屈月啟，盧文躍，毛曉明，等.大亞灣基地電磁干擾對敏感儀表控制設(shè)備的影響分析［J］.核動力工程，2008，29（1）：10-13.

［7］邱建文，孔海志，莫國鈞. 核電廠電磁兼容挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略［J］. 原子能科學(xué)技術(shù)，2009（2）：360-363.

［8］劉素娟.核電廠安全相關(guān)儀表和控制系統(tǒng)的電磁兼容性要求及評價［J］.核科學(xué)與工程，2002，22（1）：89-95.

［9］劉樂，劉鵬，毛從吉，等. 核電廠數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的安全審評［J］. 核安全，2013（4）：20-23.

［10］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T17626.1- GB/T17626.29 電磁兼容試驗與測量技術(shù)系列標準［S］. 北京：中國標準出版社，1998-2006.

［11］沙斐.機電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［12］黃文君，于浩洋，敖春波.核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的電磁兼容性驗證與應(yīng)用設(shè)計［J］.核動力工程，2008，29（3）：85-88.

［13］張健，于衛(wèi)平，張新立. 核電廠中基于DCS的抗電磁干擾設(shè)計［J］. 中國核電，2013（3）：209-215.

［14］王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［15］李干杰，朱宏，周善元. 關(guān)于核安全監(jiān)督管理的幾個問題［J］. 核安全，2004（1）：7-9.