核电仪控设备电磁兼容要求与设计对策

俞磊张翼翔梁仙灵

(上海工业自动化仪表研究院1,上海 200233;国家能源核电站仪表研发(实验)中心2,上海 200233;上海交通大学电子信息与电气工程学院3,上海 200240)

核电仪控设备电磁兼容要求与设计对策

俞磊1,2,3张翼翔1,2梁仙灵3

(上海工业自动化仪表研究院1,上海 200233;国家能源核电站仪表研发(实验)中心2,上海 200233;上海交通大学电子信息与电气工程学院3,上海 200240)

对核电电磁兼容的发展和测试进行了研究,给出了有效合理的完成AP1000电磁兼容测试的相关措施。目前核电事业快速的发展,也需要各类仪控设备不断提升产品质量,特别是在今后的国产化过程中,电磁兼容是评价仪控设备的一个重要指标。目前各类电子设备所处的环境存在各种电磁现象,只有重视了电磁兼容,才能使核电事业更加安全、快速的发展。

核电安全 电磁兼容(EMC) 核电测试法规 辐射骚扰 传导骚扰 浪涌测试

0 引言

电磁兼容性(electro-magnetic compatibility,EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行而并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性[1]。

随着科技的飞速发展,越来越多的电子设备用于日常生活和工作中,随之而来造成的结果是,电磁环境越来越差,如接打手机时计算机屏幕的闪烁,汽车电子钥匙的不正常工作等[2]。

1 核电仪控设备电磁兼容要求

自从日本福岛核事故发生以来,人们把核电安全问题提升到了一个新的高度。核电厂内仪控设备的电磁兼容性也越来越受到人们的关注。设想一下,如果控制设备由于电磁兼容问题而造成死机或者重启,造成的后果是难以想象的。

为了确保核电厂不受电磁兼容问题的困扰,目前美国NRC、法国RCC-E和我国GB/T 11684均要求进行核电仪控设备的EMC试验。

美国NRC规定核电站设备电磁兼容型式试验需遵循US NRC Regulatory Guide 1.180。它同时提供了MIL-STD-461E军用标准和IEC 61000系列的工业标准。两套试验方法可以任选其一[3]。

MIL-STD-461E标准中的EMC试验项目共10项,其中EMI电磁发射试验项目4项,EMS抗扰度试验项目6项。

IEC 61000系列标准中的EMC试验项目共12项,其中EMI电磁发射试验项目2项,EMS抗扰度试验项目10项。

我国目前核仪器的电磁兼容型式试验依据标准GB/T 11684-2003《核仪器电磁环境条件与试验方法》。标准中提出了8项电磁兼容试验项目,均为抗扰度试验,尚未提出EMI电磁发射要求,制造商可根据产品特点进行试验项目选择。

2 AP1000电磁兼容解析

AP1000核电技术是目前唯一一项通过美国核管理委员会最终设计批准的第三代核电技术,这是目前全球核电市场中最安全、最先进的商业核电技术。对于使用AP1000技术的核电站中仪控设备的EMC测试,都是参考美国NRC规定的测试法规。目前有两套EMC测试方案,测试方案二采用较多,具体测试项目如表1所示。

表1 AP1000电磁兼容试验要求测试方案二Tab.1 The second test scheme for AP1000 EMC testing requirement

3 AP1000电磁兼容测试法规解读

从AP1000电磁兼容测试方案二中的试验项目来看,此标准对电磁兼容的测试要求非常之高。相对于普通的工业或者商用的试验等级,AP1000所规定的测试等级都要高出很多。例如普通的工业标准CISPR22只规定了受试样品辐射骚扰的通用测试频率至1 GHz,而AP1000中则要求测试频率到10 GHz。对于大家比较关心的抗扰度测试,AP1000方案二也采用了IEC 61000系列,但所要求的试验等级都为标准上的最高测试等级。

对于AP1000这样的高标准、严要求,部分仪控设备通过此测试标准十分困难。虽然现在的仪控设备在设计之初都会考虑到电磁兼容性的问题,部分大型仪控设备还要求对每个组成部分进行单独的电磁兼容测试,但是还会有相当一部分仪控设备不能通过AP1000的测试。

主要的原因有以下两点。

①设计之初虽考虑了电磁兼容问题,但是所考虑的强度不够,而且大部分都是理论上的分析,缺少实际模拟和设计时候的试验。部分设计厂商对EMC的重视程度不够。

②即使对每个组成部分进行了单独的电磁兼容测试,整合在一起后,可能还会由于互相之间的干扰而造成整套设备的工作不正常。随着我国核电事业的逐步发展和更加光明的前景,越来越多的工业仪表制造商也希望加入到核电仪表的供应和制造上来。进入核电业后,这些厂商所面对的第一个大问题就是通过这些复杂的电磁兼容测试,特别是通过更加严格的AP1000电磁兼容测试[4]。

4 电磁兼容测试问题研究

前面曾提到必须从设备设计之初就开始考虑电磁兼容性的问题,对于产品的电磁兼容质量问题,应该由以下几个方面来控制。

①应按照产品EMC标准来进行设计,如使用在核电厂的采用AP1000法规的,必须按照此试验要求来进行设计。

②试验时的配置应该与实际运行配置一致。这样更能贴近真实的测试情况,使测试更有意义。

③测试时,余量的考虑。特别是在测量样品本身的对外骚扰时,需要有一定余量的考虑。

即使前期的准备工作十分的充分,但是并不能保证各类受试样品都能顺利通过电磁兼容测试。从前一段时间AP1000仪控设备的测试来说,还是存在比较多的问题。其中有2个电磁兼容问题出现频率最多,也是最令各大设计厂商头疼的,即骚扰试验和浪涌试验[5]。

4.1 骚扰试验

所谓电磁骚扰,即为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其他系统的电磁噪声。AP1000电磁兼容测试法规中,主要测试项目还是传导骚扰和辐射骚扰,但是其大大扩展了测试频率范围。AP1000要求测试截止频率为10 GHz,相对于民用的1 GHz来说,两者有天壤之别。若有产品出现骚扰测试的问题,首先要对测试样品进行分析,确定骚扰源。其次再确定一些整改策略。对于骚扰测试来说,主要的解决方法如下。

①系统接地:接地应采用就近接地的原则,注意接地电阻。

②屏蔽问题:整个系统的屏蔽,或者对骚扰源单独进行屏蔽也是一个不错的办法。

③内部电路的处理:对某些设备内部电路需进行整改,特别是电路板布线,需严格按照要求,不能无谓的飞线,信号和电源应分开或者在不同的电路板上,并去除多余的元器件。

④滤波器设计:滤波器已广泛使用在各级电路中,用于处理各类骚扰问题。如图1所示为一个简单的滤波电路图。滤波器的选用要得当,需要根据产品的实际情况来进行选择或设计。现在存在一种误区,“只要传导试验不过,加滤波器肯定好用”。如果没有经过实际情况来选用,滤波器有时还会起到反效果[6]。

图1 滤波器简图Fig.1 Sketch of the filter

⑤线缆布置:线缆布置是一个不可忽视的问题,设备与设备之间的连线布置不同,所得的骚扰测试结果也会有很大差距。所以需要更加合理地布置线缆,不能把电源线、信号线简单地捆扎在一起,应把不同类型的线分开,这样才能把相互之间的干扰减低[7]。

4.2 浪涌试验

由于AP1000电磁兼容测试中对浪涌(冲击)试验的要求非常高,在基础标准IEC 61000-4-5中属于最高等级,而且浪涌测试具有一定的破坏性,可能造成受试设备电路上的损坏。这使得有些设计厂商十分畏惧浪涌测试。究其原因就是对浪涌测试理解上有缺失,对应的测试策略上也有错误。

有部分受试产品中使用EMI滤波器或者加强了额定值LC回路作为浪涌抑制电路的情况,这是很不好的。典型浪涌抑制电路构成如图2所示。

图2 典型浪涌抑制电路图Fig.2 Typical surge suppression circuit

此浪涌抑制电路由常见的浪涌抑制器构成,共分三级,分别为气体放电管、压敏电阻和稳压管,中间带两级降压。我们知道,常用气体放电管的工作参数可达几千至上百伏,反应时间为微秒级;压敏电阻为几百至几十伏,反应时间为纳秒级。合理的浪涌抑制电路应该由多级构成、逐级降压,因为抑制器的工作特点是在达到工作点前处于“让过”状态。每一级都是下一级的保护,需要分成几级逐渐达到后级可承受的范围。

根据浪涌试验基础标准中浪涌信号发生器的原理电路参数,可计算得4 kV开路电压下单次脉冲的能量为88 J,有部分电路设计者据此选用额定值达标的单个电容作为吸收器一次解决问题。但是这存在一定的风险性,并不推荐。

典型的EMI滤波结构如图3所示。

图3 典型EMI滤波电路图Fig.3 Typical EMI filtering circuit

EMI滤波器(或者LC回路)的问题在于,只要参数足够,它确实可以有效抵抗浪涌冲击,但是在浪涌过后,它会把承受的能量再反馈出来。虽然在后端加吸收负载等可以稍微降低这部分能量,但对后方的工作电路来说很可能仍具有无法承受的破坏性。

合理使用浪涌抑制器,可以确保这部分过电压/电流直接回流而不会冲击后方的工作电路。且同能级下的电容封装体积也远大于抑制器件组合后的大小。

对于成熟的已定型的工业仪表,外加一组浪涌抑制器来满足核电仪表要求是一种不错的选择。而且在现今复杂的使用环境下,如果能把本身作为有次数寿命限制的浪涌电路制成可更替件也更易维护。

5 结束语

本文主要对核电AP1000测试法规进行研究,结合相关试验和相关仪控设备,针对目前仪控设备遇到的相关问题,给出了解决的方法。特别是在浪涌测试中,计算了浪涌试验的整体能量,对产品测试提供了指导性建议,使得核电仪控设备制造商能够取得高EMC性能的产品,为我国核电事业安全、快速的发展提供良好的保障。

[1] 杨迎建.电磁兼容标准实施指南[M].北京:中国标准出版社, 2010:75-81.

[2] 保罗.电磁兼容导论[M].2版.闻映红,译.北京:人民邮电出版社,2007:20-25.

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

[4] 沙斐.信息技术设备的电磁辐射及其抑制[J].安全与电磁兼容,2000(3):8-12.

[5] 邱建文,孔海志,莫国钧.核电厂电磁兼容挑战及应对策略[J].原子能科学技术,2009(S2).

[6] 黄文君,于浩洋,敖春波.核电站数字化仪表控制系统的电磁兼容性验证与应用设计[J].核动力工程,2008(3):85-88.

[7] 陆敏,马欣.核电设备射频辐射抗扰度试验方法研究[J].装备环境工程,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年毕业于上海大学通信专业,获学士学位,工程师;主要从事各类产品EMC测试研究和分析。