核電廠熱電阻儀表的電磁兼容鑒定研究

楊 鍇

(1.上海儀器儀表自控系統檢驗測試所有限公司,上海 200233；2.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233；3.國家能源核電站儀表研(實驗)中心,上海 200233)

0 引言

2018年，浙江三門AP1000世界首堆的并網發電，是第三代非能動的核電廠里程碑式的開始。國家重大戰略之一的CAP1400示范工程項目也將正式開啟。CAP1400示范工程要求95%國產化儀控設備。國產化儀表將被大量用于核電廠中，監測并確保核電廠的安全[1]。考慮到核電廠的特殊性，必須保證核電廠的可靠性與安全性。對于核電廠無源儀表，也需要進行部分電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)試驗，以驗證儀表的性能。

本文從原理、應用方式，以及EMC概念、意義等方面，對當下使用較多的無源儀表之一的熱電阻儀表進行介紹，通過理論分析與實際試驗驗證，得出結論。該研究為以后核電廠驗收無源儀表提供了參考。

1 熱電阻儀表

1.1 熱電阻儀表基本概念

熱電阻儀表是一種常用的溫度檢測器，通常用在現場的中低溫區域。熱點組的測溫原理實質，是通過金屬導體的電阻值伴隨著溫度的上升而增加的特性進行測量。其重要的特點就在于測量的精度較高，性能較為穩定。

熱電阻儀表大多數由純金屬的材質制作成型。當前應用較為廣泛的就是銅和鉑。由于銅和鉑成本較高，目前也開始采用例如銠、錳和鎳等替代材料制造熱電阻。熱電阻的溫度測量數值本身無法直接被顯示出來，需要將自身的電阻信號傳遞到二次儀表或者計算機控制裝置上來顯示。

鉑電阻的精度高，多用于氧化性和中性介質，具有溫度越高電阻變化率越小的非線性，穩定性比較好。而銅電阻則是在測溫的范圍內，電阻值和溫度呈現線性的關系，超過150 ℃容易被氧化，適用于無腐蝕介質。

1.2 熱電阻儀表現場應用的方式

熱電阻儀表的實質是一次傳感元器件，是將溫度的變化轉變為電阻值的變化。在工業生產的現場，熱電阻被安裝在與控制室距離較遠處，需要使用較長的引線。因此，熱電阻儀表的引線對最終的測量結果會有很大影響。

如今，主流的三種引線方式被用于熱電阻儀表現場接線中。

①二線制：二線制就是將電源、負載串聯在一起。這種接線的方式十分簡便。但由于需要連接導線，一定會在其引線上產生電阻值R。R的大小與引線的長度和材質等因素相關。因此，二線制方式大多數適用于測量精度比較低的場合。

②三線制：通常在電源正端用一根線，信號輸出正端用另一根線，而電源的負端和信號負端共用一根線。這種三線制的方式通常搭配電橋測量方法來使用，可以很好地消除導線上電阻的影響。該方法是在工業過程控制領域中較為常用的接線方法。

③四線制：在熱電阻儀表的引出口的兩端分別外接兩根引線的接線方式。其中，兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。由此可見，四線制接線方式可以完全消除引線上的電阻影響，主要用于高精度溫度測量。

熱電阻在實際工作中需要與二次儀表相連接，所以在測量電阻時，必須借助外加電源，一般為0～12 V電壓信號或者4～20 mA電流信號[2]。

2 熱電阻儀表EMC抗擾度試驗要求

2.1 EMC概念及無源設備測試意義

EMC與人們的生活息息相關。現代社會各種無線技術飛速發展，環境噪聲不斷提高，使EMC問題日益突出。

EMC性能是指設備、產品或者系統在其電磁環境中符合要求運行，并不對其所在的環境中的任何其他設備產生無法經受的電磁干擾的能力。EMC實際分為兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不可以高于其相關標準規定的限值；另一個方面是指設備、產品或者系統對于其所處在的工作環境中存在的電磁干擾，達到標準相關規定的抗擾度要求，即電磁敏感性[3]。

無源設備的檢測，尤其是EMC抗擾度檢測，主要通過兩個途徑驗證設備的EMC性能。一個是空間上的；另一個是通過線纜或者線纜上的屏蔽層，然后對其施加干擾來查看設備是否仍然能夠正常工作。無源設備最終的目的均是考驗其EMC屏蔽的性能[4]。

為了驗證設備是否具備合格的電磁兼容性能，并且可重復、可比較，各主要國家或地區都設立專門機構，制定EMC標準，規范測試方法、測試環境以及測試設備。

對于核電廠設備的測試，設備鑒定是證明核電廠安全重要設備或設施能在其預期的鑒定壽期內的任意時刻及時投運，并滿足系統所需性能要求，且不存在共因故障機理的過程[5]。

2.2 無源設備的EMC抗擾度試驗要求

無源設備是指本身無需外部供電，沒有電源線的設備。所以在EMC測試中，涉及到電源線的檢測項目均無需檢測[6]。以核電廠熱電阻儀表為例，無源設備雖然沒有電源線，但與二次儀表相連接，并且大多數為金屬外殼。因此，也需要驗證其屏蔽性能[7]。

在大多數行業(特別是工業環境)中，例如火電廠、污水廠等，對于在現場的無源儀表，EMC抗擾度試驗相對較少并且要求不高，一些廠家業主等也都沒有EMC性能的概念。某火電廠EMC試驗要求如表1所示。從表1中可以看到，只有三項試驗，并且試驗等級都適中，沒有采用較嚴苛的等級。

表1 某火電廠EMC試驗要求

對于EMC抗擾度試驗來說，針對于工業環境的無源設備，特別是安全性要求極高的核電廠，應當盡量選取所有可以測試的項目，以驗證其電磁兼容性能。IEC 61000-4系列抗擾度試驗項目如表2所示。其中，列出了所有無源設備的IEC 61000-4系列的抗擾度試驗項目。

表2 IEC 61000-4系列抗擾度試驗項目

2.3 熱電阻儀表的EMC等級確認與試驗驗證

考慮到核電廠將安全性和可靠性放在首位，所以針對應用于核電廠中的熱電阻儀表，EMC抗擾度的試驗等級應相對嚴苛。選取對應標準中的最高等級來進行檢測。核電廠熱電阻儀表抗擾度試驗項目及測試等級如表3所示[8]。

表3 核電廠熱電阻儀表抗擾度試驗項目及測試等級

在實際檢測過程中，所有熱電阻儀表需要連接二次儀表。如果沒有二次儀表，則需連接模擬源，以實時監測其阻值是否與當時的檢測環境溫度相匹配。

在檢測中發現，有些廠家的熱電阻儀表還是有部分問題產生。綜合多次檢測的結果，總結得出如下兩點引起檢測失敗的原因[9]。

①在進行IEC 61000-4-2 靜電放電抗擾度與IEC 61000-4-3電場輻射抗擾度試驗時，某些廠家的熱電阻儀表另一端的二次儀表顯示溫度會有突變。經過分析，在確認二次儀表監測部分不直接受到干擾的情況下，發現這些熱電阻儀表外殼縫隙較大，或者接地不良好，甚至有些熱電阻儀表未考慮接地，沒有引出接地線接地。這使得干擾從縫隙進入儀表內部或者累積存留于殼體上，而未從大地導出，最終影響檢測結果。

②在進行IEC 61000-4-4電快速瞬變脈沖群抗擾度互連線的試驗時，發現某些廠家未使用雙絞線或者屏蔽線的熱電阻儀表在試驗中監測顯示也會有偏移或突變等現象。當換上質地良好的屏蔽線后，監測顯示的溫度值基本無變化。由此可以判斷，良好的屏蔽線會阻礙干擾并直接導入大地。

綜合上述理論分析與試驗結果，可以針對核電廠熱電阻儀表得出如下結論。首先，試驗項目需要全覆蓋，以確保可能引起干擾的EMC問題都被檢測到。其次，考慮到核電廠的特殊性尤其是安全性，EMC的試驗等級選取標準中推薦的最高等級。 最后，通過在部分試驗中發現的問題和整改結果，闡明了核電廠熱電阻儀表EMC鑒定的必要性。

3 結束語

目前，國內核電廠堆型多樣化，國內針對核電廠儀控設備也未制定相應的EMC國家標準。在核電廠EMC設備鑒定中，無源儀表的EMC試驗上不完善。本文經過理論研究與分析，選擇了最具代表性的無源儀表之一的熱電阻儀表，提出并驗證了熱電阻儀表的EMC性能和其檢測必要性。核電廠的安全要求最為嚴苛，希望通過這樣的理論與試驗驗證，為國家后續的核電廠設計驗收等提供寶貴的經驗。