淺析核電廠后備盤應(yīng)對(duì)電磁兼容要求的設(shè)計(jì)策略

李 穎，劉 娜，宿俊海，高 媛

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840； 2.中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

0 引言

核電是電力行業(yè)綠色發(fā)展的一種有效手段，核電的安全性、可靠性一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。近年來，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展和大規(guī)模集成電路的廣泛使用，具有高處理能力、高集成度的數(shù)字化儀控系統(tǒng)也逐漸被核電行業(yè)所采用。與此同時(shí)，儀控系統(tǒng)設(shè)備的抗電磁干擾能力也引起了普遍關(guān)注。其中，美國電力研究院持照者事件報(bào)告對(duì)核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)遭受的電磁干擾問題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在1980～1991年期間，8%的非計(jì)劃停堆和專設(shè)安全設(shè)施（ESF）的啟動(dòng)是由于儀控系統(tǒng)受EMI的作用造成的。在這期間，EMI被認(rèn)為是引起這些事件頻率最高的環(huán)境因素。在1990～1993年間，19%的事件是由于數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)備遭雷擊引起的，而這些事件中的67%均導(dǎo)致了誤跳堆和誤動(dòng)作[1]。因此，世界各國及相關(guān)國際組織針對(duì)核電廠儀控設(shè)備的電磁兼容問題進(jìn)行了研究，其中美國核管理委員會(huì)（NRC）發(fā)布的RG1.180安全相關(guān)I&C系統(tǒng)EMI/RFI評(píng)價(jià)導(dǎo)則被廣泛采用。

主控室后備盤是數(shù)字化運(yùn)行的后備手段，當(dāng)數(shù)字化系統(tǒng)不可用時(shí)，后備盤根據(jù)當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)維持機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間或配合適當(dāng)?shù)木偷夭僮魍ｉ]反應(yīng)堆。因此，后備盤的抗電磁干擾能力尤為重要。

1 電磁干擾的種類及電磁兼容要求

1.1 電磁干擾種類

雷電、設(shè)備附近的大功率裝置以及同一回路中工作的電機(jī)、開關(guān)電源等都會(huì)以不同形式對(duì)設(shè)備造成電磁干擾。從傳播途徑來看，電磁干擾包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)（如電源線、信號(hào)線）把干擾信號(hào)從一個(gè)鏈路耦合到另一個(gè)鏈路上，這種干擾大部分是由于電源品質(zhì)或電子設(shè)備工作時(shí)連續(xù)性或間歇性電壓電流變化引起的；輻射干擾，即通常所說的空間干擾，是干擾源以空間電磁波的形式把干擾信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上。從形式上來看，電磁干擾包括共模干擾和差模干擾，共模干擾是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾，即相（包括電源線和信號(hào)線）對(duì)地之間的干擾，對(duì)于三相電路來說，共模干擾是指每一相與大地之間的干擾；差模干擾是載流導(dǎo)體之間的干擾，即相-相間之間，以及相線和中線之間的干擾[2]。

1.2 電磁兼容要求

后備盤在安裝位置存在高電子噪聲（120dB）、射頻干擾和振動(dòng)的環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行，而盤裝設(shè)備不產(chǎn)生性能退化。后備盤的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮抵御典型的工業(yè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的電磁干擾。后備盤的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體情況采用適當(dāng)?shù)目乖肼暭夹g(shù)包括光學(xué)隔離，高共模抑制比，適當(dāng)?shù)亟拥睾推帘巍⑹褂玫碗妷翰考⑦M(jìn)行實(shí)體分隔及電氣隔離、屏蔽敏感部件或干擾源等。后備盤設(shè)計(jì)應(yīng)使其對(duì)核電廠的環(huán)境或人員不造成任何不良影響。

后備盤需滿足RG1.180中關(guān)于典型工業(yè)環(huán)境和中等暴露水平下的電磁兼容要求。設(shè)備在測(cè)試時(shí)，不應(yīng)該表現(xiàn)出任何故障或超出指定的運(yùn)行容許值的性能退化。

2 后備盤應(yīng)對(duì)電磁兼容要求的設(shè)計(jì)策略

為保證后備盤能夠滿足核電廠電磁干擾環(huán)境中的要求，應(yīng)對(duì)后備盤的設(shè)計(jì)（包括盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和儀表設(shè)計(jì)）進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠從設(shè)計(jì)上盡量滿足電磁兼容的要求；另一方面，應(yīng)按照RG1.180的要求對(duì)后備盤進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證后備盤可以滿足電磁兼容的要求，如在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其要求無法滿足時(shí)，則應(yīng)對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，直至可以達(dá)到電磁兼容的要求。

2.1 后備盤設(shè)計(jì)改進(jìn)

通常，電磁屏蔽、濾波和接地是防御電磁兼容的有效手段。電磁屏蔽的作用是從傳播途徑上切斷電磁波，從而消除電磁干擾；濾波是通過濾波器防止外部的干擾以傳導(dǎo)形式耦合到設(shè)備中，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行干擾，同時(shí)也盡量降低設(shè)備對(duì)外的干擾；接地是保證一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)不同點(diǎn)的參考地之間的電勢(shì)差盡可能小，從而保證設(shè)備的正常工作，并提高設(shè)備的抗電磁干擾能力。

因此，后備盤的設(shè)計(jì)改進(jìn)（包括盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和儀表設(shè)計(jì)）也主要從電磁屏蔽、濾波、接地等方面進(jìn)行。

1）盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后備盤盤體結(jié)構(gòu)本身為金屬結(jié)構(gòu)，可以屏蔽掉絕大部分電磁干擾，但是前、后門與盤體之間的縫隙以及前、后門的通風(fēng)散熱孔由于縫隙的存在都會(huì)受到電磁干擾。因此，需要對(duì)上述位置進(jìn)行電磁屏蔽處理，具體改進(jìn)方法為：

◆ 前/后門與盤體之間的縫隙可以增加電磁屏蔽條，用以減少電磁干擾的影響。

◆ 前/后門的通風(fēng)散熱孔處增加電磁屏蔽網(wǎng)，用以減少電磁干擾的影響，但需綜合考慮通風(fēng)散熱的需求。

◆ 對(duì)于盤體的接地設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量增大接地銅排和接地導(dǎo)線的面積，其中接地銅排設(shè)計(jì)貫通整個(gè)盤體。

2）儀表設(shè)計(jì)

這里的儀表設(shè)計(jì)主要針對(duì)含電子元器件的儀表，如數(shù)顯表，可以采用電磁屏蔽來屏蔽掉空間電磁干擾，以及采用濾波方法來濾掉部分傳導(dǎo)干擾，具體改進(jìn)方法為：

◆ 儀表的外殼使用金屬外殼或外殼的內(nèi)表面鍍金屬屏蔽層，用以屏蔽電磁干擾的影響。

◆ 儀表信號(hào)端口處可以增加電磁屏蔽環(huán)，用以濾掉信號(hào)線上耦合的電磁干擾。

3）電氣設(shè)計(jì)

由于后備盤內(nèi)包含強(qiáng)電供電回路，因而可以在電氣回路中增加濾波器來濾掉電源線中的傳導(dǎo)干擾，以減少由于電源品質(zhì)造成的電磁干擾。

2.2 電磁兼容試驗(yàn)

對(duì)于后備盤整體應(yīng)進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，以保證后備盤可以滿足電磁兼容的要求。RG1.180作為評(píng)估儀控系統(tǒng)的EMI/RFI發(fā)射及抗擾度能力的指導(dǎo)文件，對(duì)EMI和RFI的發(fā)射及抗擾度試驗(yàn)遵循的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)等級(jí)提出了指導(dǎo)性建議。所以，盤臺(tái)電磁兼容試驗(yàn)的EMI/RFI的發(fā)射及抗擾度試驗(yàn)部分按照RG1.180要求進(jìn)行。靜電放電是設(shè)備能夠承受接觸放電和空氣放電的一個(gè)重要指標(biāo)，雖然RG1.180中沒有提供靜電放電試驗(yàn)的指導(dǎo)，但也應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)盤臺(tái)進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)。RG1.180中同時(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)。通常，核電采用IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)，具體測(cè)試項(xiàng)目分為4類，發(fā)射類試驗(yàn)、抗擾度類試驗(yàn)、電源浪涌試驗(yàn)以及靜電放電試驗(yàn)[3]。

◆ 發(fā)射試驗(yàn)：該類試驗(yàn)是指設(shè)備對(duì)外造成的電磁干擾。通常情況下，要求設(shè)備對(duì)外的電磁干擾應(yīng)在一定的限值內(nèi)，以免對(duì)其他設(shè)備造成影響。

◆ 抗擾度試驗(yàn)：該類試驗(yàn)是指外界對(duì)設(shè)備造成的電磁干擾。通常情況下，要求設(shè)備能夠承受一定限值內(nèi)的外界電磁干擾，以保證設(shè)備的穩(wěn)定性。

◆ 電源浪涌試驗(yàn)：該類試驗(yàn)是指在電源品質(zhì)較差的情況下，設(shè)備能夠承受該影響，并保證設(shè)備的穩(wěn)定性。

◆ 靜電放電試驗(yàn)：該類試驗(yàn)是指設(shè)備能夠承受由操作人員造成的接觸放電以及在干燥環(huán)境條件下的空氣放電，包括接觸放電和空氣放電等。

具體試驗(yàn)項(xiàng)如表1所示。

3 結(jié)論

本文介紹了電磁干擾種類，以及核電廠后備盤對(duì)電磁干擾的要求，在此基礎(chǔ)上后備盤應(yīng)對(duì)電磁兼容要求的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行介紹，從電磁屏蔽、濾波和接地等方面著手，對(duì)盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和儀表設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，最后再通過電磁兼容試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，用以證明后備盤的設(shè)計(jì)可以滿足核電廠電磁干擾的要求。

表1 電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)Table 1 Electromagnetic compatibility test items