AP1000核電站不間斷電源系統電磁兼容性試驗驗證

趙厚欽，金 剛

(1.上海核工程研究設計院有限公司，上海200233；2.生態環境部核與輻射安全中心，北京100082)

為改善核電站內部的供電質量，核電站使用了大功率UPS(40 kVA以上)，但因其本身的工作特性引入了電磁干擾。這些干擾主要來源是UPS輸入端整流部分產生的高次諧波和直流—交流(DC—AC)高頻逆變器產生的電磁干擾，進而影響到儀控系統和設備。

AP1000核電站采用全數字化儀控系統，由于先進的數字控制系統采用了大量的數字集成電路，比較容易受到電磁干擾的影響，本文就AP1000 UPS設備的電磁兼容性遵循標準、測試方法、驗收準則、試驗結果及結論展開討論和分析。

1 UPS電磁兼容性試驗標準與分析

一般工業用UPS設備EMC試驗參照IEC 62040—2相關章節，按照AP1000的要求，UPS設備應按照C3類等級進行。C3類UPS輸出電流超過16A，適用于不直接連接至給住宅建筑物供電的低壓供電系統。

在NRC規程10 CFR part 50 “Domestic Licensing of Production and Utilization Facilities”中明確指出電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和浪涌承受度(SWC)被視為可能影響安全相關電氣設備的環境條件，需要在設計中考慮相關的控制措施。在核電廠中，由于存在很多安全級相關的電氣與儀控設備，因此設備電磁兼容性的要求就非常嚴格。如何解決電磁干擾問題主要取決設備以及所遵循的EMC標準要求。

因此，AP1000 UPS設備的EMC試驗標準比一般工業用的標準要求提高不少。表1中對比了AP1000核電站EMC要求和IEC 62040-2中試驗項目和參數要求。

表1 AP1000核電站EMC要求和IEC 62040-2中試驗項目和試驗水平對比表

1.1 發射試驗主要差異對比與分析

如表1所示，雖然兩份標準都要求了傳導發射和輻射發射，但是AP1000的要求更為嚴苛。

1.1.1 傳導發射試驗主要差異對比與分析

(1)應用平臺：CE101和CE102交、直流都適用，而IEC 62040-2只適用交流系統。對于逆變器而言，其輸入為直流電源，電纜上存在紋波電壓，對上游充電器產生干擾。

(2)頻率范圍：AP1000核電站的EMC傳導發射試驗的頻率范圍涵蓋了IEC并未要求的低頻部分，且為連續頻譜，而IEC標準為點頻。對于CE102，其銜接了CE101頻率的高頻，最高頻率為10 MHz，低于IEC標準的限值30 MHz。這是由于在10 MHz以上頻率，過量的傳導發射會導致輻射，MIL標準中10 MHz以上頻率范圍的傳導發射可以通過RE102限值要求來控制。

(3)測試儀器：MIL標準的傳導試驗測試儀器采用接收機+LISN+電源探頭。而IEC的測試儀器采用諧波分析儀+電流傳感器。

(4)限值：不同平臺不同電源不同限值，連續限值。而IEC標準四類設備四類限值，諧波點頻限值。

1.1.2 輻射發射試驗主要差異對比與分析

(1)頻率范圍：RE101的頻率上限為100 kHz，而IEC標準的起始頻率為30 MHz。IEC的頻率范圍并未覆蓋RE101的低頻范圍，而該頻率范圍內的磁場發射主要由供電電源和電源分配系統產生的基波和諧波造成，控制該范圍內的干擾發射很重要，核電站內存在大量的儀控設備，且具有高靈敏度，磁場干擾極易發生。

(2)測試方法及儀器：RE101的測試儀器為接收機+單環天線(磁場探頭)。RE102的測試儀器為干擾接收機+峰值檢波。IEC標準中的測試儀器為干擾接收機+準峰值和平均值檢波。

(3)測試距離：RE101天線布置在距離設備7 cm處。RE102天線布置在距離設備1 m處。而IEC天線布置在距離設備10 m處。

1.2 抗擾度試驗主要差異對比與分析

對于抗擾度試驗，AP1000的抗擾度試驗項目明顯多于IEC標準，且試驗水平也采用最高標準。而且，新增了RS103 1～10 GHz的頻率范圍。

2 AP1000 UPS設備電磁兼容試驗驗證

AP1000 1E級UPS設備主要設備參數如下：

(1)充電器

額定輸入電壓：380 VAC；頻率：50 Hz；額定輸出電壓：250 VDC；額定輸出電流：200 A。

(2)逆變器

容量：15 kVA；額定輸入電壓：250 VDC；額定輸出電壓：220 VAC。

(3)調壓變壓器

容量：45 kVA；一、二次額定電壓：380 VAC/220 VAC。

2.1 AP1000 UPS設備EMC試驗驗收標準

針對大型供電設備，要完全滿足R.G 1.180的發射要求通過試驗是有難度的。結合UPS設備的測試結果，給出一些建議與分析。以核級充電器為例。

表2 AP1000 UPS設備EMC試驗驗收標準

表3 抗擾度試驗的UPS運行模式

2.2 CE101低頻傳導發射試驗結果分析

從圖1可知，即使R.G 1.180允許交流供電設備根據基波電流對發射限值進行調整，核級充電器的發射值仍超過了限值。其實，R.G 1.180針對此問題也給出了相應的免除條款。如果供電電源的電能質量符合設備對電能質量的要求，且該設備不會向配電系統施加額外的諧波畸變不超過總諧波失真(THD)的5%。

圖1 核級充電器CE101低頻傳導發射試驗結果Fig.1 1E charger CE101 test result

充電器的正常輸入電壓和頻率是380VAC，50 Hz±5%，允許電壓波動范圍是+10%～-20%，即304～418 VAC。充電器上游的供電系統是380 VAC，50 Hz±5%，允許的電壓波動范圍是+5%～-10%。因此，上游的供電質量符合充電器對電能質量的要求。

同時，還需要對諧波畸變量進行計算，詳細計算如表4和表5所示。

表4 核級充電器及上游變壓器主要技術參數

續表

表5 核級充電器總諧波失真計算表

根據上述計算，總諧波畸變小于5%，適用免除條款。

2.3 CE102高頻傳導發射試驗結果分析

根據R.G 1.180的要求，如核電廠電能質量可控，則可以免除頻率范圍在10～450 kHz的試驗。因此，圖2中綠色部分被免除。

對于450 kHz～2 MHz的頻率范圍，可以從以下三方面加以考慮：

(1)發射值換算成電壓后，對設備的影響。如圖二所示，超過標準限值的最大發射值約85 dBμV，換算成電壓的話約為0.018 V。這個干擾電壓對于380 V的供電電源來說可以忽略。

(2)考慮設備在空間布置中與其他設備的耦合效應。針對充電器這一設備，同一房間內的設備，除了核級逆變器以外，其他所有的設備都通過了CE102的試驗。因此，只需考慮最惡劣的情況，即充電器與逆變器發射最大值的疊加效應。根據核級逆變器的實測結果，發射值換算成電壓約0.056 V，因此，最大電壓為0.018 V+0.056 V=0.074 V，此電壓對于供電設備來說可以忽略。

圖2 核級充電器CE102低頻傳導發射試驗結果Fig.2 1E charger CE102 test result

圖3 核級充電器RE102低頻傳導發射試驗結果Fig.3 1E charger RE102 test result

(3)結合抗擾度試驗的測試等級。根據表1所示，該傳導試驗對應的抗擾度試驗等級為140 dBμV，最大疊加發射值為97.38 dBμV，遠遠低于抗擾度試驗水平。

綜上，此偏差可以被接受。

2.4 RE102高頻電場輻射發射試驗結果分析

充電器發射最大值為80 dBμV/m(10 mV/m)，逆變器的發射最大值為65 dBμV/m(1.778 mV/m)。AP1000最惡劣的情況是同一房間擁有2臺充電器和2臺逆變器。兩臺充電器之間的距離為1 m。兩臺逆變器之間的距離為3 m。因此，最差的疊加值為23.56 mV/m，即87.43 dBμV/m。此發00射值遠遠低于對應的抗擾度試驗水平。

此外，電場輻射發射值隨著距離的增加而衰減。根據公式(1):

(1)

根據公式(1)可以得出，87.43 dBμV/m的發射值在1 m處的值僅為原來的1/4。同時，盡管IEC 61000-4-3頻率覆蓋范圍是26 MHz以上，導體的尺寸與波長的比值是評價天線效率和電子元器件潛在的敏感性的關鍵因素。波長可以根據公式(2)進行計算。

(2)

在抗擾度試驗中，針對最低頻率的波長長度是(3×108)/(26×106)=11.5 m。潛在的敏感的電子元器件(工控機、顯示器、PLC、I/O板卡等)通常都小于11.5 m。

2.5 其他建議

RG 1.180針對發射試驗，也給出了三個替代方案供選擇，如圖4所示。

圖4 R.G 1.180中推薦的替代方案Fig.4 Recommended alternative proposals in R.G 1.180

在CE101和RE101可以免除的前提下，可選用上圖中任一方案進行發射試驗。針對電源類設備，建議采用IEC標準進行發射試驗。

IEC 61000-6-4的空間磁場發生試驗的頻段是30 MHz～1 GHz，而R.G 1.180中相同試驗的頻段是2 MHz～10 GHz。核級UPS的發射存在偏差的頻段是：2～26 MHz，而存在偏差的頻段正好IEC標準中不要求，規避了偏差。因此，核級UPS設備可以通過IEC標準的試驗。

針對IEC 61000-6-4的傳導發射試驗可以通過增加一些輔助設備，例如濾波器等來通過試驗。

3 結論

AP1000核電站應用的UPS設備EMC特性設計是一項系統工程，論證其可行性和可靠性需要從實踐出發，本文通過分析AP1000核級UPS設備EMC試驗報告，詳細介紹了AP1000 UPS設備EMC試驗驗證標準、等級和驗收準則，通過對試驗結果的分析，論證了試驗結果滿足設計要求。