核電站5G和無線通信技術(shù)電磁兼容應(yīng)用的研究

劉景賓，喬 寧，郭銀輝，楊靜遠(yuǎn),*，丁 超

核電站5G和無線通信技術(shù)電磁兼容應(yīng)用的研究

劉景賓1，喬 寧1，郭銀輝2，楊靜遠(yuǎn)1,*，丁 超1

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100190）

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)和無線通信等設(shè)備的工作頻率越來越高，并已全面進(jìn)入我們的生產(chǎn)和生活，這類技術(shù)給我們帶來方便的同時(shí)，也給核電站數(shù)字化設(shè)備的安全運(yùn)行帶來了隱患。本文對(duì)核電廠數(shù)字化設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)的相關(guān)項(xiàng)目和要求進(jìn)行了梳理和分析，國(guó)內(nèi)核電站如早期的M310及之前機(jī)組并未考慮1 GHz以上的電磁兼容試驗(yàn)，新建的核電站如“華龍一號(hào)”等三代機(jī)組開始考慮了高頻頻帶，但相關(guān)試驗(yàn)只做到了6 GHz。此外，核電現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于手機(jī)和無線設(shè)備的使用并不嚴(yán)格，這些都大大增加了核電廠電磁環(huán)境的復(fù)雜度，使對(duì)電磁敏感的數(shù)字化設(shè)備暴露在高頻率的電磁環(huán)境下，而設(shè)備出廠前進(jìn)行的相關(guān)鑒定試驗(yàn)和措施很可能無法包絡(luò)住目前現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，需要采取額外的補(bǔ)充鑒定、屏蔽手段、距離限制等措施。

數(shù)字化設(shè)備鑒定；電磁兼容；無線通信

1 引言

當(dāng)前，核電廠中越來越多的開始使用高集成度的數(shù)字化儀控設(shè)備。其內(nèi)部通常集成了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路和微電子模塊，一般采用低電壓、高頻率的信號(hào)。當(dāng)這類設(shè)備處于復(fù)雜的電磁環(huán)境時(shí)，就會(huì)引起測(cè)量信號(hào)或輸出指令受到干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤。

為了使核電廠可以更加安全、可靠的運(yùn)行，一方面要求提高產(chǎn)品的電磁兼容（EMC）能力，通常制造商會(huì)根據(jù)目前行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行EMC相關(guān)的鑒定試驗(yàn)，以證明其可以滿足相關(guān)要求。另一方面，此類設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝和維護(hù)等階段，也要采取必要的措施和手段，降低敏感設(shè)備暴露在強(qiáng)電磁輻射的情況。例如，在電磁環(huán)境比較復(fù)雜環(huán)境下的DCS機(jī)柜中布置屏蔽層，安全重要的設(shè)備周圍不布置發(fā)電機(jī)、大功率設(shè)備等措施。

然而，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是信息化與工業(yè)自動(dòng)化的深度融合，越來越多的電站開始使用無線通訊技術(shù)（WiFi），電廠的工作人員也逐漸開始使用智能化的手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，加上5G產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，這些發(fā)射源的工作頻率越來越高，使得電廠的電磁環(huán)境等級(jí)劣化，而設(shè)備出廠前進(jìn)行的相關(guān)鑒定試驗(yàn)和措施很可能無法包絡(luò)住目前現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，需要采取額外的補(bǔ)充鑒定、屏蔽手段、距離限制等。

2 電磁兼容試驗(yàn)的鑒定項(xiàng)目

2.1 發(fā)射試驗(yàn)和抗擾度試驗(yàn)

目前，針對(duì)核電廠數(shù)字化設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)的相關(guān)鑒定問題，國(guó)際上比較認(rèn)可的指導(dǎo)措施是采用美國(guó)核管會(huì)（NRC）發(fā)布的RG 1.180- 2003“安全相關(guān)儀控系統(tǒng)中電磁和無線頻率干涉的評(píng)價(jià)導(dǎo)則”[1]對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。總體上，該導(dǎo)則認(rèn)可了美軍標(biāo)MIL-STD-461E和IEC 61000系列兩套具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)相關(guān)的EMC試驗(yàn)項(xiàng)目，如表1和表2所示。通常按照試驗(yàn)項(xiàng)目劃分，大致可分為四項(xiàng)：傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)（CE）、傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)（CS）、輻射發(fā)射試驗(yàn)（RE）、輻射抗擾度試驗(yàn)（RS）。

表1 RG1.180中MIL-STD-461E標(biāo)準(zhǔn)中的EMC試驗(yàn)項(xiàng)目

表2　RG1.180中IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)中的EMC試驗(yàn)項(xiàng)目

發(fā)射試驗(yàn)具體的執(zhí)行過程中，若滿足低頻發(fā)射測(cè)試兩項(xiàng)豁免的條件，則允許使用替代程序：如果采用了電能質(zhì)量控制，則允許試驗(yàn)設(shè)備本身的CE101試驗(yàn)豁免，如果試驗(yàn)設(shè)備的具體安裝環(huán)境中沒有對(duì)輻射發(fā)射干擾敏感的設(shè)備，則允許試驗(yàn)設(shè)備本身的RE101試驗(yàn)豁免。或者，在確定的條件下，可以接受基于IEC 61000-6-4的發(fā)射試驗(yàn)或滿足FCC Part 15 Class A要求的發(fā)射試驗(yàn)。但是，無論選擇哪種發(fā)射試驗(yàn)程序，都需要將其三者之一整體應(yīng)用，而不是選擇性地混用其中某些試驗(yàn)項(xiàng)目，如圖1所示。

抗擾度試驗(yàn)具體的執(zhí)行過程中，針對(duì)傳導(dǎo)試驗(yàn)中電源線的CS101和CS114試驗(yàn)，信號(hào)線的CS114，CS115和CS116試驗(yàn)，以及針對(duì)輻射試驗(yàn)中的RS101和RS103試驗(yàn)也只是某一種基準(zhǔn)的測(cè)試方法。還可以使用基于IEC 61000的測(cè)試方法來建立與安全相關(guān)儀控系統(tǒng)的測(cè)試程序。圖2列出了兩個(gè)可接受的抗擾度試驗(yàn)方法，同樣地，盡管對(duì)任何一種抗擾度測(cè)試方法的選擇沒有限制，但需要將二者之一整體應(yīng)用，而不是選擇性地混用其中某些試驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1 發(fā)射試驗(yàn)可接受的方法

圖2 敏感性試驗(yàn)可接受的方法

2.2 高于1 GHz電磁兼容項(xiàng)目的試驗(yàn)方法

核電廠的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，存在許多電磁干擾源，如發(fā)電機(jī)、變壓器、繼電器、漏電流、電焊機(jī)等，這部分干擾的電磁兼容問題可由2.1節(jié)中的相關(guān)試驗(yàn)加以鑒定或采取相應(yīng)的技術(shù)手段避免。然而，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)和無線通信等設(shè)備的工作頻率越來越高，核電廠現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，國(guó)內(nèi)在2000年左右開始商業(yè)化GSM1800（1.8 GHz頻段）移動(dòng)通信系統(tǒng)，同時(shí)期WiFi技術(shù)也開始逐漸普及，這些技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的電磁干擾涉及1 GHz以上的高頻頻帶，在后續(xù)的數(shù)字化設(shè)備設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行考慮。

針對(duì)輻射發(fā)射試驗(yàn)而言，MIL-STD-461E[2]中的RE102試驗(yàn)包含了適用于1 GHz以上的方法和準(zhǔn)則，該試驗(yàn)適用于1 GHz以上到10倍于被試設(shè)備內(nèi)可能產(chǎn)生的最高頻率，相關(guān)的發(fā)射包絡(luò)曲線要求如圖3所示。

圖3 MIL-STD-461E中大于1 GHz以上的輻射發(fā)射試驗(yàn)包絡(luò)曲線

RG 1.180認(rèn)可的1997版的IEC 61000-6-4中對(duì)1 GHz以上試驗(yàn)項(xiàng)目沒有要求。若根據(jù)IEC系列進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)，可參考2007版之后的IEC 61000-6-4[3]中關(guān)于1～6 GHz輻射發(fā)射試驗(yàn)的相關(guān)要求，如表3所示。

針對(duì)1 GHz以上的輻射抗擾試驗(yàn)，RG 1.180的可接受試驗(yàn)方法包含在MIL-STD-461E的RS103中，該標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行鑒定試驗(yàn)時(shí)施加的電場(chǎng)強(qiáng)度為10 V/m（rms），其可測(cè)試范圍為30 Hz～40 GHz。

表3 IEC 61000-6-4中大于1 GHz以上的輻射發(fā)射試驗(yàn)的相關(guān)要求

同樣地，RG 1.180認(rèn)可的1995版的IEC 61000-4-3中對(duì)1 GHz以上的試驗(yàn)項(xiàng)目沒要求。若根據(jù)IEC系列進(jìn)行輻射抗擾度試驗(yàn)，可參考2006版之后的IEC 61000-4-3[4]中關(guān)于1 GHz以上輻射抗擾度試驗(yàn)的相關(guān)要求，施加的電場(chǎng)強(qiáng)度為10 V/m（rms），其可測(cè)試范圍為80 MHz～6 GHz。

此外，RG 1.180中特別強(qiáng)調(diào)對(duì)頻率范圍1～10 GHz的輻射抗擾試驗(yàn)的需要是由于高速微處理器與無線通信的發(fā)展而產(chǎn)生的，它們產(chǎn)生的干擾涉及高頻頻帶，在后續(xù)的數(shù)字化設(shè)備設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行考慮，但由于各國(guó)通信管理部門的限制和約束，當(dāng)前只涉及大量的2.45 GHz和5.7 GHz頻段，并未做強(qiáng)制性的要求。

針對(duì)國(guó)內(nèi)核電的具體項(xiàng)目而言，大多數(shù)早期的M310及之前的核電廠在設(shè)計(jì)之初并未考慮高于1 GHz的EMC試驗(yàn)，主要原因是當(dāng)時(shí)高于1 GHz的室內(nèi)無線發(fā)射設(shè)備在核電廠并未普及。新建的二代+和三代核電機(jī)組，在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮1 GHz以上的電磁兼容試驗(yàn)，除AP1000機(jī)組采用MIL-STD-461E標(biāo)準(zhǔn)外，大多數(shù)的試驗(yàn)項(xiàng)目是根據(jù)IEC 61000系列進(jìn)行的，輻射發(fā)射試驗(yàn)和輻射敏感性試驗(yàn)通常只做到了6 GHz，而當(dāng)時(shí)建造的項(xiàng)目尚未出現(xiàn)高于6 GHz無線設(shè)備，因此滿足當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 當(dāng)前電磁兼容試驗(yàn)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)的頻率范圍

隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，并已經(jīng)全面進(jìn)入我們的生產(chǎn)和生活。通常，我們所說的5G網(wǎng)絡(luò)指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，其傳輸速度遠(yuǎn)高于先前的3G和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)又具有較低的網(wǎng)絡(luò)延遲，已逐漸成為當(dāng)前世界范圍內(nèi)的主流技術(shù)。然而，這一技術(shù)非常依賴于豐富的頻譜資源，5G頻譜分為兩個(gè)區(qū)域FR1和FR2，其頻譜資源與3G、4G技術(shù)相比擴(kuò)展了很多。

根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）的協(xié)議規(guī)定，F(xiàn)R1頻段的頻率范圍是450 MHz～6 GHz，又稱sub 6 GHz頻段；FR2頻段的頻率范圍是24.25～52.6 GHz，通常被稱為毫米波（mmWave），如表4所示。FR1頻段的傳輸距離長(zhǎng)，并且相關(guān)設(shè)備的成本較低，而FR2頻段的定向傳輸性較好，速度較快，兩者各有優(yōu)劣。現(xiàn)階段，我國(guó)僅對(duì)FR1中的頻段進(jìn)行了分配，然而隨著基礎(chǔ)覆蓋頻段的普及和應(yīng)用，F(xiàn)R2將作為5G補(bǔ)充頻段發(fā)揮重要的作用，毫米波所處的高頻頻段也將逐漸分配給各大電信運(yùn)營(yíng)商。

表4　5G頻段范圍和國(guó)內(nèi)的分配情況

無線通信技術(shù)（Wi-Fi）近年來也滲透到了各行各業(yè)，包括核行業(yè)，這部分內(nèi)容將在本文的3.2節(jié)進(jìn)行說明。2020年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）對(duì)WIFI 6E的無線頻段放行，這意味著將來的某些WiFi和手持設(shè)備可以使用5 925～7 125 MHz這一頻段范圍。同時(shí)，Wi-Fi聯(lián)盟表示，包括英國(guó)、歐盟、韓國(guó)、智利、阿聯(lián)酋等在內(nèi)的國(guó)家，已經(jīng)批準(zhǔn)使用6 GHz的Wi-Fi，此外巴西、加拿大、墨西哥和日本的監(jiān)管機(jī)構(gòu)，目前也正在推進(jìn)實(shí)施的過程。中國(guó)正處于無線通信技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展前列，未來必定也將逐步開放，當(dāng)前市場(chǎng)上已經(jīng)可以購(gòu)買到相關(guān)設(shè)備。

表5　WiFi技術(shù)的發(fā)展過程和頻段使用情況

3.2 核電廠無線通信技術(shù)的需求和現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)眾多核電廠在進(jìn)行廠內(nèi)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以滿足傳統(tǒng)有線通信方式的受限性問題和傳統(tǒng)無線尋呼系統(tǒng)無法滿足語(yǔ)音通信、數(shù)據(jù)傳輸需求的問題[5]。其無線通信范圍一般會(huì)覆蓋整個(gè)廠區(qū)，包括核島、常規(guī)島、BOP及室外某些區(qū)域。

這種無線通訊系統(tǒng)通常由調(diào)度管理平臺(tái)、無線基站和無線通訊終端等設(shè)備組成：

①其中調(diào)度管理平臺(tái)的相關(guān)設(shè)備采用有線布置，負(fù)責(zé)整個(gè)終端的數(shù)據(jù)處理和匯集，實(shí)現(xiàn)管理、配置、服務(wù)、相連設(shè)備的通信等功能。

②無線基站實(shí)現(xiàn)無線通信信號(hào)的覆蓋，通過有線方式與調(diào)度管理平臺(tái)連接，采用固定的安裝方式，一般布置在主控制、儀控設(shè)備間或需要通信的區(qū)域，包括控制器、基站、天線等設(shè)備。

③無線通訊終端主要指的是相關(guān)操作人員的手持設(shè)備，通過無線的方式與無線基站連接，接收和發(fā)送語(yǔ)音、圖文、視頻等信號(hào)。由于人員可以自由移動(dòng)，該類設(shè)備隨身攜帶，因此無固定安裝方式。

無線通訊系統(tǒng)本身不是核動(dòng)力廠安全重要儀控系統(tǒng)，其不執(zhí)行安全重要或相關(guān)功能，通常與主儀控系統(tǒng)不會(huì)直接相連，一般情況下無需考慮EMC試驗(yàn)中的傳導(dǎo)干擾。但是，無線基站和無線通訊終端會(huì)向外輻射電磁干擾，尤其是手持設(shè)備，某些情況下甚至?xí)c數(shù)字化設(shè)備近距離接觸，因此需考慮無線通訊系統(tǒng)本身和覆蓋范圍內(nèi)數(shù)字化設(shè)備的輻射發(fā)射試驗(yàn)和輻射抗擾度試驗(yàn)。

3.3 當(dāng)前存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

目前5G基站正隨著國(guó)家網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)的發(fā)展如火如荼的進(jìn)行中，很多核電現(xiàn)場(chǎng)均已覆蓋了5G信號(hào)，支持5G網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)也隨著相關(guān)人員進(jìn)入到了核島廠房等區(qū)域。如2.2節(jié)所述，早期的核電廠并未考慮1 GHz以上的EMC試驗(yàn)，新建的核電機(jī)組盡管考慮了高頻頻帶，但大多數(shù)試驗(yàn)只做到了6 GHz，未來超越6GHz的電磁環(huán)境很可能在室內(nèi)電磁環(huán)境出現(xiàn)，之前的鑒定試驗(yàn)數(shù)據(jù)已逐漸不能包絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境。

而且，眾多核電廠還有無線通信系統(tǒng)的建設(shè)和改進(jìn)需求，WiFi技術(shù)在核島內(nèi)也逐漸普及。WiFi 6E中的頻段范圍也已經(jīng)覆蓋到5.925～7.125 GHz，將來甚至?xí)S著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展需求進(jìn)入到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行某些特定的控制功能。

此外，核電現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于手機(jī)和手持設(shè)備的使用規(guī)定并不嚴(yán)格，這些都大大增加了核電廠電磁環(huán)境的復(fù)雜度，使對(duì)電磁敏感的數(shù)字化設(shè)備暴露在高頻率的電磁環(huán)境下，而之前的鑒定試驗(yàn)和相關(guān)措施不再充分。

4 5G和無線通信技術(shù)電磁兼容應(yīng)用的建議與措施

（1）健全相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系

國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展迅速，而目前核電領(lǐng)域的EMC試驗(yàn)只是參考國(guó)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏專業(yè)指導(dǎo)性和兼容性。

HAF 102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[6]中的5.5.2.3節(jié)要求“安全重要物項(xiàng)鑒定程序必須考慮到安全重要物項(xiàng)預(yù)期壽期內(nèi)由各種環(huán)境因素（如振動(dòng)、輻照、濕度、溫度）引起的老化效應(yīng)”，其中并未對(duì)電磁環(huán)境提出明確的強(qiáng)制性要求。HAD 102/14《核電廠安全有關(guān)儀表》[7]中提到“電廠內(nèi)通常存在相當(dāng)強(qiáng)大的電氣干擾源，并有一定的頻譜，如果不考慮這種環(huán)境，儀表和控制系統(tǒng)就會(huì)收到其有害影響”，其中只包含了原則性要求，缺乏具體的指導(dǎo)。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)層面的NB/T 20218—2013《核電廠安全重要儀表和控制設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)要求》[8]和GB/T 11684—2003《核儀器電磁環(huán)境條件與試驗(yàn)方法》[9]，其試驗(yàn)項(xiàng)目也存在缺失和不能完全適用的情況，如沒有發(fā)射試驗(yàn)和高頻頻帶試驗(yàn)的相關(guān)要求。

因此，應(yīng)盡快完善我國(guó)在核電廠電磁兼容要求和試驗(yàn)等方面的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)。

（2）提高電磁兼容試驗(yàn)的要求

要加強(qiáng)設(shè)備鑒定中電磁兼容試驗(yàn)的要求，提高敏感設(shè)備的電磁兼容能力和試驗(yàn)等級(jí)。當(dāng)前，新建的核電機(jī)組盡管在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了1 GHz以上的EMC試驗(yàn)，但除AP1000機(jī)組采用MIL-STD-461E標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了10 GHz外，大多數(shù)的試驗(yàn)項(xiàng)目是根據(jù)IEC 61000系列進(jìn)行的，輻射發(fā)射試驗(yàn)和輻射敏感性試驗(yàn)通常只做到了6 GHz，即將面臨出現(xiàn)6 GHz室內(nèi)電磁環(huán)境的情況。

因此，應(yīng)根據(jù)目前或未來的實(shí)際環(huán)境條件，對(duì)設(shè)備的電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行階段性評(píng)估，確認(rèn)其頻率范圍可以包絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作環(huán)境。若有相應(yīng)的升級(jí)或改造，應(yīng)合理選擇無線通信基站、手持設(shè)備、天線類設(shè)備的發(fā)射功率。如若不能滿足，或后續(xù)相應(yīng)的升級(jí)或改造引起了電磁環(huán)境的變化，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要敏感設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試，并嚴(yán)格禁止高頻率設(shè)備進(jìn)入電磁敏感區(qū)域。

（3）優(yōu)化屏蔽設(shè)計(jì)措施

盡管高速微處理器與無線通信等新技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了更高頻率信號(hào)的產(chǎn)生，但與低頻信號(hào)相比，此類信號(hào)的傳輸距離短，穿透性差。因此更容易在機(jī)柜設(shè)計(jì)中采用屏蔽設(shè)計(jì)等方式抑制自身的射頻能量外泄，同時(shí)防止外界電磁對(duì)本設(shè)備的影響。常見的屏蔽方法包括但不限于合理的接地、靜電屏蔽、濾波技術(shù)、電磁屏蔽涂層、良好的封裝設(shè)計(jì)等。

（4）對(duì)無線通信裝置的安全使用距離進(jìn)行評(píng)估

當(dāng)降低無線通信設(shè)備的發(fā)射功率或相關(guān)措施后仍無法滿足房間內(nèi)敏感設(shè)備的抗擾度試驗(yàn)要求時(shí)，可根據(jù)IEC 61000-4-3附錄中的計(jì)算公式估算設(shè)備的安全保護(hù)距離：

式中：——場(chǎng)強(qiáng)值；

——常數(shù)，在遠(yuǎn)場(chǎng)自由空間傳播時(shí)等于7；

——功率值；

——到天線的距離。

針對(duì)固定的無線基站或工作站而言，可根據(jù)設(shè)備鑒定試驗(yàn)時(shí)采用的場(chǎng)強(qiáng)值和設(shè)備的實(shí)際功率值，計(jì)算出此類裝置的安全使用距離。此處，以某核電廠的WiFi工作站為例，若WiFi發(fā)射器的功率為500 mW（或27 dBm），其鑒定試驗(yàn)根據(jù)10 V/m的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行，則該發(fā)射器距離敏感設(shè)備間的最小直線距離為：

因此，在滿足高頻電磁兼容試驗(yàn)的相關(guān)要求后，還應(yīng)對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際布置和圖紙進(jìn)行核實(shí)，確認(rèn)此類固定設(shè)備的安裝位置滿足最小安全距離。

由于手持設(shè)備隨身攜帶，無固定的安裝方式，通常會(huì)近距離接觸到敏感的數(shù)字化設(shè)備，因此這類設(shè)備會(huì)比固定式的基站或工作站有著更嚴(yán)格的要求。表6根據(jù)IEC61000-4-3中的要求，給出了蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）和無繩蜂窩電信系統(tǒng)（DECT）的試驗(yàn)等級(jí)和其對(duì)應(yīng)的移動(dòng)設(shè)備到敏感設(shè)備間的最小直線距離。

針對(duì)GSM而言，目前市場(chǎng)上大多數(shù)手機(jī)發(fā)出的功率最大值為 33 dBm，約為 2 W。4G 手機(jī)的發(fā)射功率被協(xié)議限制在23 dBM，約為0.2 W。5G手機(jī)在Sub6G頻段下的最大發(fā)射功率為26 dBm，約為0.4 W；毫米波目前還沒有明確的定義，但由于在同等條件下，傳播損耗更大，因此需要提高發(fā)射功率進(jìn)行彌補(bǔ)，屆時(shí)可能會(huì)超出表6的覆蓋范圍。

表6 手持設(shè)備試驗(yàn)等級(jí)和相應(yīng)保護(hù)距離的實(shí)例

最后，針對(duì)安全重要的儀控設(shè)備，無論是手持設(shè)備還是無線基站，應(yīng)在以上的計(jì)算基礎(chǔ)上留出安全裕量。

5 小結(jié)

本文對(duì)核電廠數(shù)字化設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)的相關(guān)項(xiàng)目和要求進(jìn)行了梳理，對(duì)其中高于1 GHz電磁兼容項(xiàng)目的試驗(yàn)方法和當(dāng)前存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。

當(dāng)前，對(duì)于根據(jù)IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMC相關(guān)試驗(yàn)的國(guó)內(nèi)機(jī)組而言，即將面臨出現(xiàn)6 GHz室內(nèi)電磁環(huán)境的情況。對(duì)于遵守美軍標(biāo)MIL-STD-461E的核電廠如AP1000機(jī)組，目前還不需要考慮這些問題，但如果5G網(wǎng)絡(luò)中的FR2（24.25～52.6 GHz）頻段放開，也應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定這類設(shè)備（尤其是手持設(shè)備）的使用。

相關(guān)部門應(yīng)盡快完善我國(guó)在核電廠數(shù)字化設(shè)備方面電磁兼容防護(hù)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系；設(shè)計(jì)方可參考本文2.2和4（2）節(jié)中的內(nèi)容，提高電磁兼容試驗(yàn)的要求，進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)充測(cè)試，以覆蓋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際電磁環(huán)境；由于高頻率信號(hào)的衰減更快，因此制造方也可以在無法避免的情況下合理采用屏蔽設(shè)計(jì)等方式；此外，在滿足高頻電磁兼容試驗(yàn)的相關(guān)要求后，營(yíng)運(yùn)方還應(yīng)參考4（4）節(jié)中的內(nèi)容，根據(jù)鑒定時(shí)采用的場(chǎng)強(qiáng)值和功率值計(jì)算出無線通信裝置的安全使用距離，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際布置進(jìn)行規(guī)定。

［1］ U.S. Nuclear regulatory commission. Regulatory guide 1.180 guidelines for evaluating electromagnetic and radio- frequency interference in safety-related instrumentation and control systems［S］．Washington，DC.：U.S.NRC，2003.

［2］ U.S. Military standard. MIL-STD-461E requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment［S］．USA：Department of Defense Interface Standard，1999.

［3］ International Electrotechnical Commission. IEC 61000-6-4 Generic standards—Emission standard for industrial environments［S］．Geneva，Switzerland：IEC，2019.

［4］ International Electrotechnical Commission. IEC 61000-4-3 Testing and measurement techniques—Radiated，radio- frequency，electromagnetic field immunity test［S］．Geneva，Switzerland：IEC，2020.

［5］ 徐慶越，盧龍軍，焦龍. 核島無線通信系統(tǒng)及電磁兼容性試驗(yàn)［J］．儀器儀表用戶，2020，27（10）：64-66.

［6］ 國(guó)家核安全局. HAF102 核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定［S］．北京：國(guó)家核安全局，2016.

［7］ 國(guó)家核安全局. HAF102/14 核電廠安全有關(guān)儀表和控制系統(tǒng)［S］．北京：國(guó)家核安全局，1988.

［8］ 國(guó)家能源局. NB/T 20218核電廠安全重要儀表和控制設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)要求［S］．北京：國(guó)家能源局，2013.

［9］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 11684核儀器電磁環(huán)境條件與試驗(yàn)方法［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

Research on Electro-magnetic Compatibility Application of 5G and Wireless Communication Technologies in Nuclear Power Plants

LIU Jingbin1，QIAO Ning1，GUO Yinhui2，YANG Jingyuan1,*，DING Chao1

（1. Nuclear and Radiation Safety Center. Beijing 100082，China；2. China Satellite Communications Co.，Ltd. Beijing100190，China）

Due to the development of computer and cyber technology，the operating frequency of mobile phones and wireless communication devices has become higher and higher，it has fully entered our production and life. While this type of technology brings us convenience，it also brings us the defects of digital equipment in nuclear power plants. This article sorts out and analyzes the relevant items and requirements of the electro-magnetic compatibility test of the digital equipment of the nuclear power plant.Domestic nuclear power plants such as the early M310 and previous units did not consider electro-magnetic compatibility tests above 1 GHz. Newly built nuclear power plants such as Hua long No. 1 and other third-generation units began to consider high-frequency bands，but related tests only achieved 6 GHz. In addition，the use of mobile phones and wireless devices in nuclear power sites is not strict，which greatly increases the complexity of the electro-magnetic environment of nuclear power plants，exposing sensitive digital equipment to high-frequency electromagnetic environments. The relevant qualification tests and measures carried out before the factory test may not be able to cover the actual environment of the current site，and additional measures such as supplementary qualification，shielding methods and distance limitation are required.

Digital equipment qualification；Electro-magnetic compatibility；Wireless communication

TL48

A

0258-0918（2021）05-1067-08

2021-02-08

劉景賓（1988—），男，北京人，工程師，碩士，現(xiàn)從事核設(shè)施儀控系統(tǒng)安全審評(píng)方面研究

楊靜遠(yuǎn)，E-mail：yangjingyuan@chinansc.cn