核电安全级仪控设备的电磁兼容要求解析.pdf

1、核电安全级仪控设备的电磁兼容要求解析俞磊 1,2张翼翔 1,2（ 上 海工 业自 动化 仪表 研究 院 1， 国家 能源 核电 站仪 表研 发（ 实验 ）中 心 2，上 海 市 漕宝 路 103号 ， 2023）摘 要 :近 年 来 ， 国 家 核 电 事 业 发 展 迅 猛 ， 核 电 安 全 是 一 个 不 容 回 避 的 话 题 。 随 着 核 电 安 全 级 仪控 设备 的智 能化 ，数 字化 和网 络化 ，电 磁兼 容问 题突 现。 美国 ，法 国， 中国 等相 应给 出了 核电系 统和 设备 的电 磁兼 容法 规。 相对 于工 业设 备来 说， 核级 设备 的测 试要 求较 高。

2、关 键词 :核 电安 全 ； 电 磁兼 容 （ EMC） ； 核 电测 试法 规 ； 电 磁干 扰 （ EMI） ； 电 磁敏 感性 （ EMS）0引言 引言 引言 引言 随 着大 量控 制系 统进 入核 电站 ， 电 磁兼 容 （ EMC） 是 一个 不可 避免 的问 题 ， 它 对于 核电 站的 安全 有重 要的 影响 。试 想一 下， 如果 安全 控制 系统 由于 电磁 干扰 而不 能正 常工 作， 会产 生多大 的灾 害。 所以 ，在 现今 的核 电试 验中 ， 电 磁兼 容 已 经是 不可 或缺 的一 部分 。1电磁兼容定义 电磁兼容定义 电磁兼容定义 电磁兼容定义国 际 电 工 委

3、 员 会 标 准 IEC6050对 电 磁 兼 容 （ EMC） 的 定 义 是 ： 系 统 或 设 备 在 所 处 的 电 磁环 境中 能正 常工 作， 同时 不对 其他 系统 和设 备造 成干 扰。 EMC包 括 电 磁 干 扰 (EMI)及 电 磁 敏 感 性 (EMS)两 部 份 ， 所 谓 EMI电 磁 干 扰 ， 乃 为 机 器 本身 在执 行应 有功 能的 过程 中所 产生 不利 于其 它系 统的 电磁 噪声 ； 而 S是 指设 备在 执行 应有 功能 的过 程中 不受 周围 电磁 环境 影响 的能 力。 电 磁干 扰主 要是 由自 然干 扰和 人为 干扰 两部 分组 成。 自然

4、 干扰 通常 是由 宇宙 干扰 ，雷 电干扰 ，大 气干 扰和 热噪 声干 扰构 成。 人为 干扰 分为 有意 发射 干扰 源， 例如 ：广 播、 电视 、通 信系统 等。 无意 发射 干扰 源为 照明 装置 、高 压电 力线 、接 收机 的本 机震 荡辐 射等 。 产 生电 磁干 扰的 三要 素为 ： 电 磁 干 扰 源 ， 指 产 生 电 磁 干 扰 的 任 何 元 件 、 器 件 、 设 备 、系 统 或 自 然 现 象 。 耦 合 途 径 （ 传 输 通 道 ） ， 指 将 电 磁 干 扰 能 量 传 输 到 受 干 扰 设 备 的 通道 和 媒 介 。 敏 感 设 备 ， 指 收 到

5、 电 磁 干 扰 影 响 或 者 说 对 电 磁 干 扰 发 生 响 应 的 设 备 。2EMC试验简介 试验简介 试验简介 试验简介2.1试 验的 组成由 于 EMC主 要是 由 EMI和 EMS构 成， 所以 EMC的 试验 项目 也是 基于 这两 方面 展开 的 。EMI主 要是 由受 试样 品对 外界 的骚 扰 ， 通 常分 为辐 射骚 扰 ， 传 导 骚 扰 ， 谐 波和 闪烁 。 EMS主 要是 受试 样品 对外 界的 抗扰 度， 通常 有静 电放 电， 瞬态 脉冲 群， 浪涌 ，电 压跌 落， 传导 干扰 ，辐射 抗干 扰等 构成 。 通 用的 标准 有 CISPR1， CISP

6、R2， EN502， IEC610等 。 EMC标 准对 各类 设备 的测 试要 求和 测试 方 法 有 清晰 的区 分。2.EMC试 验的 判据EMI的 判据 通常 是根 据不 同的 产品 对限 值进 行划 分的 。 而 对于 EMS试 验 ， 主 要有 如下 四 种判 据： 在 制造 商、 委托 方或 客户 规定 的技 术规 范限 值内 性能 正常 ； 功 能 或 性 能 暂 时 降 低 或 丧 失 ， 但 在 骚 扰 停 止 后 受 试 设 备 能 自 行 恢 复 其 正 常 性 能 ， 无 需 操 作者 干预 ； 功 能或 性能 暂时 降低 或丧 失， 但需 操作 者干 预才 能恢 复

7、；因 硬件 或软 件损 坏， 或数 据丢 失而 造成 不能 恢复 至正 常状 态的 功能 降低 或丧 失。 通 常在 EMC试 验前 和试 验后 ， 对 受试 样品 的 性 能 进 行检 查 。 在 EMC试 验中 ， 进 行 受 试样品 的功 能监 测。 3.核电测试相关的法规 核电测试相关的法规 核电测试相关的法规 核电测试相关的法规3.1各 国核 电法 规的 简介 由 于核 电的 快速 发展 ， 各 国都 制定 了相 应的 核电 法规 来确 保核 电站 的安 全 。 目 前美 国 NRC、法 国 RC-E和 我国 GB/T1684均 要求 进行 核电 仪控 设 备 的 EMC试 验。3.

8、2美 国 NRC规 定 的 核电 测试 法规NRC规 定 核 电 站 设 备 电 磁 兼 容 型 式 试 验 需 遵 循 USNRCegulatoryGuide1.80。 它 同 时 提供 了 MIL-STD-461E军 用标 准和 IEC610系 列的 工业 标准 。两 套试 验方 法可 以任 选其 一。I-461标 准中 的 M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 ，详 见表 1。IEC610系 列标 准中 的 EMC试 验项 目共 10项 ， 其 中 EMI电 磁发 射试 验项 目 2项 ， EMS抗 扰度 试验

9、项目 8项 ，详 见表 2。表 1RG1.80中 MIL-STD-461E的 EMC试验要求EMC试 验项 目 试 验标 准 试 验水 平 应 用1 低 频传 导发 射 MIL-STD-461EC10 30Hz10kHz 电 源线2 高 频传 导发 射 MIL-STD-461EC10210kHz2MHz 电 源线3 磁 场辐 射发 射 MIL-STD-461ER10 30Hz10kHz EUT4 电 场辐 射发 射 MIL-STD-461ER1022MHz1GHz EUT5低 频传 导抗 扰度 MIL-STD-461ECS10 30Hz150kHz 电 源线6高 频传 导抗 扰度 MIL-ST

10、D-461ECS1410kHz30MHz电 源线 /信 号线7 电 缆束 注入 MIL-STD-461ECS15 2A脉 冲激 励 信 号线8 阻 尼正 弦瞬 变 MIL-STD-461ECS1610kHz10MHz信 号线9磁 场辐 射抗 扰度 MIL-STD-461ERS10 30Hz10kHz EUT10电 场辐 射抗 扰度 MIL-STD-461ERS10330MHz1GHz10V/m EUT表 2RG1.80中 IEC/ISPR的 EMC试验要求EMC试 验项 目 试 验标 准 试 验水 平 应 用1 传 导骚 扰 CISPR1 150kHz30MHz 电 源线2 辐 射骚 扰 IS

11、P1 30Mz1Gz EUT3电 快速 瞬变 脉冲 群 IEC610-4按 核仪 器安 装位 置选 择试 验 等级 电 源线 /信 号线2 浪 涌 (组 合波 ) IEC610-45按 核仪 器安 装位 置选 择试 验 等级 电 源线 /信 号线3射 频场 感应 的传 导骚 扰 抗扰 度 IEC610-46 150kHz80MHz水 平 3:140dBV/(10V)电 源线 /信 号线4浪 涌 (10kHz环 形波 )IEC610-412按 核仪 器安 装位 置选 择试 验 等级 电 源线 /信 号线5低 频传 导抗 扰度 IEC610-413 16Hz2.4kHz等 级 2 电 源线6低 频

12、传 导抗 扰度 IEC610-416 15Hz150kHz水 平 3 电 源线 /信 号线7磁 场辐 射抗 扰度 IEC610-48 50Hz和 60Hz等 级 4:30A/m (EUT) EUT8磁 场辐 射抗 扰度 IEC610-49 50/6Hz50kHz等 级 4:30A/m EUT9磁 场辐 射抗 扰度 IEC610-410 10kHz和 1MHz等 级 4:30A/m EUT10电 场辐 射抗 扰度 IEC610-43 26MHz1GHz水 平 3:10V/m EUT3.我 国规 定的 核电 测试 法规 我 国目 前核 仪器 的电 磁兼 容型 式试 验依 据标 准 GB/T1684

13、 203 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， 具体 EMC要 求见 表 3。表 3GB/T1648标准的 EMC试验要求EMC试 验项 目 参 考试 验标 准 试 验水 平 应 用1射 频电 磁场 辐射 抗 扰度 试验 GB/T1762.3根 据 核 仪 器 安 装 的 位 置 不同 ，选 择相 应的 试验 等级EUT2射 频电 磁场 感应 的 传导 骚扰 抗扰 度 试验 GB/T1762.6 电 源线 /信

14、 号线3工 频磁 场抗 扰度 试 验 GB/T1762.8 EUT4静 电放 电抗 扰度 试 验 GB/T1762. EUT5电 压暂 降 、 短 时中断 和电 压变 化抗 扰 度试 验 GB/T1762.1 电 源线6电 快速 瞬变 脉冲 群 抗扰 度 GB/T1762.4 电 源线 /信 号线7浪 涌 （ 冲 击 ） 抗 扰度 试验 GB/T1762.5 电 源线 /信 号线8振 荡波 抗扰 度试 验 GB/T1762.12 电 源线 /信 号线4.受试样品 受试样品 受试样品 受试样品 EMC测试流程简介 测试流程简介 测试流程简介 测试流程简介4.1EMC试 验流 程各 类受 试样 品

15、的 EMC测 试流 程如 图 1所 示 。 如 图 ， 每 一个 受试 样品 EMC试 验前 都应 进行功 能测 试， 验证 其功 能正 常后 才能 开始 试验 。通 常来 说， 试验 中， 监测 重要 功能 ，试 验后 进行全 性能 检查 ，验 证其 性能 符合 后， 才能 判定 试验 通过 。若 试验 结果 和规 定的 判据 发生 偏差 ，则应 进行 EMC整 改。质 量 检 查 结 束质 量 检 查 开 始 功 能 检 查执 行 EMC试 验 EMC整 改通 过 试 验 ？功 能 检 查功 能 正 常 ？ 核 查 样 品 /图 纸修 复功 能 正 常 ？记 录 是 否 由 于 EMC试

16、验 造 成 ？是是是 是否否否否图 1EMC试验流程4.2EMC各 项试 验顺 序一 般来 说 ， EMC大 部分 试验 不会 对 样品 产生 破 坏 作 用 ， 但 也有 例如 静电 放电 ， 电 快速 瞬变脉 冲群 和浪 涌试 验可 能会 对受 试样 品产 生一 定的 损伤 。这 类损 伤通 常是 指电 子元 器件 的损 伤，而 非机 械破 坏。 图 2是 通常 EMC各 试验 测试 流程 ， 首 先执 行 EMI试 验， 随 后 是 EMS试 验 ， 最后 是抗 浪涌 试验 （ SurgeWithstandapbilty） 。EMI试 验 ：CE101、 CE102RE101、 RE10

17、2CE、 REEMS试 验 ：IEC610-413、 IEC610-416IEC610 1、 IEC610IEC610-48、 IEC610-49IEC610 10、 IEC610 3RS103、 IEC610-42SWC试 验 ：IEC610-4IEC610 5IEC610-412图 2EMC试验顺序5.EMC问题诊断与整改案例 问题诊断与整改案例 问题诊断与整改案例 问题诊断与整改案例5.1安 全级 仪控 设备 的辐 射骚 扰问 题诊 断 在 核 电 安 全 级 仪 控 设 备 的 前 期 设 计 和 配 套 元 器 件 的 选 用 时 ， 就 应 考 虑 到 EMC的 问 题 ， 以确

18、保 产 品 的 EMC的 性 能 ， 并 顺 利 的 通 过 整 个 EMC试 验 。 若 在 EMC试 验 中 ， 样 品 功 能 出 现 了问 题或 者在 骚扰 测试 时超 出了 给定 的限 值 ， 都 应进 行 EMC整 改 。 整 改完 成后 ， 再 重新 进行 EMC试 验。5.2安 全级 仪控 设备 EMC整 改对 策及 结果即 使 设 备 在 前 期 设 计 和 配 套 元 器 件 选 用 上 考 虑 到 EMC的 因 素 ， 但 是 在 测 试 时 ， 总 可 能 会碰 到 这 样 那 样 的 问 题 。 如 骚 扰 超 过 给 定 限 值 ， 静 电 放 电 试 验 造 成

19、设 备 死 机 等 。 因 为 各 个 EMC试 验有 不同 的针 对性 ， 如 传导 骚扰 是考 验受 试样 品电 源对 外界 的骚 扰 ， 所 以要 进行 EMC整 改 ，必 须根 据不 同试 验做 出不 同的 对策 。 下 面 给 出 某 安 全 级 仪 控 设 备 EMC测 试 实 例 ， 并 给 出 了 相 应 的 整 改 对 策 。 系 统 在 进 行 辐 射骚 扰测 试时 ，测 试结 果超 过了 给定 的限 值， 如图 3所 示。 我们 先要 对系 统进 行诊 断， 分析 其干扰 源所 在的 位置 ，并 对样 品的 接地 ，屏 蔽等 进行 检查 。 根 据图 3的 辐射 发射 图

20、谱 ，并 根据 对这 个设 备的 分析 ，我 们罗 列出 可能 产生 问题 的部 件，并 单独 的进 行测 试来 确定 问题 的所 在。 最后 ，我 们发 现光 纤转 化模 块的 2根 互连 线是 导致 辐射超 标的 关键 。找 到问 题的 原因 后， 我们 就着 手进 行整 改。 由于 超标 的这 一段 频率 并不 高， 我们就 采 用 了 在 互 连 线 上 套 上 磁 环 的 方 法 来 降 低 骚 扰 值 ， 如 图 4所 示 。 图 5是 经 过 EMC整 改 后 辐射 骚扰 的测 试结 果， 由图 可见 ，问 题得 到了 解决 ，顺 利的 通过 了辐 射骚 扰测 试。场强（ dBu

21、v/m ）频率（ Hz）图 3整改前辐射骚扰测试结果图 4互连线上加上磁环场强（ dBuv/m ）频率（ Hz）图 5整改后辐射骚扰测试结果6.小结 小结 小结 小结 针 对核 电事 业快 速的 发展 ，核 电安 全刻 不容 缓。 设备 的电 磁兼 容性 问题 也越 来越 多的 得到人 们的 关注 ，并 且相 对于 其它 工业 类产 品， 核电 安全 级仪 控设 备的 测试 等级 要高 出许 多。 只有重 视电 磁兼 容， 重视 核电 安全 ，我 国的 核电 事业 才能 更加 平稳 、有 序、 快速 的发 展。参考文献 1GB/T1684-203核仪器电磁环境条件与试验方法 S2USNRCegulatoryGuide1.80-203S作者简介俞磊 ： 现就职于上海工业自动化仪表研究院电磁兼容试验室 ， 深入了解各类测试标准 ， 熟悉各类电子产品的 EMC测试。张翼翔 ： 现就职于上海工业自动化仪表研究院电磁兼容试验室 ， 深入了解各类测试标准 ， 熟悉各类电子产品的 EMC测试。