核电厂电磁干扰根本原因分析及全流程化的应对策略

庞松涛，熊国华，周 舟

(中广核研究院有限公司，广东深圳518124)

核电厂电磁干扰根本原因分析及全流程化的应对策略

庞松涛，熊国华，周 舟

(中广核研究院有限公司，广东深圳518124)

对核电厂的EMI事件进行了统计和分类，分析了不同类事件的根本原因，给出了应对方案。论述了核电厂建立全流程化EMI问题应对策略的必要性。而后从核电厂全流程化解决EMC问题的角度，提出了3个主要问题，并一一作了解答，为建立核电厂全流程化解决EMI问题应对策略提供了重要参考。

核电厂；电磁干扰；事件分析；应对

1 概述

1.1 背景介绍

自20世纪70年代，核电厂开始报告出现EMI(Electro-Magnetic Interference，电磁干扰)事件。INPO创立后，开始收集核电厂运行经验，里面也包括影响核电厂的EMI事件。

早期核电厂受隔离、受控制的特性以及电厂内使用的电子系统的特性为抗电磁干扰提供了一定的保护。但由于数字技术的不断发展，数字系统开发商为优化产品性能，迎合市场需求，总会利用各种技术手段提高系统的时钟脉冲频率并在设计中降低逻辑电平。在无电磁干扰防护措施的条件下，这些技术上的改进使数字系统运行时，外来干扰信号被误认作合法逻辑信号的概率增加。同时，由于手机和对讲机等移动通讯设备的普及使用，人造电磁干扰也不断增加，成为隐患。

20世纪80年代，各国的电站主管部门陆续向本国电站运行部门签发信息公告，告知本国的核电厂，由于越来越多地使用新型电子技术，电磁干扰事件可能变得更常见。

一些发达国家基于大量的研究和实践，相继提出了对核电厂安全相关仪表和控制系统的电磁兼容性要求，并制定了具体的评价和测试方法，以保证现代化核电厂的安全运行。可认为是在一个点上做了突破。

1.2 核电厂EMI事件统计与分析

本文统计了自1980年以后，发生在全世界核电厂有记载的83起EMI相关事件，详见图1。

图1 核电厂EMI事件统计直方图Fig.1 Statistical histogram of EMI event in NPP

图1显示，雷击和RFI(射频干扰)是核电厂EMI事件的主要起因。在这83起事件中，多次造成停堆、系统误动等严重后果。

1.3 国内现状

国内核仪器的电磁兼容型式试验依据GB/T 11684—2003《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。此外国家能源局颁布了NB/T 20218—2013 《核电厂安全重要仪表和控制设备电磁兼容性试验要求》标准，均是关于试验方面的标准。

对于一座现代化的核电厂，先进的数字化仪表和控制系统就相当于它的神经和大脑，特别是在安全上起重要作用的安全相关仪表和控制系统，更应以它所在核电厂的特定电磁环境来考虑其是否受到潜在的电磁干扰的威胁，而仅以某一特定设备或系统满足了某一特定标准是不够的。因为同一设备用于不同核电厂或用于同一核电厂的不同厂房或用于同一核电厂同一厂房的不同位置，甚至同一位置的同一设备，因其周围设备的不同，所受到的电磁干扰都可能是不同的。因此，核电厂环境下的仪表和控制系统的电磁兼容性评价必须以核电厂的具体环境条件为基础，才有可能既保证电厂的安全，又不至耗费无谓的人力物力。

据相关研究，项目初期就考虑EMC(电磁兼容)可节省80% 以上的后续弥补开支，因此核电厂急需全流程的EMC解决方案。

文中从典型案例入手，就EMI发生的根本原因进行分析和梳理，结合核电厂实际，为最终给出全流程的EMC解决方案提供参考。

2 EMI的发生机理

以下三个因素共同作用才会产生EMI，缺一不可。

1) 存在电磁能来源。可能是对讲机、手机等便携式发射器，也可能是静电放电或雷击等自然事件。

2) 存在耦合路径将干扰能量从源头传达给受体。路径可能会被辐照，但是干扰能量通常会与传导媒介耦合(例如：电源导体、信号导体、腔室、管道、建筑物钢结构的一部分等)，由媒介传达到受体。通常情况下，干扰源与金属结构相连接，这样干扰源就可以放射能量，另有一个结构作为接收天线与受体相连接，向受体施加能量。

3) 存在受体(例如：I&C设备的一部分)，即接受这部分能量、并以非理想的方式对电路产生影响。

多年来，人们开发了各种处理电磁干扰的策略。干扰源抑制是处理电磁能源头(此为控制EMI较为理想的方法，但并不总是适用)；还有特定种类的过滤和屏蔽等技术，用于阻挡或减少可传导到受体的电磁能。

通过分析EMI事件的机理与核电厂实际情况，导致核电厂电磁干扰事件的主要原因分为以下5类：① RFI干扰；② 雷击；③ 设计缺陷；④ 设备缺陷；⑤ 静电放电。由于静电放电暂无明确的事件记录，所以文中主要就前4类事件做详细分析。

3 核电厂典型案例分析

3.1 RFI干扰

3.1.1 典型案例介绍

2002年8月28日，法国BLAYAIS电站4号机组正满功率运行，工作人员进行RPN030MA(RPN核仪表系统，MA剂量传感器)通道周期试验，由于瞬间干扰信号造成1环路和2环路超功率ΔT动作，导致自动停堆。

3.1.2 原因分析

在事故发生期间，KIT(集中数据处理系统)并未记录到直接引发跳堆的信号，只记录到1环路和2环路的C4信号RGL510EC、511EC(RGL棒控系统，EC数字信号)。由此推断，可能是正常做试验时RPN030MA引发的3环路超功率T动作信号(正常试验信号)与1环路或2环路中受到扰动比较大的一个信号形成三取二组合逻辑，导致停堆。如果当时不进行RPN030MA试验(RPN试验已经触发了一路超功率T动作)，可能不会造成跳堆。因为三个环路中的两个环路在非常短的时间内同时达到跳堆定值概率很低，所以在重要保护通道上做试验或处理故障时，提高对干扰的重视程度非常重要。最终结论认为：由于KIT采集信号40ms时间内未记录到直接跳堆信号，所以怀疑是瞬间干扰信号造成，而不是设备硬故障。实际上SIP(过程仪表系统)所在的房间和机柜都是屏蔽的，外界干扰源比较少，基本可以认为是人为使用无线电设备造成的。

3.1.3 应对策略

BLAYAIS电站的纠正措施是：在SIP/RPR(反应堆保护系统)房间门前安装标示牌，进入SIP房间需要授权；同时电厂重申移动电话的使用规定。

手机等无线通讯设备已经非常普及，无法杜绝使用，但是在关键敏感区域禁止使用无线通讯设备是可以做到的，而人犯错误又是不可避免的，因此建议在关键敏感区域的入口增加RFI信号探测器，一旦侦测到RFI信号即报警，以提醒现场人员注意。杜绝了干扰源，EMI事件就不会发生了。

3.2 雷击

3.2.1 典型案例介绍

据统计，在1990—1993年期间，19% 的EMI事件是由于数字化I&C系统遭雷击而引起的，其中67% 的事件导致了误动作或误停堆，形势非常严峻。以岭澳核电站DVN001/002MD(DVN核辅助厂房通风系统，MD流量传感器)雷击事件为例，2012年5月10日，受雷暴天气影响，岭澳3号机组主控出现大量报警信号以及8DVN001/002MD信号故障。维修人员进行检查分析，初步确定报警主要是由于8DVN001/002MD和3GSY102MT(GSY同步并网系统，MT温度传感器)测量通道控制板件受雷击损坏导致。电磁干扰信号经8DVN001MD引入3号机保护3组后，由于互感作用，影响RPN信号回路，导致保护3组中子通量变化率高报警出现。工作人员现场检查发现，8DVN001/002MD信号故障，确认 8DVN001/002MD信号分别送3/4号机采集卡上的保险被烧毁，更换保险后，8DVN001/002MD信号恢复正常，相关报警消失。如此时正在进行反应堆保护系统的逻辑试验，可能直接导致停堆。

3.2.2 原因分析

雷击分为直接雷击和感应雷击，岭澳核电厂历次雷击发生时DVN001/002MD现场变送器均未损坏，且变送器周围有位置更高的避雷针和避雷带，其受到直接雷击的概率也较小，分析认为干扰信号来源于感应雷击。

DVN001/002MD及电缆与DVN烟囱避雷针引下线距离较近甚至等电位连接，且信号通道均未设计防雷端子，当避雷针接闪后，在附近的DVN001/002MD信号回路感应出较强干扰信号，干扰信号通过信号线和屏蔽线进入保护组机柜，影响抗干扰能力较弱的信号，产生波动并触发重要报警，甚至损坏柜内设备。

3.2.3 应对策略

由于探测要求，一些设备需要的要安装在室外，这些设备不可避免地会遭受到雷击，即干扰源是无法消除的，而受体又是存在的，只能考虑消除耦合路径。

首先在回路中增加相应的防雷端子，以释放大部分干扰电流，然后对室外电缆增加金属管并将金属管接地以增强屏蔽效果，同时考虑一些方法增强避雷针引下线的接地效果，最后对信号进行光电隔离，彻底消除影响。

3.3 设计缺陷

3.3.1 典型案例介绍

2015年5月18日，阳江1号辅助变压器消防雨淋阀发生误喷淋。经维修人员现场检查，误喷淋控制回路接线正确、回路无短路和接地，无人为误操作。进一步检查发现消防喷淋阀远程启动继电器的线圈阻值、触点绝缘无异常，但线圈端子对地存在38.9V异常电压，导致了此次误喷淋事件。

3.3.2 原因分析

导致本次事件的根本原因是消防喷淋远程控制回路存在设计缺陷，使得远程启动继电器的控制回路产生了感生电动势，在未出现喷淋信号的情况下，远程启动继电器的控制回路超过了最低启动电压，从而导致辅助变压器消防水误喷淋。

3.3.3 应对策略

此类事件中，干扰源和受体可以认为都是“无辜”的，因为它们的存在都是合理的。所以解决此类问题也必须从消除耦合路径方面考虑。

类似3.1中所述的案例还有不少，但根本原因都是：设计失误导致本不应有的耦合路径存在。这些失误包括电缆路径设计、设备布置设计、电源设计、信号通道路径设计、系统结构设计等，这些方面的一些小失误都有可能带来严重的后果，所以建议核电厂编制类似于法国EM8(公用电气电缆设备的安装)工程手册，从点滴做起，规范设计工作，同时能够便于执行；并让经验丰富的工程师把关，从而彻底消除现场耦合路径的存在。

3.4 设备缺陷

3.4.1 典型案例介绍

2005年，国外一核电厂发现停堆单元失效总故障灯点亮，且仪表读数下降。维修人员使用特定的校准程序，使发射机停止运行，发现EMI滤波器正支柱与外壳发生短路， 使得所有供电电流入地或绕过发射机。根据EMI滤波器上的标记以及维修人员对其中一个滤波器的拆解情况，EMI滤波器由一个线圈及电容器组成，电容器在填充有环氧树脂的外壳内。本案例逻辑简图如图2所示。

图2 案例逻辑简图Fig.2 Brief logic diagram for the case

另据该电厂统计，发生故障的EMI滤波器自20世纪80年代第一次安装后将近20年来一直在役运行。EMI滤波器现有的文件中额定寿命的相关信息缺失。依据所安装EMI滤波器的数量，且近期无相似的失效事件来判断，故障不应是设计或应用问题；而且根据对该区域的巡检结果，包括温度、湿度、大气压力和振动等在内的现场环境也不是促成EMI滤波器失效的因素。综上，导致本次事件的直接因素是设备缺陷。

3.4.2 原因分析

由于未发现可能导致该设备失效的热暴露或机械暴露等老化问题。而该设备被替换后事件不复发，可认为电场应力等工作环境不是事件原因的促成因素。而预防性维修或监测都不适用于在该设备使用寿命内发生的电介质材料的随机击穿，所以失效的直接原因是设备老化问题，而根本原因则是电厂程序存在缺陷导致设备超寿期服役。

3.4.3 应对策略

上述案例只是众多设备缺陷导致EMI事件比较典型的案例，其直接原因是老化问题；而导致设备缺陷的因素很多，其中包括生产厂家的因素、运输和保存的因素、安装因素以及设备使用环境发生变化等，这些都因素的表象都可能是设备缺陷，需要从源头进行管控。

首先所有设备必须经电厂维修人员检测合格后方能入库，入库后必须保证设备的良好储藏环境，并且不发生磕碰、坠落等损毁情况，设备安装后必须经过严格的检查和调试，合格后方能投入使用。最后，要注意厂家给出的设备使用寿命，所有设备都不能超寿期使用，如厂家未给出设备使用寿命，维修人员应参考相似设备的使用寿命和现场使用反馈，给出相对保守的设备使用寿命。

4 建立核电厂全流程EMI事件应对策略的必要性

EMI的产生离不了3个要素。3个要素中，干扰源和受体非常直观，也很好判断，较容易辨认；耦合路径则可能是一种看不见也摸不着的存在，耦合路径存在的方式、种类、原因都很多，甚至一些路径只会在特定条件下存在，辨认起来非常困难，所以，消除耦合路径是核电厂战胜EMI的第一挑战。

电厂的相关程序也是其中一个重要环节，例如，宁德核电2号机组N201大修期间，主控5次闪发2RPN403KA(停堆中子注量率高报警，KA报警)，后续又出现主控闪发2KRT012KA(2KRT监测故障报警，KRT电站辐射监测系统)/2RPN403KA(停堆中子注量率高报警)导致反应堆厂房声响报警触发，人员撤离，卸料工作中止。通过查找发现是由于现场正在进行1号主泵轴绝缘低查找工作产生的干扰。所以相关程序的持续完善也是避免核电厂EMI事件的重要一环。

综上，从源头和前期工作开始就对系统和设备的EMC性能进行管控非常必要，既可以节约后期的维护成本，又可以避免事故的发生提升核电厂的经济效益；而后期的设计、安装、维护等工作也是必不可少的，因此，核电厂需要建立一个全流程的EMC解决方案。从设备采购开始对EMC相关参数进行把关，并在设计和实施阶段建立一个实用性的工程手册，让EMC的要求贯穿始终；同时进行程序的持续完善，不让人为失误导致EMI事件的产生。

以下将就全流程解决方案中的3个主要问题进行分析，探讨相应的应对策略。

5 建立核电厂全流程EMI事件应对策略的主要问题

5.1 设备选型

图3很好地阐述了仪控系统及其设备EMC性能的设计理念。

图3 电磁兼容性控制层示意图Fig.3 Schematic diagram of EMC control hierarchy

早期的电磁兼容措施集中于系统和外壳。屏蔽电缆连接到全金属外壳，门上装有垫片；进出外壳的信号线经滤波处理。虽然屏蔽和滤波仍然起重要作用，但对于绝大多数仪控设备，向圆心移动，已证明不但更有效而且花费更少。

有效性和可靠性是核心层(元件)的最高目标。如果集成电路可以设计成更小的发射量，同时产品中采用这些元件，将几乎不存在RFI干扰问题。反过来，如果芯片、印刷电路板(PCB)和子组件设计不当，那么防护措施只能是在外壳中加装屏蔽。一旦这个防护层出现破损，能量便可能散逸产生干扰源。

所以，圆心部分应是设备厂家努力的方向，也是核电厂进行产品选型的重要参考。选用具有更好抗干扰标准的元件、更好地设置方式等手段进行电磁兼容防控。这些方面的选择对设备和系统的最终EMC性能都至关重要。核电厂在进行仪控设备选型的时候，应重点关注。

5.2 编制EMC手册

编制EMC手册避免设计和安装失误是消除耦合路径的最关键一环。良好的设计和安装是系统和设备能够正常、稳定运行的重要保证。手册中应至少包含如下关键内容:

1) 绝缘要求；

2) 机柜内设备布置要求；

3) 设备的布置；

4) 电缆的布置；

5) 材料要求；

6) 屏蔽要求；

7) 接地要求；

8) 防雷击要求；

9) 防静电要求；

10) 强调每一个设备的寿期。

手册应通俗、易懂、直观，贴合核电厂的现场要求，方便使用。

5.3 程序的持续完善

对于现场的良好实践反馈，需要用程序来加以巩固和推广；对于现场的经验反馈，也需要使用程序来避免重发。例如：虽然截至目前暂无静电放电导致的EMI事件，但在机柜内的工作，维修人员佩戴防静电手环是必要的；此外，现场机柜柜门必须保持关闭，打开柜门的工作需要按程序的要求进行也是必要的。以上都需要程序进行管控。

核电厂仪控系统相关的维修和改进工作应对EMC的要求进行审查，通过丰富经验的工程师把关。可以通过程序将这一要求进行固化。

程序是多年经验的累积，也是前人实践经验的总结，程序在核电厂应对EMI事件的过程中起到提纲挈领的作用。

6 总结

上述核电厂预防EMI事件应对策略并不是孤立的，而是一个整体，互相之间有密切的联系。例如：良好的设备选型可以使系统具有良好的EMC性能并减少系统中的干扰源；良好的接地可以增强系统和设备的EMC性能；程序的完善可以对RFI干扰源进行防控；仪控系统防雷击的要求可以通过程序进行固化；同时程序的完善可以规避设计中的失误。所以，核电厂EMI事件的防控应是一个互相关联的有机体系，各种手段或方法互相促进，并不排斥；不可能通过几种互相独立的手段或方法来达到目标。

建议从核电厂建设初期设备选型和系统设计开始，通过相关程序和EMC手册对仪控系统和设备的EMC性能进行管控，以保证核电厂仪控系统的抗干扰能力。在核电厂运营阶段，同样通过相关程序和EMC手册对核电厂的维修、改进等相关工作进行管控，保证仪控系统EMC性能的延续和提升，有效避免EMI事件的产生。最后通过程序对核电厂仪控系统预防EMI的相关工作进行持续改进。

自有核反应堆以来，安全、经济、稳定运行是核电厂的首要目标，仪控系统作为核电厂的“神经”系统，在核电厂安全、经济、稳定运行的任务中扮演了重要角色，而EMC性能则是仪控系统“免疫力”的体现，具有强“免疫力”的仪控系统，是核电厂“神经”安全、经济、稳定工作的保证。

[1] 邱建文，孔海志，莫国钧. 核电厂电磁兼容挑战及应对策略[J]. 原子能科学技术，2009(2)：360-363.

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[5] EPRI. 核电站电磁干扰事件的评估诊断.2011.

Root Cause Analyses for the Electro-Magnetic Interference in NPP also the Whole Process Defenses Strategy

PANG Song-tao, XIONG Guo-hua, ZHOU Zhou

(China Nuclear Power Technology Research Institute，Shen Zheng，518124，P. R. China)

The statistics and classification of EMI event in nuclear power plant (NPP) were analyzed; the root cause and the solution of EMI event in NPP were also provided. The necessity of establishing the whole process defenses strategy for the EMI Event in NPP was described. And then, 3main problems were put forward from the perspective of the whole process defenses strategy for the EMC problem in NPP. The answer provided very important reference for the whole process defenses strategy for the EMI Event in NPP.

NPP(nuclear power plant)；EMI(Electro-Magnetic Interference)；Event analyses；Defenses

2016-12-21

庞松涛(1971—)，男，研究员级高级工程师，硕士，现从事核电厂仪控系统方面研究

TL362

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0258-0918(2017)01-0123-06