核电厂热电阻仪表的电磁兼容鉴定研究

杨 锴

(1.上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司,上海 200233；2.上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233；3.国家能源核电站仪表研(实验)中心,上海 200233)

0 引言

2018年，浙江三门AP1000世界首堆的并网发电，是第三代非能动的核电厂里程碑式的开始。国家重大战略之一的CAP1400示范工程项目也将正式开启。CAP1400示范工程要求95%国产化仪控设备。国产化仪表将被大量用于核电厂中，监测并确保核电厂的安全[1]。考虑到核电厂的特殊性，必须保证核电厂的可靠性与安全性。对于核电厂无源仪表，也需要进行部分电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)试验，以验证仪表的性能。

本文从原理、应用方式，以及EMC概念、意义等方面，对当下使用较多的无源仪表之一的热电阻仪表进行介绍，通过理论分析与实际试验验证，得出结论。该研究为以后核电厂验收无源仪表提供了参考。

1 热电阻仪表

1.1 热电阻仪表基本概念

热电阻仪表是一种常用的温度检测器，通常用在现场的中低温区域。热点组的测温原理实质，是通过金属导体的电阻值伴随着温度的上升而增加的特性进行测量。其重要的特点就在于测量的精度较高，性能较为稳定。

热电阻仪表大多数由纯金属的材质制作成型。当前应用较为广泛的就是铜和铂。由于铜和铂成本较高，目前也开始采用例如铑、锰和镍等替代材料制造热电阻。热电阻的温度测量数值本身无法直接被显示出来，需要将自身的电阻信号传递到二次仪表或者计算机控制装置上来显示。

铂电阻的精度高，多用于氧化性和中性介质，具有温度越高电阻变化率越小的非线性，稳定性比较好。而铜电阻则是在测温的范围内，电阻值和温度呈现线性的关系，超过150 ℃容易被氧化，适用于无腐蚀介质。

1.2 热电阻仪表现场应用的方式

热电阻仪表的实质是一次传感元器件，是将温度的变化转变为电阻值的变化。在工业生产的现场，热电阻被安装在与控制室距离较远处，需要使用较长的引线。因此，热电阻仪表的引线对最终的测量结果会有很大影响。

如今，主流的三种引线方式被用于热电阻仪表现场接线中。

①二线制：二线制就是将电源、负载串联在一起。这种接线的方式十分简便。但由于需要连接导线，一定会在其引线上产生电阻值R。R的大小与引线的长度和材质等因素相关。因此，二线制方式大多数适用于测量精度比较低的场合。

②三线制：通常在电源正端用一根线，信号输出正端用另一根线，而电源的负端和信号负端共用一根线。这种三线制的方式通常搭配电桥测量方法来使用，可以很好地消除导线上电阻的影响。该方法是在工业过程控制领域中较为常用的接线方法。

③四线制：在热电阻仪表的引出口的两端分别外接两根引线的接线方式。其中，两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。由此可见，四线制接线方式可以完全消除引线上的电阻影响，主要用于高精度温度测量。

热电阻在实际工作中需要与二次仪表相连接，所以在测量电阻时，必须借助外加电源，一般为0～12 V电压信号或者4～20 mA电流信号[2]。

2 热电阻仪表EMC抗扰度试验要求

2.1 EMC概念及无源设备测试意义

EMC与人们的生活息息相关。现代社会各种无线技术飞速发展，环境噪声不断提高，使EMC问题日益突出。

EMC性能是指设备、产品或者系统在其电磁环境中符合要求运行，并不对其所在的环境中的任何其他设备产生无法经受的电磁干扰的能力。EMC实际分为两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不可以高于其相关标准规定的限值；另一个方面是指设备、产品或者系统对于其所处在的工作环境中存在的电磁干扰，达到标准相关规定的抗扰度要求，即电磁敏感性[3]。

无源设备的检测，尤其是EMC抗扰度检测，主要通过两个途径验证设备的EMC性能。一个是空间上的；另一个是通过线缆或者线缆上的屏蔽层，然后对其施加干扰来查看设备是否仍然能够正常工作。无源设备最终的目的均是考验其EMC屏蔽的性能[4]。

为了验证设备是否具备合格的电磁兼容性能，并且可重复、可比较，各主要国家或地区都设立专门机构，制定EMC标准，规范测试方法、测试环境以及测试设备。

对于核电厂设备的测试，设备鉴定是证明核电厂安全重要设备或设施能在其预期的鉴定寿期内的任意时刻及时投运，并满足系统所需性能要求，且不存在共因故障机理的过程[5]。

2.2 无源设备的EMC抗扰度试验要求

无源设备是指本身无需外部供电，没有电源线的设备。所以在EMC测试中，涉及到电源线的检测项目均无需检测[6]。以核电厂热电阻仪表为例，无源设备虽然没有电源线，但与二次仪表相连接，并且大多数为金属外壳。因此，也需要验证其屏蔽性能[7]。

在大多数行业(特别是工业环境)中，例如火电厂、污水厂等，对于在现场的无源仪表，EMC抗扰度试验相对较少并且要求不高，一些厂家业主等也都没有EMC性能的概念。某火电厂EMC试验要求如表1所示。从表1中可以看到，只有三项试验，并且试验等级都适中，没有采用较严苛的等级。

表1 某火电厂EMC试验要求

对于EMC抗扰度试验来说，针对于工业环境的无源设备，特别是安全性要求极高的核电厂，应当尽量选取所有可以测试的项目，以验证其电磁兼容性能。IEC 61000-4系列抗扰度试验项目如表2所示。其中，列出了所有无源设备的IEC 61000-4系列的抗扰度试验项目。

表2 IEC 61000-4系列抗扰度试验项目

2.3 热电阻仪表的EMC等级确认与试验验证

考虑到核电厂将安全性和可靠性放在首位，所以针对应用于核电厂中的热电阻仪表，EMC抗扰度的试验等级应相对严苛。选取对应标准中的最高等级来进行检测。核电厂热电阻仪表抗扰度试验项目及测试等级如表3所示[8]。

表3 核电厂热电阻仪表抗扰度试验项目及测试等级

在实际检测过程中，所有热电阻仪表需要连接二次仪表。如果没有二次仪表，则需连接模拟源，以实时监测其阻值是否与当时的检测环境温度相匹配。

在检测中发现，有些厂家的热电阻仪表还是有部分问题产生。综合多次检测的结果，总结得出如下两点引起检测失败的原因[9]。

①在进行IEC 61000-4-2 静电放电抗扰度与IEC 61000-4-3电场辐射抗扰度试验时，某些厂家的热电阻仪表另一端的二次仪表显示温度会有突变。经过分析，在确认二次仪表监测部分不直接受到干扰的情况下，发现这些热电阻仪表外壳缝隙较大，或者接地不良好，甚至有些热电阻仪表未考虑接地，没有引出接地线接地。这使得干扰从缝隙进入仪表内部或者累积存留于壳体上，而未从大地导出，最终影响检测结果。

②在进行IEC 61000-4-4电快速瞬变脉冲群抗扰度互连线的试验时，发现某些厂家未使用双绞线或者屏蔽线的热电阻仪表在试验中监测显示也会有偏移或突变等现象。当换上质地良好的屏蔽线后，监测显示的温度值基本无变化。由此可以判断，良好的屏蔽线会阻碍干扰并直接导入大地。

综合上述理论分析与试验结果，可以针对核电厂热电阻仪表得出如下结论。首先，试验项目需要全覆盖，以确保可能引起干扰的EMC问题都被检测到。其次，考虑到核电厂的特殊性尤其是安全性，EMC的试验等级选取标准中推荐的最高等级。 最后，通过在部分试验中发现的问题和整改结果，阐明了核电厂热电阻仪表EMC鉴定的必要性。

3 结束语

目前，国内核电厂堆型多样化，国内针对核电厂仪控设备也未制定相应的EMC国家标准。在核电厂EMC设备鉴定中，无源仪表的EMC试验上不完善。本文经过理论研究与分析，选择了最具代表性的无源仪表之一的热电阻仪表，提出并验证了热电阻仪表的EMC性能和其检测必要性。核电厂的安全要求最为严苛，希望通过这样的理论与试验验证，为国家后续的核电厂设计验收等提供宝贵的经验。