浅析核电厂后备盘应对电磁兼容要求的设计策略

李 颖，刘 娜，宿俊海，高 媛

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840； 2.中核控制系统工程有限公司，北京 100176）

0 引言

核电是电力行业绿色发展的一种有效手段，核电的安全性、可靠性一直是人们关注的重点。近年来，随着微电子技术的不断发展和大规模集成电路的广泛使用，具有高处理能力、高集成度的数字化仪控系统也逐渐被核电行业所采用。与此同时，仪控系统设备的抗电磁干扰能力也引起了普遍关注。其中，美国电力研究院持照者事件报告对核电厂数字化仪控系统遭受的电磁干扰问题进行了统计，在1980～1991年期间，8%的非计划停堆和专设安全设施（ESF）的启动是由于仪控系统受EMI的作用造成的。在这期间，EMI被认为是引起这些事件频率最高的环境因素。在1990～1993年间，19%的事件是由于数字化仪控系统设备遭雷击引起的，而这些事件中的67%均导致了误跳堆和误动作[1]。因此，世界各国及相关国际组织针对核电厂仪控设备的电磁兼容问题进行了研究，其中美国核管理委员会（NRC）发布的RG1.180安全相关I&C系统EMI/RFI评价导则被广泛采用。

主控室后备盘是数字化运行的后备手段，当数字化系统不可用时，后备盘根据当前机组的运行状态维持机组运行一段时间或配合适当的就地操作停闭反应堆。因此，后备盘的抗电磁干扰能力尤为重要。

1 电磁干扰的种类及电磁兼容要求

1.1 电磁干扰种类

雷电、设备附近的大功率装置以及同一回路中工作的电机、开关电源等都会以不同形式对设备造成电磁干扰。从传播途径来看，电磁干扰包括传导干扰和辐射干扰，传导干扰是指通过导电介质（如电源线、信号线）把干扰信号从一个链路耦合到另一个链路上，这种干扰大部分是由于电源品质或电子设备工作时连续性或间歇性电压电流变化引起的；辐射干扰，即通常所说的空间干扰，是干扰源以空间电磁波的形式把干扰信号耦合到另一个电网络上。从形式上来看，电磁干扰包括共模干扰和差模干扰，共模干扰是载流导体与大地之间的干扰，即相（包括电源线和信号线）对地之间的干扰，对于三相电路来说，共模干扰是指每一相与大地之间的干扰；差模干扰是载流导体之间的干扰，即相-相间之间，以及相线和中线之间的干扰[2]。

1.2 电磁兼容要求

后备盘在安装位置存在高电子噪声（120dB）、射频干扰和振动的环境下连续运行，而盘装设备不产生性能退化。后备盘的设计应考虑抵御典型的工业环境中可能出现的电磁干扰。后备盘的设计应根据具体情况采用适当的抗噪声技术包括光学隔离，高共模抑制比，适当地接地和屏蔽、使用低电压部件、进行实体分隔及电气隔离、屏蔽敏感部件或干扰源等。后备盘设计应使其对核电厂的环境或人员不造成任何不良影响。

后备盘需满足RG1.180中关于典型工业环境和中等暴露水平下的电磁兼容要求。设备在测试时，不应该表现出任何故障或超出指定的运行容许值的性能退化。

2 后备盘应对电磁兼容要求的设计策略

为保证后备盘能够满足核电厂电磁干扰环境中的要求，应对后备盘的设计（包括盘体结构设计和仪表设计）进行改进，使其能够从设计上尽量满足电磁兼容的要求；另一方面，应按照RG1.180的要求对后备盘进行电磁兼容试验，通过试验验证后备盘可以满足电磁兼容的要求，如在试验中发现其要求无法满足时，则应对其设计进一步优化，直至可以达到电磁兼容的要求。

2.1 后备盘设计改进

通常，电磁屏蔽、滤波和接地是防御电磁兼容的有效手段。电磁屏蔽的作用是从传播途径上切断电磁波，从而消除电磁干扰；滤波是通过滤波器防止外部的干扰以传导形式耦合到设备中，进而对设备进行干扰，同时也尽量降低设备对外的干扰；接地是保证一个系统内不同点的参考地之间的电势差尽可能小，从而保证设备的正常工作，并提高设备的抗电磁干扰能力。

因此，后备盘的设计改进（包括盘体结构设计和仪表设计）也主要从电磁屏蔽、滤波、接地等方面进行。

1）盘体结构设计

后备盘盘体结构本身为金属结构，可以屏蔽掉绝大部分电磁干扰，但是前、后门与盘体之间的缝隙以及前、后门的通风散热孔由于缝隙的存在都会受到电磁干扰。因此，需要对上述位置进行电磁屏蔽处理，具体改进方法为：

◆ 前/后门与盘体之间的缝隙可以增加电磁屏蔽条，用以减少电磁干扰的影响。

◆ 前/后门的通风散热孔处增加电磁屏蔽网，用以减少电磁干扰的影响，但需综合考虑通风散热的需求。

◆ 对于盘体的接地设计，应尽量增大接地铜排和接地导线的面积，其中接地铜排设计贯通整个盘体。

2）仪表设计

这里的仪表设计主要针对含电子元器件的仪表，如数显表，可以采用电磁屏蔽来屏蔽掉空间电磁干扰，以及采用滤波方法来滤掉部分传导干扰，具体改进方法为：

◆ 仪表的外壳使用金属外壳或外壳的内表面镀金属屏蔽层，用以屏蔽电磁干扰的影响。

◆ 仪表信号端口处可以增加电磁屏蔽环，用以滤掉信号线上耦合的电磁干扰。

3）电气设计

由于后备盘内包含强电供电回路，因而可以在电气回路中增加滤波器来滤掉电源线中的传导干扰，以减少由于电源品质造成的电磁干扰。

2.2 电磁兼容试验

对于后备盘整体应进行电磁兼容试验，以保证后备盘可以满足电磁兼容的要求。RG1.180作为评估仪控系统的EMI/RFI发射及抗扰度能力的指导文件，对EMI和RFI的发射及抗扰度试验遵循的标准和试验等级提出了指导性建议。所以，盘台电磁兼容试验的EMI/RFI的发射及抗扰度试验部分按照RG1.180要求进行。静电放电是设备能够承受接触放电和空气放电的一个重要指标，虽然RG1.180中没有提供静电放电试验的指导，但也应按照相关标准对盘台进行静电放电试验。RG1.180中同时提供了MIL-STD-461E军用标准和IEC 61000系列的工业标准。通常，核电采用IEC 61000系列标准，具体测试项目分为4类，发射类试验、抗扰度类试验、电源浪涌试验以及静电放电试验[3]。

◆ 发射试验：该类试验是指设备对外造成的电磁干扰。通常情况下，要求设备对外的电磁干扰应在一定的限值内，以免对其他设备造成影响。

◆ 抗扰度试验：该类试验是指外界对设备造成的电磁干扰。通常情况下，要求设备能够承受一定限值内的外界电磁干扰，以保证设备的稳定性。

◆ 电源浪涌试验：该类试验是指在电源品质较差的情况下，设备能够承受该影响，并保证设备的稳定性。

◆ 静电放电试验：该类试验是指设备能够承受由操作人员造成的接触放电以及在干燥环境条件下的空气放电，包括接触放电和空气放电等。

具体试验项如表1所示。

3 结论

本文介绍了电磁干扰种类，以及核电厂后备盘对电磁干扰的要求，在此基础上后备盘应对电磁兼容要求的设计策略进行介绍，从电磁屏蔽、滤波和接地等方面着手，对盘体结构设计和仪表设计上进行改进，最后再通过电磁兼容试验进行确认，用以证明后备盘的设计可以满足核电厂电磁干扰的要求。

表1 电磁兼容试验项Table 1 Electromagnetic compatibility test items