核电站数字化仪表控制系统的电磁兼容性验证与应用设计

核电站数字化仪表控制系统的电磁兼容性验证与应用设计

安未

辽宁红沿河核电有限公司辽宁116319

摘要：数字化仪控系统在核电厂的应用，可以使核电厂工作人员能够对当前核电厂运行状态进行有效监控，并判断核电厂工作状态。随着科学技术的发展，计算机应用技术已经深深植根于人们智能化操作系统理念之中，利用数字化仪表可以实时监控的优势，对核电厂模拟电子线路以及功率变量进行准确判断，有效帮助核电厂工作人员对核电厂工作效率，以及安全性能及时掌握，从而达到核电厂控制系统的有效控制。

关键词：核电站；数字化仪表控制系统；电磁兼容验证；应用设计

1数字化仪表控制系统EMC性能的验证

EMC试验主要分为发射（EMI）测试和抗扰度（EMS）试验两部分，每一部分又分为传导型和辐射型两类。针对核电站仪表控制系统的EMC试验，其对象包括AC/DC电源、现场输入输出信号电缆、系统通讯电缆、操作界面、操作键盘等。仪表控制系统EMC特性主要是表征系统对干扰的抵抗能力，因此，相对于发射测试而言，人们更关心抗扰度试验的结果。仪表控制系统EMC特性验证的主要方法是EMS试验。

1.1数字化仪表控制系统的EMS试验

EMS试验就是对在核电环境中的被测系统施加可能存在的各类典型干扰信号之后，观察被测系统是否能够正常工作。以电源线浪涌试验为例，说明试验的原理和配置方法。通过耦合/去耦网络，将浪涌发生器产生的干扰脉冲叠加到电源线上去，再接入被测系统，评定其性能。EMS试验的项目应涵盖核电场合中的各种典型干扰形态。主要包括：①电快速瞬变脉冲群：这种干扰频谱分布宽，可能会干扰仪表控制系统的正常工作，但能量较低，通常不会造成损坏。②浪涌：浪涌脉冲的上升速度较快，能量很大，可能对仪表控制系统造成不可恢复的损坏。③静电放电：分为接触放电和空气放电两种方式，又有人体放电和机械放电两种模型。它对仪表控制系统的危害也较为普遍，而且往往被忽视。④振荡波：包括振铃波和阻尼振荡波两种基本形态。其能量小于浪涌瞬态，但电压极性变化频率高，仍可能对系统造成干扰。⑤空间场干扰：主要有工频磁场、脉冲磁场、低频电场和射频电磁场几种形态。⑥电源电压变化：干扰的形态可能为电源电压的短时间跌落或中断，也可能为电压在正常范围内快速跳变，还有可能是在正常电压上叠加的谐波。

1.2EMS试验结果的判别

可将设备在试验期间的表现分为4个等级：①在技术范围内测试性能正常，无影响；②功能或性能暂时降低或丧失，但能够自动恢复；③功能或性能暂时降低或丧失，需要操作者干预或系统复位；④因设备或软件损坏或数据丢失造成不能恢复的功能降低或丧失。①应判为合格；②和③合格与否，需根据系统在不同的应用场合下对安全性的不同要求而定。对核电站内用于安全相关设备管理、关键变量控制、紧急逻辑连锁等高安全性要求的系统，应判为不合格；④应判为不合格。

2核电站数字化仪表控制系统的EMC设计

虽然在正常工况下核电站的电磁环境与其他类型电站没有显著区别，但是核电站对仪表控制系统的可靠性和抗干扰性能有更高的要求。在对核电站仪表控制系统进行EMC设计时，需要先充分分析现场的干扰来源和类型，再对控制系统进行有针对性的防护能力的优化设计；同时结合现场，进行工程应用电磁环境的设计，使系统处于最佳的运行状态。设计的重点，一是对系统各组件进行强化的设计，提高其抗扰度；二是进行EMC电特性与量化性能评估。下面以ECS-100系统为例，从两方面进行优化设计，以提高仪控系统的整体电磁兼容性。

2.1数字化仪表控制系统的EMS性能设计

要重点对系统电源、通讯网络、输入输出（I/O）模块、CPU模块等连接现场或穿越非电磁控制区的组件进行抗干扰的强化设计，提高系统防护能力。

2.1.1系统电源采用高可靠性的工业级电源

和冗余配置；单电源工作功率负荷<50％；EMS抗扰度达到EMC三级，能够隔离工业电网中的浪涌、群脉冲和振荡波，并对电压暂降和短时中断有良好的抑制能力；同时必须符合IEC61000-3-2标准，降低电源自身发射的干扰。

2.1.2通讯网络采用分布式控制系统的信息高速公路，但也是系统的一个干扰引入源。核电仪表控制系统网络的设计从传统的冗余网络升级优化为多路径容错热冗余双重网络，某一网络节点或网段发生故障或者受电磁干扰不会导致通讯中断，冗余切换过程不会造成数据丢失或出错，不同网段之间具有良好的电气隔离性能，切断了干扰的传播路径。采用光纤作为传输介质。

2.1.3系统模块包括CPU模块和I/O模块。CPU模块向下通过冗余高速串行通讯总线连接I/O模块，向上通过工业以太网与操作计算机通讯；通讯通道都采用电气隔离、多CPU容错设计和系统自诊断功能防止电磁干扰导致误触发，保证控制安全性。I/O模块采用点点隔离和多重滤波的设计方案。同时，硬件滤波和软件滤波的综合使用，使信号采集和控制输出在工业三级程度的干扰下仍可保持准确。

2.1.4机械结构选用硅钢或镍钢材料制作机柜、机架、模块面板和操作面板。金属机架、面板实现一体化等电位设计，机柜内各个部件连接电阻小于1?，并接构成一个金属屏蔽体。全系统等电位连接并接地，接地电阻小于4?，机架、机柜构成了多层屏蔽效应，有效隔离和有效释放空间干扰辐射。

在强化各组件抗扰度的同时，还要按标准严格控制各组件的干扰发射强度，以实现良好的系统自兼容性能。经过上述优化设计之后，还需对系统做单元部件测试和整体测试，并结合模拟现场进行性能验证，以保证系统总体严格达到EMC三级技术指标。

2.2仪表控制系统的电磁环境工程设计

结合应用环境，对现场控制间、中央监控室、线路布设进行合理的电磁环境设计，使得系统处于最佳的运行状况下。接地是电磁环境整改的关键，是系统抗电磁干扰的基本要素，也是工程设计首要环节。在布设接地线时，根据核电行业的规范，仪表控制系统应遵守单点接地的原则，接地联结采用分类汇总、最终与总接地板联结的方式，即树状接地结构。

净化交流供电电源。系统大部分干扰从电源引入，如浪涌、电压跌落等。规范布线。对于通讯、I/O等低电压信号电缆要远离供电、动力等强电电缆，而且必须距离雷击引下线2m以上。弱电信号建议使用屏蔽线缆。防尘：灰尘容易造成绝缘性能下降甚至短路。空气净化：烟雾或者受潮都会腐蚀电子线路板、元器件及接插件。

恒温：避免出现高温、低温，以及温度骤变。恒湿：湿度宜控制在40%~60%之间，既考虑防静电，同时必须防止结露而腐蚀器件。控制室和操作室的静电防护，可参考“通信机房静电防护通则标准”进行设计和安装，并建立完善的静电防护和环境控制规章制度和操作准则。操作工程师在安装和维修仪表控制控制系统的过程中必须穿防静电工作服，进行系统操作时必须佩戴接地的防静电护腕；严禁在控制室和操作室内使用射频电磁信号发射设备，如：无线通讯器、电焊机、荧光灯、晶闸管整流器等。

3结束语

核电应用的数字化仪表控制系统EMC特性设计改进是一项系统工程。本文的研究表明，首先必须从系统本身进行设计优化和验证，增强系统防护能力和容错性，提高系统电磁抗扰度和系统整体可靠性、稳定性；同时必须规范工程设计和环境整改，并加强日常的养护，保证系统在良好环境条件下处于健康、稳定运行状态须，保障核电站被控装置连续、安全、稳定生产。

参考文献

[1]EJ/T1065-1998，核电厂仪表和控制设备的接地和屏蔽设计准则[S].

[2]YD/T754-95.通信机房静电防护通则[S].