王 冠，郭 弘，姜文華

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

在工業(yè)領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用微處理器的先進(jìn)模擬系統(tǒng)和高處理能力、高集成度的數(shù)字化系統(tǒng)正在逐步替代傳統(tǒng)模擬儀表和控制系統(tǒng)。如今數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)（Instrumentation and Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)I&C系統(tǒng)）也已逐漸被核電行業(yè)所采用。目前，數(shù)字化I&C系統(tǒng)已運(yùn)用于國(guó)內(nèi)外的核電廠中，在降低設(shè)計(jì)與建造成本、提高可靠性的同時(shí)，對(duì)處于核電廠電磁環(huán)境中的系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容性提出了更高的要求［1］。在此情況下，核電廠數(shù)字化I&C系統(tǒng)將更關(guān)注于系統(tǒng)設(shè)備抗干擾能力的設(shè)計(jì)。對(duì)于模擬系統(tǒng)而言，由于電子元器件集成度更高、電壓更低，其對(duì)核電廠電磁環(huán)境的敏感度也越來(lái)越高。因此，研究核電廠I&C系統(tǒng)的電磁兼容性顯得越來(lái)越重要。綜合利用上述分析、評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合通用性的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、類(lèi)似或參考核電廠的薄弱環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)結(jié)果等，加以工程判斷，找出核電廠的薄弱環(huán)節(jié)［2］。

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC）定義為系統(tǒng)或設(shè)備在電磁環(huán)境中既可以正常工作又不會(huì)對(duì)該環(huán)境中的其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。這就要求系統(tǒng)或設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，周?chē)h(huán)境中存在的電磁場(chǎng)不能超過(guò)一定的限值，系統(tǒng)或設(shè)備對(duì)周?chē)h(huán)境中存在的電磁騷擾應(yīng)具有一定的抗干擾能力。電磁兼容測(cè)試包括電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)EMI）測(cè)試和敏感度（Electromagnetic Sensitivity，簡(jiǎn)稱(chēng)EMS）測(cè)試，每種測(cè)試又可分為輻射測(cè)試和傳導(dǎo)測(cè)試［3-5］。

在核電廠工程設(shè)計(jì)時(shí)，很多I&C系統(tǒng)如果在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮電磁兼容性問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的停堆信號(hào)、誤報(bào)警以及在關(guān)鍵監(jiān)測(cè)和保護(hù)設(shè)備上產(chǎn)生強(qiáng)干擾等一系列問(wèn)題。這些問(wèn)題雖未表現(xiàn)出直接的安全風(fēng)險(xiǎn)，但卻會(huì)使核電廠的運(yùn)營(yíng)成本增加，影響生產(chǎn)計(jì)劃。

1 國(guó)內(nèi)外核電廠電磁干擾實(shí)例

法國(guó)核電廠曾發(fā)生過(guò)幾起由于廠內(nèi)使用移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備而引起的緊急停堆事件。由于電子儀表設(shè)備的屏蔽保護(hù)措施存在某些缺陷，當(dāng)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設(shè)備靠近電子儀表設(shè)備時(shí)，發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)這些儀表設(shè)備產(chǎn)生了干擾并導(dǎo)致事件的發(fā)生［6］。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核安全信息中心根據(jù)持照者事件報(bào)告對(duì)核電廠數(shù)字化I&C系統(tǒng)遭受的電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。在1980—1991年期間，8%的非計(jì)劃停堆和專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施的啟動(dòng)是由于數(shù)字化I&C系統(tǒng)受到電磁干擾的影響而造成的。該報(bào)告還顯示，在1990—1993年期間，19%的事件是由于數(shù)字化I&C系統(tǒng)遭雷擊而引起的，其中67%的事件導(dǎo)致了誤動(dòng)作或誤停堆［7］。

大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司儀表控制設(shè)備管理處的工作人員曾用不同的電磁干擾源對(duì)敏感儀表設(shè)備進(jìn)行了電磁影響測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：固定式電磁設(shè)備對(duì)周?chē)鶬&C系統(tǒng)的影響相對(duì)穩(wěn)定且影響范圍有限；廠內(nèi)呼機(jī)不會(huì)對(duì)周?chē)鶬&C系統(tǒng)產(chǎn)生不利的電磁影響；手機(jī)、對(duì)講機(jī)對(duì)不同的儀表控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁影響不同，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤。

2 核電廠的電磁干擾源及其傳播途徑

核電廠運(yùn)行環(huán)境中，有形、無(wú)形的電磁干擾源種類(lèi)眾多，它們的產(chǎn)生機(jī)制、干擾形式和影響方式存在很大不同。電磁干擾通過(guò)輻射或傳導(dǎo)疊加到電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和通信線(xiàn)上，輕則造成測(cè)量誤差，重則造成設(shè)備損壞［8］。

典型的核電廠電磁環(huán)境干擾源主要包括：手持式無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)、繼電器、SCR控制電路、電源線(xiàn)路和能量轉(zhuǎn)換裝置。受影響的設(shè)備主要包括低電壓模擬設(shè)備、電耦合裝置等。這些干擾通過(guò)電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)及線(xiàn)纜包層耦合進(jìn)系統(tǒng)，或者直接通過(guò)空間輻射對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生電磁影響。因此，必須經(jīng)過(guò)相應(yīng)的鑒定來(lái)證明其能夠適應(yīng)這樣的環(huán)境［9］。

3 核電廠對(duì)I&C系統(tǒng)的電磁兼容性要求

目前，國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家基于大量的研究和實(shí)踐，相繼提出了對(duì)核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的電磁兼容性要求，并制定了具體的評(píng)價(jià)和測(cè)試方法，以保證數(shù)字化核電廠的安全運(yùn)行。其中，美國(guó)核管理委員會(huì)（USNRC）于2000年1月發(fā)布了《安全相關(guān)I&C系統(tǒng)EMI/RFI評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（RG1.180-R）。2003年10月，USNRC又發(fā)布了管理導(dǎo)則RG1.180-R1。另外，國(guó)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還包括國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定的IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)、歐洲核電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RCC-E及其指定的EN50082、EN55024。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，IEC61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)是核電廠儀表控制系統(tǒng)經(jīng)常采用的敏感度測(cè)試基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)應(yīng)我國(guó)GB/T17626國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［10］。目前，我國(guó)核電廠儀表控制系統(tǒng)的電磁兼容測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)適用性研究等工作尚處于起步階段。

針對(duì)核電廠儀表控制系統(tǒng)的EMC測(cè)試對(duì)象主要有：電源、傳輸電纜、信號(hào)電纜、操作界面等。相對(duì)于EMI測(cè)試，核電廠儀表控制系統(tǒng)EMC測(cè)試更關(guān)心EMS測(cè)試，以此來(lái)測(cè)試設(shè)備、設(shè)施承受各種電磁騷擾的能力。因此，核電廠儀表控制系統(tǒng)EMC測(cè)試主要集中于EMS測(cè)試。

4 核電廠I&C系統(tǒng)的EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)核電廠電磁兼容性要求并無(wú)專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，但作為典型的工業(yè)控制設(shè)備，一般將其歸為輕工（Light Industry）類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品或信息設(shè)備（Information Technology Equipment，ITE），從而采用對(duì)應(yīng)的通用標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。本文參考的是GB/T17626系列標(biāo)準(zhǔn)，圖1就是核電廠I&C系統(tǒng)在EMC測(cè)試中常進(jìn)行的EMS測(cè)試，圖2是輻射敏感度測(cè)試布置圖，EMS的主要測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試設(shè)備如表1—表5所示［11］。

圖1 EMS測(cè)試內(nèi)容及其對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Test content and the corresponding standard of EMS

圖2 輻射敏感度測(cè)試布置圖Fig.2 Layout of radiation sensitivity test

表1 靜電放電抗擾度試驗(yàn)主要測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試設(shè)備Table 1 Main test programs and equipments of electrostatic discharge immunity test

表2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)主要測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試設(shè)備Table 2 Main test programs and equipments of electrical fast transient/burst immunity test

表3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)主要測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試設(shè)備Table 3 Main test programs and equipments of surge immunity test

表4 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試設(shè)備Table 4 Main test programs and equipments of immunity test to conducted disturbances，induced by radio-frequency fields

表5 電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)主要測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試設(shè)備Table 5 Main test programs and equipments of voltage dips，short interruptions and voltage variations immunity test

5 核電廠I&C系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)要求

雖然正常運(yùn)行工況下，核電廠廠內(nèi)電磁環(huán)境與其他類(lèi)型的電廠沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，但核電廠對(duì)I&C系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性有著更高的要求。因此，在進(jìn)行核電廠I&C系統(tǒng)EMC 設(shè)計(jì)時(shí)，需先充分考慮在I&C系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中的電磁騷擾源和干擾類(lèi)型，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)［12，13］。核電廠I&C系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)要對(duì)系統(tǒng)敏感設(shè)備（如系統(tǒng)電源、通訊模塊、傳輸電纜等）進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，提高其抗擾度［14］。另外，結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)中央控制室、現(xiàn)場(chǎng)操作間內(nèi)線(xiàn)路布設(shè)進(jìn)行合理可行的EMC設(shè)計(jì)，使核電廠處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

提高系統(tǒng)的電磁兼容性必須采用多種騷擾抑制措施，包括屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)、接地技術(shù)、隔離技術(shù)和平衡傳輸?shù)?，在騷擾傳播途徑中層層設(shè)防，才能達(dá)到預(yù)期效果。

6 建議

（1）在核電廠整個(gè)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)建立相應(yīng)機(jī)制，以監(jiān)管EMC的設(shè)計(jì)和測(cè)試，并檢查各功能團(tuán)隊(duì)（QC控制、I&C工程師、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、承包商等）的工作；

（2）保證核電廠設(shè)計(jì)時(shí)已使用的抗電磁干擾措施能正常發(fā)揮作用，如保證I&C系統(tǒng)接地良好、線(xiàn)纜屏蔽完整、敏感設(shè)備有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)距離等，這些在I&C系統(tǒng)設(shè)備維修和操作過(guò)程中更要予以特別關(guān)注；

（3）當(dāng)有新設(shè)備要安裝時(shí)，要記錄安裝位置的電磁輻射騷擾及其傳導(dǎo)騷擾水平，包括交流電源線(xiàn)穩(wěn)態(tài)噪聲特性和瞬態(tài)噪聲特性，采取措施減小設(shè)備干擾強(qiáng)度，并注意保持產(chǎn)生干擾的設(shè)備與敏感設(shè)備之間的安裝距離；

（4）建立所需的EMC測(cè)量體系、方法及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，包括器件測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試，并模擬工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行性能驗(yàn)證，以保證I&C系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容性技術(shù)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)核電技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多采用先進(jìn)技術(shù)的核電廠投入運(yùn)行，集成化、數(shù)字化和智能化是今后技術(shù)發(fā)展的方向，保障這些高技術(shù)水平的I&C系統(tǒng)在核電廠內(nèi)的環(huán)境條件下安全運(yùn)行就成了關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因此，本文參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)核電廠I&C系統(tǒng)電磁兼容性要求及測(cè)試方法展開(kāi)討論，希望有助于我國(guó)核電界在此領(lǐng)域的研究和探索。

面對(duì)我國(guó)的核電發(fā)展速度，核安全監(jiān)督管理工作將面臨巨大的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇，為使我國(guó)核電事業(yè)在保障核安全的前提下健康發(fā)展，必須不斷吸收國(guó)內(nèi)外有益的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，完善相關(guān)測(cè)試體系，以保障核電廠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行［15］。

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