陳英杰，楊鐵成，胡仕雄，顏少華，張鴻泉(.中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 584；.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 584)

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核電站焊接電磁干擾及防控措施研究

陳英杰1，楊鐵成2，胡仕雄2，顏少華1，張鴻泉1
(1.中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124；2.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124)

〔摘 要〕通過對核電站3種最典型焊接活動電磁干擾情況的研究及模擬測試，分析了焊接電磁干擾場的分布規(guī)律，明確了控制焊接電磁干擾強度的參考標準值，制定了降低焊接電磁干擾對敏感電儀設備影響的相關措施，并通過實踐進一步證實了措施的可靠性。

〔關鍵詞〕核電站；焊接；電磁干擾；模擬測試

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，法國電力公司(EDF)數(shù)個核電站曾發(fā)生因為使用鎢極惰性氣體保護焊(TIG)造成跳機跳堆的案例；美國等其他國家核電站也有一些因焊接活動造成不良后果的案例。而在大亞灣核電站及嶺澳核電站，雖未出現(xiàn)上述較嚴重后果，但焊接電磁干擾導致機組瞬態(tài)的情況也曾發(fā)生過數(shù)例。這是因為焊接活動中產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)對敏感的電氣、儀表設備產(chǎn)生了信號干擾，從而造成或可能造成跳機跳堆。

核電站因焊接電磁干擾導致較大后果的案例雖然不多，但一旦發(fā)生將可能導致跳機跳堆，不利于核電站的安全、穩(wěn)定運行。因此，有必要對其焊接電磁干擾問題進行研究。

1 核電站焊接電磁干擾情況分析

1.1 核電站焊接電磁干擾典型案例

2007-05-14，法國某核電站因TIG焊接活動造成的電磁干擾引發(fā)發(fā)電機勵磁及電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)失靈，跳汽機。2006-11-04，法國另一個核電站也發(fā)生過由于TIG焊接活動而造成的電磁干擾影響到主蒸汽系統(tǒng)傳感器，造成安全注射系統(tǒng)啟動，跳堆。1985年8月，韓國某核電站大修后，多次發(fā)生隨機掉棒事件；記錄顯示有相位干擾，擾動原因是電壓出現(xiàn)錯誤信號，使控制棒驅(qū)動機構的磁力線圈電流受到影響；后來發(fā)現(xiàn)是焊接活動影響了頻率范圍。

由此可見，焊接活動可通過對核電站在運系統(tǒng)的敏感儀表控制設備造成電磁干擾，產(chǎn)生錯誤控制信號，從而造成嚴重后果。

1.2 焊接電磁干擾

電磁干擾指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降，根據(jù)傳播途徑的不同又可分為輻射干擾和傳導干擾。下面著重研究電磁輻射對核電站敏感設備的干擾。

以TIG氬弧焊為例，當采用高頻振蕩器引弧時，振蕩器要產(chǎn)生強烈的高頻振蕩，一部分能量擊穿鎢極與工件之間的空氣隙，引燃電??；還有一部分能量以電磁波的形式向空間輻射，形成高頻電磁場，對周邊設備產(chǎn)生輻射型電磁干擾。低于30 MHz的電磁騷擾主要以傳導形式返回焊接電源，而高于30 MHz的電磁騷擾則大多數(shù)沿著電源線或通過機箱表面向外輻射。目前逆變焊機多采用硬開關方式，作為一種高頻開關電源，在功率元件開關過程中不可避免地會產(chǎn)生電磁騷擾。由于焊接電弧是一種廣譜的電磁發(fā)射，目前還沒有一個統(tǒng)一的測量標準，其電磁干擾場分布及相應的防控措施也不明確。

1.3 核電站典型焊接活動

在役核電站因維修需要，必定涉及焊接活動。典型的焊接方法有TIG、手工電弧焊(SMAW，簡稱手弧焊)；另外對于設備密封面小缺陷的維修，往往還采用微弧火花焊接修復方法(簡稱微弧焊)。

為確保不因焊接電磁干擾而產(chǎn)生跳機跳堆、降功率事件，并制訂預防焊接電磁干擾的預防措施，需對上述3種焊接方法產(chǎn)生的電磁干擾進行研究。

圖1　測試示意

2 焊接電磁干擾模擬測試

2.1 模擬測試方法

電磁輻射分為電離輻射及非電離輻射。而焊接產(chǎn)生的電磁干擾是一種高頻非電離輻射，其頻率超過100 kHz。

第1階段測試：2008年使用DM91(個人劑量儀)模擬測試氬弧焊焊接過程中的電磁干擾，雖沒有其干擾強度的具體值，但其測試的部分結(jié)論和法國EDF的反饋相似，因此其測試結(jié)果可供參考。

第2階段測試：2009年，采用DM91對氬弧焊焊接電磁干擾進行模擬測試，同時增加微弧焊、手弧焊焊接工藝；另外在進行模擬測試時，分別采用電能表、壓力變送器代表核電站儀表和電器設備受焊接電磁干擾影響情況，并進行相應的影響評估。

2.2 模擬測試過程

模擬測試試驗也分為2個階段，第1階段測試氬弧焊產(chǎn)生的電磁干擾場分布及屏蔽情況；第2階段測試各種焊接方法對電儀設備的電磁干擾情況。

第2階段試驗針對氬弧焊進行。根據(jù)分析，焊接過程中有3個部分能產(chǎn)生電磁輻射：電焊機、焊接電纜、焊接電弧。因此該階段試驗主要從這3個部分著手，確定最強電磁輻射位置，然后在DM91和最強電磁輻射點之間放入一些屏蔽材料，測試屏蔽效果。

第2階段試驗對于每一種焊接方法，分別采用DM91、電能表、壓力變送器作為電磁干擾接收器，在焊接過程中分別將其布置在電焊機、焊接電纜、焊接電弧附近，記錄并分析其接收到的干擾信號。測試示意如圖1所示。

測試焊接電磁干擾對DM91的影響時，測試過程為：

(1) 將地線和焊把線平行布置，在地線和焊把線正中間放置1臺DM91，在地線和焊把線外一定距離處分別放置1臺DM91；

(2) 在電焊機后側(cè)和左右側(cè)約100 mm處各放置1臺DM91；

(3) 在離焊接工件800 mm處放置1臺DM91；

(4) 在焊接過程中分別將上述DM91向目標移近，觀察記錄儀表示值的變化。

而測試焊接電磁干擾對電能表和壓力變送器的影響時，則將電能表放置在屏蔽盒內(nèi)并將其信號引至接收儀(與現(xiàn)場一致)，接收儀上電流表、電壓表的示值變化即反應了電能表接收到的干擾信號強度。而壓力變送器則通過信號線與記錄儀相連，壓力變送器及信號線若受到電磁干擾信號的影響，在記錄儀上會有擾動顯示。測試過程為：

(1) 將地線和焊把線平行布置，中間留有一定的距離，分別將電能表和壓力變送器放置在焊把線一側(cè)，并離焊把線有一定距離，在持續(xù)焊接過程中觀察儀器示值的變化情況；

(2) 將電能表和壓力變送器放置在地線和焊把線中間，起弧數(shù)次并進行持續(xù)焊接工作，記錄儀表示值的變化情況；

(3) 將地線和焊把線分別卷成一定直徑的線圈套在電能表和壓力變送器的外殼上，起弧數(shù)次并進行持續(xù)焊接工作，記錄儀表示值的變化情況。

3 測試結(jié)果

3.1 氬弧焊電磁輻射模擬測試情況

3．1．1 焊接電弧處產(chǎn)生電磁輻射測試

將4臺DM91分別放置在離焊接工件約0 m，1 m，2 m，3 m的位置，在焊接過程中反復起停電弧，并觀察在啟動焊機電源瞬間、焊接引弧瞬間、焊接過程中、熄弧瞬間、切斷焊機電源瞬間DM91接收的電磁干擾信號情況，統(tǒng)計一定時間內(nèi)各DM91劑量的增加情況(焊接電流為75 A)。

根據(jù)試驗結(jié)果可知，即使將DM91緊貼焊接工件，累計7 min內(nèi)，DM91也不會產(chǎn)生新增劑量。由此可知，焊接時焊接電弧(即焊接工件)處不會產(chǎn)生對DM91有影響的電磁輻射。

3．1．2 電焊機周圍產(chǎn)生電磁輻射測試

(1) 如圖1所示，分別將DM91置于電焊機右側(cè)(焊接電流為93 A)和左側(cè)(焊接電流為130 A)；其試驗結(jié)果表明電焊機其他各個方位產(chǎn)生的電磁輻射對DM91無影響；即使電焊機左側(cè)貼近DM91，產(chǎn)生的影響也較小。

(2) 其他試驗。采用130 A焊接電流繼續(xù)進行其他試驗，結(jié)果為：

① 在電焊機左、后側(cè)(含電焊機電源電纜)放置DM91，從60 cm外往電焊機方向移動DM91，直至接觸，未出現(xiàn)報警；

② 在電焊機前側(cè)放置DM91(DM91在2焊接電纜之間)，從60 cm外向電焊機方向移動，未出現(xiàn)報警；

③ 在電焊機前側(cè)放置DM91，但將焊接電纜放置在電焊機左側(cè)，使其避開DM91，將DM91從60 cm外往電焊機方向移動，直至10 cm開始出現(xiàn)報警(分析應為焊接電纜產(chǎn)生的電磁輻射造成)；

④ 將DM91直接放置在電焊機上部，未出現(xiàn)報警。

3．1．3 焊接電纜產(chǎn)生電磁輻射測試

根據(jù)焊接電纜產(chǎn)生的電磁輻射結(jié)果可知(焊接電流130 A)，焊接電纜產(chǎn)生的電磁輻射對DM91的影響較大，但距離焊接電纜超過25 cm以上時，沒有影響；將2根焊接電纜綁扎在一起時，產(chǎn)生的電磁輻射對DM91基本無影響，根據(jù)相關分析可知正負極電纜產(chǎn)生的電磁輻射相互制約、抵消。

3．1．4 屏蔽測試

(1) 屏蔽板測試。屏蔽的目的是使已產(chǎn)生的電磁干擾不向外部輻射。屏蔽技術可分為對發(fā)出電磁波部位的屏蔽和易受電磁波影響的元器件的屏蔽。試驗中焊接電流130 A，按圖2所示放置DM91及屏蔽板，每次試驗時間5 min。

根據(jù)試驗結(jié)果可知，使用屏蔽板將DM91與電纜線隔開，屏蔽效果不大；但若將屏蔽設備置成籠型(兩側(cè)板頂部靠緊)，使DM91處于籠型屏蔽罩內(nèi)，則可免受電磁輻射影響。

(2) 其他屏蔽試驗。分別在將焊接電纜放入屏蔽鋼管內(nèi)、將DM91放入屏蔽罩內(nèi)等多種情況下，測試其電磁輻射強度(焊接電流130 A)。

圖2　屏蔽測試示意

根據(jù)試驗結(jié)果可知，對發(fā)射電磁輻射的焊接電纜采用各種屏蔽手段基本無效果；但對接受電磁輻射的DM91采用屏蔽罩，效果顯著，可消除電磁輻射對DM91的影響。

3.2 氬弧焊對測量儀表的影響

3．2．1 氬弧焊對電能表的影響

將電能表放置在屏蔽盒中(電站現(xiàn)場也是這種結(jié)構)，并將其信號引至接收儀。接收儀上電流表、電壓表的示值變化即反映了電能表接收到的電磁干擾信號。測試結(jié)果如下。

(1) 將地線和焊把線平行布置，中間間距約100 mm，將電能表放在焊把線一側(cè)，距離300 mm。在持續(xù)進行焊接過程中，記錄儀示值無變化。

(2) 將電能表放置在地線和焊把線中間，起弧數(shù)次并持續(xù)進行焊接工作，記錄儀示值無變化。

(3) 將地線和焊把線分別卷成直徑約350 mm的線圈套在電能表外殼上，起弧數(shù)次并持續(xù)進行焊接工作，記錄儀示值無變化。

(4) 將地線和焊把線一起卷成直徑約400 mm的線圈套在電能表外殼上，起弧數(shù)次并持續(xù)進行焊接工作，記錄儀示值無變化。

上述結(jié)果表明：氬弧焊產(chǎn)生的電磁干擾對電能表無影響。

3．2．2 氬弧焊對壓力變送器的影響

將壓力變送器通過信號線與記錄儀相連，變送器及信號線若受到電磁干擾信號影響，在記錄儀上會有擾動顯示，測試結(jié)果如下。

(1) 將地線和焊把線平行布置，中間間距約100 mm，將壓力變送器放置在地線側(cè)，距離地線約200 mm和放置在地線和焊把線中間，當起弧數(shù)次并持續(xù)進行焊接工作時，記錄儀輸出平穩(wěn)，無任何擾動。

(2) 將地線和焊把線分別卷成直徑約150 mm的線圈套在變送器外殼上，當起弧數(shù)次并持續(xù)進行焊接工作時，記錄儀輸出平穩(wěn)，無任何擾動。

(3) 將壓力變送器的信號線分別移至焊接電纜中間、焊接電纜線圈套內(nèi)及焊接工件處，反復起停弧5次，并持續(xù)進行焊接，記錄儀輸出平穩(wěn)，無任何擾動。

上述結(jié)果表明：氬弧焊產(chǎn)生的電磁干擾對壓力變送器及其信號線無影響。

3.3 手弧焊和微弧焊對測試設備的影響

(1) 手弧焊焊接電磁干擾的測試方法與氬弧焊基本一致，結(jié)果也基本一致。區(qū)別在于將地線和焊把線平行布置時，當2條線間的間距為200 mm時，中間布置的DM91很快發(fā)生聲響報警，其劑量迅速增加，在數(shù)秒內(nèi)即達到閾值。說明在進行手弧焊時，在地線和焊把線間產(chǎn)生的電磁輻射較氬弧焊大。

手弧焊在焊接電纜兩側(cè)及電焊機、工件附近的電磁干擾情況與氬弧焊一致；而且手弧焊對電能表及壓力變送器的影響也與氬弧焊一致，未產(chǎn)生擾動信號。

(2) 根據(jù)電站實際情況，對控制區(qū)內(nèi)的微弧焊進行測試。先使用DM91對微弧焊產(chǎn)生的電磁干擾情況進行測試，如果DM91接收到的信號弱于氬弧焊時產(chǎn)生的信號，則說明微弧焊對電儀設備的影響比氬弧焊更小，可不再使用電能表、壓力變送器進行測試；否則需使用電能表、壓力變送器進行測試。

① 調(diào)節(jié)電焊機在以下正常工作情況：頻率57 Hz，電壓42 V，功率正常；頻率250 Hz， 電壓86 V，功率正常。

② 當調(diào)節(jié)電焊機在“頻率2 000 Hz，電壓86 V，功率正?！毕聹y試時，其結(jié)果與上述電焊機正常工作情況下的一致，在貼近焊把線和將焊把線盤圈時，10臺DM91中的2臺閃紅光，但讀數(shù)未發(fā)生變化，也沒有聲響報警出現(xiàn)。

③ 當調(diào)節(jié)電焊機在非正常工作情況“頻率500 Hz，電壓108 V，功率100 %”下測試時，其結(jié)果與上述一致。在貼近焊把線和將焊把線盤圈時，10臺DM91閃紅光，但讀數(shù)未發(fā)生變化，也沒有聲響報警出現(xiàn)。

上述測試結(jié)果說明微弧焊電磁干擾對DM91的影響比氬弧焊要弱很多，因此沒有必要用電能表、壓力變送器進一步測試其電磁干擾情況。

4 結(jié)果與分析

4.1 3種焊接方法對DM91的影響及評估

現(xiàn)場常用的3種焊接方法(氬弧焊、手弧焊、微弧焊)對DM91的影響如下。

(1) 焊接電弧(即焊接工件處)不會產(chǎn)生對DM91有影響的電磁干擾。

(2) 電焊機除后側(cè)產(chǎn)生對DM91有微小影響的電磁干擾外，其他各方位不會產(chǎn)生對DM91有影響的電磁干擾。

(3) 焊接電纜產(chǎn)生的電磁干擾對DM91的影響較大。當2焊接電纜(地線和焊把線)平行布置時，在其中間會產(chǎn)生對DM91影響較大的電磁干擾；而在2焊接電纜外側(cè)，當DM91距離焊接電纜5 cm以內(nèi)時，會接收到焊接電纜的電磁干擾信號，但當DM91距離焊接電纜超過10 cm以上時，不會有影響；將2焊接電纜綁扎在一起時，產(chǎn)生的電磁干擾對DM91基本無影響；對發(fā)出電磁輻射的焊接電纜等設備采用各種屏蔽手段基本無效果；但對接受電磁輻射的DM91采用屏蔽罩，效果顯著，可以消除電磁輻射對DM91的影響。

從試驗中可以看出，氬弧焊、手弧焊只有用于焊接電纜時對DM91有較大干擾，而微弧焊對DM91造成的干擾非常小。因此，它們產(chǎn)生的干擾強度為：手弧焊、氬弧焊大于微弧焊。

4.2 焊接方法對測量儀表的影響及評估

根據(jù)上述測試結(jié)果可知這3種典型的焊接方法不會產(chǎn)生對電能表、壓力變送器及信號線有影響的電磁干擾。電能表是較典型的電氣儀表，現(xiàn)場大多數(shù)電氣設備都在機柜中，機柜本身就是很好的電磁干擾屏蔽結(jié)構；壓力變送器也是較典型的熱工儀表；而信號線是現(xiàn)場使用最多的部件，因此可推測出：現(xiàn)場焊接方法產(chǎn)生的焊接電磁干擾對電氣、熱工測量儀表基本無影響。

參考文獻:

5 預防措施及應用情況

5.1 預防措施

根據(jù)上述測試結(jié)論及分析，在實施焊接前預防電磁干擾方面，應先考慮電儀設備的屏蔽設計、接地可靠、充分濾波等措施。為盡量減小焊接電磁干擾對運行機組敏感電儀設備的影響，建議采取如下措施。

(1) 使用最靠近焊接現(xiàn)場的電源插座。

(2) 考慮安全裕量，焊接相關設備(包括焊機電源插座、焊機電源電纜、焊機、焊炬電纜、地線電纜等)的布置離敏感電儀設備應在1 m以上。

(3) 在不影響焊接操作的前提下，將正、負極焊接電纜(指焊炬電纜、地線電纜)盡可能長地綁扎在一起。

(4) 焊接電纜、焊機電源電纜應鋪設規(guī)范，鋪直，防止盤繞、交叉；沿地平面或靠近地平面安置；不應搭在現(xiàn)場設備尤其是電儀設備上。

(5) 接地點應盡量接近工件(最好直接接到工件上)，并保證接地線接地良好、可靠。

5.2 應用情況

2009年，大亞灣核電站即采納上述焊接電磁干擾防控措施，通過《日常焊接活動電磁干擾風險評估單》落實，并將相關要求納入電站管理程序《現(xiàn)場焊接活動管理》中。經(jīng)多年應用，效果良好，現(xiàn)已推廣應用至中廣核集團多個核電基地。

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7 付 卓，段仁君．開關電源電磁干擾的抑制[J]．采礦技術，2007，7(2)：78-80．

陳英杰(1974-)，男，高級工程師，主要從事核電站靜電設備維修工作，email：chenyingjie@cgnpc．com．cn。

楊鐵成(1975-)，男，工程師，主要從事核電站儀控設備檢修工作。

胡仕雄(1964-)，男，高級工程師，主要從事核電站電氣設備檢修工作。

顏少華(1975-)，男，高級工程師，主要從事核電站靜電設備維修工作。

張鴻泉(1976-)，男，工程師，主要從事核電站儀控靜機檢維工作。

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收稿日期：2015-08-17。