趙厚欽，金 剛

(1.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海200233；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京100082)

為改善核電站內(nèi)部的供電質(zhì)量，核電站使用了大功率UPS(40 kVA以上)，但因其本身的工作特性引入了電磁干擾。這些干擾主要來源是UPS輸入端整流部分產(chǎn)生的高次諧波和直流—交流(DC—AC)高頻逆變器產(chǎn)生的電磁干擾，進(jìn)而影響到儀控系統(tǒng)和設(shè)備。

AP1000核電站采用全數(shù)字化儀控系統(tǒng)，由于先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)采用了大量的數(shù)字集成電路，比較容易受到電磁干擾的影響，本文就AP1000 UPS設(shè)備的電磁兼容性遵循標(biāo)準(zhǔn)、測試方法、驗收準(zhǔn)則、試驗結(jié)果及結(jié)論展開討論和分析。

1 UPS電磁兼容性試驗標(biāo)準(zhǔn)與分析

一般工業(yè)用UPS設(shè)備EMC試驗參照IEC 62040—2相關(guān)章節(jié)，按照AP1000的要求，UPS設(shè)備應(yīng)按照C3類等級進(jìn)行。C3類UPS輸出電流超過16A，適用于不直接連接至給住宅建筑物供電的低壓供電系統(tǒng)。

在NRC規(guī)程10 CFR part 50 “Domestic Licensing of Production and Utilization Facilities”中明確指出電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和浪涌承受度(SWC)被視為可能影響安全相關(guān)電氣設(shè)備的環(huán)境條件，需要在設(shè)計中考慮相關(guān)的控制措施。在核電廠中，由于存在很多安全級相關(guān)的電氣與儀控設(shè)備，因此設(shè)備電磁兼容性的要求就非常嚴(yán)格。如何解決電磁干擾問題主要取決設(shè)備以及所遵循的EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

因此，AP1000 UPS設(shè)備的EMC試驗標(biāo)準(zhǔn)比一般工業(yè)用的標(biāo)準(zhǔn)要求提高不少。表1中對比了AP1000核電站EMC要求和IEC 62040-2中試驗項目和參數(shù)要求。

表1 AP1000核電站EMC要求和IEC 62040-2中試驗項目和試驗水平對比表

1.1 發(fā)射試驗主要差異對比與分析

如表1所示，雖然兩份標(biāo)準(zhǔn)都要求了傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，但是AP1000的要求更為嚴(yán)苛。

1.1.1 傳導(dǎo)發(fā)射試驗主要差異對比與分析

(1)應(yīng)用平臺：CE101和CE102交、直流都適用，而IEC 62040-2只適用交流系統(tǒng)。對于逆變器而言，其輸入為直流電源，電纜上存在紋波電壓，對上游充電器產(chǎn)生干擾。

(2)頻率范圍：AP1000核電站的EMC傳導(dǎo)發(fā)射試驗的頻率范圍涵蓋了IEC并未要求的低頻部分，且為連續(xù)頻譜，而IEC標(biāo)準(zhǔn)為點頻。對于CE102，其銜接了CE101頻率的高頻，最高頻率為10 MHz，低于IEC標(biāo)準(zhǔn)的限值30 MHz。這是由于在10 MHz以上頻率，過量的傳導(dǎo)發(fā)射會導(dǎo)致輻射，MIL標(biāo)準(zhǔn)中10 MHz以上頻率范圍的傳導(dǎo)發(fā)射可以通過RE102限值要求來控制。

(3)測試儀器：MIL標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)試驗測試儀器采用接收機(jī)+LISN+電源探頭。而IEC的測試儀器采用諧波分析儀+電流傳感器。

(4)限值：不同平臺不同電源不同限值，連續(xù)限值。而IEC標(biāo)準(zhǔn)四類設(shè)備四類限值，諧波點頻限值。

1.1.2 輻射發(fā)射試驗主要差異對比與分析

(1)頻率范圍：RE101的頻率上限為100 kHz，而IEC標(biāo)準(zhǔn)的起始頻率為30 MHz。IEC的頻率范圍并未覆蓋RE101的低頻范圍，而該頻率范圍內(nèi)的磁場發(fā)射主要由供電電源和電源分配系統(tǒng)產(chǎn)生的基波和諧波造成，控制該范圍內(nèi)的干擾發(fā)射很重要，核電站內(nèi)存在大量的儀控設(shè)備，且具有高靈敏度，磁場干擾極易發(fā)生。

(2)測試方法及儀器：RE101的測試儀器為接收機(jī)+單環(huán)天線(磁場探頭)。RE102的測試儀器為干擾接收機(jī)+峰值檢波。IEC標(biāo)準(zhǔn)中的測試儀器為干擾接收機(jī)+準(zhǔn)峰值和平均值檢波。

(3)測試距離：RE101天線布置在距離設(shè)備7 cm處。RE102天線布置在距離設(shè)備1 m處。而IEC天線布置在距離設(shè)備10 m處。

1.2 抗擾度試驗主要差異對比與分析

對于抗擾度試驗，AP1000的抗擾度試驗項目明顯多于IEC標(biāo)準(zhǔn)，且試驗水平也采用最高標(biāo)準(zhǔn)。而且，新增了RS103 1～10 GHz的頻率范圍。

2 AP1000 UPS設(shè)備電磁兼容試驗驗證

AP1000 1E級UPS設(shè)備主要設(shè)備參數(shù)如下：

(1)充電器

額定輸入電壓：380 VAC；頻率：50 Hz；額定輸出電壓：250 VDC；額定輸出電流：200 A。

(2)逆變器

容量：15 kVA；額定輸入電壓：250 VDC；額定輸出電壓：220 VAC。

(3)調(diào)壓變壓器

容量：45 kVA；一、二次額定電壓：380 VAC/220 VAC。

2.1 AP1000 UPS設(shè)備EMC試驗驗收標(biāo)準(zhǔn)

針對大型供電設(shè)備，要完全滿足R.G 1.180的發(fā)射要求通過試驗是有難度的。結(jié)合UPS設(shè)備的測試結(jié)果，給出一些建議與分析。以核級充電器為例。

表2 AP1000 UPS設(shè)備EMC試驗驗收標(biāo)準(zhǔn)

表3 抗擾度試驗的UPS運(yùn)行模式

2.2 CE101低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗結(jié)果分析

從圖1可知，即使R.G 1.180允許交流供電設(shè)備根據(jù)基波電流對發(fā)射限值進(jìn)行調(diào)整，核級充電器的發(fā)射值仍超過了限值。其實，R.G 1.180針對此問題也給出了相應(yīng)的免除條款。如果供電電源的電能質(zhì)量符合設(shè)備對電能質(zhì)量的要求，且該設(shè)備不會向配電系統(tǒng)施加額外的諧波畸變不超過總諧波失真(THD)的5%。

圖1 核級充電器CE101低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗結(jié)果Fig.1 1E charger CE101 test result

充電器的正常輸入電壓和頻率是380VAC，50 Hz±5%，允許電壓波動范圍是+10%～-20%，即304～418 VAC。充電器上游的供電系統(tǒng)是380 VAC，50 Hz±5%，允許的電壓波動范圍是+5%～-10%。因此，上游的供電質(zhì)量符合充電器對電能質(zhì)量的要求。

同時，還需要對諧波畸變量進(jìn)行計算，詳細(xì)計算如表4和表5所示。

表4 核級充電器及上游變壓器主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表

表5 核級充電器總諧波失真計算表

根據(jù)上述計算，總諧波畸變小于5%，適用免除條款。

2.3 CE102高頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗結(jié)果分析

根據(jù)R.G 1.180的要求，如核電廠電能質(zhì)量可控，則可以免除頻率范圍在10～450 kHz的試驗。因此，圖2中綠色部分被免除。

對于450 kHz～2 MHz的頻率范圍，可以從以下三方面加以考慮：

(1)發(fā)射值換算成電壓后，對設(shè)備的影響。如圖二所示，超過標(biāo)準(zhǔn)限值的最大發(fā)射值約85 dBμV，換算成電壓的話約為0.018 V。這個干擾電壓對于380 V的供電電源來說可以忽略。

(2)考慮設(shè)備在空間布置中與其他設(shè)備的耦合效應(yīng)。針對充電器這一設(shè)備，同一房間內(nèi)的設(shè)備，除了核級逆變器以外，其他所有的設(shè)備都通過了CE102的試驗。因此，只需考慮最惡劣的情況，即充電器與逆變器發(fā)射最大值的疊加效應(yīng)。根據(jù)核級逆變器的實測結(jié)果，發(fā)射值換算成電壓約0.056 V，因此，最大電壓為0.018 V+0.056 V=0.074 V，此電壓對于供電設(shè)備來說可以忽略。

圖2 核級充電器CE102低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗結(jié)果Fig.2 1E charger CE102 test result

圖3 核級充電器RE102低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗結(jié)果Fig.3 1E charger RE102 test result

(3)結(jié)合抗擾度試驗的測試等級。根據(jù)表1所示，該傳導(dǎo)試驗對應(yīng)的抗擾度試驗等級為140 dBμV，最大疊加發(fā)射值為97.38 dBμV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗擾度試驗水平。

綜上，此偏差可以被接受。

2.4 RE102高頻電場輻射發(fā)射試驗結(jié)果分析

充電器發(fā)射最大值為80 dBμV/m(10 mV/m)，逆變器的發(fā)射最大值為65 dBμV/m(1.778 mV/m)。AP1000最惡劣的情況是同一房間擁有2臺充電器和2臺逆變器。兩臺充電器之間的距離為1 m。兩臺逆變器之間的距離為3 m。因此，最差的疊加值為23.56 mV/m，即87.43 dBμV/m。此發(fā)00射值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對應(yīng)的抗擾度試驗水平。

此外，電場輻射發(fā)射值隨著距離的增加而衰減。根據(jù)公式(1):

(1)

根據(jù)公式(1)可以得出，87.43 dBμV/m的發(fā)射值在1 m處的值僅為原來的1/4。同時，盡管IEC 61000-4-3頻率覆蓋范圍是26 MHz以上，導(dǎo)體的尺寸與波長的比值是評價天線效率和電子元器件潛在的敏感性的關(guān)鍵因素。波長可以根據(jù)公式(2)進(jìn)行計算。

(2)

在抗擾度試驗中，針對最低頻率的波長長度是(3×108)/(26×106)=11.5 m。潛在的敏感的電子元器件(工控機(jī)、顯示器、PLC、I/O板卡等)通常都小于11.5 m。

2.5 其他建議

RG 1.180針對發(fā)射試驗，也給出了三個替代方案供選擇，如圖4所示。

圖4 R.G 1.180中推薦的替代方案Fig.4 Recommended alternative proposals in R.G 1.180

在CE101和RE101可以免除的前提下，可選用上圖中任一方案進(jìn)行發(fā)射試驗。針對電源類設(shè)備，建議采用IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)射試驗。

IEC 61000-6-4的空間磁場發(fā)生試驗的頻段是30 MHz～1 GHz，而R.G 1.180中相同試驗的頻段是2 MHz～10 GHz。核級UPS的發(fā)射存在偏差的頻段是：2～26 MHz，而存在偏差的頻段正好IEC標(biāo)準(zhǔn)中不要求，規(guī)避了偏差。因此，核級UPS設(shè)備可以通過IEC標(biāo)準(zhǔn)的試驗。

針對IEC 61000-6-4的傳導(dǎo)發(fā)射試驗可以通過增加一些輔助設(shè)備，例如濾波器等來通過試驗。

3 結(jié)論

AP1000核電站應(yīng)用的UPS設(shè)備EMC特性設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，論證其可行性和可靠性需要從實踐出發(fā)，本文通過分析AP1000核級UPS設(shè)備EMC試驗報告，詳細(xì)介紹了AP1000 UPS設(shè)備EMC試驗驗證標(biāo)準(zhǔn)、等級和驗收準(zhǔn)則，通過對試驗結(jié)果的分析，論證了試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。