核電廠中基于DCS的抗電磁干擾設(shè)計(jì)

張 健，于衛(wèi)平，張新立

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

核電廠中基于DCS的抗電磁干擾設(shè)計(jì)

張 健，于衛(wèi)平，張新立

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

文章以30萬(wàn)kW核電項(xiàng)目為例，介紹了核電廠全數(shù)字化分布式控制系統(tǒng)（DCS）儀控平臺(tái)在通風(fēng)控制室系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)抗電磁干擾方面的設(shè)計(jì)方案和考慮，包括空間隔離、屏蔽、接地、抗電磁干擾管理以及對(duì)后續(xù)核電項(xiàng)目的一些想法，以此為其他核電項(xiàng)目提供一個(gè)基于數(shù)字化儀控系統(tǒng)抗電磁干擾的設(shè)計(jì)方法。

DCS；電磁干擾；設(shè)計(jì)方法

隨著三代核電技術(shù)的引進(jìn)，核電廠控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化分布式控制系統(tǒng)（DCS）已經(jīng)成為新的趨勢(shì)和發(fā)展方向，但由于核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求都非常高，環(huán)境比較特殊，因而需要DCS更加安全、可靠地運(yùn)行。DCS作為復(fù)雜的電子系統(tǒng)，其電磁兼容性的優(yōu)劣在很大程度上決定了系統(tǒng)可靠性的好壞。為了提高DCS的電磁兼容性，一方面要求DCS生產(chǎn)制造商提高其產(chǎn)品的電磁兼容能力；另一方面，也需要在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)上高度重視，采取必要的措施降低DCS所受電磁干擾。文章主要以30萬(wàn)kW核電工程項(xiàng)目為背景，介紹了DCS儀控平臺(tái)在通風(fēng)控制室系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，抗電磁干擾方面的設(shè)計(jì)方案和考慮，同時(shí)對(duì)后續(xù)核電項(xiàng)目抗電磁干擾提出一些想法，以此為其他核電項(xiàng)目提供一個(gè)基于數(shù)字化儀控系統(tǒng)抗電磁干擾的設(shè)計(jì)方法。

1 項(xiàng)目背景

1.1 系統(tǒng)功能

在30萬(wàn)kW核電項(xiàng)目中，部分非安全級(jí)通風(fēng)控制室系統(tǒng)采用DCS進(jìn)行相關(guān)的儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其主要功能是對(duì)核輔助廠房、燃料廠房、電氣廠房等非安全級(jí)通風(fēng)系統(tǒng)、非重要冷凍水、熱水生產(chǎn)及分配系統(tǒng)的工藝參數(shù)、電氣設(shè)備狀態(tài)在計(jì)算機(jī)顯示器（VDU）中集中進(jìn)行監(jiān)視，并對(duì)系統(tǒng)中的閥門(mén)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制，以確保相應(yīng)房間的溫度、濕度、送風(fēng)流量等參數(shù)達(dá)到設(shè)定值要求。同時(shí)，由電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（CPC）采集的廠內(nèi)其他通風(fēng)系統(tǒng)（安全殼廠房通風(fēng)系統(tǒng)、其他核安全級(jí)通風(fēng)系統(tǒng)、重要冷凍水系統(tǒng)等）的參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送至通風(fēng)控制室系統(tǒng)中，使得操縱員在通風(fēng)控制室中可以監(jiān)測(cè)整個(gè)電廠通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

DCS采用浙大中控的ECS-100系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由設(shè)備接口層、過(guò)程控制層、網(wǎng)絡(luò)層和人機(jī)接口層組成。

（1）設(shè)備接口層

設(shè)備接口層是由現(xiàn)場(chǎng)一次儀表（變送器、Pt100鉑熱電阻等）和執(zhí)行部件（風(fēng)機(jī)和閥門(mén)開(kāi)關(guān)柜等）組成。設(shè)備接口層主要用于實(shí)現(xiàn)傳送工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量等信號(hào)）、工藝設(shè)備狀態(tài)（閥門(mén)開(kāi)、關(guān)狀態(tài)等）至過(guò)程控制層和接收來(lái)自過(guò)程控制層的控制輸出命令等。

（2）過(guò)程控制層

過(guò)程控制層由4個(gè)控制柜、7個(gè)遠(yuǎn)程I/O柜和1個(gè)繼電器柜組成。

1）4個(gè)控制柜裝有I/O端子板、控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和電源模塊，主要是接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜的信號(hào)，完成信號(hào)處理、運(yùn)算和輸出等功能。

2）7個(gè)遠(yuǎn)程I/O柜和1個(gè)繼電器柜，主要用于接收現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和發(fā)出來(lái)自控制柜的控制命令。

（3）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層共分兩層：過(guò)程控制網(wǎng)和I/O總線。

1）系統(tǒng)采用了冗余的工業(yè)以太網(wǎng)SCNET作為其過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)完成控制站、操作員站和工程師站之間的通信。

2）I/O總線是控制站內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，共分兩層，其中連接主控卡和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的是SBUS-S2總線，連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和I/O卡件的是SBUS-S1總線。

（4）人機(jī)接口層

人機(jī)接口層包括3臺(tái)操作員站、1臺(tái)工程師站和3臺(tái)打印機(jī)等。主要是對(duì)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。

2 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

任何一個(gè)電磁干擾效應(yīng)都是由3個(gè)基本要素組成：

1）電磁干擾源。

2）對(duì)該電磁干擾敏感的系統(tǒng)或設(shè)備。

3）將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾邢到y(tǒng)或設(shè)備的媒介，即傳輸通道或耦合途徑。

2.1 噪聲來(lái)源

30萬(wàn)kW核電項(xiàng)目通風(fēng)控制室系統(tǒng)采用數(shù)字化分布式控制系統(tǒng)，由于通風(fēng)控制室系統(tǒng)設(shè)備的布置較為分散，故將其所在環(huán)境的電磁干擾源按照是否有人為因素存在，分為自然干擾源和人為干擾源兩大類(lèi)。

自然干擾源存在于地球和宇宙的很多地方，自然電磁現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。對(duì)通風(fēng)控制室系統(tǒng)而言主要的自然干擾為雷電干擾。

人為干擾是由機(jī)電或其他人工裝置產(chǎn)生的電磁能量干擾。其主要分為有意發(fā)射干擾源和無(wú)意發(fā)射干擾源。有意發(fā)射干擾源為設(shè)備或系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)自身功能的過(guò)程中產(chǎn)生有用的電磁能量而對(duì)其他設(shè)備或系統(tǒng)造成干擾的用電設(shè)備，如廣播、通信等發(fā)射設(shè)備；無(wú)意發(fā)射干擾源為設(shè)備或系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)自身功能的過(guò)程中產(chǎn)生無(wú)用的電磁能量而對(duì)其他設(shè)備或系統(tǒng)造成干擾的用電設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、輸電線等[1]。圖1為通風(fēng)控制室系統(tǒng)所承受的主要電磁干擾源示意圖。

圖1 通風(fēng)控制室系統(tǒng)所承受的主要電磁干擾源示意圖Fig.1 Schematic of EMC source of ventilation control room system

2.2 耦合機(jī)理

如上節(jié)所述，任何電磁干擾源均需通過(guò)一定的媒介才能被傳輸?shù)矫舾性O(shè)備或系統(tǒng)。對(duì)于通風(fēng)控制室系統(tǒng)而言，其電磁干擾的傳播途徑主要包括：傳導(dǎo)耦合、電容耦合、電感耦合、輻射耦合。

（1）傳導(dǎo)耦合

傳導(dǎo)耦合又稱公共阻抗耦合。公共阻抗耦合是由于干擾源與被干擾者共用一個(gè)線路阻抗而產(chǎn)生的。地回路干擾為最常見(jiàn)的公共阻抗耦合所產(chǎn)生的干擾之一。所謂的地回路干擾，即兩個(gè)不同的接地點(diǎn)之間存在一定的電位差，此電壓直接加載到被干擾電路中，從而造成干擾。地回路干擾如圖2所示。其中U1為信號(hào)源，R1和R2為信號(hào)源與放大器連接導(dǎo)線的電阻。如果信號(hào)源在A點(diǎn)接地，放大器在B點(diǎn)接地，則兩接地A、B之間存在地電位差，即干擾電壓U2，干擾電壓通過(guò)信號(hào)回路從而造成了對(duì)測(cè)量電路的干擾。

圖2 公共阻抗耦合示例（地回路干擾）Fig.2 Example of common impedance coupling (ground loop)

（2）電容耦合

電容耦合又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合，是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。兩電路之間電容耦合如圖3所示。其中電路1為干擾電路，電路2為被干擾電路，C為兩電路之間的分布電容。當(dāng)電路1中的電壓發(fā)生變化時(shí)則通過(guò)分布電容的電流為電容耦合的強(qiáng)度取決于干擾源與被干擾源之間的距離（成反比）及干擾源電壓的變化率（成正比）。

圖3 電容耦合示例Fig.3 Example of capacitive coupling

（3）電感耦合

當(dāng)一根導(dǎo)線上的電流發(fā)生變化，而引起周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化時(shí)，若另一根導(dǎo)線在這個(gè)變化的磁場(chǎng)中，則這根導(dǎo)線上會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。這種耦合即為電感耦合。兩電路之間電感耦合如圖4所示。其中電路1為干擾電路，電路2為被干擾電路，M為兩電路之間的互感。當(dāng)電路1中的電流發(fā)生變化時(shí)（di），

圖4 電感耦合示例Fig.4 Example of inductive coupling

（4）輻射耦合

輻射耦合是導(dǎo)體干擾源將能量以電磁波的形式向周?chē)臻g射出。導(dǎo)體可以是1根信號(hào)線、電源線，甚至是1根接地引線。

2.3 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

在通風(fēng)控制室系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了防止電磁干擾對(duì)該儀控系統(tǒng)的影響，主要采用的是基于切斷干擾源及電磁干擾的傳播方式的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

2.3.1 空間隔離

空間隔離是抑制電容、電感及輻射耦合干擾的有效方法。根據(jù)電磁場(chǎng)理論：電容耦合和電感耦合，其電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布是按照1/r3（r為干擾源與受擾源之間的距離）衰減；而輻射耦合，其電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布是按照1/r進(jìn)行衰減[2]。因而，通過(guò)加大電子設(shè)備、信號(hào)電纜與噪聲源、動(dòng)力電纜之間的距離，使干擾電磁場(chǎng)到達(dá)干擾設(shè)備或電路的干擾強(qiáng)度降低，從而達(dá)到抑制電磁干擾的目的。在通風(fēng)控制室系統(tǒng)中采用的空間隔離方法為：

1）通風(fēng)控制室系統(tǒng)的控制柜、遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜、計(jì)算機(jī)等設(shè)備均安裝在單獨(dú)的儀表控制室或房間中，從而避免了強(qiáng)干擾源（如安裝在電氣間，工藝設(shè)備間等）對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

2）一般情況下，核電站中所使用的電纜可按照電壓等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)（見(jiàn)表1）。

表1 電纜分類(lèi)Table 1 Types of cable

在通風(fēng)控制室系統(tǒng)中，儀控所傳輸?shù)男盘?hào)分為：220 VAC（開(kāi)關(guān)量輸出）、24 VDC（開(kāi)關(guān)量輸入）、RTD信號(hào)、4～20 mA信號(hào)。所選用的電纜為控制電纜和儀表電纜。在電纜敷設(shè)時(shí)遵循的設(shè)計(jì)方法如下：

1）不同類(lèi)型的電纜應(yīng)敷設(shè)在各自類(lèi)型的電纜橋架中。儀表電纜使用專用的儀表電纜橋架進(jìn)行敷設(shè)，控制電纜使用控制電纜橋架進(jìn)行敷設(shè)。

2）嚴(yán)禁使用同一根電纜傳輸不同類(lèi)型的信號(hào)（同一根電纜傳輸開(kāi)關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)）。

3）當(dāng)不同平面上的不同類(lèi)型電纜橋架平行放置時(shí)，電纜橋架按照電壓等級(jí)的高低進(jìn)行依次布置，即中壓動(dòng)力電纜橋架、低壓動(dòng)力電纜橋架、控制電纜橋架和測(cè)量電纜橋架依次按照從高到低進(jìn)行布置。橋架之間的間隔距離按照IEEE1050的要求進(jìn)行布置，即低壓動(dòng)力電纜橋架和控制電纜橋架分隔距離為250 mm；低壓動(dòng)力電纜橋架和測(cè)量電纜橋架的分隔距離均為500 mm；控制電纜橋架和測(cè)量電纜橋架的分隔距離為250 mm；中壓動(dòng)力電纜橋架與測(cè)量電纜橋架的分隔距離至少為1 200 mm。儀表電纜橋架選用加蓋電纜橋架。

4）電纜敷設(shè)時(shí)，嚴(yán)禁強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)（按照電壓等級(jí)來(lái)區(qū)分）使用同一根電纜進(jìn)行敷設(shè)。

5）同一個(gè)信號(hào)回路的兩根導(dǎo)體，應(yīng)敷設(shè)在同一個(gè)電纜之中。從而較少環(huán)路面積，降低電磁干擾。

6）敷設(shè)弱電信號(hào)電纜時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)強(qiáng)電磁場(chǎng)區(qū)域（如電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域），若無(wú)法滿足，應(yīng)使用帶蓋的電纜橋架或使用金屬套管來(lái)降低電磁干擾。

2.3.2 屏蔽

采用屏蔽技術(shù)可有效地降低電感、電容和輻射耦合。所謂屏蔽，就是以接地的某種材料制成的屏蔽殼體將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來(lái)，形成電磁隔離，即其內(nèi)的電磁場(chǎng)不能越出這個(gè)區(qū)域，而外來(lái)的電磁場(chǎng)不能進(jìn)入這一區(qū)域（或者進(jìn)出該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。在通風(fēng)控制室系統(tǒng)中所采用的屏蔽技術(shù)方法為：

1）儀表電纜均采用帶有內(nèi)外屏蔽的雙絞儀表電纜（帶有總屏蔽和分屏蔽的電纜），采用帶有屏蔽層的電纜并且電纜芯采用雙絞的形式最大限度地限制了電容耦合、電感耦合和輻射耦合所導(dǎo)致的干擾。由于控制電纜所傳輸?shù)拈_(kāi)關(guān)量信號(hào)電壓等級(jí)較高（相比儀表電纜所傳輸?shù)男盘?hào)），因而僅采用帶有總屏蔽的電纜。

2）電子設(shè)備（變送器、控制機(jī)柜等）的信號(hào)輸入、輸出接口是一個(gè)極其危險(xiǎn)的電磁能量泄漏窗口，為了抑制泄漏，均要求電纜應(yīng)通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)的電纜密封套管進(jìn)入電子設(shè)備。密封套管的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足相應(yīng)外徑的電纜進(jìn)入電子設(shè)備時(shí)的密封作用。

3）當(dāng)兩根有屏蔽層的電纜連接時(shí)（通過(guò)端子箱進(jìn)行連接），應(yīng)保證電纜屏蔽層導(dǎo)電性能的連續(xù)性。

4）控制器之間的通信及控制器與操作員站之間的通信：對(duì)于在同一房間內(nèi)的設(shè)備則采用5類(lèi)雙絞線通信介質(zhì)，對(duì)于不同房間的連接（敷設(shè)距離超過(guò)500 m或電纜敷設(shè)途經(jīng)強(qiáng)干擾源的地方）則采用光纖通信介質(zhì)，從而在最大程度上抑制電磁干擾所帶來(lái)的危害。

5）對(duì)于控制機(jī)柜機(jī)殼，由于在接縫處難免存在縫隙，因而均要求設(shè)備供貨廠家進(jìn)行相應(yīng)的電磁屏蔽措施，如板材接縫處采用電磁密封襯墊（導(dǎo)電橡膠）進(jìn)行密封。

2.3.3 接地

對(duì)于儀控系統(tǒng)而言，接地的主要目的是為了保護(hù)人身和控制系統(tǒng)的安全以及抑制電磁干擾。在通風(fēng)控制室系統(tǒng)中，采用如下的接地設(shè)計(jì)方案：

（1）接地網(wǎng)的選擇

DCS系統(tǒng)接地方式一般有兩種：

1）利用電氣接地網(wǎng)作為DCS系統(tǒng)接地網(wǎng)，即與電氣接地網(wǎng)共地。

2）設(shè)DCS系統(tǒng)專用獨(dú)立的接地網(wǎng)或設(shè)置單獨(dú)的接地網(wǎng)后，經(jīng)接地線再接至電氣接地網(wǎng)。

采用第二種接地方式的缺點(diǎn)是：占地面積太大，投資高，電纜及接地網(wǎng)鋼材耗量大，距廠房有相當(dāng)?shù)木嚯x（因不易在廠房?jī)?nèi)找到合適的位置），管理、維護(hù)、測(cè)量及查找接地極和接地線不方便，并且根據(jù)其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，效果不甚良好。因而在通風(fēng)控制室系統(tǒng)采用第一種方式進(jìn)行接地。

（2）控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)方案

根據(jù)IEEE1050的要求，DCS信號(hào)接地一般分為：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、多點(diǎn)接地（IEEE1050中還提到了浮空接地方式，但此種接地方式在一些大型控制系統(tǒng)中往往很難做到理想浮空接地，且浮空接地容易產(chǎn)生靜電累積和靜電放電等不利因素，因而一般不建議使用）。其接地方式的選擇取決于控制系統(tǒng)的工作頻率。低頻信號(hào)應(yīng)（低于300 kHz）采用單點(diǎn)接地方式，高頻信號(hào)應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。由于通風(fēng)控制室系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘?hào)為低頻信號(hào)，因而宜采用單點(diǎn)接地的設(shè)計(jì)原則。

1）在通風(fēng)控制室系統(tǒng)中，每個(gè)控制機(jī)柜中設(shè)有保護(hù)地接地銅牌和工作地（信號(hào)接地和屏蔽接地共用一個(gè)接地銅牌）接地銅牌，人機(jī)接口及其他設(shè)備（操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器主機(jī)）設(shè)有保護(hù)接地螺栓。根據(jù)IEEE1050的描述，單點(diǎn)接地主要分為兩種方式，分別適用于機(jī)柜集中布置的單點(diǎn)方式和機(jī)柜分散布置的單點(diǎn)方式。

由于通風(fēng)控制室系統(tǒng)中，部分機(jī)柜是采用集中安裝的方式，而其他機(jī)柜采用分散布置的方式，因而在接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用上述兩種方法結(jié)合的方式，即采用集中放置的多個(gè)機(jī)柜的接地母線先通過(guò)分類(lèi)匯總后，以單點(diǎn)接地的形式接入現(xiàn)場(chǎng)接地網(wǎng)。而對(duì)于分散布置的機(jī)柜，則通過(guò)接地母線直接接入現(xiàn)場(chǎng)接地網(wǎng)。

2）電纜的屏蔽層采用單端接地的原則。當(dāng)信號(hào)源浮空時(shí)，屏蔽層應(yīng)在DCS系統(tǒng)機(jī)柜側(cè)接地；當(dāng)信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)源側(cè)接地。

3）根據(jù)HGT20513的要求，接地分干線應(yīng)滿足4～16 mm2，接地干線應(yīng)滿足10～25 mm2。因而在通風(fēng)控制系統(tǒng)中采用截面積為16 mm2的接地分干線，25 mm2的接地干線；機(jī)柜內(nèi)的工作地和保護(hù)地接地銅牌截面積要求至少為25 mm×6 mm的銅條制作。

4）由于采用兩種接地方式混合的方法，不同機(jī)柜之間接地點(diǎn)的電勢(shì)可能存在差異，因而在設(shè)計(jì)中嚴(yán)禁不同機(jī)柜之間傳輸?shù)皖l的儀控信號(hào)。

5）DCS接地點(diǎn)與防雷接地、大電流或高壓設(shè)備的接地點(diǎn)保持不少于10 m的距離。

2.3.4 電磁兼容管理

在通風(fēng)控制室系統(tǒng)中，除了在工程設(shè)計(jì)中考慮降低電磁干擾外，還在運(yùn)行規(guī)程中做了如下規(guī)定，從而最大限度地限制和降低了電磁干擾對(duì)通風(fēng)控制系統(tǒng)的影響。

1）限制對(duì)講機(jī)和手機(jī)在設(shè)備附近使用。建立對(duì)講機(jī)和手機(jī)的禁用區(qū)域。應(yīng)意識(shí)到手機(jī)輻射在沒(méi)有通話時(shí)也會(huì)產(chǎn)生，因此在對(duì)講機(jī)和手機(jī)的禁用區(qū)域應(yīng)關(guān)機(jī)。

2）卡件安裝人員應(yīng)穿防靜電服裝（工作服、工作鞋、工作帽），可穿純棉材質(zhì)的衣服，不應(yīng)穿化纖類(lèi)衣服，應(yīng)佩戴防靜電腕帶和手套進(jìn)行卡件安裝工作。

3）持拿卡件時(shí)應(yīng)配戴防靜電腕帶和手套，不應(yīng)接觸各種管腳引線和卡件上的電子元器件以及各種端口。

4）清理卡件灰塵時(shí)應(yīng)使用防靜電毛刷，不應(yīng)使用塑料刷、電吹風(fēng)、普通風(fēng)扇或嘴吹。

5）系統(tǒng)維護(hù)人員應(yīng)及時(shí)釋放自身靜電，可通過(guò)經(jīng)常掌心接觸墻壁，每次接觸時(shí)間保持至少5 s的方法，來(lái)釋放人體累積的靜電。

6）系統(tǒng)通訊線在安裝前應(yīng)放電，安裝過(guò)程中應(yīng)盡量減少通訊線插拔次數(shù)?？刹捎迷谂宕鞣漓o電腕帶的條件下手握住接頭5 s左右，或者接頭接觸墻壁5 s左右的方法。

3 后續(xù)核電項(xiàng)目中關(guān)于抗電磁干擾的幾點(diǎn)想法

3.1 電纜屏蔽層單點(diǎn)或多點(diǎn)接地方式的確定

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，儀控專業(yè)所用的電纜屏蔽層一律采用單點(diǎn)接地的設(shè)計(jì)原則，從而有效地抑制低頻電磁干擾。但隨著數(shù)字化系統(tǒng)和智能化儀表在核電站的大量引用，高頻信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用也越來(lái)越廣泛。根據(jù)IEEE1050所述，對(duì)于傳輸高頻信號(hào)或存在高頻電磁干擾的場(chǎng)合，當(dāng)電纜長(zhǎng)度（L）與傳輸信號(hào)或干擾信號(hào)的波長(zhǎng)（λ）之比為1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地方式的電纜屏蔽層屏蔽效果開(kāi)始降低；達(dá)到1/4時(shí)，屏蔽層的屏蔽效果就會(huì)喪失，同時(shí)屏蔽層形成天線效應(yīng)向外輻射干擾信號(hào)。因而必須采用多點(diǎn)接地或至少兩點(diǎn)接地的方式才能抑制高頻信號(hào)的干擾。

對(duì)于電纜屏蔽層采用單點(diǎn)接地或是多點(diǎn)接地的選擇不僅取決于所傳輸信號(hào)的頻率，還取決于所受干擾信號(hào)的頻率。對(duì)于無(wú)法判斷電纜所處環(huán)境所受干擾源頻率的情況，可通過(guò)借鑒IEEE1050提供的一種單點(diǎn)接地和兩點(diǎn)接地相結(jié)合的屏蔽層接地方式來(lái)進(jìn)行。如圖5所示，當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)或干擾源信號(hào)為低頻時(shí)，電容起到開(kāi)路功能，從而實(shí)現(xiàn)屏蔽層的單點(diǎn)接地。當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)或干擾源信號(hào)為高頻時(shí)，電容起到通路功能，從而實(shí)現(xiàn)了屏蔽層的雙點(diǎn)接地。

對(duì)于核電廠中所敷設(shè)的電纜，一般情況是不會(huì)出現(xiàn)高頻干擾（通過(guò)電纜敷設(shè)的要求、電磁干擾管理等措施），因而在后續(xù)核電項(xiàng)目中電纜屏蔽層接地點(diǎn)數(shù)量的確定僅需考慮電纜所傳輸?shù)男盘?hào)頻率即可，既傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)，電纜屏蔽層采用單點(diǎn)接地的原則；傳輸高頻信號(hào)時(shí)，電纜屏蔽層采用多點(diǎn)接地或至少兩點(diǎn)接地的原則。對(duì)于帶有總分屏蔽的電纜，總屏蔽雙端接地而分屏蔽采用單端接地的設(shè)計(jì)原則。

圖5 單點(diǎn)接地和兩點(diǎn)接地相結(jié)合的屏蔽層接地方式Fig.5 Combination of single-point and two-point shield grounding

3.2 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)的應(yīng)用是抑制電磁干擾，提高電子設(shè)備抗擾度水平的主要手段。長(zhǎng)久以來(lái)，濾波技術(shù)的應(yīng)用僅于供貨商所提供設(shè)備卡件的電子線路的設(shè)計(jì)（屬供貨方的設(shè)計(jì)范圍）中。這種做法完全依賴于供貨商所提供設(shè)備的抗電磁干擾能力，因而在工程設(shè)計(jì)中還需要進(jìn)行必要的補(bǔ)充設(shè)計(jì)來(lái)盡量降低電磁干擾。在工程設(shè)計(jì)中濾波技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電源濾波和信號(hào)濾波。

（1）電源濾波

一般而言，控制系統(tǒng)供電電源線所受干擾主要來(lái)自于電源線線芯之間的干擾（相線與地線、相線與中線、中線與相線之間的共模干擾）及外部干擾信號(hào)（如電機(jī)啟動(dòng)或感性電路產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)程、廣播、通信等發(fā)射信號(hào)），因而必須采用電源濾波器來(lái)進(jìn)行濾波。

（2）信號(hào)濾波

信號(hào)的濾波在工程設(shè)計(jì)中主要是針對(duì)直流驅(qū)動(dòng)的感性負(fù)載（直流繼電器）進(jìn)行濾波。由于直流驅(qū)動(dòng)的感性負(fù)載，在電源斷開(kāi)瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬變電壓，有可能會(huì)損壞設(shè)備的元器件。另外，由于其含有豐富的諧波，會(huì)通過(guò)線路間的分布電容耦合至其他電路，從而造成了電磁干擾。為了防止元器件的損壞、抑制電磁干擾，一般可通過(guò)在繼電器繞組上并聯(lián)反相二極管的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而限制瞬變電壓的幅度，如圖6所示。采用這種方法雖然可以限制瞬變電壓的幅度，但也帶來(lái)了一些弊端，若反向二極管失效，會(huì)產(chǎn)生短路現(xiàn)象；延遲繼電器觸點(diǎn)的釋放時(shí)間等。因而為了防止這些情況的發(fā)生，可在二極管的線路中串聯(lián)電阻的方式來(lái)解決。

圖6 感性負(fù)載干擾抑制Fig.6 Interference suppression of inductive loads

3.3 與廠家建立溝通機(jī)制

由于核電廠引用數(shù)字化儀控系統(tǒng)的時(shí)間還不是很長(zhǎng)，大多國(guó)內(nèi)核電設(shè)計(jì)院在基于數(shù)字化DCS的抗電磁干擾設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還存在一定的不足和認(rèn)知上的差異，而國(guó)內(nèi)DCS廠家在核電廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也存在欠缺，并且因其所提供設(shè)備的不同而對(duì)抗電磁干擾有不同的要求。因而雙方需建立一個(gè)良好的互動(dòng)溝通機(jī)制，DCS廠商可以把其他工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)反饋給核電設(shè)計(jì)院，設(shè)計(jì)院則應(yīng)把核電站的一些特殊設(shè)計(jì)要求傳遞給DCS廠家，從而真正提高核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)字化儀控技術(shù)在核電廠中的廣泛應(yīng)用，如何抑制電磁干擾，使各種設(shè)備和系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。因而，在進(jìn)行儀控系統(tǒng)抗電磁干擾設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分析其綜合效應(yīng)，對(duì)所采用的干擾抑制手段進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)估和驗(yàn)證，以期獲得較理想的效果。

[1] 周旭. 電磁兼容基礎(chǔ)及工程應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2010.（ZHOU Xu. EMC Fundamentals and Engineering Applications[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.）

[2] 楊克俊. 電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.（YANG Ke-jun. EMC Theory and Design Technique[M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2011.）

[3] IEEE 1050-2004，IEEE Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations.

[4] HGT 20513-2000 儀控系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定[R].（The Grounding Design of HGT 20513-2000 I&C System[R].）

Study on EMC Design Based on Non-safety DCS in Nuclear Power Plant

ZHANG Jian，YU Wei-ping，ZHANG Xin-li
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

The EMC design philosophy based on DCS in nuclear power plant is introduced in the paper through the introduction of EMC implementation in ventilation control room system design for 300 MW nuclear power plant, including separation, shielding, grounding, EMC management and some suggestions and considerations for EMC in the future design of nuclear power projects, so that it can provide an effective guidance for future EMC design based on digital I&C system.

DCS；EMC；design philosophy

TL36Article character：A

1674-1617(2013)03-0209-07

TL36

A

1674-1617(2013)03-0209-07

2013-02-04

張 健（1978—），男，上海人，儀控工程師，本科，從事核電廠儀表控制工作。