核電站焊接電磁干擾及防控措施研究

陳英杰，楊鐵成，胡仕雄，顏少華，張鴻泉(.中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 584；.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)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(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518124；2.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)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(dòng)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(qiáng)度的參考標(biāo)準(zhǔn)值，制定了降低焊接電磁干擾對敏感電儀設(shè)備影響的相關(guān)措施，并通過實(shí)踐進(jìn)一步證實(shí)了措施的可靠性。

〔關(guān)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(jì)，法國電力公司(EDF)數(shù)個(gè)核電站曾發(fā)生因?yàn)槭褂面u極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)造成跳機(jī)跳堆的案例；美國等其他國家核電站也有一些因焊接活動(dòng)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(yán)重后果，但焊接電磁干擾導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)的情況也曾發(fā)生過數(shù)例。這是因?yàn)楹附踊顒?dòng)中產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)對敏感的電氣、儀表設(shè)備產(chǎn)生了信號干擾，從而造成或可能造成跳機(jī)跳堆。

核電站因焊接電磁干擾導(dǎo)致較大后果的案例雖然不多，但一旦發(fā)生將可能導(dǎo)致跳機(jī)跳堆，不利于核電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要對其焊接電磁干擾問題進(jìn)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(dòng)造成的電磁干擾引發(fā)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁及電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)失靈，跳汽機(jī)。2006-11-04，法國另一個(gè)核電站也發(fā)生過由于TIG焊接活動(dòng)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(dòng)，跳堆。1985年8月，韓國某核電站大修后，多次發(fā)生隨機(jī)掉棒事件；記錄顯示有相位干擾，擾動(dòng)原因是電壓出現(xiàn)錯(cuò)誤信號，使控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁力線圈電流受到影響；后來發(fā)現(xiàn)是焊接活動(dòng)影響了頻率范圍。

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

1.2 焊接電磁干擾

電磁干擾指電磁騷擾引起的設(shè)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(dǎo)干擾。下面著重研究電磁輻射對核電站敏感設(shè)備的干擾。

以TIG氬弧焊為例，當(dāng)采用高頻振蕩器引弧時(shí)，振蕩器要產(chǎn)生強(qiáng)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(shè)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(dǎo)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(jī)箱表面向外輻射。目前逆變焊機(jī)多采用硬開關(guān)方式，作為一種高頻開關(guān)電源，在功率元件開關(guān)過程中不可避免地會(huì)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(gè)統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)，其電磁干擾場分布及相應(yīng)的防控措施也不明確。

1.3 核電站典型焊接活動(dòng)

在役核電站因維修需要，必定涉及焊接活動(dòng)。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(shè)備密封面小缺陷的維修，往往還采用微弧火花焊接修復(fù)方法(簡稱微弧焊)。

為確保不因焊接電磁干擾而產(chǎn)生跳機(jī)跳堆、降功率事件，并制訂預(yù)防焊接電磁干擾的預(yù)防措施，需對上述3種焊接方法產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)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(gè)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(qiáng)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(jìn)行模擬測試，同時(shí)增加微弧焊、手弧焊焊接工藝；另外在進(jìn)行模擬測試時(shí)，分別采用電能表、壓力變送器代表核電站儀表和電器設(shè)備受焊接電磁干擾影響情況，并進(jìn)行相應(yīng)的影響評估。

2.2 模擬測試過程

模擬測試試驗(yàn)也分為2個(gè)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(shè)備的電磁干擾情況。

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

第2階段試驗(yàn)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(jī)、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(shí)，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(tái)DM91，在地線和焊把線外一定距離處分別放置1臺(tái)DM91；

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

(3) 在離焊接工件800 mm處放置1臺(tái)DM91；

(4) 在焊接過程中分別將上述DM91向目標(biāo)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(shí)，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(yīng)了電能表接收到的干擾信號強(qiáng)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(huì)有擾動(dòng)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(jìn)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(jìn)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(tái)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(fù)起停電弧，并觀察在啟動(dòng)焊機(jī)電源瞬間、焊接引弧瞬間、焊接過程中、熄弧瞬間、切斷焊機(jī)電源瞬間DM91接收的電磁干擾信號情況，統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)各DM91劑量的增加情況(焊接電流為75 A)。

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

3．1．2 電焊機(jī)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(jī)右側(cè)(焊接電流為93 A)和左側(cè)(焊接電流為130 A)；其試驗(yàn)結(jié)果表明電焊機(jī)其他各個(gè)方位產(chǎn)生的電磁輻射對DM91無影響；即使電焊機(jī)左側(cè)貼近DM91，產(chǎn)生的影響也較小。

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

① 在電焊機(jī)左、后側(cè)(含電焊機(jī)電源電纜)放置DM91，從60 cm外往電焊機(jī)方向移動(dòng)DM91，直至接觸，未出現(xiàn)報(bào)警；

② 在電焊機(jī)前側(cè)放置DM91(DM91在2焊接電纜之間)，從60 cm外向電焊機(jī)方向移動(dòng)，未出現(xiàn)報(bào)警；

③ 在電焊機(jī)前側(cè)放置DM91，但將焊接電纜放置在電焊機(jī)左側(cè)，使其避開DM91，將DM91從60 cm外往電焊機(jī)方向移動(dòng)，直至10 cm開始出現(xiàn)報(bào)警(分析應(yīng)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(jī)上部，未出現(xiàn)報(bào)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(shí)，沒有影響；將2根焊接電纜綁扎在一起時(shí)，產(chǎn)生的電磁輻射對DM91基本無影響，根據(jù)相關(guān)分析可知正負(fù)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(shù)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(yàn)中焊接電流130 A，按圖2所示放置DM91及屏蔽板，每次試驗(yàn)時(shí)間5 min。

根據(jù)試驗(yàn)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(shè)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(yàn)。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(qiáng)度(焊接電流130 A)。

圖2　屏蔽測試示意

根據(jù)試驗(yàn)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(gòu))，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(huì)有擾動(dòng)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(dāng)起弧數(shù)次并持續(xù)進(jìn)行焊接工作時(shí)，記錄儀輸出平穩(wěn)，無任何擾動(dòng)。

(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(dāng)起弧數(shù)次并持續(xù)進(jìn)行焊接工作時(shí)，記錄儀輸出平穩(wěn)，無任何擾動(dòng)。

(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(fù)起?；?次，并持續(xù)進(jìn)行焊接，記錄儀輸出平穩(wěn)，無任何擾動(dòng)。

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(shè)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(shí)，當(dāng)2條線間的間距為200 mm時(shí)，中間布置的DM91很快發(fā)生聲響報(bào)警，其劑量迅速增加，在數(shù)秒內(nèi)即達(dá)到閾值。說明在進(jìn)行手弧焊時(shí)，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(jī)、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(dòng)信號。

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

① 調(diào)節(jié)電焊機(jī)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(dāng)調(diào)節(jié)電焊機(jī)在“頻率2 000 Hz，電壓86 V，功率正?！毕聹y試時(shí)，其結(jié)果與上述電焊機(jī)正常工作情況下的一致，在貼近焊把線和將焊把線盤圈時(shí)，10臺(tái)DM91中的2臺(tái)閃紅光，但讀數(shù)未發(fā)生變化，也沒有聲響報(bào)警出現(xiàn)。

③ 當(dāng)調(diào)節(jié)電焊機(jī)在非正常工作情況“頻率500 Hz，電壓108 V，功率100 %”下測試時(shí)，其結(jié)果與上述一致。在貼近焊把線和將焊把線盤圈時(shí)，10臺(tái)DM91閃紅光，但讀數(shù)未發(fā)生變化，也沒有聲響報(bào)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(jìn)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(huì)產(chǎn)生對DM91有影響的電磁干擾。

(2) 電焊機(jī)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(huì)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(dāng)2焊接電纜(地線和焊把線)平行布置時(shí)，在其中間會(huì)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(dāng)DM91距離焊接電纜5 cm以內(nèi)時(shí)，會(huì)接收到焊接電纜的電磁干擾信號，但當(dāng)DM91距離焊接電纜超過10 cm以上時(shí)，不會(huì)有影響；將2焊接電纜綁扎在一起時(shí)，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(shè)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(yàn)中可以看出，氬弧焊、手弧焊只有用于焊接電纜時(shí)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(qiáng)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(huì)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(shè)備都在機(jī)柜中，機(jī)柜本身就是很好的電磁干擾屏蔽結(jié)構(gòu)；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(xiàn):

5 預(yù)防措施及應(yīng)用情況

5.1 預(yù)防措施

根據(jù)上述測試結(jié)論及分析，在實(shí)施焊接前預(yù)防電磁干擾方面，應(yīng)先考慮電儀設(shè)備的屏蔽設(shè)計(jì)、接地可靠、充分濾波等措施。為盡量減小焊接電磁干擾對運(yùn)行機(jī)組敏感電儀設(shè)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(guān)設(shè)備(包括焊機(jī)電源插座、焊機(jī)電源電纜、焊機(jī)、焊炬電纜、地線電纜等)的布置離敏感電儀設(shè)備應(yīng)在1 m以上。

(3) 在不影響焊接操作的前提下，將正、負(fù)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(jī)電源電纜應(yīng)鋪設(shè)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(yīng)搭在現(xiàn)場設(shè)備尤其是電儀設(shè)備上。

(5) 接地點(diǎn)應(yīng)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(yīng)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(dòng)電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)評估單》落實(shí)，并將相關(guān)要求納入電站管理程序《現(xiàn)場焊接活動(dòng)管理》中。經(jīng)多年應(yīng)用，效果良好，現(xiàn)已推廣應(yīng)用至中廣核集團(tuán)多個(gè)核電基地。

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2 公 岷，張小平，劉志勇，等．焊接系統(tǒng)中電磁干擾的分析[J]．電焊機(jī)，2013，43(9)：103-106．

3 曹太強(qiáng)，許建平，徐順剛．開關(guān)電源電磁干擾的分析[J]．電焊機(jī)，2008，38(6)：68-70．

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7 付 卓，段仁君．開關(guān)電源電磁干擾的抑制[J]．采礦技術(shù)，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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備維修工作。

張鴻泉(1976-)，男，工程師，主要從事核電站儀控靜機(jī)檢維工作。

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收稿日期：2015-08-17。