核級氣動調(diào)節(jié)閥EMC試驗鑒定研究

周鵬成，費(fèi) 杰

(1.上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所有限公司，上海 200233； 2.國家能源核電站儀表研發(fā)(實(shí)驗)中心，上海 200233)

0 引言

氣動調(diào)節(jié)閥作為過程控制工業(yè)中的常用終端控制元件，是核電廠的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，關(guān)系著核電機(jī)組的安全運(yùn)行。它用于接收控制信號，并根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出來改變閥門開度，使其達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)值。

核電廠電磁環(huán)境復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的電氣部件易受到電磁干擾，做好調(diào)節(jié)閥的電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)鑒定至關(guān)重要。定位器是調(diào)節(jié)閥核心的電氣部件，是整個調(diào)節(jié)閥的大腦。現(xiàn)有的定位器一般采用電源線、信號線共線(兩線制)，由一組4～20 mA信號組成，通過調(diào)節(jié)電流大小來實(shí)現(xiàn)對閥門開度的控制。而電磁閥又是調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的重要配件，所以在EMC鑒定中，對這兩類設(shè)備的試驗顯得尤為重要。

1 EMC試驗

1.1 EMC試驗內(nèi)容的選擇

為了確保核電設(shè)備的安全可靠性，各國都制定了相應(yīng)的法規(guī)來確保安全。只有通過相應(yīng)鑒定測試，設(shè)備才能用到核電站相對應(yīng)的地方。截至目前，常見的核電EMC法規(guī)有美國的NRC、法國的RCC-E和我國的GB/T 11684。這三項法規(guī)都對EMC測試有不同的要求。就試驗內(nèi)容的包絡(luò)性和嚴(yán)格性而言，美國的NRC法規(guī)為首選。

NRC規(guī)定的核電站設(shè)備的EMC試驗要求應(yīng)當(dāng)參照 US NRC Regulatory Guide 1.180[1]。該導(dǎo)則列出了兩套試驗標(biāo)準(zhǔn)，分別是軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-461E[2]系列和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000系列。 EMC鑒定的試驗方案一般有兩種[3]：①IEC 61000系列的抗擾度試驗加MIL-STD-461E系列的發(fā)射試驗(即表1和表2)；②全部選用MIL-STD-461E系列的試驗(表1和表3)加IEC 61000系列的部分具有破壞性的試驗(即表2序號9～12)。

表1 MIL-STD-461E系列EMC發(fā)射試驗要求

表2 IEC 61000系列EMC抗擾度試驗要求

表3 MIL-STD-461E系列EMC抗擾度試驗要求

1.2 調(diào)節(jié)閥EMC試驗鑒定

現(xiàn)有的核電站調(diào)節(jié)閥選型有很多，安裝情況更是各有差別[4]。越來越多的業(yè)主要求對整機(jī)測試，而不是傳統(tǒng)地只對電氣部件分別進(jìn)行測試。這樣更能反映當(dāng)時的工況，使試驗鑒定更具準(zhǔn)確性。

調(diào)節(jié)閥整機(jī)一般電氣組件有定位器、限位開關(guān)、電磁閥等[5]。對于定位器，一般有兩根4～20 mA的輸入線。這兩根線既是電源線又是信號線。由于這兩根線通過的是非常小的電流信號，且此信號也是由上級控制柜直接給出的，因此，完全可以把它當(dāng)成一組信號線來進(jìn)行試驗，采用信號線的測試方法和等級進(jìn)行所有的測試項目。試驗前，信號源提供一個固定的輸入電流(如12 mA)，待調(diào)節(jié)閥行程穩(wěn)定后開始試驗。試驗過程中，保持電流信號不變，觀察調(diào)節(jié)閥的行程是否變化。如有變化，則判斷變化量是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。對于電磁閥，由于其一般供電為48 VDC，采用DC電源線的測試方法和等級來進(jìn)行試驗。試驗過程中，對電磁閥進(jìn)行開關(guān)動作，觀察其能否正常工作。對于限位開關(guān)，可以將其看作一組信號線。試驗過程中，使限位開關(guān)處于常閉狀態(tài)，再給限位開關(guān)供一個電壓(如48 VDC)；觀察限位開關(guān)是否狀態(tài)發(fā)生改變，并且用示波器查看這組電壓狀態(tài)，是否有超過1 ms的信號變化。試驗過程中，這些電氣部件作為一個系統(tǒng)，應(yīng)同時滿足鑒定要求。

2 EMC試驗中常見的問題和對策

EMC試驗分為發(fā)射試驗和抗擾度試驗，抗擾度試驗又可細(xì)分為一般試驗和破壞性試驗。

2.1 發(fā)射試驗常見的問題和對策

調(diào)節(jié)閥的幾個電氣部件都屬于小功率設(shè)備，電氣結(jié)構(gòu)簡單，不存在較強(qiáng)的干擾源。根據(jù)大量的EMC鑒定試驗經(jīng)驗，這類設(shè)備的電磁輻射量一般維持在較低的水平，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)給出的限值。但需要注意的是，電磁閥發(fā)射試驗過程中應(yīng)該對電磁閥進(jìn)行開關(guān)動作。這個動作會產(chǎn)生一個尖峰脈沖信號。該尖峰信號會產(chǎn)生較大的電磁干擾。因此，最容易受到影響的是CE102和RE102這兩個項目。相應(yīng)的電磁動作時的傳導(dǎo)發(fā)射頻譜、輻射發(fā)射頻譜分別如圖1、圖2所示。

圖1 電磁閥動作時的傳導(dǎo)發(fā)射頻譜圖

圖2 電磁閥動作時的輻射發(fā)射頻譜圖

如果電磁發(fā)射水平超過了規(guī)定的限值線，就需要在電磁閥的電源線上作一些處理[6]。第一個方法是加磁環(huán)或是磁珠。需要注意的是，不能直接將磁環(huán)套在線上，而是應(yīng)把線束纏繞在磁環(huán)上，以達(dá)到充分利用磁環(huán)磁通量的目的，使磁環(huán)的消磁效果盡可能達(dá)到磁飽和。第二個方法是采用屏蔽線作為電源線。屏蔽線要注意接地，并且跟樣品的金屬外殼也要充分接觸，這樣才能有效地屏蔽電磁輻射，并將干擾信號導(dǎo)出到大地上。

2.2 抗擾度試驗(浪涌)常見的問題和對策

對于抗擾度試驗，值得注意的是那幾個破壞性試驗，尤其是浪涌(組合波和振鈴波)試驗。為了防止浪涌尖峰脈沖信號將樣品內(nèi)部電路擊穿，可以采用多級構(gòu)成、逐級降壓的電路來達(dá)到防止浪涌脈沖的目的。常見的浪涌抑制器可分三級，分別為氣體放電管、壓敏電阻和穩(wěn)壓管，中間帶兩級降壓[7]。根據(jù)不同的試驗等級選取不同的保護(hù)電路，不管是從安全角度，還是經(jīng)濟(jì)角度都很有必要。

電磁閥屬于小型設(shè)備，內(nèi)部空間有限，無法安裝較多的保護(hù)電路。因此，一般都會選擇在輸入電源之間并聯(lián)一個放電二極管，通過放電二極管的放電來釋放浪涌尖峰信號，以達(dá)到保護(hù)電路的目的[8]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，有時候即使使用了放電二極管，設(shè)備也會有被打壞的可能。這是由于浪涌信號能量超出了放電管的極限，放電二極管被擊穿。因此，放電管的選型要尤為注意。由于電磁閥一般采用的都是直流供電，浪涌試驗的測試等級一般只要做到2 kV即可，所以放電管應(yīng)選擇電壓等級超過2 kV的，并且能量耐受等級應(yīng)高于單次浪涌信號的脈沖能量，一般以大于44 J為佳[9]。

定位器輸入的是一組4～20 mA信號，對信號反應(yīng)比較靈敏，屬于敏感設(shè)備，特別容易受到電磁干擾的影響。試驗時，可以把它當(dāng)成一組信號線來進(jìn)行測試，從而降低測試等級[10]。輸入線可以選擇屏蔽線。使用屏蔽線的測試方法來進(jìn)行測試，可以使信號通過耦合進(jìn)入到線路中，而不是直接注入，降低了測試風(fēng)險。

根據(jù)不同的情況，合理地使用浪涌保護(hù)裝置，靈活地選擇測試方法和等級，無論是經(jīng)濟(jì)角度,還是安全角度，都是非常好的選擇。

3 結(jié)束語

核級氣動調(diào)節(jié)閥的鑒定試驗非常重要，其直接關(guān)系著核電站能否安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。對于看不見、摸不著的電磁干擾及其鑒定試驗，很多廠家也是不知從何下手。本文通過總結(jié)歸納，提出了此類設(shè)備EMC鑒定試驗內(nèi)容以及等級的選取原則，規(guī)范了EMC鑒定試驗的要求，并對最常遇到的問題提供了解決思路。該研究為未來我國核電設(shè)備EMC鑒定的規(guī)范化和合理化發(fā)展提供了有力支持。