AP1000核電廠電動(dòng)閥電磁兼容性測(cè)試

陳云龍, 徐 芬

(國(guó)核工程有限公司， 上海 200233)

電磁兼容性(EMC) 是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行而不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力，主要包括：(1)設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;(2)設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性[1]。

對(duì)于AP1000核電設(shè)備的EMC測(cè)試，電廠設(shè)計(jì)方遵循美國(guó)核管會(huì)[2]的導(dǎo)則Regulatory Guide 1.180[3]，并將EMC測(cè)試要求擴(kuò)展到非核級(jí)通電設(shè)備，而不僅局限于安全相關(guān)的儀控設(shè)備。考慮到非核級(jí)通電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾可能會(huì)影響相關(guān)設(shè)備，設(shè)計(jì)方在EMC測(cè)試要求上的這種擴(kuò)展是合理且必要的。

國(guó)內(nèi)對(duì)儀控設(shè)備的EMC測(cè)試有一定的經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)閥門的EMC測(cè)試少有研究。筆者以電動(dòng)閥為例介紹核電廠閥門的EMC測(cè)試，為其他須要進(jìn)行EMC測(cè)試的閥門提供參考和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)的受試設(shè)備為電動(dòng)閥，該閥門除執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電氣部件外，其他部件均為機(jī)械部件，且對(duì)EMC測(cè)試無影響，所以對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行EMC測(cè)試。受試的執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)為2HA3031，供電要求為三相交流380 V/ 50 Hz, 工作環(huán)境溫度為5～65 ℃, 工作環(huán)境濕度為0%～100%, 防護(hù)等級(jí)為IP67,轉(zhuǎn)速為56 r/min, 轉(zhuǎn)矩為160～500 N·m, 電動(dòng)機(jī)功率為4 kW, 絕緣等級(jí)為H級(jí), 額定電流為8.8 A, 功率因數(shù)為0.86。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是過程控制系統(tǒng)中各類電動(dòng)閥門的驅(qū)動(dòng)裝置，用以控制閥門的開啟和關(guān)閉，適用于閘閥、截止閥、隔膜閥等閥門，可以準(zhǔn)確地按控制指令動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的遠(yuǎn)控、集控和自動(dòng)控制。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要部件見圖1，由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、帶手輪的蝸輪蝸桿主傳部分、開關(guān)及信號(hào)組件等部件組成。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，通過蝸桿傳至蝸輪，最終傳至輸出軸和閥桿，使閥桿上下移動(dòng)，并通過行程和轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)控制閥門的開啟和關(guān)閉。所包括的電氣設(shè)備及其附件為電動(dòng)機(jī)、行程開關(guān)(部件7的子部件)、轉(zhuǎn)矩開關(guān)(部件12的子部件)。

1—電動(dòng)機(jī)；2—手動(dòng)機(jī)構(gòu)；3—蝸輪；4—輸出軸；5—蝸桿；6—機(jī)械位置指示器；7—信號(hào)齒輪組件；8—行程控制計(jì)算器機(jī)構(gòu)；9—接線部分；10—碟簧；11—轉(zhuǎn)矩曲拐；12—轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)；13—行程軸

2 EMC測(cè)試及性能驗(yàn)證

2.1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)EMC測(cè)試

電動(dòng)機(jī)電磁干擾主要指繞組中突變磁場(chǎng)和換向器與電刷之間產(chǎn)生的火花放電。這些干擾的電磁波頻率為10 Hz～1 000 MHz， 其頻帶很寬， 場(chǎng)強(qiáng)為垂直極化和水平極化， 場(chǎng)強(qiáng)與頻率基本是正態(tài)分布。電動(dòng)機(jī)的干擾脈沖峰值幅度與電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)、正常工作的負(fù)載、繞組絕緣的老化、換向器與電刷之間的間隙及設(shè)備磨損等因素有關(guān)[4]。

在閥門的控制方面，主要測(cè)試在電磁場(chǎng)干擾下，行程和轉(zhuǎn)矩開關(guān)是否誤動(dòng)作。

根據(jù)Regulatory Guide 1.180和電廠設(shè)計(jì)要求，可以確定電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用對(duì)象等信息，其中涉及到美國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-461E[5]和國(guó)際電工委員會(huì)系列商用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。具體測(cè)試內(nèi)容見表1(根據(jù)IEC61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)，EMC測(cè)試結(jié)果的判定分為4類：a類，在制造商、委托方或用戶規(guī)定的限值內(nèi)性能正常；b類，功能或性能暫時(shí)降低或喪失，但能自行恢復(fù)；c類，功能或性能暫時(shí)降低或喪失，但需操作者干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位；d類，因損壞而不可恢復(fù)的功能降低或喪失)。

表1 測(cè)試的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表1(續(xù))

在EMC測(cè)試前，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了功能測(cè)試，驗(yàn)證功能正常后開始測(cè)試。

受試設(shè)備首先進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)，主要試驗(yàn)設(shè)備有接收機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、人工電源網(wǎng)絡(luò)、示波器、電流探頭、磁場(chǎng)接收線圈、棒狀有源天線、雙錐天線、雙脊喇叭天線、喇叭天線、3 m法改進(jìn)型半電波暗室。

表2列出了EMC發(fā)射試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)參數(shù)。

表2 EMC發(fā)射試驗(yàn)中的方法和參數(shù)

在完成發(fā)射試驗(yàn)后，受試設(shè)備進(jìn)行了表3中的抗擾度試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用的主要設(shè)備有連續(xù)波模擬器、2線或4線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)、電磁鉗、信號(hào)發(fā)生器、功率計(jì)、人工電源網(wǎng)絡(luò)、功率放大器、磁場(chǎng)線圈、屏蔽室Ⅰ、外磁場(chǎng)試驗(yàn)裝置、超小型傳導(dǎo)抗干擾信號(hào)模擬器、阻尼振蕩波模擬器、激光場(chǎng)強(qiáng)探頭、雙錐天線、雙脊喇叭天線、三相多功能可編程交流/直流電源，三相諧波閃爍分析儀，三相閃爍阻抗和3 m法改進(jìn)型半電波暗室。

表3 EMC抗擾度試驗(yàn)的方法和參數(shù)

最后，對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行了靜電放電、浪涌試驗(yàn)和電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)。主要試驗(yàn)設(shè)備有屏蔽室II、靜電放電發(fā)生器、超小型傳導(dǎo)抗干擾信號(hào)模擬器和阻尼振蕩波模擬器。試驗(yàn)方法和參數(shù)見表4。

表4 最后進(jìn)行EMC試驗(yàn)的方法和參數(shù)

在EMC測(cè)試中和測(cè)試后，受試執(zhí)行機(jī)構(gòu)無誤動(dòng)作，可正常運(yùn)行，行程控制機(jī)構(gòu)有效，行程開關(guān)、轉(zhuǎn)矩開關(guān)工作正常，機(jī)械位置指示器指示正確。

2.2 EMC試驗(yàn)后的性能驗(yàn)證

對(duì)于安全相關(guān)閥門，受試設(shè)備應(yīng)選取表1a類判定標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于非安全級(jí)閥門，試驗(yàn)委托方或用戶需要根據(jù)對(duì)閥門的功能要求確定選擇何種判定標(biāo)準(zhǔn)。

本次受試設(shè)備為非安全級(jí)閥門的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)核電廠設(shè)計(jì)方要求，該設(shè)備需要滿足b類判定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)規(guī)程，受試設(shè)備首先進(jìn)行了外觀檢查、潤(rùn)滑劑檢查、絕緣電阻檢查和耐壓檢查等測(cè)試；在通過上述測(cè)試之后，對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行了功能檢測(cè)，包括空載檢查和轉(zhuǎn)矩及行程測(cè)試。

2.2.1 空載檢查

電動(dòng)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)向順時(shí)針方向(右旋)和逆時(shí)針方向(左旋)各運(yùn)行1 min，執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)無振動(dòng)和撞擊聲，輸出軸的空載轉(zhuǎn)速應(yīng)符合54～60 r/min的要求；行程限制機(jī)構(gòu)計(jì)數(shù)器工作正常，無卡滯及停頓現(xiàn)象，無異常聲響；所配置的機(jī)械位置指示器應(yīng)正常工作，無停頓、滯后現(xiàn)象。

2.2.2 轉(zhuǎn)矩及行程測(cè)試

在0.9倍額定電壓條件下，測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)在兩個(gè)方向的最大轉(zhuǎn)矩(即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩)、最大控制轉(zhuǎn)矩(通過設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩)、最小控制轉(zhuǎn)矩(通過設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩)、轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差及行程重復(fù)偏差等性能。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，受試設(shè)備滿足檢測(cè)規(guī)程中的性能要求，可判定其滿足Regulatory Guide 1.180中基于b類判據(jù)的EMC測(cè)試要求。

3 EMC測(cè)試的注意事項(xiàng)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容的確定

在設(shè)備進(jìn)行EMC測(cè)試前，首先須要確定試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)參數(shù)和判定標(biāo)準(zhǔn)。通常，設(shè)備規(guī)范書或相關(guān)設(shè)計(jì)文件會(huì)明確上述內(nèi)容。若有未明確的內(nèi)容，應(yīng)與設(shè)計(jì)方溝通確認(rèn)。

在明確判定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，對(duì)于a類判據(jù)中“限值內(nèi)性能正?！钡木唧w內(nèi)容或受試設(shè)備在試驗(yàn)中的異常情況，則需要EMC試驗(yàn)機(jī)構(gòu)、設(shè)備原供方、電廠設(shè)計(jì)方和設(shè)備采購(gòu)方進(jìn)行聯(lián)合確認(rèn)，以保證供貨產(chǎn)品能滿足電廠的設(shè)計(jì)和使用要求。

3.2 試驗(yàn)順序

大部分EMC測(cè)試不會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生破壞作用，但靜電放電、浪涌試驗(yàn)和電快速瞬變脈沖群可能損傷受試設(shè)備。通常，EMC 測(cè)試首先進(jìn)行表1中第1～4項(xiàng)的發(fā)射試驗(yàn)，隨后執(zhí)行表1中第5～8項(xiàng)的抗擾度試驗(yàn)，最后是表1中第9項(xiàng)靜電放電試驗(yàn)和第10～12項(xiàng)的浪涌試驗(yàn)和電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)。

3.3 其他類型閥門的EMC測(cè)試

對(duì)于氣動(dòng)閥，須要對(duì)定位器、壓力變送器等電氣設(shè)備進(jìn)行EMC測(cè)試；對(duì)于電磁閥，須要對(duì)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行EMC測(cè)試。

氣液聯(lián)動(dòng)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含電動(dòng)機(jī)、電磁閥和壓力變送器等設(shè)備，可對(duì)氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行EMC測(cè)試。這種測(cè)試方法不僅考慮了不同部件間電磁性能的相互影響，可驗(yàn)證受試設(shè)備整體的EMC性能，同時(shí)也比分別對(duì)各部件進(jìn)行試驗(yàn)更高效。對(duì)于集成了電動(dòng)機(jī)、電磁閥、定位器、位置變送器等部件的電液聯(lián)動(dòng)閥，也優(yōu)先考慮對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行EMC測(cè)試。

對(duì)于氣液聯(lián)動(dòng)或電液聯(lián)動(dòng)等較大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除對(duì)EMC測(cè)試不影響或影響不大的部件[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

核電廠閥門，特別是安全級(jí)閥門，對(duì)電廠安全至關(guān)重要。因閥門的EMC會(huì)影響閥門的正常運(yùn)行，目前EMC測(cè)試已被電廠設(shè)計(jì)方作為設(shè)計(jì)要求。筆者使用的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、性能驗(yàn)證及測(cè)試方法等內(nèi)容可作為核電廠閥門進(jìn)行EMC測(cè)試的參考，有助于在國(guó)內(nèi)開展核電廠閥門的EMC測(cè)試和相關(guān)研究，以保障核電廠安全和穩(wěn)定地運(yùn)行。