核電廠熱電阻儀表的電磁兼容鑒定研究

楊 鍇

(1.上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所有限公司,上海 200233；2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233；3.國(guó)家能源核電站儀表研(實(shí)驗(yàn))中心,上海 200233)

0 引言

2018年，浙江三門AP1000世界首堆的并網(wǎng)發(fā)電，是第三代非能動(dòng)的核電廠里程碑式的開始。國(guó)家重大戰(zhàn)略之一的CAP1400示范工程項(xiàng)目也將正式開啟。CAP1400示范工程要求95%國(guó)產(chǎn)化儀控設(shè)備。國(guó)產(chǎn)化儀表將被大量用于核電廠中，監(jiān)測(cè)并確保核電廠的安全[1]?？紤]到核電廠的特殊性，必須保證核電廠的可靠性與安全性。對(duì)于核電廠無源儀表，也需要進(jìn)行部分電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)試驗(yàn)，以驗(yàn)證儀表的性能。

本文從原理、應(yīng)用方式，以及EMC概念、意義等方面，對(duì)當(dāng)下使用較多的無源儀表之一的熱電阻儀表進(jìn)行介紹，通過理論分析與實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論。該研究為以后核電廠驗(yàn)收無源儀表提供了參考。

1 熱電阻儀表

1.1 熱電阻儀表基本概念

熱電阻儀表是一種常用的溫度檢測(cè)器，通常用在現(xiàn)場(chǎng)的中低溫區(qū)域。熱點(diǎn)組的測(cè)溫原理實(shí)質(zhì)，是通過金屬導(dǎo)體的電阻值伴隨著溫度的上升而增加的特性進(jìn)行測(cè)量。其重要的特點(diǎn)就在于測(cè)量的精度較高，性能較為穩(wěn)定。

熱電阻儀表大多數(shù)由純金屬的材質(zhì)制作成型。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的就是銅和鉑。由于銅和鉑成本較高，目前也開始采用例如銠、錳和鎳等替代材料制造熱電阻。熱電阻的溫度測(cè)量數(shù)值本身無法直接被顯示出來，需要將自身的電阻信號(hào)傳遞到二次儀表或者計(jì)算機(jī)控制裝置上來顯示。

鉑電阻的精度高，多用于氧化性和中性介質(zhì)，具有溫度越高電阻變化率越小的非線性，穩(wěn)定性比較好。而銅電阻則是在測(cè)溫的范圍內(nèi)，電阻值和溫度呈現(xiàn)線性的關(guān)系，超過150 ℃容易被氧化，適用于無腐蝕介質(zhì)。

1.2 熱電阻儀表現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的方式

熱電阻儀表的實(shí)質(zhì)是一次傳感元器件，是將溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓Ｔ诠I(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，熱電阻被安裝在與控制室距離較遠(yuǎn)處，需要使用較長(zhǎng)的引線。因此，熱電阻儀表的引線對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果會(huì)有很大影響。

如今，主流的三種引線方式被用于熱電阻儀表現(xiàn)場(chǎng)接線中。

①二線制：二線制就是將電源、負(fù)載串聯(lián)在一起。這種接線的方式十分簡(jiǎn)便。但由于需要連接導(dǎo)線，一定會(huì)在其引線上產(chǎn)生電阻值R。R的大小與引線的長(zhǎng)度和材質(zhì)等因素相關(guān)。因此，二線制方式大多數(shù)適用于測(cè)量精度比較低的場(chǎng)合。

②三線制：通常在電源正端用一根線，信號(hào)輸出正端用另一根線，而電源的負(fù)端和信號(hào)負(fù)端共用一根線。這種三線制的方式通常搭配電橋測(cè)量方法來使用，可以很好地消除導(dǎo)線上電阻的影響。該方法是在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中較為常用的接線方法。

③四線制：在熱電阻儀表的引出口的兩端分別外接兩根引線的接線方式。其中，兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。由此可見，四線制接線方式可以完全消除引線上的電阻影響，主要用于高精度溫度測(cè)量。

熱電阻在實(shí)際工作中需要與二次儀表相連接，所以在測(cè)量電阻時(shí)，必須借助外加電源，一般為0～12 V電壓信號(hào)或者4～20 mA電流信號(hào)[2]。

2 熱電阻儀表EMC抗擾度試驗(yàn)要求

2.1 EMC概念及無源設(shè)備測(cè)試意義

EMC與人們的生活息息相關(guān)。現(xiàn)代社會(huì)各種無線技術(shù)飛速發(fā)展，環(huán)境噪聲不斷提高，使EMC問題日益突出。

EMC性能是指設(shè)備、產(chǎn)品或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行，并不對(duì)其所在的環(huán)境中的任何其他設(shè)備產(chǎn)生無法經(jīng)受的電磁干擾的能力。EMC實(shí)際分為兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不可以高于其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值；另一個(gè)方面是指設(shè)備、產(chǎn)品或者系統(tǒng)對(duì)于其所處在的工作環(huán)境中存在的電磁干擾，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定的抗擾度要求，即電磁敏感性[3]。

無源設(shè)備的檢測(cè)，尤其是EMC抗擾度檢測(cè)，主要通過兩個(gè)途徑驗(yàn)證設(shè)備的EMC性能。一個(gè)是空間上的；另一個(gè)是通過線纜或者線纜上的屏蔽層，然后對(duì)其施加干擾來查看設(shè)備是否仍然能夠正常工作。無源設(shè)備最終的目的均是考驗(yàn)其EMC屏蔽的性能[4]。

為了驗(yàn)證設(shè)備是否具備合格的電磁兼容性能，并且可重復(fù)、可比較，各主要國(guó)家或地區(qū)都設(shè)立專門機(jī)構(gòu)，制定EMC標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范測(cè)試方法、測(cè)試環(huán)境以及測(cè)試設(shè)備。

對(duì)于核電廠設(shè)備的測(cè)試，設(shè)備鑒定是證明核電廠安全重要設(shè)備或設(shè)施能在其預(yù)期的鑒定壽期內(nèi)的任意時(shí)刻及時(shí)投運(yùn)，并滿足系統(tǒng)所需性能要求，且不存在共因故障機(jī)理的過程[5]。

2.2 無源設(shè)備的EMC抗擾度試驗(yàn)要求

無源設(shè)備是指本身無需外部供電，沒有電源線的設(shè)備。所以在EMC測(cè)試中，涉及到電源線的檢測(cè)項(xiàng)目均無需檢測(cè)[6]。以核電廠熱電阻儀表為例，無源設(shè)備雖然沒有電源線，但與二次儀表相連接，并且大多數(shù)為金屬外殼。因此，也需要驗(yàn)證其屏蔽性能[7]。

在大多數(shù)行業(yè)(特別是工業(yè)環(huán)境)中，例如火電廠、污水廠等，對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)的無源儀表，EMC抗擾度試驗(yàn)相對(duì)較少并且要求不高，一些廠家業(yè)主等也都沒有EMC性能的概念。某火電廠EMC試驗(yàn)要求如表1所示。從表1中可以看到，只有三項(xiàng)試驗(yàn)，并且試驗(yàn)等級(jí)都適中，沒有采用較嚴(yán)苛的等級(jí)。

表1 某火電廠EMC試驗(yàn)要求

對(duì)于EMC抗擾度試驗(yàn)來說，針對(duì)于工業(yè)環(huán)境的無源設(shè)備，特別是安全性要求極高的核電廠，應(yīng)當(dāng)盡量選取所有可以測(cè)試的項(xiàng)目，以驗(yàn)證其電磁兼容性能。IEC 61000-4系列抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。其中，列出了所有無源設(shè)備的IEC 61000-4系列的抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目。

表2 IEC 61000-4系列抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目

2.3 熱電阻儀表的EMC等級(jí)確認(rèn)與試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮到核電廠將安全性和可靠性放在首位，所以針對(duì)應(yīng)用于核電廠中的熱電阻儀表，EMC抗擾度的試驗(yàn)等級(jí)應(yīng)相對(duì)嚴(yán)苛。選取對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的最高等級(jí)來進(jìn)行檢測(cè)。核電廠熱電阻儀表抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)試等級(jí)如表3所示[8]。

表3 核電廠熱電阻儀表抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)試等級(jí)

在實(shí)際檢測(cè)過程中，所有熱電阻儀表需要連接二次儀表。如果沒有二次儀表，則需連接模擬源，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其阻值是否與當(dāng)時(shí)的檢測(cè)環(huán)境溫度相匹配。

在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，有些廠家的熱電阻儀表還是有部分問題產(chǎn)生。綜合多次檢測(cè)的結(jié)果，總結(jié)得出如下兩點(diǎn)引起檢測(cè)失敗的原因[9]。

①在進(jìn)行IEC 61000-4-2 靜電放電抗擾度與IEC 61000-4-3電場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)時(shí)，某些廠家的熱電阻儀表另一端的二次儀表顯示溫度會(huì)有突變。經(jīng)過分析，在確認(rèn)二次儀表監(jiān)測(cè)部分不直接受到干擾的情況下，發(fā)現(xiàn)這些熱電阻儀表外殼縫隙較大，或者接地不良好，甚至有些熱電阻儀表未考慮接地，沒有引出接地線接地。這使得干擾從縫隙進(jìn)入儀表內(nèi)部或者累積存留于殼體上，而未從大地導(dǎo)出，最終影響檢測(cè)結(jié)果。

②在進(jìn)行IEC 61000-4-4電快速瞬變脈沖群抗擾度互連線的試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些廠家未使用雙絞線或者屏蔽線的熱電阻儀表在試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)顯示也會(huì)有偏移或突變等現(xiàn)象。當(dāng)換上質(zhì)地良好的屏蔽線后，監(jiān)測(cè)顯示的溫度值基本無變化。由此可以判斷，良好的屏蔽線會(huì)阻礙干擾并直接導(dǎo)入大地。

綜合上述理論分析與試驗(yàn)結(jié)果，可以針對(duì)核電廠熱電阻儀表得出如下結(jié)論。首先，試驗(yàn)項(xiàng)目需要全覆蓋，以確?？赡芤鸶蓴_的EMC問題都被檢測(cè)到。其次，考慮到核電廠的特殊性尤其是安全性，EMC的試驗(yàn)等級(jí)選取標(biāo)準(zhǔn)中推薦的最高等級(jí)。 最后，通過在部分試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題和整改結(jié)果，闡明了核電廠熱電阻儀表EMC鑒定的必要性。

3 結(jié)束語

目前，國(guó)內(nèi)核電廠堆型多樣化，國(guó)內(nèi)針對(duì)核電廠儀控設(shè)備也未制定相應(yīng)的EMC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在核電廠EMC設(shè)備鑒定中，無源儀表的EMC試驗(yàn)上不完善。本文經(jīng)過理論研究與分析，選擇了最具代表性的無源儀表之一的熱電阻儀表，提出并驗(yàn)證了熱電阻儀表的EMC性能和其檢測(cè)必要性。核電廠的安全要求最為嚴(yán)苛，希望通過這樣的理論與試驗(yàn)驗(yàn)證，為國(guó)家后續(xù)的核電廠設(shè)計(jì)驗(yàn)收等提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。