AP1000核電站不間斷電源系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證

趙厚欽，金 剛

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京100082)

為改善核電站內(nèi)部的供電質(zhì)量，核電站使用了大功率UPS(40 kVA以上)，但因其本身的工作特性引入了電磁干擾。這些干擾主要來源是UPS輸入端整流部分產(chǎn)生的高次諧波和直流—交流(DC—AC)高頻逆變器產(chǎn)生的電磁干擾，進(jìn)而影響到儀控系統(tǒng)和設(shè)備。

AP1000核電站采用全數(shù)字化儀控系統(tǒng)，由于先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)采用了大量的數(shù)字集成電路，比較容易受到電磁干擾的影響，本文就AP1000 UPS設(shè)備的電磁兼容性遵循標(biāo)準(zhǔn)、測試方法、驗(yàn)收準(zhǔn)則、試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論展開討論和分析。

1 UPS電磁兼容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與分析

一般工業(yè)用UPS設(shè)備EMC試驗(yàn)參照IEC 62040—2相關(guān)章節(jié)，按照AP1000的要求，UPS設(shè)備應(yīng)按照C3類等級進(jìn)行。C3類UPS輸出電流超過16A，適用于不直接連接至給住宅建筑物供電的低壓供電系統(tǒng)。

在NRC規(guī)程10 CFR part 50 “Domestic Licensing of Production and Utilization Facilities”中明確指出電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和浪涌承受度(SWC)被視為可能影響安全相關(guān)電氣設(shè)備的環(huán)境條件，需要在設(shè)計(jì)中考慮相關(guān)的控制措施。在核電廠中，由于存在很多安全級相關(guān)的電氣與儀控設(shè)備，因此設(shè)備電磁兼容性的要求就非常嚴(yán)格。如何解決電磁干擾問題主要取決設(shè)備以及所遵循的EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

因此，AP1000 UPS設(shè)備的EMC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比一般工業(yè)用的標(biāo)準(zhǔn)要求提高不少。表1中對比了AP1000核電站EMC要求和IEC 62040-2中試驗(yàn)項(xiàng)目和參數(shù)要求。

表1 AP1000核電站EMC要求和IEC 62040-2中試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)水平對比表

1.1 發(fā)射試驗(yàn)主要差異對比與分析

如表1所示，雖然兩份標(biāo)準(zhǔn)都要求了傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，但是AP1000的要求更為嚴(yán)苛。

1.1.1 傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)主要差異對比與分析

(1)應(yīng)用平臺：CE101和CE102交、直流都適用，而IEC 62040-2只適用交流系統(tǒng)。對于逆變器而言，其輸入為直流電源，電纜上存在紋波電壓，對上游充電器產(chǎn)生干擾。

(2)頻率范圍：AP1000核電站的EMC傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)的頻率范圍涵蓋了IEC并未要求的低頻部分，且為連續(xù)頻譜，而IEC標(biāo)準(zhǔn)為點(diǎn)頻。對于CE102，其銜接了CE101頻率的高頻，最高頻率為10 MHz，低于IEC標(biāo)準(zhǔn)的限值30 MHz。這是由于在10 MHz以上頻率，過量的傳導(dǎo)發(fā)射會導(dǎo)致輻射，MIL標(biāo)準(zhǔn)中10 MHz以上頻率范圍的傳導(dǎo)發(fā)射可以通過RE102限值要求來控制。

(3)測試儀器：MIL標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)試驗(yàn)測試儀器采用接收機(jī)+LISN+電源探頭。而IEC的測試儀器采用諧波分析儀+電流傳感器。

(4)限值：不同平臺不同電源不同限值，連續(xù)限值。而IEC標(biāo)準(zhǔn)四類設(shè)備四類限值，諧波點(diǎn)頻限值。

1.1.2 輻射發(fā)射試驗(yàn)主要差異對比與分析

(1)頻率范圍：RE101的頻率上限為100 kHz，而IEC標(biāo)準(zhǔn)的起始頻率為30 MHz。IEC的頻率范圍并未覆蓋RE101的低頻范圍，而該頻率范圍內(nèi)的磁場發(fā)射主要由供電電源和電源分配系統(tǒng)產(chǎn)生的基波和諧波造成，控制該范圍內(nèi)的干擾發(fā)射很重要，核電站內(nèi)存在大量的儀控設(shè)備，且具有高靈敏度，磁場干擾極易發(fā)生。

(2)測試方法及儀器：RE101的測試儀器為接收機(jī)+單環(huán)天線(磁場探頭)。RE102的測試儀器為干擾接收機(jī)+峰值檢波。IEC標(biāo)準(zhǔn)中的測試儀器為干擾接收機(jī)+準(zhǔn)峰值和平均值檢波。

(3)測試距離：RE101天線布置在距離設(shè)備7 cm處。RE102天線布置在距離設(shè)備1 m處。而IEC天線布置在距離設(shè)備10 m處。

1.2 抗擾度試驗(yàn)主要差異對比與分析

對于抗擾度試驗(yàn)，AP1000的抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目明顯多于IEC標(biāo)準(zhǔn)，且試驗(yàn)水平也采用最高標(biāo)準(zhǔn)。而且，新增了RS103 1～10 GHz的頻率范圍。

2 AP1000 UPS設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證

AP1000 1E級UPS設(shè)備主要設(shè)備參數(shù)如下：

(1)充電器

額定輸入電壓：380 VAC；頻率：50 Hz；額定輸出電壓：250 VDC；額定輸出電流：200 A。

(2)逆變器

容量：15 kVA；額定輸入電壓：250 VDC；額定輸出電壓：220 VAC。

(3)調(diào)壓變壓器

容量：45 kVA；一、二次額定電壓：380 VAC/220 VAC。

2.1 AP1000 UPS設(shè)備EMC試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

針對大型供電設(shè)備，要完全滿足R.G 1.180的發(fā)射要求通過試驗(yàn)是有難度的。結(jié)合UPS設(shè)備的測試結(jié)果，給出一些建議與分析。以核級充電器為例。

表2 AP1000 UPS設(shè)備EMC試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

表3 抗擾度試驗(yàn)的UPS運(yùn)行模式

2.2 CE101低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1可知，即使R.G 1.180允許交流供電設(shè)備根據(jù)基波電流對發(fā)射限值進(jìn)行調(diào)整，核級充電器的發(fā)射值仍超過了限值。其實(shí)，R.G 1.180針對此問題也給出了相應(yīng)的免除條款。如果供電電源的電能質(zhì)量符合設(shè)備對電能質(zhì)量的要求，且該設(shè)備不會向配電系統(tǒng)施加額外的諧波畸變不超過總諧波失真(THD)的5%。

圖1 核級充電器CE101低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 1E charger CE101 test result

充電器的正常輸入電壓和頻率是380VAC，50 Hz±5%，允許電壓波動范圍是+10%～-20%，即304～418 VAC。充電器上游的供電系統(tǒng)是380 VAC，50 Hz±5%，允許的電壓波動范圍是+5%～-10%。因此，上游的供電質(zhì)量符合充電器對電能質(zhì)量的要求。

同時(shí)，還需要對諧波畸變量進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算如表4和表5所示。

表4 核級充電器及上游變壓器主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表

表5 核級充電器總諧波失真計(jì)算表

根據(jù)上述計(jì)算，總諧波畸變小于5%，適用免除條款。

2.3 CE102高頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)R.G 1.180的要求，如核電廠電能質(zhì)量可控，則可以免除頻率范圍在10～450 kHz的試驗(yàn)。因此，圖2中綠色部分被免除。

對于450 kHz～2 MHz的頻率范圍，可以從以下三方面加以考慮：

(1)發(fā)射值換算成電壓后，對設(shè)備的影響。如圖二所示，超過標(biāo)準(zhǔn)限值的最大發(fā)射值約85 dBμV，換算成電壓的話約為0.018 V。這個(gè)干擾電壓對于380 V的供電電源來說可以忽略。

(2)考慮設(shè)備在空間布置中與其他設(shè)備的耦合效應(yīng)。針對充電器這一設(shè)備，同一房間內(nèi)的設(shè)備，除了核級逆變器以外，其他所有的設(shè)備都通過了CE102的試驗(yàn)。因此，只需考慮最惡劣的情況，即充電器與逆變器發(fā)射最大值的疊加效應(yīng)。根據(jù)核級逆變器的實(shí)測結(jié)果，發(fā)射值換算成電壓約0.056 V，因此，最大電壓為0.018 V+0.056 V=0.074 V，此電壓對于供電設(shè)備來說可以忽略。

圖2 核級充電器CE102低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 1E charger CE102 test result

圖3 核級充電器RE102低頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 1E charger RE102 test result

(3)結(jié)合抗擾度試驗(yàn)的測試等級。根據(jù)表1所示，該傳導(dǎo)試驗(yàn)對應(yīng)的抗擾度試驗(yàn)等級為140 dBμV，最大疊加發(fā)射值為97.38 dBμV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗擾度試驗(yàn)水平。

綜上，此偏差可以被接受。

2.4 RE102高頻電場輻射發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果分析

充電器發(fā)射最大值為80 dBμV/m(10 mV/m)，逆變器的發(fā)射最大值為65 dBμV/m(1.778 mV/m)。AP1000最惡劣的情況是同一房間擁有2臺充電器和2臺逆變器。兩臺充電器之間的距離為1 m。兩臺逆變器之間的距離為3 m。因此，最差的疊加值為23.56 mV/m，即87.43 dBμV/m。此發(fā)00射值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對應(yīng)的抗擾度試驗(yàn)水平。

此外，電場輻射發(fā)射值隨著距離的增加而衰減。根據(jù)公式(1):

(1)

根據(jù)公式(1)可以得出，87.43 dBμV/m的發(fā)射值在1 m處的值僅為原來的1/4。同時(shí)，盡管IEC 61000-4-3頻率覆蓋范圍是26 MHz以上，導(dǎo)體的尺寸與波長的比值是評價(jià)天線效率和電子元器件潛在的敏感性的關(guān)鍵因素。波長可以根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

在抗擾度試驗(yàn)中，針對最低頻率的波長長度是(3×108)/(26×106)=11.5 m。潛在的敏感的電子元器件(工控機(jī)、顯示器、PLC、I/O板卡等)通常都小于11.5 m。

2.5 其他建議

RG 1.180針對發(fā)射試驗(yàn)，也給出了三個(gè)替代方案供選擇，如圖4所示。

圖4 R.G 1.180中推薦的替代方案Fig.4 Recommended alternative proposals in R.G 1.180

在CE101和RE101可以免除的前提下，可選用上圖中任一方案進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)。針對電源類設(shè)備，建議采用IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)。

IEC 61000-6-4的空間磁場發(fā)生試驗(yàn)的頻段是30 MHz～1 GHz，而R.G 1.180中相同試驗(yàn)的頻段是2 MHz～10 GHz。核級UPS的發(fā)射存在偏差的頻段是：2～26 MHz，而存在偏差的頻段正好IEC標(biāo)準(zhǔn)中不要求，規(guī)避了偏差。因此，核級UPS設(shè)備可以通過IEC標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)。

針對IEC 61000-6-4的傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)可以通過增加一些輔助設(shè)備，例如濾波器等來通過試驗(yàn)。

3 結(jié)論

AP1000核電站應(yīng)用的UPS設(shè)備EMC特性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，論證其可行性和可靠性需要從實(shí)踐出發(fā)，本文通過分析AP1000核級UPS設(shè)備EMC試驗(yàn)報(bào)告，詳細(xì)介紹了AP1000 UPS設(shè)備EMC試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)、等級和驗(yàn)收準(zhǔn)則，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，論證了試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。