基于核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)的電磁兼容RS和CS鑒定試驗(yàn)探究

楊 劍，谷 宇，劉春明

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

大多數(shù)的電子設(shè)備都會(huì)在某種情況下受到電磁輻射的影響[1]。在核電站內(nèi)就有諸如操作人員及安保人員使用的手持無線電通訊設(shè)備、常規(guī)島內(nèi)的汽輪機(jī)及水泵、控制室內(nèi)的各種儀控柜等電磁源，這些電磁源會(huì)源源不斷地向外發(fā)射電磁波。這些干擾按照耦合路徑分，可分為傳導(dǎo)性干擾和空間輻射性干擾。結(jié)合核電儀控系統(tǒng)特征，要保證核電儀控系統(tǒng)在傳導(dǎo)性干擾（150KHz～80MHz）及空間輻射性干擾（80MHz～6GHz）的情況下，各種信號(hào)不發(fā)生異常跳變，即系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，出現(xiàn)儀控系統(tǒng)性能降低甚至功能喪失的問題。針對(duì)此問題，行業(yè)內(nèi)通常依據(jù)IEC61000-4 系列標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行試驗(yàn)。具體地說，依據(jù)IEC61000-4-3《電磁兼容性.第4-3 部分：試驗(yàn)和測量技術(shù),輻射、射頻和電磁場的抗擾性試驗(yàn)》、IEC61000-4-6《電磁兼容性 (EMC).第4-6 部分：試驗(yàn)和測量技術(shù).防止因射頻場誘發(fā)的傳導(dǎo)干擾》執(zhí)行。

1 RS、CS原理及影響因素

射頻電 磁場輻 射抗擾 度（RS：Radiated Susceptibility）試驗(yàn)，主要是測試儀控系統(tǒng)對(duì)來自于80MHz～6GHz 頻率內(nèi)干擾源的抗擾度。試驗(yàn)中干擾源為信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生的可調(diào)制正弦波，其測試對(duì)象為外殼端口，即整個(gè)設(shè)備和部分連接線纜，干擾通過發(fā)射天線輻射至整個(gè)測試對(duì)象。

射頻感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度（CS：Conducted Susceptibility）試驗(yàn)，主要是測試儀控系統(tǒng)對(duì)來自于150KHz～80MHz 頻率內(nèi)干擾源的傳導(dǎo)騷擾抗擾度。試驗(yàn)中干擾源為信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生的可調(diào)制正弦波，其測試對(duì)象為線纜及連接線纜的端口，干擾通過電流鉗或直接注入的方式接入測試對(duì)象，測試對(duì)象與陪測設(shè)備間需加裝去耦裝置。

基于上述試驗(yàn)原理及核電儀控系統(tǒng)組成因素分析，可以得出RS、CS 試驗(yàn)的干擾源為可調(diào)制正弦波，干擾會(huì)通過空間及線纜對(duì)機(jī)柜、線纜、儀控系統(tǒng)中的IO 設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2 鑒定試驗(yàn)分析

在此章節(jié)，將按照從工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的邏輯，按機(jī)柜、信號(hào)線纜、信號(hào)線屏蔽層、電路設(shè)計(jì)及PCB 設(shè)計(jì)等的順序，分析其對(duì)電磁兼容的影響。通過控制變量法，用實(shí)際具體的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對(duì)單一因素進(jìn)行比對(duì)，從而分析RS 及CS 的影響因素，并對(duì)改善方法進(jìn)行總結(jié)歸納。

2.1 工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)柜結(jié)構(gòu)

機(jī)柜是整個(gè)系統(tǒng)中最大的一部分，機(jī)柜金屬殼體在電磁兼容試驗(yàn)中起到了非常好的屏蔽作用。因?yàn)殡姶湃肷洳ㄕ丈浣饘倨帘误w時(shí)大部分會(huì)在表面被直接反射走，一部分在金屬屏蔽體內(nèi)不斷反射并逐漸衰減，最后一部分透過屏蔽體或由屏蔽體的孔隙進(jìn)入機(jī)柜。

在機(jī)柜設(shè)計(jì)階段時(shí)，針對(duì)EMC 問題，主要考慮機(jī)柜金屬屏蔽體材料、金屬屏蔽體的厚度、屏蔽體結(jié)構(gòu)的孔隙及機(jī)柜整體的電氣連接性。而在測試階段，需考慮成本及項(xiàng)目工期等因素，又因機(jī)柜材料、厚度、結(jié)構(gòu)等因素已確定且無法進(jìn)行有效可行的整改。因此，一般會(huì)對(duì)機(jī)柜的電氣連接性進(jìn)行整改。

將內(nèi)外整體噴涂絕緣漆的機(jī)柜記為配置①；將原始機(jī)柜接地排、導(dǎo)軌用銅編織帶模擬充分連接記為配置②。在其他條件均保持一致的情況下，改變機(jī)柜電氣連接性，以熱電偶TC 信號(hào)、四線制熱電阻RTD 信號(hào)（記為RTD-4，下同）、三線制熱電阻RTD 信號(hào)（記為RTD-3，下同）3種類型信號(hào)的精度進(jìn)行量化，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。詳情見表1。

表1 機(jī)柜電氣連接性比對(duì)Table 1 Comparison of electrical connectivity of cabinets

由表1 可知，機(jī)柜的電氣連接性是EMC 的一個(gè)關(guān)鍵因素。良好的電氣連接性在RS、CS 試驗(yàn)時(shí)，均可以有效提高信號(hào)精度。

針對(duì)電氣連接性，可有如下方法進(jìn)行改善：

1）首先，觀察與儀控系統(tǒng)IO 設(shè)備直接連接的導(dǎo)軌或背板與機(jī)柜接地點(diǎn)的連接情況。為保證IO 設(shè)備接地良好，此連接處最好不要進(jìn)行噴漆處理。

2）然后，觀察整體結(jié)構(gòu)連接性。機(jī)柜如果不是一體化鑄造，要仔細(xì)觀察各結(jié)構(gòu)件間的連接處，合理應(yīng)用墊片增加連接性。

2.1.2 信號(hào)線纜

信號(hào)線纜在電磁兼容試驗(yàn)中十分重要，不僅是因?yàn)樾盘?hào)線纜是儀控系統(tǒng)中物理距離最長的部分，很容易通過近場的耦合作用對(duì)數(shù)字化儀控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。而且在空間輻射上，它還將等效類似于一根吸收和輻射噪聲的天線。

為對(duì)抗電容性耦合，信號(hào)線纜主要需減少與噪聲導(dǎo)體間的分布電容。為了達(dá)到這個(gè)目的，最簡單的方法為加大與噪聲導(dǎo)體之間的距離。在應(yīng)用時(shí)，信號(hào)線不能與電源共用一根線纜且信號(hào)線要遠(yuǎn)離電源線及高頻信號(hào)線。

但是試驗(yàn)依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，干擾源及信號(hào)線位置相對(duì)固定，無法使用增大信號(hào)線纜與干擾源的距離來減少導(dǎo)體的分布電容，所以試驗(yàn)現(xiàn)場最好的方式是使用電磁屏蔽，即在信號(hào)線外增加屏蔽層。屏蔽層接地后屏蔽層上電勢為零，所以受感應(yīng)導(dǎo)體上的噪聲電壓也為零。而在實(shí)際中，不同的屏蔽層接地方式也會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響[2]。

將屏蔽層與被屏蔽線纜分開，將屏蔽層扭成一個(gè)辮子形狀的導(dǎo)線后，接地。這種接地方式也被稱為“豬尾巴”接地，將此種屏蔽層接地方式記為配置③；用銅箔將屏蔽層直接貼于接地點(diǎn)記為配置④；用結(jié)構(gòu)件將屏蔽層環(huán)接于接地點(diǎn)記為配置⑤。在其他條件均保持一致的情況下，改變屏蔽層接地方式，以TC 信號(hào)、RTD-4 信號(hào)、RTD-3 信號(hào)3 種類型信號(hào)的精度進(jìn)行量化，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。詳情見表2。

表2 屏蔽層接地方式比對(duì)Table 2 Comparison of shielding layer grounding methods

由表2 可知，良好的信號(hào)線纜屏蔽層接地，將有效避免干擾，提高信號(hào)精度。

在工程實(shí)際中，由于受影響的信號(hào)線纜不可能全部封閉在屏蔽層內(nèi)（包括導(dǎo)體兩端外漏的部分及編制屏蔽層的縫隙），為了解決這部分問題的影響增強(qiáng)電場屏蔽效果：

◇盡量降低中心信號(hào)線暴露在屏蔽層外的長度[3]。

◇為屏蔽層提供一個(gè)良好的接地，具體方式應(yīng)該依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選擇。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)件環(huán)接的接地效果好于直接貼接，好于“豬尾巴”接地。

信號(hào)線纜對(duì)抗電感性耦合，主要是減少電流回路之間的互感，為了達(dá)到這個(gè)目的：

1）可以增大電流回路間的耦合距離，一般增加回路之間的相對(duì)位置。

2）采用電磁屏蔽線纜，一般是使用雙絞線纜和同軸線纜。

但是試驗(yàn)現(xiàn)場依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，增加耦合距離的方式不容易執(zhí)行，所以一般考慮使用電磁屏蔽線纜。

將一般DB25 線纜記為配置⑥；將核級(jí)儀表雙絞線纜記為配置⑦。在其他條件均保持一致的情況下，改變線纜規(guī)格，以TC 信號(hào)、RTD-4 信號(hào)、RTD-3 信號(hào)3 種類型信號(hào)的精度進(jìn)行量化，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。詳情見表3。

表3 電磁屏蔽線纜比對(duì)Table 3 Comparison of electromagnetic shielded cables

由表3 可知，線纜規(guī)格越高，防護(hù)的等級(jí)也將越好，信號(hào)的精度也將提高。但是，使用電磁屏蔽線纜需要注意以下幾點(diǎn)：

a）屏蔽體的截止頻率。當(dāng)導(dǎo)線中通過的電流的頻率遠(yuǎn)大于屏蔽體截止頻率時(shí)，屏蔽效果好；當(dāng)導(dǎo)線中通過的電流低于5 倍的屏蔽體截止頻率時(shí)，大部分電流會(huì)通過地面返回，屏蔽效果小。

b）屏蔽雙絞線是一種十分方便的電磁屏蔽措施，但是因?yàn)橛休^大的電容，所以不適用于高頻或高阻抗回路。一般是使用在頻率低于100kHZ 的屏蔽。

c）無論是屏蔽雙絞線還是同軸線纜，為了抑制電容性耦合，最好使用單端接地。只有在大于1MHz 時(shí)，才將屏蔽體兩端接地。

2.2 電路設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)

2.2.1 電路設(shè)計(jì)

從電路設(shè)計(jì)方面，考慮增強(qiáng)數(shù)字化儀控系統(tǒng)抗擾性能一般方法為在信號(hào)采集電路前端增加一階有源濾波電路，增強(qiáng)板卡整體濾波性能和使用數(shù)字濾波方式。

有源濾波電路由RC 網(wǎng)絡(luò)及放大器組成，RC 濾波電路廣泛應(yīng)用于對(duì)信號(hào)處理要求高的場合，但是想要改變?yōu)V波截止頻率需要大量的計(jì)算來調(diào)整電阻和電容的數(shù)值。同時(shí)，因RC 網(wǎng)絡(luò)本身的電路特點(diǎn)，在增強(qiáng)信號(hào)抗擾能力時(shí)，會(huì)延長系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

數(shù)字濾波是一種計(jì)算過程，濾波系統(tǒng)不需要硬件支撐，可靠性高并且不會(huì)出現(xiàn)阻抗匹配等問題。調(diào)整濾波截止頻率只要修改程序參數(shù)即可，同時(shí)在RC 濾波電路處理效果較差的低頻段也可以很好地發(fā)揮濾波作用。但是數(shù)字濾波需要占據(jù)運(yùn)算資源，受運(yùn)算速度及內(nèi)存大小影響，想要實(shí)現(xiàn)高難度數(shù)字濾波過程也比較困難。

將正常板卡的配置記為配置⑧；將正常板卡外接輔助濾波模塊記為配置⑨。在其他條件均保持一致的情況下，改變?yōu)V波配置，以TC 信號(hào)、RTD 信號(hào)兩種類型信號(hào)的精度進(jìn)行量化，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。詳情見表4。

表4 濾波器比對(duì)Table 4 Filter comparison

由表4 可知，增加濾波電路能有效降低干擾對(duì)信號(hào)精度的影響。

結(jié)合兩種濾波的優(yōu)缺點(diǎn)及核電系統(tǒng)已完成設(shè)備鑒定試驗(yàn)的板卡原理圖，發(fā)現(xiàn)將兩種濾波方式結(jié)合使用，即在信號(hào)采集電路前端增加一階RC 濾波電路，同時(shí)通過AD 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)字濾波，效果是最好的。

2.2.2 PCB設(shè)計(jì)

從PCB 設(shè)計(jì)方面考慮，增強(qiáng)數(shù)字化儀控系統(tǒng)抗擾性能主要方法為合理進(jìn)行分區(qū)、設(shè)置禁止布線區(qū)域，針對(duì)其進(jìn)行合理的疊層設(shè)計(jì)。

合理的分區(qū)，可以最小化走線長度，提高信號(hào)完整性，最小化寄生耦合風(fēng)險(xiǎn)，防止RF 能量在不同帶寬區(qū)域耦合傳播，利于電路之間濾波抑制，也有利于局部屏蔽的實(shí)現(xiàn)。

禁止布線區(qū)域的設(shè)置，可以減少板內(nèi)時(shí)鐘或高頻電路產(chǎn)生的高頻場（磁場、電場）影響IO 采集電路及信號(hào)端口。

PCB 疊層設(shè)計(jì)是將絕緣體和銅層進(jìn)行分層放置，良好的多層機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)板卡的抗電磁干擾能力。

針對(duì)上述影響，可以進(jìn)行的整改方案如下：

1）分區(qū)設(shè)計(jì)。首先，高速邏輯區(qū)域不能靠近I/O 區(qū)域；其次，晶振和高頻振蕩器要靠近集成電路；最后，I/O 驅(qū)動(dòng)要靠近連接器。

2）禁止布線區(qū)域要離板邊，最少應(yīng)保持20 倍信號(hào)線與返回參考平面的間距，并且關(guān)鍵信號(hào)都不應(yīng)該在該區(qū)域走線。

3）對(duì)8 層板來說，要合理改變層的排列順序，信號(hào)層與平面層要相鄰，使用多個(gè)接地層來減少接地阻抗。

3 結(jié)束語

從工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及PCB 設(shè)計(jì)3 個(gè)大方面，以及機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)線纜選擇與應(yīng)用、濾波電路設(shè)計(jì)與PCB 設(shè)計(jì)幾個(gè)小的方面，通過控制變量的方法，對(duì)單一因素進(jìn)行實(shí)際的鑒定試驗(yàn)。以TC 信號(hào)、RTD-4 信號(hào)及RTD-3 信號(hào)精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，探究了RS 及CS 試驗(yàn)應(yīng)力對(duì)數(shù)字化核電儀控系統(tǒng)的影響；分析了影響的產(chǎn)生原因，并結(jié)合相應(yīng)的因素給出了一些整改措施，為今后核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)RS、CS 試驗(yàn)的通過提供設(shè)計(jì)上的思路。更重要的是，提出了一種解決思路。出現(xiàn)問題后，可依據(jù)此排查不同因素對(duì)試驗(yàn)的影響，然后針對(duì)不同的因素采取不同的方式整改。將系統(tǒng)性的EMC 問題，分割到小的因素上，提高了EMC 問題的定位、解決效率。