EAU 自動(dòng)化改造的電磁干擾問(wèn)題及其解決方案

朱愛(ài)璽 王志亮

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省無(wú)錫市 214153 2.濟(jì)南建設(shè)設(shè)備安裝有限責(zé)任公司 山東省濟(jì)南市 250031）

1 項(xiàng)目背景介紹

核電站EAU 系統(tǒng)， 即核電站安全殼儀表系統(tǒng)（Containment Instrumentation），安全殼作為核電廠核安全第三道屏障，必須具備良好的強(qiáng)度性能和密封性能，用來(lái)包容反應(yīng)堆冷卻劑回路在發(fā)生失水事故產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物，確保核電站工作人員和周?chē)h(huán)境的安全。升級(jí)前的EAU 系統(tǒng)是通過(guò)手動(dòng)定期采集數(shù)據(jù)來(lái)分析和評(píng)價(jià)安全殼的強(qiáng)度性能。在核電站打壓試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集密度要求較高，傳統(tǒng)的人工采集數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)性、客觀性、安全性都難以保障。因此，各已建核電站近幾年先后啟動(dòng)了EAU 系統(tǒng)的自動(dòng)化改造。

全殼打壓試驗(yàn)是核電廠建設(shè)及商運(yùn)期間最重要的專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)之一，用于驗(yàn)證作為核安全第 三道屏障的安全殼及其附屬部件的性能是否滿足要求。核電站EAU 系統(tǒng)是打壓試驗(yàn)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，其采集的數(shù)據(jù)基本都包含溫度，應(yīng)變，應(yīng)力以及鉛垂線位置。溫度傳感器一般采用熱電偶，輸出電壓信號(hào)；應(yīng)變、應(yīng)力一般都采用振弦式傳感器，輸出頻率信號(hào)；鉛垂線位置一般采用垂線坐標(biāo)儀測(cè)量，輸出mA 電流信號(hào)。自動(dòng)化改造后，各類(lèi)傳感器的電信號(hào)都集中到自動(dòng)化采集裝置處。自動(dòng)化采集裝置選擇澳大利亞Dataker 的產(chǎn)品，主采集單元為DT85G，模擬通道擴(kuò)展模塊為CEM20，其信號(hào)采集精度為直流電壓測(cè)量：+0.1%；直流電流測(cè)量：+0.1%；直流電阻測(cè)量：+0.1%：能夠滿足核電站EAU 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度要求。

2 干擾因素分析

我們?cè)谀硞€(gè)核電站EAU 系統(tǒng)自動(dòng)化改造實(shí)施過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的隨機(jī)干擾問(wèn)題。具體表現(xiàn)為溫度測(cè)量通道采集數(shù)據(jù)的隨機(jī)跳動(dòng)。而且多個(gè)溫度信號(hào)通道的數(shù)據(jù)波動(dòng)基本同步發(fā)生。如圖1 所示。

圖1：溫度信號(hào)某通道數(shù)據(jù)異常波動(dòng)情況

溫度異常跳動(dòng)幅度達(dá)到2℃，明顯超出了數(shù)據(jù)采集裝置的精度范圍。經(jīng)反復(fù)排查，其他類(lèi)型數(shù)據(jù)通道采集正常，只有溫度傳感器通道出現(xiàn)此現(xiàn)象。考慮到現(xiàn)場(chǎng)部分坐標(biāo)儀信號(hào)傳輸通道與溫度信號(hào)通道有較長(zhǎng)的一段在電纜橋架上同軸并行且共纜，懷疑有信號(hào)干擾。將所有坐標(biāo)儀關(guān)電停用，則溫度采集通道的數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。而把所有坐標(biāo)儀上電啟用后，溫度采集通道的數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象又重復(fù)出現(xiàn)。至此可以確定是信號(hào)干擾問(wèn)題。

電磁干擾產(chǎn)生的根本原因是導(dǎo)體中有電壓或電流的變化，即較大dv/dt 或di/dt。dv/dt 或di/dt 能夠使導(dǎo)體產(chǎn)生電磁波輻射。凡是有電壓電流突變的場(chǎng)合，肯定會(huì)有電磁干擾存在。工廠企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)經(jīng)常有一些大型的設(shè)備（電機(jī)、變頻器 ）頻繁開(kāi)關(guān)，他們也會(huì)造成一些容性、感性的干擾，也將影響儀器儀表正常顯示或采集。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試垂線坐標(biāo)儀數(shù)據(jù)采集正常，應(yīng)變應(yīng)力數(shù)據(jù)采集正常，但是垂線坐標(biāo)儀信號(hào)輸出通道有35V 對(duì)地交流分量，交流分量會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，形成電磁干擾源。

應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)為頻率信號(hào)，傳輸過(guò)程中抗干擾能力強(qiáng)。垂線坐標(biāo)儀輸出4-20mA 電流信號(hào)，抗干擾能力較強(qiáng)，適用于長(zhǎng)距離傳輸。熱電偶采集通道為mV 級(jí)弱信號(hào)，抗干擾能力弱，一般不適用于長(zhǎng)距離傳輸，如需長(zhǎng)距離傳輸，通常做法是通過(guò)變送器把mV 級(jí)信號(hào)變送為V 級(jí)電壓信號(hào)或者mA級(jí)電流信號(hào)。

由此可見(jiàn)，本核電站EAU 系統(tǒng)中的干擾問(wèn)題由兩個(gè)方面的原因造成，一是熱電偶傳感器的溫度采集通道采用了不適宜長(zhǎng)距離傳輸?shù)膍V 級(jí)的弱信號(hào)，二是垂線坐標(biāo)儀輸出的直流mA 信號(hào)之外，還存在交流分量，從而作為干擾源產(chǎn)生電磁干擾。

3 對(duì)應(yīng)解決方案

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通常一個(gè)系統(tǒng)會(huì)集成多個(gè)子系統(tǒng)，包括各種自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各個(gè)子系統(tǒng)的信號(hào)類(lèi)型往往各不相同，其中既存在微弱的毫伏級(jí)、毫安級(jí)弱信號(hào)；也存在幾十伏，數(shù)千伏、數(shù)百安培的強(qiáng)信號(hào)；既包含低頻直流信號(hào)，也包含高頻脈沖信號(hào)等等。當(dāng)所有這些不同類(lèi)型的信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)整體后，經(jīng)常出現(xiàn)不同的儀表和設(shè)備之間的信號(hào)干擾問(wèn)題，從而造成采集數(shù)據(jù)不可靠，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。出現(xiàn)這種情況除了每臺(tái)儀器、設(shè)備本身的抗電磁干擾能力，還有一個(gè)十分重要的原因，就是各種儀器設(shè)備各個(gè)子系統(tǒng)基于本身要求都需要接地，例如為了安全，機(jī)殼需要接大地；為了使電路正常工作，系統(tǒng)需要有公共參考點(diǎn)；為了抑制干擾加屏蔽罩，屏蔽罩也需要接地。但是由于不同的儀表和設(shè)備之間的參考點(diǎn)之間存在電勢(shì)差（也就是各設(shè)備的共地點(diǎn)不同），因而形成“接地環(huán)流”?！敖拥丨h(huán)流”問(wèn)題是在系統(tǒng)處理信號(hào)過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。從消除干擾與抗干擾兩方面出發(fā)，給出了如下四種建議整改方案。

方案1：為了使系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)需要有公共參考點(diǎn)；但是由于各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的參考點(diǎn)之間存在電勢(shì)差（也就是各設(shè)備的共地點(diǎn)不同）因而形成“地環(huán)流”、“接地環(huán)流”問(wèn)題是在系統(tǒng)處理信號(hào)過(guò)程中必須解決的問(wèn)題，最直接的方法就是把核電站EAU 系統(tǒng)中所有坐標(biāo)儀的信號(hào)負(fù)極接地。

方案2：設(shè)法消除信號(hào)中的dv/dt 或di/dt.，也就是信號(hào)電纜中傳輸?shù)氖羌儍舻闹绷餍盘?hào)。由于垂線坐標(biāo)儀與熱電偶的信號(hào)電纜存在部分共線段，這需要在垂線坐標(biāo)儀的信號(hào)輸出位置加裝濾波裝置，把交流信號(hào)濾除干凈，由于濾波裝置相對(duì)尺寸較大，難以加裝到現(xiàn)有坐標(biāo)儀內(nèi)部，只能外放式安裝在坐標(biāo)儀附近的接線箱位置。

方案3：消除信號(hào)中的dv/dt 或di/dt，也可以通過(guò)把坐標(biāo)儀的AC220V 供電改為直流供電，供電電源采用電廠的直流電源，同時(shí)把坐標(biāo)儀內(nèi)部的整流模塊去掉，對(duì)坐標(biāo)儀進(jìn)行改造，這樣能徹底解決電磁干擾問(wèn)題。

方案4：電磁干擾的解決除了降低干擾源的途徑，還可以通過(guò)加強(qiáng)抗干擾能力的途徑。由于mV 級(jí)電壓信號(hào)本身就不建議用于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，因?yàn)樗菀资艿礁蓴_?？梢酝ㄟ^(guò)變送器把mV 級(jí)電壓信號(hào)升壓到0-5V 的電壓信號(hào)，或者把mV 級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA 的電流信號(hào)，則能夠顯著提高遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目垢蓴_能力。

方案1 到3 都是從消除干擾源出發(fā)，方案4 是從提高信道抗干擾能力出發(fā)。由于設(shè)計(jì)難以變更以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終采用第一種解決方案。在不改變熱電偶信號(hào)采集方式（提高抗電磁干擾能力）的情況下，則需盡量消除干擾源——垂線坐標(biāo)儀信號(hào)輸出通道的對(duì)地交流分量，把核電站EAU 系統(tǒng)中所有垂線坐標(biāo)儀的輸出信號(hào)負(fù)極接地。

4 室內(nèi)測(cè)試驗(yàn)證

我們?cè)谑覂?nèi)對(duì)垂線坐標(biāo)儀進(jìn)行了兩種開(kāi)關(guān)電源的接地與不接地測(cè)試，接地情況下單通道接線原理圖如圖2 所示。

圖2：坐標(biāo)儀mA 直流信號(hào)接線原理圖

測(cè)試記錄表如表1 所示。

表1：測(cè)試記錄表

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，接地后交流分量顯著降低。無(wú)論開(kāi)關(guān)電源選擇LPV-12-24 或者LPV-20-24，信號(hào)輸出端的交流分量電壓均小于1V，能夠達(dá)到消除電磁干擾效果。

5 現(xiàn)場(chǎng)整改效果

現(xiàn)場(chǎng)，我們對(duì)每臺(tái)坐標(biāo)儀的輸出信號(hào)負(fù)極接地，接線原理圖如圖3。

圖3：垂線坐標(biāo)儀信號(hào)輸出接線原理圖

由于核電站沒(méi)有在垂線坐標(biāo)儀安裝位置處提供統(tǒng)一的信號(hào)接地點(diǎn)，而僅提供電源地，AC220V 電源線纜均具備接地線，此處的負(fù)極接地接電源地最為便利，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也滿足垂線坐標(biāo)儀信號(hào)輸出端消除交流分量的要求。因此，現(xiàn)場(chǎng)只需要在原有接線基礎(chǔ)上，把Y 路輸出信號(hào)的負(fù)極與AC220V電源線纜的地線連接即可。

實(shí)際接線圖如圖4。

圖4：垂線坐標(biāo)儀信號(hào)輸出接線實(shí)物圖

對(duì)該核電站現(xiàn)場(chǎng)的12 臺(tái)垂線坐標(biāo)儀都做了信號(hào)輸出端負(fù)極接地措施后，EAU 系統(tǒng)其它部分不做任何調(diào)整，自動(dòng)化采集系統(tǒng)運(yùn)行良好，所有溫度數(shù)據(jù)采集通道均沒(méi)有再出現(xiàn)異常波動(dòng)情況。如圖5、圖6 所示。

圖5：K15 溫度時(shí)程數(shù)據(jù)曲線

圖6：N2 溫度時(shí)程數(shù)據(jù)曲線

整改后的通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)驗(yàn)收測(cè)試，在隨后的核電站打壓試驗(yàn)中，EAU 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)運(yùn)行靈活穩(wěn)定。

6 結(jié)論

核電站安全殼儀表系統(tǒng)在自動(dòng)化改造過(guò)程中，需充分考慮并設(shè)計(jì)各個(gè)接入儀器儀表的接地；同時(shí)，在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸中，盡量不要采用mV 的電壓弱信號(hào)。后續(xù)可以進(jìn)一步考慮長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸都采用數(shù)字信號(hào)，這也是邊緣計(jì)算的發(fā)展方向。