核電廠(chǎng)熱電阻儀表的電磁兼容分析

摘 要: 新建核電廠(chǎng)采用了全數字化的儀控系統，需要大量的無(wú)源儀表進(jìn)行采集并獲得可靠的數據?？紤]到無(wú)源儀表的可靠性及電磁兼容( EMC) 抗干擾性能，發(fā)現國內目前還未對核電廠(chǎng)無(wú)源儀表的電磁兼容鑒定作出規范要求。通過(guò)理論與實(shí)踐相結合的方式，闡明了熱電阻儀表的電磁兼容鑒定要求。首先，介紹了熱電阻儀表的基本原理與實(shí)際應用方式，并且說(shuō)明了電磁兼容的基本概念和檢測的意義。然后，通過(guò)理論分析與實(shí)際電磁兼容試驗案例，論證了熱電阻儀表需要進(jìn)行電磁兼容鑒定的意義，并且明確了電磁兼容鑒定試驗的項目及項目等級。該研究為以后國家及核電企業(yè)單位等制定國內核電廠(chǎng)中的無(wú)源儀表設備鑒定標準提供了參考。
0 引言
       2018 年，CAP1400 示范工程要求 95% 國產(chǎn)化儀控設備。國產(chǎn)化儀表將被大量用于核電廠(chǎng)中，監測并確保核電廠(chǎng)的安全［1］?？紤]到核電廠(chǎng)的特殊性，必須保證核電廠(chǎng)的可靠性與安全性。對于核電廠(chǎng)無(wú)源儀表，也需要進(jìn)行部分電磁兼容( electromagnetic compatibility，EMC) 試驗，以驗證儀表的性能。
       本文從原理、應用方式，以及 EMC 概念、意義等方面，對當下使用較多的無(wú)源儀表之一的熱電阻儀表進(jìn)行介紹，通過(guò)理論分析與實(shí)際試驗驗證，得出結論。該研究為以后核電廠(chǎng)驗收無(wú)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器，通常用在現場(chǎng)的中低溫區域。熱點(diǎn)組的測溫原理實(shí)質(zhì)，是通過(guò)金屬導體的電阻值伴隨著(zhù)溫度的上升而增加的特性進(jìn)行測量。其重要的特點(diǎn)就在于測量的精度較高，性能較為穩定。
       熱電阻儀表大多數由純金屬的材質(zhì)制作成型。當前應用較為廣泛的就是銅和鉑。由于銅和鉑成本較高，目前也開(kāi)始采用例如銠、錳和鎳等替代材料制造熱電阻。熱電阻的溫度測量數值本身無(wú)法直接被顯示出來(lái)，需要將自身的電阻信號傳遞到二次儀表或者計算機控制裝置.上來(lái)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(xiàn)性，穩定性比較好。而銅電阻則是在測溫的范圍內，電阻值和溫度呈現線(xiàn)性的關(guān)系，超過(guò)150C容易被氧化，適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)。
1.2熱電阻儀表現場(chǎng)應用的方式
       熱電阻儀表的實(shí)質(zhì)是一次傳感元器件,是將溫度的變化轉變?yōu)殡娮柚档淖兓?。在工業(yè)生產(chǎn)的現場(chǎng)，熱電阻被安裝在與控制室距離較遠處，需要使用較長(cháng)的引線(xiàn)。因此，熱電阻儀表的引線(xiàn)對最終的測量結果會(huì )有很大影響。
如今,主流的三種引線(xiàn)方式被用于熱電阻儀表現場(chǎng)接線(xiàn)中。
①二線(xiàn)制:二線(xiàn)制就是將電源、負載串聯(lián)在一起。這種接線(xiàn)的方式十分簡(jiǎn)便。但由于需要連接導線(xiàn)，一定會(huì )在其引線(xiàn)上產(chǎn)生電阻值R。R的大小與引線(xiàn)的長(cháng)度和材質(zhì)等因素相關(guān)。因此，二線(xiàn)制方式大多數適用于測量精度比較低的場(chǎng)合。
②三線(xiàn)制:通常在電源正端用一根線(xiàn),信號輸出正.端用另一根線(xiàn),而電源的負端和信號負端共用- -根線(xiàn)。這種三線(xiàn)制的方式通常搭配電橋測量方法來(lái)使用，可以很好地消除導線(xiàn)上電阻的影響。該方法是在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中較為常用的接線(xiàn)方法。
③四線(xiàn)制:在熱電阻儀表的引出口的兩端分別外接兩根引線(xiàn)的接線(xiàn)方式。其中，兩根引線(xiàn)為熱電阻提供恒定電流I,把R轉換成電壓信號U,再通過(guò)另兩根引線(xiàn)把U引至二次儀表。由此可見(jiàn)，四線(xiàn)制接線(xiàn)方式可以完全消除引線(xiàn)上的電阻影響，主要用于精度高溫度測量。
       熱電阻在實(shí)際工作中需要與二次儀表相連接，所以在測量電阻時(shí)，必須借助外加電源，一-般為0~12 V電壓信號或者4~20 mA電流信號。
2熱電阻儀表EMC抗擾度試驗要求
2.1EMC概念及無(wú)源設備測試意義
       EMC與人們的生活息息相關(guān)?，F代社會(huì )各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)飛速發(fā)展,環(huán)境噪聲不斷提高,使EMC問(wèn)題日益突出。
       EMC性能是指設備、產(chǎn)品或者系統在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其所在的環(huán)境中的任何其他設備產(chǎn)生無(wú)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:一方面是指設備在正常運行過(guò)程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不可以高于其相關(guān)標準規定的限值;另一個(gè)方面是指設備、產(chǎn)品或者系統對于其所處在的工作環(huán)境中存在的電磁干擾，達到標準相關(guān)規定的抗擾度要求，即電磁敏感性'
       無(wú)源設備的檢測，尤其是EMC抗擾度檢測，主要通過(guò)兩個(gè)途徑驗證設備的EMC性能。一個(gè)是空間上的;另一個(gè)是通過(guò)線(xiàn)纜或者線(xiàn)纜上的屏蔽層,然后對其施加干擾來(lái)查看設備是否仍然能夠正常工作。無(wú)源設備最終的目的均是考驗其EMC屏蔽的性能[4
       為了驗證設備是否具備合格的電磁兼容性能,并且可重復、可比較，各主要國家或地區都設立專(zhuān)門(mén)機構,制定EMC標準,規范測試方法、測試環(huán)境以及測試設備。.
       對于核電廠(chǎng)設備的測試，設備鑒定是證明核電廠(chǎng)安全重要設備或設施能在其預期的鑒定壽期內的任意時(shí)刻及時(shí)投運，并滿(mǎn)足系統所需性能要求，且不存在共因故障機理的過(guò)程。
2.2無(wú)源設備的EMC抗擾度試驗要求
      無(wú)源設備是指本身無(wú)需外部供電，沒(méi)有電源線(xiàn)的設備。所以在EMC測試中,涉及到電源線(xiàn)的檢測項目均無(wú)需檢測問(wèn)。以核電廠(chǎng)熱電阻儀表為例，無(wú)源設備雖然沒(méi)有電源線(xiàn)，但與二次儀表相連接,并且大多數為金屬外殼。因此，也需要驗證其屏蔽性能。
在大多數行業(yè)(特別是工業(yè)環(huán)境)中，例如火電廠(chǎng)、污水廠(chǎng)等，對于在現場(chǎng)的無(wú)源儀表,EMC抗擾度試驗相對較少并且要求不高,一些廠(chǎng)家業(yè)主等也都沒(méi)有EMC性能的概念。某火電廠(chǎng)EMC試驗要求如表1所示。從表1中可以看到，只有三項試驗，并且試驗等級都適中，沒(méi)有采用較嚴苛的等級。

       對于EMC抗擾度試驗來(lái)說(shuō)針對于工業(yè)環(huán)境的無(wú)源設備,特別是安全性要求極高的核電廠(chǎng),應當盡量選取所有可以測試的項目，以驗證其電磁兼容性能。IEC 61000-4系列抗擾度試驗項目如表2所示。其中,列出了所有無(wú)源設備的IEC 610004系列的抗擾度試驗項目。

2.3熱電阻儀表的EMC等級確認與試驗驗證
       考慮到核電廠(chǎng)將安全性和可靠性放在首位,所以針對應用于核電廠(chǎng)中的熱電阻儀表,EMC抗擾度的試驗等級應相對嚴苛。選取對應標準中的高等級來(lái)進(jìn)行檢測。核電廠(chǎng)熱電阻儀表抗擾度試驗項目及測試等級如表3所示

      在實(shí)際檢測過(guò)程中,所有熱電阻儀表需要連接二次儀表。如果沒(méi)有二次儀表，則需連接模擬源，以實(shí)時(shí)監測其阻值是否與當時(shí)的檢測環(huán)境溫度相匹配。在檢測中發(fā)現,有些廠(chǎng)家的熱電阻儀表還是有部分問(wèn)題產(chǎn)生。綜合多次檢測的結果，總結得出如下兩點(diǎn)引起檢測失敗的原因。
①在進(jìn)行IEC 6100042 靜電放電抗擾度與IEC 610004-3電場(chǎng)輻射抗擾度試驗時(shí)，某些廠(chǎng)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(guò)分析,在確認二次儀表監測部分不直接受到干擾的情況下，發(fā)現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(méi)有引出接地線(xiàn)接地。這使得干擾從縫隙進(jìn)入儀表內部或者累積存留于殼體.上,而未從大地導出，影響檢測結果。
②在進(jìn)行IEC61000-44電快速瞬變脈沖群抗擾度互連線(xiàn)的試驗時(shí)，發(fā)現某些廠(chǎng)家未使用雙絞線(xiàn)或者屏蔽線(xiàn)的熱電阻儀表在試驗中監測顯示也會(huì )有偏移或突變等現象。當換上質(zhì)地良好的屏蔽線(xiàn)后，監測顯示的溫度值基本無(wú)變化。由此可以判斷，良好的屏蔽線(xiàn)會(huì )阻礙干擾并直接導入大地。
      綜合.上述理論分析與試驗結果,可以針對核電廠(chǎng)熱電阻儀表得出如下結論。首先，試驗項目需要全覆蓋，以確?？赡芤鸶蓴_的EMC問(wèn)題都被檢測到。其次，考慮到核電廠(chǎng)的特殊性尤其是安全性，EMC的試驗等級選取標準中推薦的高等級。最后，通過(guò)在部分試驗中發(fā)現的問(wèn)題和整改結果，闡明了核電廠(chǎng)熱電阻儀表EMC鑒定的必要性。
3結束語(yǔ)
       目前，國內核電廠(chǎng)堆型多樣化，國內針對核電廠(chǎng)儀.控設備也未制定相應的EMC國家標準。在核電廠(chǎng)EMC設備鑒定中，無(wú)源儀表的EMC試驗上不完善。本文經(jīng)過(guò)理論研究與分析，選擇了具代表性的無(wú)源儀表之一的熱電阻儀表,提出并驗證了熱電阻儀表的EMC性能和其檢測必要性。核電廠(chǎng)的安全要求嚴苛,希望通過(guò)這樣的理論與試驗驗證，為國家后續的核電廠(chǎng)設計驗收等提供寶貴的經(jīng)驗。