基于核電廠數字化儀控系統的電磁兼容RS和CS鑒定試驗探究

楊 劍，谷 宇，劉春明

（北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094）

0 引言

大多數的電子設備都會在某種情況下受到電磁輻射的影響[1]。在核電站內就有諸如操作人員及安保人員使用的手持無線電通訊設備、常規島內的汽輪機及水泵、控制室內的各種儀控柜等電磁源，這些電磁源會源源不斷地向外發射電磁波。這些干擾按照耦合路徑分，可分為傳導性干擾和空間輻射性干擾。結合核電儀控系統特征，要保證核電儀控系統在傳導性干擾（150KHz～80MHz）及空間輻射性干擾（80MHz～6GHz）的情況下，各種信號不發生異常跳變，即系統不會發生誤動作，出現儀控系統性能降低甚至功能喪失的問題。針對此問題，行業內通常依據IEC61000-4 系列標準執行試驗。具體地說，依據IEC61000-4-3《電磁兼容性.第4-3 部分：試驗和測量技術,輻射、射頻和電磁場的抗擾性試驗》、IEC61000-4-6《電磁兼容性 (EMC).第4-6 部分：試驗和測量技術.防止因射頻場誘發的傳導干擾》執行。

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，主要是測試儀控系統對來自于80MHz～6GHz 頻率內干擾源的抗擾度。試驗中干擾源為信號發生裝置產生的可調制正弦波，其測試對象為外殼端口，即整個設備和部分連接線纜，干擾通過發射天線輻射至整個測試對象。

射頻感應的傳導騷擾抗擾度（CS：Conducted Susceptibility）試驗，主要是測試儀控系統對來自于150KHz～80MHz 頻率內干擾源的傳導騷擾抗擾度。試驗中干擾源為信號發生裝置產生的可調制正弦波，其測試對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象，測試對象與陪測設備間需加裝去耦裝置。

基于上述試驗原理及核電儀控系統組成因素分析，可以得出RS、CS 試驗的干擾源為可調制正弦波，干擾會通過空間及線纜對機柜、線纜、儀控系統中的IO 設備產生干擾。

2 鑒定試驗分析

在此章節，將按照從工程系統設計到產品設計的邏輯，按機柜、信號線纜、信號線屏蔽層、電路設計及PCB 設計等的順序，分析其對電磁兼容的影響。通過控制變量法，用實際具體的試驗測試數據對單一因素進行比對，從而分析RS 及CS 的影響因素，并對改善方法進行總結歸納。

2.1 工程系統設計

2.1.1 機柜結構

機柜是整個系統中最大的一部分，機柜金屬殼體在電磁兼容試驗中起到了非常好的屏蔽作用。因為電磁入射波照射金屬屏蔽體時大部分會在表面被直接反射走，一部分在金屬屏蔽體內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入機柜。

在機柜設計階段時，針對EMC 問題，主要考慮機柜金屬屏蔽體材料、金屬屏蔽體的厚度、屏蔽體結構的孔隙及機柜整體的電氣連接性。而在測試階段，需考慮成本及項目工期等因素，又因機柜材料、厚度、結構等因素已確定且無法進行有效可行的整改。因此，一般會對機柜的電氣連接性進行整改。

將內外整體噴涂絕緣漆的機柜記為配置①；將原始機柜接地排、導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，改變機柜電氣連接性，以熱電偶TC 信號、四線制熱電阻RTD 信號（記為RTD-4，下同）、三線制熱電阻RTD 信號（記為RTD-3，下同）3種類型信號的精度進行量化，進行試驗驗證。詳情見表1。

表1 機柜電氣連接性比對Table 1 Comparison of electrical connectivity of cabinets

由表1 可知，機柜的電氣連接性是EMC 的一個關鍵因素。良好的電氣連接性在RS、CS 試驗時，均可以有效提高信號精度。

針對電氣連接性，可有如下方法進行改善：

1）首先，觀察與儀控系統IO 設備直接連接的導軌或背板與機柜接地點的連接情況。為保證IO 設備接地良好，此連接處最好不要進行噴漆處理。

2）然后，觀察整體結構連接性。機柜如果不是一體化鑄造，要仔細觀察各結構件間的連接處，合理應用墊片增加連接性。

2.1.2 信號線纜

信號線纜在電磁兼容試驗中十分重要，不僅是因為信號線纜是儀控系統中物理距離最長的部分，很容易通過近場的耦合作用對數字化儀控系統產生干擾。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。

為對抗電容性耦合，信號線纜主要需減少與噪聲導體間的分布電容。為了達到這個目的，最簡單的方法為加大與噪聲導體之間的距離。在應用時，信號線不能與電源共用一根線纜且信號線要遠離電源線及高頻信號線。

但是試驗依據試驗標準執行，干擾源及信號線位置相對固定，無法使用增大信號線纜與干擾源的距離來減少導體的分布電容，所以試驗現場最好的方式是使用電磁屏蔽，即在信號線外增加屏蔽層。屏蔽層接地后屏蔽層上電勢為零，所以受感應導體上的噪聲電壓也為零。而在實際中，不同的屏蔽層接地方式也會對此產生影響[2]。

將屏蔽層與被屏蔽線纜分開，將屏蔽層扭成一個辮子形狀的導線后，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記為配置④；用結構件將屏蔽層環接于接地點記為配置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、RTD-4 信號、RTD-3 信號3 種類型信號的精度進行量化，進行試驗驗證。詳情見表2。

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

由表2 可知，良好的信號線纜屏蔽層接地，將有效避免干擾，提高信號精度。

在工程實際中，由于受影響的信號線纜不可能全部封閉在屏蔽層內（包括導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電場屏蔽效果：

◇盡量降低中心信號線暴露在屏蔽層外的長度[3]。

◇為屏蔽層提供一個良好的接地，具體方式應該依據現場環境選擇。經試驗驗證，結構件環接的接地效果好于直接貼接，好于“豬尾巴”接地。

信號線纜對抗電感性耦合，主要是減少電流回路之間的互感，為了達到這個目的：

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。

但是試驗現場依據試驗標準執行，增加耦合距離的方式不容易執行，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，改變線纜規格，以TC 信號、RTD-4 信號、RTD-3 信號3 種類型信號的精度進行量化，進行試驗驗證。詳情見表3。

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

由表3 可知，線纜規格越高，防護的等級也將越好，信號的精度也將提高。但是，使用電磁屏蔽線纜需要注意以下幾點：

a）屏蔽體的截止頻率。當導線中通過的電流的頻率遠大于屏蔽體截止頻率時，屏蔽效果好；當導線中通過的電流低于5 倍的屏蔽體截止頻率時，大部分電流會通過地面返回，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，但是因為有較大的電容，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，才將屏蔽體兩端接地。

2.2 電路設計及PCB設計

2.2.1 電路設計

從電路設計方面，考慮增強數字化儀控系統抗擾性能一般方法為在信號采集電路前端增加一階有源濾波電路，增強板卡整體濾波性能和使用數字濾波方式。

有源濾波電路由RC 網絡及放大器組成，RC 濾波電路廣泛應用于對信號處理要求高的場合，但是想要改變濾波截止頻率需要大量的計算來調整電阻和電容的數值。同時，因RC 網絡本身的電路特點，在增強信號抗擾能力時，會延長系統的響應時間。

數字濾波是一種計算過程，濾波系統不需要硬件支撐，可靠性高并且不會出現阻抗匹配等問題。調整濾波截止頻率只要修改程序參數即可，同時在RC 濾波電路處理效果較差的低頻段也可以很好地發揮濾波作用。但是數字濾波需要占據運算資源，受運算速度及內存大小影響，想要實現高難度數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，改變濾波配置，以TC 信號、RTD 信號兩種類型信號的精度進行量化，進行試驗驗證。詳情見表4。

表4 濾波器比對Table 4 Filter comparison

由表4 可知，增加濾波電路能有效降低干擾對信號精度的影響。

結合兩種濾波的優缺點及核電系統已完成設備鑒定試驗的板卡原理圖，發現將兩種濾波方式結合使用，即在信號采集電路前端增加一階RC 濾波電路，同時通過AD 轉換芯片進行數字濾波，效果是最好的。

2.2.2 PCB設計

從PCB 設計方面考慮，增強數字化儀控系統抗擾性能主要方法為合理進行分區、設置禁止布線區域，針對其進行合理的疊層設計。

合理的分區，可以最小化走線長度，提高信號完整性，最小化寄生耦合風險，防止RF 能量在不同帶寬區域耦合傳播，利于電路之間濾波抑制，也有利于局部屏蔽的實現。

禁止布線區域的設置，可以減少板內時鐘或高頻電路產生的高頻場（磁場、電場）影響IO 采集電路及信號端口。

PCB 疊層設計是將絕緣體和銅層進行分層放置，良好的多層機構設計可以增強板卡的抗電磁干擾能力。

針對上述影響，可以進行的整改方案如下：

1）分區設計。首先，高速邏輯區域不能靠近I/O 區域；其次，晶振和高頻振蕩器要靠近集成電路；最后，I/O 驅動要靠近連接器。

2）禁止布線區域要離板邊，最少應保持20 倍信號線與返回參考平面的間距，并且關鍵信號都不應該在該區域走線。

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

3 結束語

從工程系統設計、電路設計及PCB 設計3 個大方面，以及機柜結構設計、信號線纜選擇與應用、濾波電路設計與PCB 設計幾個小的方面，通過控制變量的方法，對單一因素進行實際的鑒定試驗。以TC 信號、RTD-4 信號及RTD-3 信號精度試驗數據比對，探究了RS 及CS 試驗應力對數字化核電儀控系統的影響；分析了影響的產生原因，并結合相應的因素給出了一些整改措施，為今后核電數字化儀控系統RS、CS 試驗的通過提供設計上的思路。更重要的是，提出了一種解決思路。出現問題后，可依據此排查不同因素對試驗的影響，然后針對不同的因素采取不同的方式整改。將系統性的EMC 問題，分割到小的因素上，提高了EMC 問題的定位、解決效率。