核电厂中基于DCS的抗电磁干扰设计

张 健，于卫平，张新立

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

核电厂中基于DCS的抗电磁干扰设计

张 健，于卫平，张新立

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

文章以30万kW核电项目为例，介绍了核电厂全数字化分布式控制系统（DCS）仪控平台在通风控制室系统设计过程中，对抗电磁干扰方面的设计方案和考虑，包括空间隔离、屏蔽、接地、抗电磁干扰管理以及对后续核电项目的一些想法，以此为其他核电项目提供一个基于数字化仪控系统抗电磁干扰的设计方法。

DCS；电磁干扰；设计方法

随着三代核电技术的引进，核电厂控制系统采用全数字化分布式控制系统（DCS）已经成为新的趋势和发展方向，但由于核电厂的安全性和经济性要求都非常高，环境比较特殊，因而需要DCS更加安全、可靠地运行。DCS作为复杂的电子系统，其电磁兼容性的优劣在很大程度上决定了系统可靠性的好坏。为了提高DCS的电磁兼容性，一方面要求DCS生产制造商提高其产品的电磁兼容能力；另一方面，也需要在工程设计、安装施工和使用维护上高度重视，采取必要的措施降低DCS所受电磁干扰。文章主要以30万kW核电工程项目为背景，介绍了DCS仪控平台在通风控制室系统设计过程中，抗电磁干扰方面的设计方案和考虑，同时对后续核电项目抗电磁干扰提出一些想法，以此为其他核电项目提供一个基于数字化仪控系统抗电磁干扰的设计方法。

1 项目背景

1.1 系统功能

在30万kW核电项目中，部分非安全级通风控制室系统采用DCS进行相关的仪控系统设计，其主要功能是对核辅助厂房、燃料厂房、电气厂房等非安全级通风系统、非重要冷冻水、热水生产及分配系统的工艺参数、电气设备状态在计算机显示器（VDU）中集中进行监视，并对系统中的阀门、风机等设备进行自动或手动控制，以确保相应房间的温度、湿度、送风流量等参数达到设定值要求。同时，由电站计算机系统（CPC）采集的厂内其他通风系统（安全壳厂房通风系统、其他核安全级通风系统、重要冷冻水系统等）的参数通过网络通信方式传送至通风控制室系统中，使得操纵员在通风控制室中可以监测整个电厂通风系统的运行情况。

1.2 系统架构

DCS采用浙大中控的ECS-100系统。系统主要由设备接口层、过程控制层、网络层和人机接口层组成。

（1）设备接口层

设备接口层是由现场一次仪表（变送器、Pt100铂热电阻等）和执行部件（风机和阀门开关柜等）组成。设备接口层主要用于实现传送工艺参数（温度、压力、流量等信号）、工艺设备状态（阀门开、关状态等）至过程控制层和接收来自过程控制层的控制输出命令等。

（2）过程控制层

过程控制层由4个控制柜、7个远程I/O柜和1个继电器柜组成。

1）4个控制柜装有I/O端子板、控制器、数据转发卡和电源模块，主要是接受来自现场和远程I/O机柜的信号，完成信号处理、运算和输出等功能。

2）7个远程I/O柜和1个继电器柜，主要用于接收现场信号和发出来自控制柜的控制命令。

（3）网络层

网络层共分两层：过程控制网和I/O总线。

1）系统采用了冗余的工业以太网SCNET作为其过程控制网络，负责完成控制站、操作员站和工程师站之间的通信。

2）I/O总线是控制站内部的通信网络，共分两层，其中连接主控卡和数据转发卡的是SBUS-S2总线，连接数据转发卡和I/O卡件的是SBUS-S1总线。

（4）人机接口层

人机接口层包括3台操作员站、1台工程师站和3台打印机等。主要是对工艺系统的运行情况进行监控。

2 抗电磁干扰设计

任何一个电磁干扰效应都是由3个基本要素组成：

1）电磁干扰源。

2）对该电磁干扰敏感的系统或设备。

3）将电磁干扰源传输到敏感系统或设备的媒介，即传输通道或耦合途径。

2.1 噪声来源

30万kW核电项目通风控制室系统采用数字化分布式控制系统，由于通风控制室系统设备的布置较为分散，故将其所在环境的电磁干扰源按照是否有人为因素存在，分为自然干扰源和人为干扰源两大类。

自然干扰源存在于地球和宇宙的很多地方，自然电磁现象会产生电磁干扰。对通风控制室系统而言主要的自然干扰为雷电干扰。

人为干扰是由机电或其他人工装置产生的电磁能量干扰。其主要分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。有意发射干扰源为设备或系统在实现自身功能的过程中产生有用的电磁能量而对其他设备或系统造成干扰的用电设备，如广播、通信等发射设备；无意发射干扰源为设备或系统在实现自身功能的过程中产生无用的电磁能量而对其他设备或系统造成干扰的用电设备，如电动机、输电线等[1]。图1为通风控制室系统所承受的主要电磁干扰源示意图。

图1 通风控制室系统所承受的主要电磁干扰源示意图Fig.1 Schematic of EMC source of ventilation control room system

2.2 耦合机理

如上节所述，任何电磁干扰源均需通过一定的媒介才能被传输到敏感设备或系统。对于通风控制室系统而言，其电磁干扰的传播途径主要包括：传导耦合、电容耦合、电感耦合、辐射耦合。

（1）传导耦合

传导耦合又称公共阻抗耦合。公共阻抗耦合是由于干扰源与被干扰者共用一个线路阻抗而产生的。地回路干扰为最常见的公共阻抗耦合所产生的干扰之一。所谓的地回路干扰，即两个不同的接地点之间存在一定的电位差，此电压直接加载到被干扰电路中，从而造成干扰。地回路干扰如图2所示。其中U1为信号源，R1和R2为信号源与放大器连接导线的电阻。如果信号源在A点接地，放大器在B点接地，则两接地A、B之间存在地电位差，即干扰电压U2，干扰电压通过信号回路从而造成了对测量电路的干扰。

图2 公共阻抗耦合示例（地回路干扰）Fig.2 Example of common impedance coupling (ground loop)

（2）电容耦合

电容耦合又称电场耦合或静电耦合，是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。两电路之间电容耦合如图3所示。其中电路1为干扰电路，电路2为被干扰电路，C为两电路之间的分布电容。当电路1中的电压发生变化时则通过分布电容的电流为电容耦合的强度取决于干扰源与被干扰源之间的距离（成反比）及干扰源电压的变化率（成正比）。

图3 电容耦合示例Fig.3 Example of capacitive coupling

（3）电感耦合

当一根导线上的电流发生变化，而引起周围的磁场发生变化时，若另一根导线在这个变化的磁场中，则这根导线上会感应出电动势。这种耦合即为电感耦合。两电路之间电感耦合如图4所示。其中电路1为干扰电路，电路2为被干扰电路，M为两电路之间的互感。当电路1中的电流发生变化时（di），

图4 电感耦合示例Fig.4 Example of inductive coupling

（4）辐射耦合

辐射耦合是导体干扰源将能量以电磁波的形式向周围空间射出。导体可以是1根信号线、电源线，甚至是1根接地引线。

2.3 抗电磁干扰设计

在通风控制室系统设计中，为了防止电磁干扰对该仪控系统的影响，主要采用的是基于切断干扰源及电磁干扰的传播方式的方法进行设计的。

2.3.1 空间隔离

空间隔离是抑制电容、电感及辐射耦合干扰的有效方法。根据电磁场理论：电容耦合和电感耦合，其电磁场场强分布是按照1/r3（r为干扰源与受扰源之间的距离）衰减；而辐射耦合，其电磁场场强分布是按照1/r进行衰减[2]。因而，通过加大电子设备、信号电缆与噪声源、动力电缆之间的距离，使干扰电磁场到达干扰设备或电路的干扰强度降低，从而达到抑制电磁干扰的目的。在通风控制室系统中采用的空间隔离方法为：

1）通风控制室系统的控制柜、远程I/O机柜、计算机等设备均安装在单独的仪表控制室或房间中，从而避免了强干扰源（如安装在电气间，工艺设备间等）对控制系统的影响。

2）一般情况下，核电站中所使用的电缆可按照电压等级进行分类（见表1）。

表1 电缆分类Table 1 Types of cable

在通风控制室系统中，仪控所传输的信号分为：220 VAC（开关量输出）、24 VDC（开关量输入）、RTD信号、4～20 mA信号。所选用的电缆为控制电缆和仪表电缆。在电缆敷设时遵循的设计方法如下：

1）不同类型的电缆应敷设在各自类型的电缆桥架中。仪表电缆使用专用的仪表电缆桥架进行敷设，控制电缆使用控制电缆桥架进行敷设。

2）严禁使用同一根电缆传输不同类型的信号（同一根电缆传输开关量信号和模拟量信号）。

3）当不同平面上的不同类型电缆桥架平行放置时，电缆桥架按照电压等级的高低进行依次布置，即中压动力电缆桥架、低压动力电缆桥架、控制电缆桥架和测量电缆桥架依次按照从高到低进行布置。桥架之间的间隔距离按照IEEE1050的要求进行布置，即低压动力电缆桥架和控制电缆桥架分隔距离为250 mm；低压动力电缆桥架和测量电缆桥架的分隔距离均为500 mm；控制电缆桥架和测量电缆桥架的分隔距离为250 mm；中压动力电缆桥架与测量电缆桥架的分隔距离至少为1 200 mm。仪表电缆桥架选用加盖电缆桥架。

4）电缆敷设时，严禁强电信号与弱电信号（按照电压等级来区分）使用同一根电缆进行敷设。

5）同一个信号回路的两根导体，应敷设在同一个电缆之中。从而较少环路面积，降低电磁干扰。

6）敷设弱电信号电缆时，应尽量避开强电磁场区域（如电动机、发电机等设备强磁场区域），若无法满足，应使用带盖的电缆桥架或使用金属套管来降低电磁干扰。

2.3.2 屏蔽

采用屏蔽技术可有效地降低电感、电容和辐射耦合。所谓屏蔽，就是以接地的某种材料制成的屏蔽壳体将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这个区域，而外来的电磁场不能进入这一区域（或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。在通风控制室系统中所采用的屏蔽技术方法为：

1）仪表电缆均采用带有内外屏蔽的双绞仪表电缆（带有总屏蔽和分屏蔽的电缆），采用带有屏蔽层的电缆并且电缆芯采用双绞的形式最大限度地限制了电容耦合、电感耦合和辐射耦合所导致的干扰。由于控制电缆所传输的开关量信号电压等级较高（相比仪表电缆所传输的信号），因而仅采用带有总屏蔽的电缆。

2）电子设备（变送器、控制机柜等）的信号输入、输出接口是一个极其危险的电磁能量泄漏窗口，为了抑制泄漏，均要求电缆应通过金属结构的电缆密封套管进入电子设备。密封套管的结构应能满足相应外径的电缆进入电子设备时的密封作用。

3）当两根有屏蔽层的电缆连接时（通过端子箱进行连接），应保证电缆屏蔽层导电性能的连续性。

4）控制器之间的通信及控制器与操作员站之间的通信：对于在同一房间内的设备则采用5类双绞线通信介质，对于不同房间的连接（敷设距离超过500 m或电缆敷设途经强干扰源的地方）则采用光纤通信介质，从而在最大程度上抑制电磁干扰所带来的危害。

5）对于控制机柜机壳，由于在接缝处难免存在缝隙，因而均要求设备供货厂家进行相应的电磁屏蔽措施，如板材接缝处采用电磁密封衬垫（导电橡胶）进行密封。

2.3.3 接地

对于仪控系统而言，接地的主要目的是为了保护人身和控制系统的安全以及抑制电磁干扰。在通风控制室系统中，采用如下的接地设计方案：

（1）接地网的选择

DCS系统接地方式一般有两种：

1）利用电气接地网作为DCS系统接地网，即与电气接地网共地。

2）设DCS系统专用独立的接地网或设置单独的接地网后，经接地线再接至电气接地网。

采用第二种接地方式的缺点是：占地面积太大，投资高，电缆及接地网钢材耗量大，距厂房有相当的距离（因不易在厂房内找到合适的位置），管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便，并且根据其他项目的经验，效果不甚良好。因而在通风控制室系统采用第一种方式进行接地。

（2）控制系统接地设计方案

根据IEEE1050的要求，DCS信号接地一般分为：单点接地、多点接地（IEEE1050中还提到了浮空接地方式，但此种接地方式在一些大型控制系统中往往很难做到理想浮空接地，且浮空接地容易产生静电累积和静电放电等不利因素，因而一般不建议使用）。其接地方式的选择取决于控制系统的工作频率。低频信号应（低于300 kHz）采用单点接地方式，高频信号应采用多点接地方式。由于通风控制室系统中所传输的信号为低频信号，因而宜采用单点接地的设计原则。

1）在通风控制室系统中，每个控制机柜中设有保护地接地铜牌和工作地（信号接地和屏蔽接地共用一个接地铜牌）接地铜牌，人机接口及其他设备（操作员站、工程师站、网络交换机、服务器主机）设有保护接地螺栓。根据IEEE1050的描述，单点接地主要分为两种方式，分别适用于机柜集中布置的单点方式和机柜分散布置的单点方式。

由于通风控制室系统中，部分机柜是采用集中安装的方式，而其他机柜采用分散布置的方式，因而在接地系统设计时，采用上述两种方法结合的方式，即采用集中放置的多个机柜的接地母线先通过分类汇总后，以单点接地的形式接入现场接地网。而对于分散布置的机柜，则通过接地母线直接接入现场接地网。

2）电缆的屏蔽层采用单端接地的原则。当信号源浮空时，屏蔽层应在DCS系统机柜侧接地；当信号源接地时，屏蔽层应在信号源侧接地。

3）根据HGT20513的要求，接地分干线应满足4～16 mm2，接地干线应满足10～25 mm2。因而在通风控制系统中采用截面积为16 mm2的接地分干线，25 mm2的接地干线；机柜内的工作地和保护地接地铜牌截面积要求至少为25 mm×6 mm的铜条制作。

4）由于采用两种接地方式混合的方法，不同机柜之间接地点的电势可能存在差异，因而在设计中严禁不同机柜之间传输低频的仪控信号。

5）DCS接地点与防雷接地、大电流或高压设备的接地点保持不少于10 m的距离。

2.3.4 电磁兼容管理

在通风控制室系统中，除了在工程设计中考虑降低电磁干扰外，还在运行规程中做了如下规定，从而最大限度地限制和降低了电磁干扰对通风控制系统的影响。

1）限制对讲机和手机在设备附近使用。建立对讲机和手机的禁用区域。应意识到手机辐射在没有通话时也会产生，因此在对讲机和手机的禁用区域应关机。

2）卡件安装人员应穿防静电服装（工作服、工作鞋、工作帽），可穿纯棉材质的衣服，不应穿化纤类衣服，应佩戴防静电腕带和手套进行卡件安装工作。

3）持拿卡件时应配戴防静电腕带和手套，不应接触各种管脚引线和卡件上的电子元器件以及各种端口。

4）清理卡件灰尘时应使用防静电毛刷，不应使用塑料刷、电吹风、普通风扇或嘴吹。

5）系统维护人员应及时释放自身静电，可通过经常掌心接触墙壁，每次接触时间保持至少5 s的方法，来释放人体累积的静电。

6）系统通讯线在安装前应放电，安装过程中应尽量减少通讯线插拔次数。可采用在佩戴防静电腕带的条件下手握住接头5 s左右，或者接头接触墙壁5 s左右的方法。

3 后续核电项目中关于抗电磁干扰的几点想法

3.1 电缆屏蔽层单点或多点接地方式的确定

根据以往的设计经验，仪控专业所用的电缆屏蔽层一律采用单点接地的设计原则，从而有效地抑制低频电磁干扰。但随着数字化系统和智能化仪表在核电站的大量引用，高频信号传输的应用也越来越广泛。根据IEEE1050所述，对于传输高频信号或存在高频电磁干扰的场合，当电缆长度（L）与传输信号或干扰信号的波长（λ）之比为1/20时，采用单点接地方式的电缆屏蔽层屏蔽效果开始降低；达到1/4时，屏蔽层的屏蔽效果就会丧失，同时屏蔽层形成天线效应向外辐射干扰信号。因而必须采用多点接地或至少两点接地的方式才能抑制高频信号的干扰。

对于电缆屏蔽层采用单点接地或是多点接地的选择不仅取决于所传输信号的频率，还取决于所受干扰信号的频率。对于无法判断电缆所处环境所受干扰源频率的情况，可通过借鉴IEEE1050提供的一种单点接地和两点接地相结合的屏蔽层接地方式来进行。如图5所示，当传输的信号或干扰源信号为低频时，电容起到开路功能，从而实现屏蔽层的单点接地。当传输的信号或干扰源信号为高频时，电容起到通路功能，从而实现了屏蔽层的双点接地。

对于核电厂中所敷设的电缆，一般情况是不会出现高频干扰（通过电缆敷设的要求、电磁干扰管理等措施），因而在后续核电项目中电缆屏蔽层接地点数量的确定仅需考虑电缆所传输的信号频率即可，既传输低频信号时，电缆屏蔽层采用单点接地的原则；传输高频信号时，电缆屏蔽层采用多点接地或至少两点接地的原则。对于带有总分屏蔽的电缆，总屏蔽双端接地而分屏蔽采用单端接地的设计原则。

图5 单点接地和两点接地相结合的屏蔽层接地方式Fig.5 Combination of single-point and two-point shield grounding

3.2 滤波技术

滤波技术的应用是抑制电磁干扰，提高电子设备抗扰度水平的主要手段。长久以来，滤波技术的应用仅于供货商所提供设备卡件的电子线路的设计（属供货方的设计范围）中。这种做法完全依赖于供货商所提供设备的抗电磁干扰能力，因而在工程设计中还需要进行必要的补充设计来尽量降低电磁干扰。在工程设计中滤波技术的应用主要体现在电源滤波和信号滤波。

（1）电源滤波

一般而言，控制系统供电电源线所受干扰主要来自于电源线线芯之间的干扰（相线与地线、相线与中线、中线与相线之间的共模干扰）及外部干扰信号（如电机启动或感性电路产生的瞬态过程、广播、通信等发射信号），因而必须采用电源滤波器来进行滤波。

（2）信号滤波

信号的滤波在工程设计中主要是针对直流驱动的感性负载（直流继电器）进行滤波。由于直流驱动的感性负载，在电源断开瞬间会产生瞬变电压，有可能会损坏设备的元器件。另外，由于其含有丰富的谐波，会通过线路间的分布电容耦合至其他电路，从而造成了电磁干扰。为了防止元器件的损坏、抑制电磁干扰，一般可通过在继电器绕组上并联反相二极管的形式来实现，从而限制瞬变电压的幅度，如图6所示。采用这种方法虽然可以限制瞬变电压的幅度，但也带来了一些弊端，若反向二极管失效，会产生短路现象；延迟继电器触点的释放时间等。因而为了防止这些情况的发生，可在二极管的线路中串联电阻的方式来解决。

图6 感性负载干扰抑制Fig.6 Interference suppression of inductive loads

3.3 与厂家建立沟通机制

由于核电厂引用数字化仪控系统的时间还不是很长，大多国内核电设计院在基于数字化DCS的抗电磁干扰设计经验还存在一定的不足和认知上的差异，而国内DCS厂家在核电厂的实践经验也存在欠缺，并且因其所提供设备的不同而对抗电磁干扰有不同的要求。因而双方需建立一个良好的互动沟通机制，DCS厂商可以把其他工程实施经验反馈给核电设计院，设计院则应把核电站的一些特殊设计要求传递给DCS厂家，从而真正提高核电站数字化仪控系统的抗电磁干扰能力。

4 结束语

随着数字化仪控技术在核电厂中的广泛应用，如何抑制电磁干扰，使各种设备和系统能正常运转，是一个亟待解决的问题。因而，在进行仪控系统抗电磁干扰设计时，应分析其综合效应，对所采用的干扰抑制手段进行适当的预估和验证，以期获得较理想的效果。

[1] 周旭. 电磁兼容基础及工程应用[M]. 北京：中国电力出版社，2010.（ZHOU Xu. EMC Fundamentals and Engineering Applications[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.）

[2] 杨克俊. 电磁兼容原理与设计技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2011.（YANG Ke-jun. EMC Theory and Design Technique[M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2011.）

[3] IEEE 1050-2004，IEEE Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations.

[4] HGT 20513-2000 仪控系统接地设计规定[R].（The Grounding Design of HGT 20513-2000 I&C System[R].）

Study on EMC Design Based on Non-safety DCS in Nuclear Power Plant

ZHANG Jian，YU Wei-ping，ZHANG Xin-li
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

The EMC design philosophy based on DCS in nuclear power plant is introduced in the paper through the introduction of EMC implementation in ventilation control room system design for 300 MW nuclear power plant, including separation, shielding, grounding, EMC management and some suggestions and considerations for EMC in the future design of nuclear power projects, so that it can provide an effective guidance for future EMC design based on digital I&C system.

DCS；EMC；design philosophy

TL36Article character：A

1674-1617(2013)03-0209-07

TL36

A

1674-1617(2013)03-0209-07

2013-02-04

张 健（1978—），男，上海人，仪控工程师，本科，从事核电厂仪表控制工作。