核电站焊接电磁干扰及防控措施研究

陈英杰，杨铁成，胡仕雄，颜少华，张鸿泉(.中广核核电运营有限公司，广东 深圳 584；.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 584)



核电站焊接电磁干扰及防控措施研究

陈英杰1，杨铁成2，胡仕雄2，颜少华1，张鸿泉1
(1.中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518124；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124)

〔摘 要〕通过对核电站3种最典型焊接活动电磁干扰情况的研究及模拟测试，分析了焊接电磁干扰场的分布规律，明确了控制焊接电磁干扰强度的参考标准值，制定了降低焊接电磁干扰对敏感电仪设备影响的相关措施，并通过实践进一步证实了措施的可靠性。

〔关键词〕核电站；焊接；电磁干扰；模拟测试

0 引言

据不完全统计，法国电力公司(EDF)数个核电站曾发生因为使用钨极惰性气体保护焊(TIG)造成跳机跳堆的案例；美国等其他国家核电站也有一些因焊接活动造成不良后果的案例。而在大亚湾核电站及岭澳核电站，虽未出现上述较严重后果，但焊接电磁干扰导致机组瞬态的情况也曾发生过数例。这是因为焊接活动中产生的电磁干扰(EMI)对敏感的电气、仪表设备产生了信号干扰，从而造成或可能造成跳机跳堆。

核电站因焊接电磁干扰导致较大后果的案例虽然不多，但一旦发生将可能导致跳机跳堆，不利于核电站的安全、稳定运行。因此，有必要对其焊接电磁干扰问题进行研究。

1 核电站焊接电磁干扰情况分析

1.1 核电站焊接电磁干扰典型案例

2007-05-14，法国某核电站因TIG焊接活动造成的电磁干扰引发发电机励磁及电压调节系统失灵，跳汽机。2006-11-04，法国另一个核电站也发生过由于TIG焊接活动而造成的电磁干扰影响到主蒸汽系统传感器，造成安全注射系统启动，跳堆。1985年8月，韩国某核电站大修后，多次发生随机掉棒事件；记录显示有相位干扰，扰动原因是电压出现错误信号，使控制棒驱动机构的磁力线圈电流受到影响；后来发现是焊接活动影响了频率范围。

由此可见，焊接活动可通过对核电站在运系统的敏感仪表控制设备造成电磁干扰，产生错误控制信号，从而造成严重后果。

1.2 焊接电磁干扰

电磁干扰指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降，根据传播途径的不同又可分为辐射干扰和传导干扰。下面着重研究电磁辐射对核电站敏感设备的干扰。

以TIG氩弧焊为例，当采用高频振荡器引弧时，振荡器要产生强烈的高频振荡，一部分能量击穿钨极与工件之间的空气隙，引燃电弧；还有一部分能量以电磁波的形式向空间辐射，形成高频电磁场，对周边设备产生辐射型电磁干扰。低于30 MHz的电磁骚扰主要以传导形式返回焊接电源，而高于30 MHz的电磁骚扰则大多数沿着电源线或通过机箱表面向外辐射。目前逆变焊机多采用硬开关方式，作为一种高频开关电源，在功率元件开关过程中不可避免地会产生电磁骚扰。由于焊接电弧是一种广谱的电磁发射，目前还没有一个统一的测量标准，其电磁干扰场分布及相应的防控措施也不明确。

1.3 核电站典型焊接活动

在役核电站因维修需要，必定涉及焊接活动。典型的焊接方法有TIG、手工电弧焊(SMAW，简称手弧焊)；另外对于设备密封面小缺陷的维修，往往还采用微弧火花焊接修复方法(简称微弧焊)。

为确保不因焊接电磁干扰而产生跳机跳堆、降功率事件，并制订预防焊接电磁干扰的预防措施，需对上述3种焊接方法产生的电磁干扰进行研究。

图1　测试示意

2 焊接电磁干扰模拟测试

2.1 模拟测试方法

电磁辐射分为电离辐射及非电离辐射。而焊接产生的电磁干扰是一种高频非电离辐射，其频率超过100 kHz。

第1阶段测试：2008年使用DM91(个人剂量仪)模拟测试氩弧焊焊接过程中的电磁干扰，虽没有其干扰强度的具体值，但其测试的部分结论和法国EDF的反馈相似，因此其测试结果可供参考。

第2阶段测试：2009年，采用DM91对氩弧焊焊接电磁干扰进行模拟测试，同时增加微弧焊、手弧焊焊接工艺；另外在进行模拟测试时，分别采用电能表、压力变送器代表核电站仪表和电器设备受焊接电磁干扰影响情况，并进行相应的影响评估。

2.2 模拟测试过程

模拟测试试验也分为2个阶段，第1阶段测试氩弧焊产生的电磁干扰场分布及屏蔽情况；第2阶段测试各种焊接方法对电仪设备的电磁干扰情况。

第2阶段试验针对氩弧焊进行。根据分析，焊接过程中有3个部分能产生电磁辐射：电焊机、焊接电缆、焊接电弧。因此该阶段试验主要从这3个部分着手，确定最强电磁辐射位置，然后在DM91和最强电磁辐射点之间放入一些屏蔽材料，测试屏蔽效果。

第2阶段试验对于每一种焊接方法，分别采用DM91、电能表、压力变送器作为电磁干扰接收器，在焊接过程中分别将其布置在电焊机、焊接电缆、焊接电弧附近，记录并分析其接收到的干扰信号。测试示意如图1所示。

测试焊接电磁干扰对DM91的影响时，测试过程为：

(1) 将地线和焊把线平行布置，在地线和焊把线正中间放置1台DM91，在地线和焊把线外一定距离处分别放置1台DM91；

(2) 在电焊机后侧和左右侧约100 mm处各放置1台DM91；

(3) 在离焊接工件800 mm处放置1台DM91；

(4) 在焊接过程中分别将上述DM91向目标移近，观察记录仪表示值的变化。

而测试焊接电磁干扰对电能表和压力变送器的影响时，则将电能表放置在屏蔽盒内并将其信号引至接收仪(与现场一致)，接收仪上电流表、电压表的示值变化即反应了电能表接收到的干扰信号强度。而压力变送器则通过信号线与记录仪相连，压力变送器及信号线若受到电磁干扰信号的影响，在记录仪上会有扰动显示。测试过程为：

(1) 将地线和焊把线平行布置，中间留有一定的距离，分别将电能表和压力变送器放置在焊把线一侧，并离焊把线有一定距离，在持续焊接过程中观察仪器示值的变化情况；

(2) 将电能表和压力变送器放置在地线和焊把线中间，起弧数次并进行持续焊接工作，记录仪表示值的变化情况；

(3) 将地线和焊把线分别卷成一定直径的线圈套在电能表和压力变送器的外壳上，起弧数次并进行持续焊接工作，记录仪表示值的变化情况。

3 测试结果

3.1 氩弧焊电磁辐射模拟测试情况

3．1．1 焊接电弧处产生电磁辐射测试

将4台DM91分别放置在离焊接工件约0 m，1 m，2 m，3 m的位置，在焊接过程中反复起停电弧，并观察在启动焊机电源瞬间、焊接引弧瞬间、焊接过程中、熄弧瞬间、切断焊机电源瞬间DM91接收的电磁干扰信号情况，统计一定时间内各DM91剂量的增加情况(焊接电流为75 A)。

根据试验结果可知，即使将DM91紧贴焊接工件，累计7 min内，DM91也不会产生新增剂量。由此可知，焊接时焊接电弧(即焊接工件)处不会产生对DM91有影响的电磁辐射。

3．1．2 电焊机周围产生电磁辐射测试

(1) 如图1所示，分别将DM91置于电焊机右侧(焊接电流为93 A)和左侧(焊接电流为130 A)；其试验结果表明电焊机其他各个方位产生的电磁辐射对DM91无影响；即使电焊机左侧贴近DM91，产生的影响也较小。

(2) 其他试验。采用130 A焊接电流继续进行其他试验，结果为：

① 在电焊机左、后侧(含电焊机电源电缆)放置DM91，从60 cm外往电焊机方向移动DM91，直至接触，未出现报警；

② 在电焊机前侧放置DM91(DM91在2焊接电缆之间)，从60 cm外向电焊机方向移动，未出现报警；

③ 在电焊机前侧放置DM91，但将焊接电缆放置在电焊机左侧，使其避开DM91，将DM91从60 cm外往电焊机方向移动，直至10 cm开始出现报警(分析应为焊接电缆产生的电磁辐射造成)；

④ 将DM91直接放置在电焊机上部，未出现报警。

3．1．3 焊接电缆产生电磁辐射测试

根据焊接电缆产生的电磁辐射结果可知(焊接电流130 A)，焊接电缆产生的电磁辐射对DM91的影响较大，但距离焊接电缆超过25 cm以上时，没有影响；将2根焊接电缆绑扎在一起时，产生的电磁辐射对DM91基本无影响，根据相关分析可知正负极电缆产生的电磁辐射相互制约、抵消。

3．1．4 屏蔽测试

(1) 屏蔽板测试。屏蔽的目的是使已产生的电磁干扰不向外部辐射。屏蔽技术可分为对发出电磁波部位的屏蔽和易受电磁波影响的元器件的屏蔽。试验中焊接电流130 A，按图2所示放置DM91及屏蔽板，每次试验时间5 min。

根据试验结果可知，使用屏蔽板将DM91与电缆线隔开，屏蔽效果不大；但若将屏蔽设备置成笼型(两侧板顶部靠紧)，使DM91处于笼型屏蔽罩内，则可免受电磁辐射影响。

(2) 其他屏蔽试验。分别在将焊接电缆放入屏蔽钢管内、将DM91放入屏蔽罩内等多种情况下，测试其电磁辐射强度(焊接电流130 A)。

图2　屏蔽测试示意

根据试验结果可知，对发射电磁辐射的焊接电缆采用各种屏蔽手段基本无效果；但对接受电磁辐射的DM91采用屏蔽罩，效果显著，可消除电磁辐射对DM91的影响。

3.2 氩弧焊对测量仪表的影响

3．2．1 氩弧焊对电能表的影响

将电能表放置在屏蔽盒中(电站现场也是这种结构)，并将其信号引至接收仪。接收仪上电流表、电压表的示值变化即反映了电能表接收到的电磁干扰信号。测试结果如下。

(1) 将地线和焊把线平行布置，中间间距约100 mm，将电能表放在焊把线一侧，距离300 mm。在持续进行焊接过程中，记录仪示值无变化。

(2) 将电能表放置在地线和焊把线中间，起弧数次并持续进行焊接工作，记录仪示值无变化。

(3) 将地线和焊把线分别卷成直径约350 mm的线圈套在电能表外壳上，起弧数次并持续进行焊接工作，记录仪示值无变化。

(4) 将地线和焊把线一起卷成直径约400 mm的线圈套在电能表外壳上，起弧数次并持续进行焊接工作，记录仪示值无变化。

上述结果表明：氩弧焊产生的电磁干扰对电能表无影响。

3．2．2 氩弧焊对压力变送器的影响

将压力变送器通过信号线与记录仪相连，变送器及信号线若受到电磁干扰信号影响，在记录仪上会有扰动显示，测试结果如下。

(1) 将地线和焊把线平行布置，中间间距约100 mm，将压力变送器放置在地线侧，距离地线约200 mm和放置在地线和焊把线中间，当起弧数次并持续进行焊接工作时，记录仪输出平稳，无任何扰动。

(2) 将地线和焊把线分别卷成直径约150 mm的线圈套在变送器外壳上，当起弧数次并持续进行焊接工作时，记录仪输出平稳，无任何扰动。

(3) 将压力变送器的信号线分别移至焊接电缆中间、焊接电缆线圈套内及焊接工件处，反复起停弧5次，并持续进行焊接，记录仪输出平稳，无任何扰动。

上述结果表明：氩弧焊产生的电磁干扰对压力变送器及其信号线无影响。

3.3 手弧焊和微弧焊对测试设备的影响

(1) 手弧焊焊接电磁干扰的测试方法与氩弧焊基本一致，结果也基本一致。区别在于将地线和焊把线平行布置时，当2条线间的间距为200 mm时，中间布置的DM91很快发生声响报警，其剂量迅速增加，在数秒内即达到阈值。说明在进行手弧焊时，在地线和焊把线间产生的电磁辐射较氩弧焊大。

手弧焊在焊接电缆两侧及电焊机、工件附近的电磁干扰情况与氩弧焊一致；而且手弧焊对电能表及压力变送器的影响也与氩弧焊一致，未产生扰动信号。

(2) 根据电站实际情况，对控制区内的微弧焊进行测试。先使用DM91对微弧焊产生的电磁干扰情况进行测试，如果DM91接收到的信号弱于氩弧焊时产生的信号，则说明微弧焊对电仪设备的影响比氩弧焊更小，可不再使用电能表、压力变送器进行测试；否则需使用电能表、压力变送器进行测试。

① 调节电焊机在以下正常工作情况：频率57 Hz，电压42 V，功率正常；频率250 Hz， 电压86 V，功率正常。

② 当调节电焊机在“频率2 000 Hz，电压86 V，功率正常”下测试时，其结果与上述电焊机正常工作情况下的一致，在贴近焊把线和将焊把线盘圈时，10台DM91中的2台闪红光，但读数未发生变化，也没有声响报警出现。

③ 当调节电焊机在非正常工作情况“频率500 Hz，电压108 V，功率100 %”下测试时，其结果与上述一致。在贴近焊把线和将焊把线盘圈时，10台DM91闪红光，但读数未发生变化，也没有声响报警出现。

上述测试结果说明微弧焊电磁干扰对DM91的影响比氩弧焊要弱很多，因此没有必要用电能表、压力变送器进一步测试其电磁干扰情况。

4 结果与分析

4.1 3种焊接方法对DM91的影响及评估

现场常用的3种焊接方法(氩弧焊、手弧焊、微弧焊)对DM91的影响如下。

(1) 焊接电弧(即焊接工件处)不会产生对DM91有影响的电磁干扰。

(2) 电焊机除后侧产生对DM91有微小影响的电磁干扰外，其他各方位不会产生对DM91有影响的电磁干扰。

(3) 焊接电缆产生的电磁干扰对DM91的影响较大。当2焊接电缆(地线和焊把线)平行布置时，在其中间会产生对DM91影响较大的电磁干扰；而在2焊接电缆外侧，当DM91距离焊接电缆5 cm以内时，会接收到焊接电缆的电磁干扰信号，但当DM91距离焊接电缆超过10 cm以上时，不会有影响；将2焊接电缆绑扎在一起时，产生的电磁干扰对DM91基本无影响；对发出电磁辐射的焊接电缆等设备采用各种屏蔽手段基本无效果；但对接受电磁辐射的DM91采用屏蔽罩，效果显著，可以消除电磁辐射对DM91的影响。

从试验中可以看出，氩弧焊、手弧焊只有用于焊接电缆时对DM91有较大干扰，而微弧焊对DM91造成的干扰非常小。因此，它们产生的干扰强度为：手弧焊、氩弧焊大于微弧焊。

4.2 焊接方法对测量仪表的影响及评估

根据上述测试结果可知这3种典型的焊接方法不会产生对电能表、压力变送器及信号线有影响的电磁干扰。电能表是较典型的电气仪表，现场大多数电气设备都在机柜中，机柜本身就是很好的电磁干扰屏蔽结构；压力变送器也是较典型的热工仪表；而信号线是现场使用最多的部件，因此可推测出：现场焊接方法产生的焊接电磁干扰对电气、热工测量仪表基本无影响。

参考文献:

5 预防措施及应用情况

5.1 预防措施

根据上述测试结论及分析，在实施焊接前预防电磁干扰方面，应先考虑电仪设备的屏蔽设计、接地可靠、充分滤波等措施。为尽量减小焊接电磁干扰对运行机组敏感电仪设备的影响，建议采取如下措施。

(1) 使用最靠近焊接现场的电源插座。

(2) 考虑安全裕量，焊接相关设备(包括焊机电源插座、焊机电源电缆、焊机、焊炬电缆、地线电缆等)的布置离敏感电仪设备应在1 m以上。

(3) 在不影响焊接操作的前提下，将正、负极焊接电缆(指焊炬电缆、地线电缆)尽可能长地绑扎在一起。

(4) 焊接电缆、焊机电源电缆应铺设规范，铺直，防止盘绕、交叉；沿地平面或靠近地平面安置；不应搭在现场设备尤其是电仪设备上。

(5) 接地点应尽量接近工件(最好直接接到工件上)，并保证接地线接地良好、可靠。

5.2 应用情况

2009年，大亚湾核电站即采纳上述焊接电磁干扰防控措施，通过《日常焊接活动电磁干扰风险评估单》落实，并将相关要求纳入电站管理程序《现场焊接活动管理》中。经多年应用，效果良好，现已推广应用至中广核集团多个核电基地。

1 屈月启，卢文跃，毛晓明，等．大亚湾基地电磁干扰对敏感仪表控制设备的影响分析[J]．核动力工程，2008，29(1)：10-13．

2 公 岷，张小平，刘志勇，等．焊接系统中电磁干扰的分析[J]．电焊机，2013，43(9)：103-106．

3 曹太强，许建平，徐顺刚．开关电源电磁干扰的分析[J]．电焊机，2008，38(6)：68-70．

4 刘佐成．高频开关电源中的电磁干扰(EMI)问题及电磁兼容(EMC)[J]．现代电子技术，2007，30(10)：166-167．

5 张六一．变频器使用过程的干扰源和抗干扰措施[J]．冶金丛刊，2007，30(1)：12-14．

6 张小平，曹太强．焊接电源中谐波和电磁干扰的分析[J]．电焊机，2009，39(12)：59-62．

7 付 卓，段仁君．开关电源电磁干扰的抑制[J]．采矿技术，2007，7(2)：78-80．

陈英杰(1974-)，男，高级工程师，主要从事核电站静电设备维修工作，email：chenyingjie@cgnpc．com．cn。

杨铁成(1975-)，男，工程师，主要从事核电站仪控设备检修工作。

胡仕雄(1964-)，男，高级工程师，主要从事核电站电气设备检修工作。

颜少华(1975-)，男，高级工程师，主要从事核电站静电设备维修工作。

张鸿泉(1976-)，男，工程师，主要从事核电站仪控静机检维工作。

《电力安全技术》征订QQ群开通啦

为更方便快捷地为广大读者、作者服务，《电力安全技术》编辑部于日前正式开通“《电力安全技术》征订QQ群”，QQ群号码为：332895241。QQ群提供征订单在线下载、查询，发布有关通知公告，解答订购疑问，交流工作意见和建议，增进友谊与合作等服务。QQ群安排专人维护，每天08：00-20：00在线解答各类相关问题，欢迎各单位读者、作者加入。

作者简介：

收稿日期：2015-08-17。