核级气动调节阀EMC试验鉴定研究

周鹏成，费 杰

(1.上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海 200233； 2.国家能源核电站仪表研发(实验)中心，上海 200233)

0 引言

气动调节阀作为过程控制工业中的常用终端控制元件，是核电厂的重要执行机构，关系着核电机组的安全运行。它用于接收控制信号，并根据调节器的输出来改变阀门开度，使其达到预定的目标值。

核电厂电磁环境复杂，调节阀的电气部件易受到电磁干扰，做好调节阀的电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)鉴定至关重要。定位器是调节阀核心的电气部件，是整个调节阀的大脑。现有的定位器一般采用电源线、信号线共线(两线制)，由一组4～20 mA信号组成，通过调节电流大小来实现对阀门开度的控制。而电磁阀又是调节阀系统的重要配件，所以在EMC鉴定中，对这两类设备的试验显得尤为重要。

1 EMC试验

1.1 EMC试验内容的选择

为了确保核电设备的安全可靠性，各国都制定了相应的法规来确保安全。只有通过相应鉴定测试，设备才能用到核电站相对应的地方。截至目前，常见的核电EMC法规有美国的NRC、法国的RCC-E和我国的GB/T 11684。这三项法规都对EMC测试有不同的要求。就试验内容的包络性和严格性而言，美国的NRC法规为首选。

NRC规定的核电站设备的EMC试验要求应当参照 US NRC Regulatory Guide 1.180[1]。该导则列出了两套试验标准，分别是军用标准MIL-STD-461E[2]系列和工业标准IEC 61000系列。 EMC鉴定的试验方案一般有两种[3]：①IEC 61000系列的抗扰度试验加MIL-STD-461E系列的发射试验(即表1和表2)；②全部选用MIL-STD-461E系列的试验(表1和表3)加IEC 61000系列的部分具有破坏性的试验(即表2序号9～12)。

表1 MIL-STD-461E系列EMC发射试验要求

表2 IEC 61000系列EMC抗扰度试验要求

表3 MIL-STD-461E系列EMC抗扰度试验要求

1.2 调节阀EMC试验鉴定

现有的核电站调节阀选型有很多，安装情况更是各有差别[4]。越来越多的业主要求对整机测试，而不是传统地只对电气部件分别进行测试。这样更能反映当时的工况，使试验鉴定更具准确性。

调节阀整机一般电气组件有定位器、限位开关、电磁阀等[5]。对于定位器，一般有两根4～20 mA的输入线。这两根线既是电源线又是信号线。由于这两根线通过的是非常小的电流信号，且此信号也是由上级控制柜直接给出的，因此，完全可以把它当成一组信号线来进行试验，采用信号线的测试方法和等级进行所有的测试项目。试验前，信号源提供一个固定的输入电流(如12 mA)，待调节阀行程稳定后开始试验。试验过程中，保持电流信号不变，观察调节阀的行程是否变化。如有变化，则判断变化量是否在规定的范围内。对于电磁阀，由于其一般供电为48 VDC，采用DC电源线的测试方法和等级来进行试验。试验过程中，对电磁阀进行开关动作，观察其能否正常工作。对于限位开关，可以将其看作一组信号线。试验过程中，使限位开关处于常闭状态，再给限位开关供一个电压(如48 VDC)；观察限位开关是否状态发生改变，并且用示波器查看这组电压状态，是否有超过1 ms的信号变化。试验过程中，这些电气部件作为一个系统，应同时满足鉴定要求。

2 EMC试验中常见的问题和对策

EMC试验分为发射试验和抗扰度试验，抗扰度试验又可细分为一般试验和破坏性试验。

2.1 发射试验常见的问题和对策

调节阀的几个电气部件都属于小功率设备，电气结构简单，不存在较强的干扰源。根据大量的EMC鉴定试验经验，这类设备的电磁辐射量一般维持在较低的水平，远低于标准给出的限值。但需要注意的是，电磁阀发射试验过程中应该对电磁阀进行开关动作。这个动作会产生一个尖峰脉冲信号。该尖峰信号会产生较大的电磁干扰。因此，最容易受到影响的是CE102和RE102这两个项目。相应的电磁动作时的传导发射频谱、辐射发射频谱分别如图1、图2所示。

图1 电磁阀动作时的传导发射频谱图

图2 电磁阀动作时的辐射发射频谱图

如果电磁发射水平超过了规定的限值线，就需要在电磁阀的电源线上作一些处理[6]。第一个方法是加磁环或是磁珠。需要注意的是，不能直接将磁环套在线上，而是应把线束缠绕在磁环上，以达到充分利用磁环磁通量的目的，使磁环的消磁效果尽可能达到磁饱和。第二个方法是采用屏蔽线作为电源线。屏蔽线要注意接地，并且跟样品的金属外壳也要充分接触，这样才能有效地屏蔽电磁辐射，并将干扰信号导出到大地上。

2.2 抗扰度试验(浪涌)常见的问题和对策

对于抗扰度试验，值得注意的是那几个破坏性试验，尤其是浪涌(组合波和振铃波)试验。为了防止浪涌尖峰脉冲信号将样品内部电路击穿，可以采用多级构成、逐级降压的电路来达到防止浪涌脉冲的目的。常见的浪涌抑制器可分三级，分别为气体放电管、压敏电阻和稳压管，中间带两级降压[7]。根据不同的试验等级选取不同的保护电路，不管是从安全角度，还是经济角度都很有必要。

电磁阀属于小型设备，内部空间有限，无法安装较多的保护电路。因此，一般都会选择在输入电源之间并联一个放电二极管，通过放电二极管的放电来释放浪涌尖峰信号，以达到保护电路的目的[8]。在实际应用中发现，有时候即使使用了放电二极管，设备也会有被打坏的可能。这是由于浪涌信号能量超出了放电管的极限，放电二极管被击穿。因此，放电管的选型要尤为注意。由于电磁阀一般采用的都是直流供电，浪涌试验的测试等级一般只要做到2 kV即可，所以放电管应选择电压等级超过2 kV的，并且能量耐受等级应高于单次浪涌信号的脉冲能量，一般以大于44 J为佳[9]。

定位器输入的是一组4～20 mA信号，对信号反应比较灵敏，属于敏感设备，特别容易受到电磁干扰的影响。试验时，可以把它当成一组信号线来进行测试，从而降低测试等级[10]。输入线可以选择屏蔽线。使用屏蔽线的测试方法来进行测试，可以使信号通过耦合进入到线路中，而不是直接注入，降低了测试风险。

根据不同的情况，合理地使用浪涌保护装置，灵活地选择测试方法和等级，无论是经济角度,还是安全角度，都是非常好的选择。

3 结束语

核级气动调节阀的鉴定试验非常重要，其直接关系着核电站能否安全、稳定、可靠运行。对于看不见、摸不着的电磁干扰及其鉴定试验，很多厂家也是不知从何下手。本文通过总结归纳，提出了此类设备EMC鉴定试验内容以及等级的选取原则，规范了EMC鉴定试验的要求，并对最常遇到的问题提供了解决思路。该研究为未来我国核电设备EMC鉴定的规范化和合理化发展提供了有力支持。