AP1000核电厂电动阀电磁兼容性测试

陈云龙, 徐 芬

(国核工程有限公司， 上海 200233)

电磁兼容性(EMC) 是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行而不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力，主要包括：(1)设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;(2)设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性[1]。

对于AP1000核电设备的EMC测试，电厂设计方遵循美国核管会[2]的导则Regulatory Guide 1.180[3]，并将EMC测试要求扩展到非核级通电设备，而不仅局限于安全相关的仪控设备。考虑到非核级通电设备产生的电磁干扰可能会影响相关设备，设计方在EMC测试要求上的这种扩展是合理且必要的。

国内对仪控设备的EMC测试有一定的经验，但是对阀门的EMC测试少有研究。笔者以电动阀为例介绍核电厂阀门的EMC测试，为其他须要进行EMC测试的阀门提供参考和指导。

1 试验设备

试验的受试设备为电动阀，该阀门除执行机构为电气部件外，其他部件均为机械部件，且对EMC测试无影响，所以对电动执行机构单独进行EMC测试。受试的执行机构型号为2HA3031，供电要求为三相交流380 V/ 50 Hz, 工作环境温度为5～65 ℃, 工作环境湿度为0%～100%, 防护等级为IP67,转速为56 r/min, 转矩为160～500 N·m, 电动机功率为4 kW, 绝缘等级为H级, 额定电流为8.8 A, 功率因数为0.86。

电动执行机构是过程控制系统中各类电动阀门的驱动装置，用以控制阀门的开启和关闭，适用于闸阀、截止阀、隔膜阀等阀门，可以准确地按控制指令动作，实现对阀门的远控、集控和自动控制。

电动执行机构主要部件见图1，由驱动电动机、带手轮的蜗轮蜗杆主传部分、开关及信号组件等部件组成。电动执行机构通过电动机输出动力，通过蜗杆传至蜗轮，最终传至输出轴和阀杆，使阀杆上下移动，并通过行程和转矩控制机构控制阀门的开启和关闭。所包括的电气设备及其附件为电动机、行程开关(部件7的子部件)、转矩开关(部件12的子部件)。

1—电动机；2—手动机构；3—蜗轮；4—输出轴；5—蜗杆；6—机械位置指示器；7—信号齿轮组件；8—行程控制计算器机构；9—接线部分；10—碟簧；11—转矩曲拐；12—转矩控制机构；13—行程轴

2 EMC测试及性能验证

2.1 电动执行机构EMC测试

电动机电磁干扰主要指绕组中突变磁场和换向器与电刷之间产生的火花放电。这些干扰的电磁波频率为10 Hz～1 000 MHz， 其频带很宽， 场强为垂直极化和水平极化， 场强与频率基本是正态分布。电动机的干扰脉冲峰值幅度与电动机的典型结构、正常工作的负载、绕组绝缘的老化、换向器与电刷之间的间隙及设备磨损等因素有关[4]。

在阀门的控制方面，主要测试在电磁场干扰下，行程和转矩开关是否误动作。

根据Regulatory Guide 1.180和电厂设计要求，可以确定电动执行机构的试验项目、试验标准和应用对象等信息，其中涉及到美国电磁兼容标准MIL-STD-461E[5]和国际电工委员会系列商用电磁兼容标准。具体测试内容见表1(根据IEC61000-4系列标准，EMC测试结果的判定分为4类：a类，在制造商、委托方或用户规定的限值内性能正常；b类，功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复；c类，功能或性能暂时降低或丧失，但需操作者干预或系统复位；d类，因损坏而不可恢复的功能降低或丧失)。

表1 测试的试验项目和试验标准

表1(续)

在EMC测试前，电动执行机构进行了功能测试，验证功能正常后开始测试。

受试设备首先进行了发射试验，主要试验设备有接收机、信号发生器、人工电源网络、示波器、电流探头、磁场接收线圈、棒状有源天线、双锥天线、双脊喇叭天线、喇叭天线、3 m法改进型半电波暗室。

表2列出了EMC发射试验的试验方法和试验参数。

表2 EMC发射试验中的方法和参数

在完成发射试验后，受试设备进行了表3中的抗扰度试验。试验中使用的主要设备有连续波模拟器、2线或4线耦合/去耦网络、电磁钳、信号发生器、功率计、人工电源网络、功率放大器、磁场线圈、屏蔽室Ⅰ、外磁场试验装置、超小型传导抗干扰信号模拟器、阻尼振荡波模拟器、激光场强探头、双锥天线、双脊喇叭天线、三相多功能可编程交流/直流电源，三相谐波闪烁分析仪，三相闪烁阻抗和3 m法改进型半电波暗室。

表3 EMC抗扰度试验的方法和参数

最后，对受试设备进行了静电放电、浪涌试验和电快速瞬变脉冲群试验。主要试验设备有屏蔽室II、静电放电发生器、超小型传导抗干扰信号模拟器和阻尼振荡波模拟器。试验方法和参数见表4。

表4 最后进行EMC试验的方法和参数

在EMC测试中和测试后，受试执行机构无误动作，可正常运行，行程控制机构有效，行程开关、转矩开关工作正常，机械位置指示器指示正确。

2.2 EMC试验后的性能验证

对于安全相关阀门，受试设备应选取表1a类判定标准。

对于非安全级阀门，试验委托方或用户需要根据对阀门的功能要求确定选择何种判定标准。

本次受试设备为非安全级阀门的电动执行机构，根据核电厂设计方要求，该设备需要满足b类判定标准。

根据执行机构检测规程，受试设备首先进行了外观检查、润滑剂检查、绝缘电阻检查和耐压检查等测试；在通过上述测试之后，对受试设备进行了功能检测，包括空载检查和转矩及行程测试。

2.2.1 空载检查

电动操作执行机构向顺时针方向(右旋)和逆时针方向(左旋)各运行1 min，执行机构应无振动和撞击声，输出轴的空载转速应符合54～60 r/min的要求；行程限制机构计数器工作正常，无卡滞及停顿现象，无异常声响；所配置的机械位置指示器应正常工作，无停顿、滞后现象。

2.2.2 转矩及行程测试

在0.9倍额定电压条件下，测试执行机构在两个方向的最大转矩(即堵转转矩)、最大控制转矩(通过设置转矩控制机构得到转矩开关动作时的最大转矩)、最小控制转矩(通过设置转矩控制机构得到转矩开关动作时的最小转矩)、转矩重复偏差及行程重复偏差等性能。

根据测试结果，受试设备满足检测规程中的性能要求，可判定其满足Regulatory Guide 1.180中基于b类判据的EMC测试要求。

3 EMC测试的注意事项

3.1 试验内容的确定

在设备进行EMC测试前，首先须要确定试验项目、试验标准、试验参数和判定标准。通常，设备规范书或相关设计文件会明确上述内容。若有未明确的内容，应与设计方沟通确认。

在明确判定标准的情况下，对于a类判据中“限值内性能正常”的具体内容或受试设备在试验中的异常情况，则需要EMC试验机构、设备原供方、电厂设计方和设备采购方进行联合确认，以保证供货产品能满足电厂的设计和使用要求。

3.2 试验顺序

大部分EMC测试不会对样品产生破坏作用，但静电放电、浪涌试验和电快速瞬变脉冲群可能损伤受试设备。通常，EMC 测试首先进行表1中第1～4项的发射试验，随后执行表1中第5～8项的抗扰度试验，最后是表1中第9项静电放电试验和第10～12项的浪涌试验和电快速瞬变脉冲群试验。

3.3 其他类型阀门的EMC测试

对于气动阀，须要对定位器、压力变送器等电气设备进行EMC测试；对于电磁阀，须要对电磁执行机构进行EMC测试。

气液联动阀的执行机构包含电动机、电磁阀和压力变送器等设备，可对气液联动执行机构整体进行EMC测试。这种测试方法不仅考虑了不同部件间电磁性能的相互影响，可验证受试设备整体的EMC性能，同时也比分别对各部件进行试验更高效。对于集成了电动机、电磁阀、定位器、位置变送器等部件的电液联动阀，也优先考虑对执行机构整体进行EMC测试。

对于气液联动或电液联动等较大的执行机构，可对受试设备进行简化，去除对EMC测试不影响或影响不大的部件[6]。

4 结语

核电厂阀门，特别是安全级阀门，对电厂安全至关重要。因阀门的EMC会影响阀门的正常运行，目前EMC测试已被电厂设计方作为设计要求。笔者使用的试验项目、试验标准、性能验证及测试方法等内容可作为核电厂阀门进行EMC测试的参考，有助于在国内开展核电厂阀门的EMC测试和相关研究，以保障核电厂安全和稳定地运行。