EAU 自动化改造的电磁干扰问题及其解决方案

2022-07-11朱爱玺王志亮

电子技术与软件工程 2022年3期

朱爱玺王志亮

（1.江苏信息职业技术学院江苏省无锡市 214153 2.济南建设设备安装有限责任公司山东省济南市 250031）

1 项目背景介绍

核电站EAU 系统，即核电站安全壳仪表系统（Containment Instrumentation），安全壳作为核电厂核安全第三道屏障，必须具备良好的强度性能和密封性能，用来包容反应堆冷却剂回路在发生失水事故产生的放射性裂变产物，确保核电站工作人员和周围环境的安全。升级前的EAU 系统是通过手动定期采集数据来分析和评价安全壳的强度性能。在核电站打压试验过程中，数据采集密度要求较高，传统的人工采集数据在实时性、客观性、安全性都难以保障。因此，各已建核电站近几年先后启动了EAU 系统的自动化改造。

全壳打压试验是核电厂建设及商运期间最重要的专项试验之一，用于验证作为核安全第三道屏障的安全壳及其附属部件的性能是否满足要求。核电站EAU 系统是打压试验的重要数据来源，其采集的数据基本都包含温度，应变，应力以及铅垂线位置。温度传感器一般采用热电偶，输出电压信号；应变、应力一般都采用振弦式传感器，输出频率信号；铅垂线位置一般采用垂线坐标仪测量，输出mA 电流信号。自动化改造后，各类传感器的电信号都集中到自动化采集装置处。自动化采集装置选择澳大利亚Dataker 的产品，主采集单元为DT85G，模拟通道扩展模块为CEM20，其信号采集精度为直流电压测量：+0.1%；直流电流测量：+0.1%；直流电阻测量：+0.1%：能够满足核电站EAU 系统数据采集的精度要求。

2 干扰因素分析

我们在某个核电站EAU 系统自动化改造实施过程中，发现了严重的随机干扰问题。具体表现为温度测量通道采集数据的随机跳动。而且多个温度信号通道的数据波动基本同步发生。如图1 所示。

图1：温度信号某通道数据异常波动情况

温度异常跳动幅度达到2℃，明显超出了数据采集装置的精度范围。经反复排查，其他类型数据通道采集正常，只有温度传感器通道出现此现象。考虑到现场部分坐标仪信号传输通道与温度信号通道有较长的一段在电缆桥架上同轴并行且共缆，怀疑有信号干扰。将所有坐标仪关电停用，则温度采集通道的数据恢复正常。而把所有坐标仪上电启用后，温度采集通道的数据异常现象又重复出现。至此可以确定是信号干扰问题。

电磁干扰产生的根本原因是导体中有电压或电流的变化，即较大dv/dt 或di/dt。dv/dt 或di/dt 能够使导体产生电磁波辐射。凡是有电压电流突变的场合，肯定会有电磁干扰存在。工厂企业在生产过程中会经常有一些大型的设备（电机、变频器）频繁开关，他们也会造成一些容性、感性的干扰，也将影响仪器仪表正常显示或采集。

现场测试垂线坐标仪数据采集正常，应变应力数据采集正常，但是垂线坐标仪信号输出通道有35V 对地交流分量，交流分量会产生电磁场，形成电磁干扰源。

应力应变信号为频率信号，传输过程中抗干扰能力强。垂线坐标仪输出4-20mA 电流信号，抗干扰能力较强，适用于长距离传输。热电偶采集通道为mV 级弱信号，抗干扰能力弱，一般不适用于长距离传输，如需长距离传输，通常做法是通过变送器把mV 级信号变送为V 级电压信号或者mA级电流信号。

由此可见，本核电站EAU 系统中的干扰问题由两个方面的原因造成，一是热电偶传感器的温度采集通道采用了不适宜长距离传输的mV 级的弱信号，二是垂线坐标仪输出的直流mA 信号之外，还存在交流分量，从而作为干扰源产生电磁干扰。

3 对应解决方案

在工业生产过程中，通常一个系统会集成多个子系统，包括各种自动化仪表、控制系统和执行机构，各个子系统的信号类型往往各不相同，其中既存在微弱的毫伏级、毫安级弱信号；也存在几十伏，数千伏、数百安培的强信号；既包含低频直流信号，也包含高频脉冲信号等等。当所有这些不同类型的信号系统构成一个系统整体后，经常出现不同的仪表和设备之间的信号干扰问题，从而造成采集数据不可靠，系统运行不稳定。出现这种情况除了每台仪器、设备本身的抗电磁干扰能力，还有一个十分重要的原因，就是各种仪器设备各个子系统基于本身要求都需要接地，例如为了安全，机壳需要接大地；为了使电路正常工作，系统需要有公共参考点；为了抑制干扰加屏蔽罩，屏蔽罩也需要接地。但是由于不同的仪表和设备之间的参考点之间存在电势差（也就是各设备的共地点不同），因而形成“接地环流”。“接地环流”问题是在系统处理信号过程中必须解决的问题。从消除干扰与抗干扰两方面出发，给出了如下四种建议整改方案。

方案1：为了使系统正常工作，系统需要有公共参考点；但是由于各个监测设备之间的参考点之间存在电势差（也就是各设备的共地点不同）因而形成“地环流”、“接地环流”问题是在系统处理信号过程中必须解决的问题，最直接的方法就是把核电站EAU 系统中所有坐标仪的信号负极接地。

方案2：设法消除信号中的dv/dt 或di/dt.，也就是信号电缆中传输的是纯净的直流信号。由于垂线坐标仪与热电偶的信号电缆存在部分共线段，这需要在垂线坐标仪的信号输出位置加装滤波装置，把交流信号滤除干净，由于滤波装置相对尺寸较大，难以加装到现有坐标仪内部，只能外放式安装在坐标仪附近的接线箱位置。

方案3：消除信号中的dv/dt 或di/dt，也可以通过把坐标仪的AC220V 供电改为直流供电，供电电源采用电厂的直流电源，同时把坐标仪内部的整流模块去掉，对坐标仪进行改造，这样能彻底解决电磁干扰问题。

方案4：电磁干扰的解决除了降低干扰源的途径，还可以通过加强抗干扰能力的途径。由于mV 级电压信号本身就不建议用于长距离信号传输，因为它更容易受到干扰。可以通过变送器把mV 级电压信号升压到0-5V 的电压信号，或者把mV 级信号转换为4-20mA 的电流信号，则能够显著提高远距离传输的抗干扰能力。

方案1 到3 都是从消除干扰源出发，方案4 是从提高信道抗干扰能力出发。由于设计难以变更以及现场实际情况，最终采用第一种解决方案。在不改变热电偶信号采集方式（提高抗电磁干扰能力）的情况下，则需尽量消除干扰源——垂线坐标仪信号输出通道的对地交流分量，把核电站EAU 系统中所有垂线坐标仪的输出信号负极接地。