目前，核電站設(shè)計(jì)越來(lái)越重視電磁干擾對(duì)輸入輸出信號(hào)的影響，作為三代核電一回路中起重要測(cè)量作用的磁浮子液位變送器，容易受到電磁干擾，同時(shí)又容易成為干擾源，因此電磁兼容性要求成為它關(guān)鍵的設(shè)計(jì)鑒定要求?？紤]到它在核電環(huán)境中潛在的干擾源類(lèi)型很多，干擾的產(chǎn)生機(jī)制、形態(tài)和對(duì)儀表控制系統(tǒng)的影響方式都有很大不同。為了更好地進(jìn)行安全可靠地工藝參數(shù)計(jì)量和保證監(jiān)視數(shù)據(jù)的安全可靠，本文就磁浮子液位變送器的電磁兼容性問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。

 

1 磁浮子液位變送器的基本結(jié)構(gòu)

磁浮子液位變送器主要由液位傳感器和變送器轉(zhuǎn)換模塊兩大部分組成。內(nèi)浮筒中的浮子隨著液位的變化而上下移動(dòng)，與固定在外浮筒的干簧管陣列發(fā)生磁性耦合后將液位變化引起機(jī)械位移變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理輸出電信號(hào)，完成將電阻器轉(zhuǎn)換成二線制4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量。

2 電磁兼容性要求分析

2.1 安裝位置

根據(jù)三代核電的設(shè)計(jì)布置，磁浮子液位變送器的布點(diǎn)主要為位于安全殼冷卻系統(tǒng)（PCS）閥門(mén)間的冷卻水箱泄露收集箱液位檢測(cè)點(diǎn)，位于蒸汽發(fā)生器間的安全殼內(nèi)放射性液體廢物排放系統(tǒng)（WLS）的檢漏收集罐液位檢測(cè)點(diǎn)，和位于走道的安全殼外放射性液體廢物排放系統(tǒng)（WRS）的檢漏收集罐液位檢測(cè)點(diǎn)。該測(cè)點(diǎn)電氣分級(jí)均為E，設(shè)計(jì)可靠性保證分級(jí)為NO/NR。

 

2.2 電磁兼容性要求

電磁兼容性（EMC）試驗(yàn)要求主要分兩部分：電磁騷擾（EMI）試驗(yàn)和電磁抗擾度（EMS）試驗(yàn)。其中電磁騷擾又分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾試驗(yàn)，電磁抗擾度試驗(yàn)分為傳到抗擾度和輻射靠擾度試驗(yàn)。按照設(shè)計(jì)要求和研究需要，對(duì)于電氣分級(jí)為E，設(shè)計(jì)可靠性保證分級(jí)為NO/NR的電氣設(shè)備，對(duì)磁浮子液位變送器所需要進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目、引用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)出處、試驗(yàn)達(dá)到的水平（試驗(yàn)頻率范圍、適用范圍），試驗(yàn)作用對(duì)象進(jìn)行了梳理。明確要求在試驗(yàn)之后被試變送器能正常工作，輸出變化量<1.5%。

 

其中電磁騷擾試驗(yàn)項(xiàng)目涉及4項(xiàng)，電磁抗擾度實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共計(jì)10項(xiàng)。電磁騷擾試驗(yàn)4項(xiàng)要滿足美軍標(biāo)MIL-STD-461E的試驗(yàn)條件，電磁抗擾度試驗(yàn)10項(xiàng)要滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4的試驗(yàn)條件。必須要說(shuō)明的是，這14項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)順序。一般來(lái)說(shuō)，大部分的試驗(yàn)項(xiàng)目不會(huì)對(duì)液位變送器產(chǎn)生破壞作用，只有少數(shù)項(xiàng)目可能會(huì)造成不可逆的情況。在順序編排中，按不具有破壞性的試驗(yàn)在前、破壞性的試驗(yàn)在后的原則。原則上x(chóng)ianjin行電磁騷擾試驗(yàn)，再進(jìn)行電磁抗擾度試驗(yàn)，浪涌、電快速瞬變脈沖群抗擾度zui后進(jìn)行。另外，電磁兼容性試驗(yàn)沒(méi)有試驗(yàn)裕度的要求。

 

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 電路框架

電路功能分成環(huán)路取能電源模塊、V/I轉(zhuǎn)換電路模塊、零度調(diào)節(jié)模塊、量程調(diào)節(jié)模塊、電壓調(diào)理模塊，其整個(gè)電路功能框圖如圖2。

電路工作原理為：液位測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成與液位對(duì)應(yīng)變化的電阻信號(hào)，通過(guò)傳感器輸入模塊調(diào)理成對(duì)應(yīng)的電壓值后輸入電壓輸入調(diào)理模塊，電壓輸入模塊同時(shí)還接收零滿度調(diào)節(jié)與量程調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，zui后通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)；取能電路則負(fù)責(zé)從電流環(huán)路上獲得能量，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓值對(duì)整個(gè)電子電路進(jìn)行供電。

 

3.2 電路分析

磁浮子液位變送器具有取能電路等信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和較復(fù)雜的電子線路：零滿調(diào)節(jié)、V/I轉(zhuǎn)換電路、環(huán)路取能電源等，因此很容易受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，造成儀表的測(cè)量誤差變大和不穩(wěn)定的現(xiàn)象。如觸點(diǎn)的吸合和斷開(kāi)、元器件工作狀態(tài)的變化等。為了克服各種干擾的影響，提高穩(wěn)定性，除常用的抗干擾措施外，應(yīng)設(shè)計(jì)特殊的抗干擾電路以滿足工程需求。分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于磁浮子液位變送器主要為外部干擾，即干擾信號(hào)沿著電源線直接加載到輸入電壓DC24V上，這里指的是環(huán)路取能電源的輸入側(cè)。電源側(cè)的輸入電壓穩(wěn)定與否，會(huì)直接影響信號(hào)提取的精準(zhǔn)性，增大測(cè)量誤差，造成輸出信號(hào)的不穩(wěn)定。因此考慮在電源側(cè)設(shè)計(jì)抗干擾回路。理想的電路設(shè)計(jì)要求回路精簡(jiǎn)緊湊，沒(méi)有多余的元器件。

 

3.3 抗干擾電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一個(gè)抗干擾電路，輸入端端口H、L接24V直流電源，輸出端端口H'、L'連接液位變送器，作為變送器的電源輸入。輸入端端口H串接一個(gè)繞線電阻R4，阻值10Ω，用于抑制電源側(cè)引入的瞬間大的浪涌電流，使其大部分能量消耗在該電阻上，減輕后級(jí)電路的負(fù)荷。輸入端回路和大地之間接一個(gè)空氣放電管FD2和大功率雙向TVS管，利用放電管絕緣電阻大寄生電容小的優(yōu)點(diǎn)用來(lái)限制浪涌電壓，當(dāng)電路過(guò)壓時(shí)，二極管首先擊穿短路，可起到保護(hù)后級(jí)電路的效果。在回路和大地之間并聯(lián)一個(gè)大電阻R1，用于泄放變送器的可能累積的靜電荷。

 

輸入端端口L串接一個(gè)繞線電阻R5，阻值10Ω，用于抑制電源側(cè)引入的瞬間大的浪涌電流，使其大部分能量消耗在該電阻上，減輕后級(jí)電路的負(fù)荷。輸入端回路和大地之間接一個(gè)空氣放電管FD1和大功率雙向TVS管，在回路和大地之間并聯(lián)一個(gè)大電阻R1，作用同上，空氣放電管FD1和大功率雙向TVS管，用來(lái)限制浪涌電壓，當(dāng)電路過(guò)壓時(shí)，二極管首先擊穿短路，和H側(cè)一樣同時(shí)起到保護(hù)后級(jí)電路的效果。在回路和大地之間并聯(lián)一個(gè)大電阻R2，用于泄放變送器的可能累積的靜電荷。

 

輸入端電源端子間并聯(lián)了壓敏電阻VR3，防止電源電壓瞬間高壓引起干擾或損壞變送器。H與L電源端經(jīng)過(guò)共模軛流電感線圈L1輸出至變送器供電，用于對(duì)經(jīng)電源線引入的電源干擾進(jìn)行抑制。穩(wěn)壓管D8的接入用于防止電源反擊保護(hù)，同時(shí)可以作為現(xiàn)場(chǎng)電流信號(hào)測(cè)試端。

 

3個(gè)TVS管W6、W6、W7用于對(duì)變送器的zui終保護(hù)?？梢愿鶕?jù)不同的輸出電壓合理配置穩(wěn)壓值，保護(hù)電源負(fù)載不會(huì)因?yàn)槌瑝憾鴵p壞。

 

3.4 抗干擾電路設(shè)計(jì)效果

在工程樣機(jī)試制中，如電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在端口施加2kV電壓，根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際輸出的電壓峰值為2V的情況下，若持續(xù)時(shí)間取15ms，則通過(guò)計(jì)算可得這一過(guò)程中的累積能量為0.0006J，峰值越高，累積能量越大。為使該變送器能滿足耐受2kV脈沖群干擾、4kV浪涌干擾、30V/m射頻干擾等EMC相關(guān)的試驗(yàn)要求，在單元設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮在電路輸入端與大地之間增加合適的能量吸收干擾電路的辦法，如圖3所示。

（1）將空氣放電管放在zui前級(jí)使用，和后級(jí)的TVS管一起使用，響應(yīng)時(shí)間很快，對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)效果更好，這種器件的絕緣電阻非常高，而且其并接在線路上對(duì)線路基本不會(huì)構(gòu)成什么影響。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是zui小的，因此用于zui末級(jí)的精細(xì)保護(hù)，同時(shí)可獲得更理想的殘壓輸出。抗干擾電路采用由空氣放電管和大功率瞬間抑制二極管及限流電阻與共模電感組合電路，使受到干擾的能量大部分被分流與限壓，使殘壓不會(huì)對(duì)變送器產(chǎn)生破壞性影響。

（2）壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間介于空氣放電管和瞬態(tài)抑制二極管之間，可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。在輸入電源線與線之間，增加由壓敏電阻與瞬間抑制二極管組成的限壓電路，使干擾信號(hào)的幅度被限制在允許范圍之內(nèi)。

（3）在每一路輸入信號(hào)線與機(jī)殼（接大地）之間增加一個(gè)大阻值的泄放回路，防止電荷的積累，有利于提高抗射頻干擾與靜電干擾的能力。

 

3.5 試驗(yàn)過(guò)程

結(jié)合磁浮子液位變送器常規(guī)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)EMC抗干擾技術(shù)的研究設(shè)計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)充分的硬件試制，試制過(guò)程考慮電路板上元件布置的設(shè)計(jì)排布、制作工藝等，和公司專(zhuān)用的試驗(yàn)設(shè)備對(duì)樣機(jī)進(jìn)行摸底，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。正式試驗(yàn)前，對(duì)受試磁浮子液位變送器進(jìn)行基本性能檢測(cè)，輸出變化量為0.01%。試驗(yàn)后，受試液位變送器工作正常，其中9項(xiàng)抗擾度試驗(yàn)輸出變化為0，其余各項(xiàng)試驗(yàn)輸出變化量均小于0.01%，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)可行。

 

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三代核電核島中的磁浮子液位變送器的安裝位置分析，明確變送器在主要安裝位置上的電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)要求，研究和分析變送器在該試驗(yàn)項(xiàng)下的主要騷擾來(lái)源，采用在電源端加入抗擾電路的設(shè)計(jì)，減小電源端輸入噪聲對(duì)測(cè)量誤差的影響，減小模擬電路中的模擬信號(hào)來(lái)自電源的干擾。通過(guò)試驗(yàn)證明本設(shè)計(jì)滿足三代核電的電磁兼容性要求，可以在所在測(cè)點(diǎn)位置使用。