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磁浮子液位变送器在三代核电中的电磁兼容性研究

 大多数核电站的设计、建造和运行都遵守纵深防御的原则,即需从设备和措施上提供多层次的重叠保护,电磁干扰因为对输入输出信号的稳定性影响的关键原因,也越来越受到广泛地重视。本文通过对三代核电核岛中的磁浮子液位变送器的电磁兼容性要求的分析和研究,通过关键电路设计解决磁浮子液位变送器在电磁兼容性试验时的主要问题,保证了核电站关键回路的安全性,为磁浮子液位计在三代核电的研发及制造更具有现实意义。

 
目前,核电站设计越来越重视电磁干扰对输入输出信号的影响,作为三代核电一回路中起重要测量作用的磁浮子液位变送器,容易受到电磁干扰,同时又容易成为干扰源,因此电磁兼容性要求成为它关键的设计鉴定要求。考虑到它在核电环境中潜在的干扰源类型很多,干扰的产生机制、形态和对仪表控制系统的影响方式都有很大不同。为了更好地进行安全可靠地工艺参数计量和保证监视数据的安全可靠,本文就磁浮子液位变送器的电磁兼容性问题进行了深入研究。
 
1 磁浮子液位变送器的基本结构
磁浮子液位变送器主要由液位传感器和变送器转换模块两大部分组成。内浮筒中的浮子随着液位的变化而上下移动,与固定在外浮筒的干簧管阵列发生磁性耦合后将液位变化引起机械位移变化转化为电阻值的变化,通过变送器转换模块对信号进行处理输出电信号,完成将电阻器转换成二线制4~20mA标准信号输出,实现液位的测量。
磁浮子液位变送器的基本结构
2 电磁兼容性要求分析
2.1 安装位置
根据三代核电的设计布置,磁浮子液位变送器的布点主要为位于安全壳冷却系统(PCS)阀门间的冷却水箱泄露收集箱液位检测点,位于蒸汽发生器间的安全壳内放射性液体废物排放系统(WLS)的检漏收集罐液位检测点,和位于走道的安全壳外放射性液体废物排放系统(WRS)的检漏收集罐液位检测点。该测点电气分级均为E,设计可靠性保证分级为NO/NR。
 
2.2 电磁兼容性要求
电磁兼容性(EMC)试验要求主要分两部分:电磁骚扰(EMI)试验和电磁抗扰度(EMS)试验。其中电磁骚扰又分为传导骚扰和辐射骚扰试验,电磁抗扰度试验分为传到抗扰度和辐射靠扰度试验。按照设计要求和研究需要,对于电气分级为E,设计可靠性保证分级为NO/NR的电气设备,对磁浮子液位变送器所需要进行的试验项目、引用的试验标准出处、试验达到的水平(试验频率范围、适用范围),试验作用对象进行了梳理。明确要求在试验之后被试变送器能正常工作,输出变化量<1.5%。
 
其中电磁骚扰试验项目涉及4项,电磁抗扰度实验项目共计10项。电磁骚扰试验4项要满足美军标MIL-STD-461E的试验条件,电磁抗扰度试验10项要满足国际标准IEC 61000-4的试验条件。必须要说明的是,这14项试验的试验顺序。一般来说,大部分的试验项目不会对液位变送器产生破坏作用,只有少数项目可能会造成不可逆的情况。在顺序编排中,按不具有破坏性的试验在前、破坏性的试验在后的原则。原则上先进行电磁骚扰试验,再进行电磁抗扰度试验,浪涌、电快速瞬变脉冲群抗扰度zui后进行。另外,电磁兼容性试验没有试验裕度的要求。
 
3 电路设计
3.1 电路框架
电路功能分成环路取能电源模块、V/I转换电路模块、零度调节模块、量程调节模块、电压调理模块,其整个电路功能框图如图2。
电路功能框图
电路工作原理为:液位测量信号转换成与液位对应变化的电阻信号,通过传感器输入模块调理成对应的电压值后输入电压输入调理模块,电压输入模块同时还接收零满度调节与量程调节输出信号,zui后通过V/I转换电路输出标准的4~20mA信号;取能电路则负责从电流环路上获得能量,转换成稳定的电压值对整个电子电路进行供电。
 
3.2 电路分析
磁浮子液位变送器具有取能电路等信号转换环节和较复杂的电子线路:零满调节、V/I转换电路、环路取能电源等,因此很容易受到电场、磁场的干扰,造成仪表的测量误差变大和不稳定的现象。如触点的吸合和断开、元器件工作状态的变化等。为了克服各种干扰的影响,提高稳定性,除常用的抗干扰措施外,应设计特殊的抗干扰电路以满足工程需求。分析发现对于磁浮子液位变送器主要为外部干扰,即干扰信号沿着电源线直接加载到输入电压DC24V上,这里指的是环路取能电源的输入侧。电源侧的输入电压稳定与否,会直接影响信号提取的精准性,增大测量误差,造成输出信号的不稳定。因此考虑在电源侧设计抗干扰回路。理想的电路设计要求回路精简紧凑,没有多余的元器件。
 
3.3 抗干扰电路设计
设计了一个抗干扰电路,输入端端口H、L接24V直流电源,输出端端口H'、L'连接液位变送器,作为变送器的电源输入。输入端端口H串接一个绕线电阻R4,阻值10Ω,用于抑制电源侧引入的瞬间大的浪涌电流,使其大部分能量消耗在该电阻上,减轻后级电路的负荷。输入端回路和大地之间接一个空气放电管FD2和大功率双向TVS管,利用放电管绝缘电阻大寄生电容小的优点用来限制浪涌电压,当电路过压时,二极管首先击穿短路,可起到保护后级电路的效果。在回路和大地之间并联一个大电阻R1,用于泄放变送器的可能累积的静电荷。
 
输入端端口L串接一个绕线电阻R5,阻值10Ω,用于抑制电源侧引入的瞬间大的浪涌电流,使其大部分能量消耗在该电阻上,减轻后级电路的负荷。输入端回路和大地之间接一个空气放电管FD1和大功率双向TVS管,在回路和大地之间并联一个大电阻R1,作用同上,空气放电管FD1和大功率双向TVS管,用来限制浪涌电压,当电路过压时,二极管首先击穿短路,和H侧一样同时起到保护后级电路的效果。在回路和大地之间并联一个大电阻R2,用于泄放变送器的可能累积的静电荷。
 
输入端电源端子间并联了压敏电阻VR3,防止电源电压瞬间高压引起干扰或损坏变送器。H与L电源端经过共模轭流电感线圈L1输出至变送器供电,用于对经电源线引入的电源干扰进行抑制。稳压管D8的接入用于防止电源反击保护,同时可以作为现场电流信号测试端。
 
3个TVS管W6、W6、W7用于对变送器的zui终保护。可以根据不同的输出电压合理配置稳压值,保护电源负载不会因为超压而损坏。
 
3.4 抗干扰电路设计效果
在工程样机试制中,如电快速瞬变脉冲群试验,根据标准在端口施加2kV电压,根据工程应用经验,实际输出的电压峰值为2V的情况下,若持续时间取15ms,则通过计算可得这一过程中的累积能量为0.0006J,峰值越高,累积能量越大。为使该变送器能满足耐受2kV脉冲群干扰、4kV浪涌干扰、30V/m射频干扰等EMC相关的试验要求,在单元设计时主要考虑在电路输入端与大地之间增加合适的能量吸取干扰电路的办法,如图3所示。
抗干扰电路
(1)将空气放电管放在zui前级使用,和后级的TVS管一起使用,响应时间很快,对后级电路的保护效果更好,这种器件的绝缘电阻非常高,而且其并接在线路上对线路基本不会构成什么影响。TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是zui小的,因此用于zui末级的精细保护,同时可获得更理想的残压输出。抗干扰电路采用由空气放电管和大功率瞬间抑制二极管及限流电阻与共模电感组合电路,使受到干扰的能量大部分被分流与限压,使残压不会对变送器产生破坏性影响。
(2)压敏电阻的响应时间介于空气放电管和瞬态抑制二极管之间,可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,实现对后级电路的保护。在输入电源线与线之间,增加由压敏电阻与瞬间抑制二极管组成的限压电路,使干扰信号的幅度被限制在允许范围之内。
(3)在每一路输入信号线与机壳(接大地)之间增加一个大阻值的泄放回路,防止电荷的积累,有利于提高抗射频干扰与静电干扰的能力。
 
3.5 试验过程
结合磁浮子液位变送器常规产品的经验,对EMC抗干扰技术的研究设计进行转化,经过充分的硬件试制,试制过程考虑电路板上元件布置的设计排布、制作工艺等,和企业专用的试验设备对样机进行摸底,验证设计方案的可行性。正式试验前,对受试磁浮子液位变送器进行基本性能检测,输出变化量为0.01%。试验后,受试液位变送器工作正常,其中9项抗扰度试验输出变化为0,其余各项试验输出变化量均小于0.01%,验证该设计可行。
 
4 结论
通过对三代核电核岛中的磁浮子液位变送器的安装位置分析,明确变送器在主要安装位置上的电磁兼容性试验项目和试验要求,研究和分析变送器在该试验项下的主要骚扰来源,采用在电源端加入抗扰电路的设计,减小电源端输入噪声对测量误差的影响,减小模拟电路中的模拟信号来自电源的干扰。通过试验证明本设计满足三代核电的电磁兼容性要求,可以在所在测点位置使用。
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