气液联动执行机构(核级阀门气液联动执行机构电磁兼容试验)

Posted 2023-05-30

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气液联动执行机构(核级阀门气液联动执行机构电磁兼容试验)

目前国内对核级阀门的气动执行机构和电动执行机构的电磁兼容鉴定均有标准要求和经验参考，但是对于气液联动型执行机构没有相关的标准要求或经验，此次核级阀门执行机构电磁兼容鉴定研究的内容包括：

1）确定对象和试验依据。从执行机构功能出发，通过对电磁环境对功能的影响分析，确定试验对象和试验依据，明确试验方法及验收要求。

2）进行适应性方案设计。通过对执行机构的功能分析以及国外以往的鉴定经验分析，对执行机构进行电磁兼容适应性方案设计。

3）进行电磁兼容鉴定试验，对方案设计进行可行性验证。

确定试验相关部件和试验依据

1. 确定试验相关部件

电磁兼容鉴定的目的为验证设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。也就是指设备或系统在正常工作时电磁发射不能超过一定的限值，在电磁骚扰的环境下能够正常工作。因此，在电磁兼容的试验中包含发射试验和抗扰度试验两个部分。

此次研究的执行机构为线性活塞式气液联动执行机构，实现功能的方式为通过活塞杆与阀门阀杆相连，从而驱动阀门动作。

执行机构动作的控制元件为交流电动机和直流电磁阀，信号指示元件包括压力开关和液位开关。其中压力开关和液位开关都是机械式开关产品，不需要也不包含有源电子装备，也不引用电感操作的排放检测，不受任何电磁干扰的环境特性的影响，因此机械式开关类产品可以免除电磁兼容鉴定试验。

电动机运行时，由于动力电缆的工作，会产生辐射，或者由于电流的差模影响也会形成天线，向外产生辐射干扰。

由于核电站的安全要求高，电动机和电磁阀需要保证一定的准确性，需要对其进行抗扰性测试。另外，鉴定试验是对整机性能的考核，因此，此次研究的执行机构中与电磁兼容相关的元件为电动机、电磁阀和整机。

2. 确定试验依据

目前美国NRC（核管理委员会）、法国RCC—E和我国 GB/T 11684均要求进行核电仪控设备的电磁兼容试验。

法国RCC—E标准在D5000中规定电气和电子设备的设计和安装规则应能在整个仪表和控制系统所处的电气环境下减少或消除所有类型的电磁干扰的作用。但是缺乏鉴定试验的具体方法指导和验收要求，缺乏实际操作性。目前法国工业领域的电磁兼容标准为EN61000系列，其等同于IEC61000系列。

我国的标准GB/T 11684是根据核仪器工作的电磁环境与电磁兼容性等特点，按照GB/T 17624、GB/T 18039与GB/T17626等电磁兼容性系列标准编制的，等同于IEC61000系列标准。但是仅有对抗干扰试验的要求，

未提出对电磁发射的要求。

美国NRC遵循的是US NRC Regulatory Guide 1.180导则，该导则引用了美军标MIL—STD—461E和工业标准IEC61000系列的方法。导则对于各项试验的方法、试验参数以及验收要求均有系统的、具体的要求，对于实际操作的指导性更强。

通过以上得出，目前3个国家使用的电磁兼容标准基本以IEC61000系列为基础。目前我国已经拥有不同的核电站堆型，采用了不同的核电技术，对于我国目前现有的部分核电技术采用的电磁兼容鉴定标准列举见表1。

由于目前对气液联动执行机构的电磁兼容没有专门的标准和要求，根据以上对各国核电电磁标准以及我国核电技术标准应用的对比分析，结合核电站的电磁环境特点，与设计院讨论决定此次研究使用美国NRC Regulatory Guide 1.180导则的试验方法。

3. 确定试验项目

NRC Regulatory Guide 1.180引用的美军标MIL—STD—461E和工业标准IEC61000系列的两套方法，由于IEC61000试验方法缺少用以研究低频传导发射试验、低频（磁场）辐射发射试验、高频传导发射试验（处于10 000～150 000Hz）的试验方法和要求，因此对于NRC人员来说，在发射试验中，美军标MIL—STD—461E为基础方案，仅在电源质量控制和磁场源与设备距离满足要求时，允许使用IEC61000系列的方法。以下试验方案采用的发射试验选用美军标MIL—STD—461E的试验方法。由于目前国际通用的电磁兼容标准基本以IEC61000系列为基准，因此抗扰度试验和浪涌试验则采用IEC61000系列的试验方法。具体试验项目见表2。

适应性方案设计

根据电动机和电磁阀的工作特性及以往国外的气液联动执行机构的电磁兼容鉴定经验，电动机在发射试验中容易超出限制要求，电磁阀在浪涌试验中容易被击穿烧毁。分析原因为，电气元件完全暴露在试验环境中，未有任何的防护措施，导致工作时设备产生的电磁能量完全释放出来，超过了试验要求的限值。在试验过程中，如果接地系统没有将产品整体进行可靠接地，不能有效地将电磁能量导入大地。电磁阀没有浪涌保护措施，而一般的电磁阀线圈不能直接承受浪涌试验的高电压冲击。

基于上述讨论，对气液联动执行机构的方案设计主要有三个方面：

1）增加屏蔽防护，防止电磁能量的泄漏，并同时增加对环境的抗扰性。

2）对电磁阀增加浪涌抑制措施，提高对浪涌瞬态的承受能力。

3）保证整机的接地可靠性，增加电磁干扰信号的旁路。

1. 增加屏蔽措施

电磁屏蔽为防止或减小不需要的辐射电磁能量耦合至设备的技术，用来保证并提高设备在电磁环境中工作的兼容状态。一般来说，接收机和发射机之间的电磁波通道中增加金属板就能构成屏蔽，电磁波在穿越金属隔板时，反射损耗和吸收损耗这两个基本激励保证了屏蔽的主要功能。屏蔽机理示意如图1所示。

图1 电磁屏蔽机理示意

通过以上原理，采取在执行机构侧增加防护板。虽然铝材料为比较好的屏蔽材料，但由于核电站中不能使用铝材料，防护板采用不锈钢材质。根据RG1.180导则中抗干扰试验的频率要求，选取0.01kHz、0.1kHz、1kHz、10kHz、100kHz和1 000kHz这6个点进行屏蔽效能的计算，以确定防护板可以满足屏蔽要求的厚度。

2. 增加浪涌抑制措施

电磁阀的线圈不能直接抵抗浪涌的高能量，通过增加瞬变干扰吸收元件以提高线圈的抗干扰能力。瞬态抑制二极管（TVS）作为常用的瞬变干扰抑制元件，其工作原理为当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗立即降至很低并导通，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS的特性曲线如图2所示。

图2 TVS特性及参数

在假设所有的浪涌功率均需要二极管进行消耗的情况下，如果按照瞬时最高电压4kV进行选型的话，TVS的功率会非常大，但如此大功率的二极管由于成本

过高、制造周期过长等原因，目前市场上几乎很少出售。电磁阀的线圈工作原理类似电感元件，在电压波动瞬间可能会产生一定的反电动势。基于电磁阀的工作特性，提出假设，电磁阀线圈可以承受一定的电压波动，防浪涌保护器件可以选用较小功率的TVS。

根据假设，对产品本身的性能进行验证，试验结果见表3。

表3 电磁阀线圈浪涌试验结果

试验结表明电磁阀线圈可以承受到一定等级的浪涌电压，可以选用工业中较常使用的TVS对电磁阀的线圈在进行浪涌试验的保护，同时应保证所选型号的电压参数满足对电磁阀额定工作电压的保护要求。

将选用的TVS安装在电磁阀上，依次从1kV、2kV、3kV和4kV逐级递增进行试验。为排除偶然性的结果，分别设置了1号、2号两个样品，每个样品每个

等级进行10次试验。最终试验结果为，电磁阀完好。

截取2kV、4kV试验的残压分别为－108V/100V和－112V/124V，残压波形如图3、图4所示。

图3 2kV测试残压波形图

图4 4kV测试残压波形图

根据试验结果，所选的TVS可以达到浪涌抑制的效果，提高整机液压系统的抗干扰能力和可靠性。

3. 增加整机接地设计

接地可以在电气或电子设备与大地之间提供低阻通道，可以为故障电流或者电磁干扰信号的旁路。执行机构的所有电气元件的出线均通过接线盒。通过增加接线盒的接线柱与执行机构的框架结构相连，防护板做成的罩壳再安装在框架结构上，这样执行机构整机即为一个等电动势的整体。在试验过程中，将罩壳接地，通过这种方法将执行机构整机系统接地。这样可以实现信

号、电源及电气安全各个通道的有效性能，不会引起过量的共模干扰，并建立一个通道以使外部导体上或环境中存在的干扰能量由敏感电路转移离开。

鉴定试验

将上述方案设计应用到执行机构的样机方案中，试验样机按照RG1.180导则中的试验方法进行鉴定试验。

试验前，根据导则要求编制了试验大纲和试验程序。根据试验程序进行鉴定试验。试验过程满足RG1.180导则的要求，且最终试验通过。证明样机的方案设计满足了核电的电磁兼容要求。

以上节选自《通用机械》

核级阀门气液联动执行机构电磁兼容性鉴定研究

作者：默静轶等