杨 剑，谷 宇，刘春明

（北京广利核系统工程有限公司，北京 100094）

0 引言

大多数的电子设备都会在某种情况下受到电磁辐射的影响[1]。在核电站内就有诸如操作人员及安保人员使用的手持无线电通讯设备、常规岛内的汽轮机及水泵、控制室内的各种仪控柜等电磁源，这些电磁源会源源不断地向外发射电磁波。这些干扰按照耦合路径分，可分为传导性干扰和空间辐射性干扰。结合核电仪控系统特征，要保证核电仪控系统在传导性干扰（150KHz～80MHz）及空间辐射性干扰（80MHz～6GHz）的情况下，各种信号不发生异常跳变，即系统不会发生误动作，出现仪控系统性能降低甚至功能丧失的问题。针对此问题，行业内通常依据IEC61000-4 系列标准执行试验。具体地说，依据IEC61000-4-3《电磁兼容性.第4-3 部分：试验和测量技术,辐射、射频和电磁场的抗扰性试验》、IEC61000-4-6《电磁兼容性 (EMC).第4-6 部分：试验和测量技术.防止因射频场诱发的传导干扰》执行。

1 RS、CS原理及影响因素

射频电 磁场辐 射抗扰 度（RS：Radiated Susceptibility）试验，主要是测试仪控系统对来自于80MHz～6GHz 频率内干扰源的抗扰度。试验中干扰源为信号发生装置产生的可调制正弦波，其测试对象为外壳端口，即整个设备和部分连接线缆，干扰通过发射天线辐射至整个测试对象。

射频感应的传导骚扰抗扰度（CS：Conducted Susceptibility）试验，主要是测试仪控系统对来自于150KHz～80MHz 频率内干扰源的传导骚扰抗扰度。试验中干扰源为信号发生装置产生的可调制正弦波，其测试对象为线缆及连接线缆的端口，干扰通过电流钳或直接注入的方式接入测试对象，测试对象与陪测设备间需加装去耦装置。

基于上述试验原理及核电仪控系统组成因素分析，可以得出RS、CS 试验的干扰源为可调制正弦波，干扰会通过空间及线缆对机柜、线缆、仪控系统中的IO 设备产生干扰。

2 鉴定试验分析

在此章节，将按照从工程系统设计到产品设计的逻辑，按机柜、信号线缆、信号线屏蔽层、电路设计及PCB 设计等的顺序，分析其对电磁兼容的影响。通过控制变量法，用实际具体的试验测试数据对单一因素进行比对，从而分析RS 及CS 的影响因素，并对改善方法进行总结归纳。

2.1 工程系统设计

2.1.1 机柜结构

机柜是整个系统中最大的一部分，机柜金属壳体在电磁兼容试验中起到了非常好的屏蔽作用。因为电磁入射波照射金属屏蔽体时大部分会在表面被直接反射走，一部分在金属屏蔽体内不断反射并逐渐衰减，最后一部分透过屏蔽体或由屏蔽体的孔隙进入机柜。

在机柜设计阶段时，针对EMC 问题，主要考虑机柜金属屏蔽体材料、金属屏蔽体的厚度、屏蔽体结构的孔隙及机柜整体的电气连接性。而在测试阶段，需考虑成本及项目工期等因素，又因机柜材料、厚度、结构等因素已确定且无法进行有效可行的整改。因此，一般会对机柜的电气连接性进行整改。

将内外整体喷涂绝缘漆的机柜记为配置①；将原始机柜接地排、导轨用铜编织带模拟充分连接记为配置②。在其他条件均保持一致的情况下，改变机柜电气连接性，以热电偶TC 信号、四线制热电阻RTD 信号（记为RTD-4，下同）、三线制热电阻RTD 信号（记为RTD-3，下同）3种类型信号的精度进行量化，进行试验验证。详情见表1。

表1 机柜电气连接性比对Table 1 Comparison of electrical connectivity of cabinets

由表1 可知，机柜的电气连接性是EMC 的一个关键因素。良好的电气连接性在RS、CS 试验时，均可以有效提高信号精度。

针对电气连接性，可有如下方法进行改善：

1）首先，观察与仪控系统IO 设备直接连接的导轨或背板与机柜接地点的连接情况。为保证IO 设备接地良好，此连接处最好不要进行喷漆处理。

2）然后，观察整体结构连接性。机柜如果不是一体化铸造，要仔细观察各结构件间的连接处，合理应用垫片增加连接性。

2.1.2 信号线缆

信号线缆在电磁兼容试验中十分重要，不仅是因为信号线缆是仪控系统中物理距离最长的部分，很容易通过近场的耦合作用对数字化仪控系统产生干扰。而且在空间辐射上，它还将等效类似于一根吸收和辐射噪声的天线。

为对抗电容性耦合，信号线缆主要需减少与噪声导体间的分布电容。为了达到这个目的，最简单的方法为加大与噪声导体之间的距离。在应用时，信号线不能与电源共用一根线缆且信号线要远离电源线及高频信号线。

但是试验依据试验标准执行，干扰源及信号线位置相对固定，无法使用增大信号线缆与干扰源的距离来减少导体的分布电容，所以试验现场最好的方式是使用电磁屏蔽，即在信号线外增加屏蔽层。屏蔽层接地后屏蔽层上电势为零，所以受感应导体上的噪声电压也为零。而在实际中，不同的屏蔽层接地方式也会对此产生影响[2]。

将屏蔽层与被屏蔽线缆分开，将屏蔽层扭成一个辫子形状的导线后，接地。这种接地方式也被称为“猪尾巴”接地，将此种屏蔽层接地方式记为配置③；用铜箔将屏蔽层直接贴于接地点记为配置④；用结构件将屏蔽层环接于接地点记为配置⑤。在其他条件均保持一致的情况下，改变屏蔽层接地方式，以TC 信号、RTD-4 信号、RTD-3 信号3 种类型信号的精度进行量化，进行试验验证。详情见表2。

表2 屏蔽层接地方式比对Table 2 Comparison of shielding layer grounding methods

由表2 可知，良好的信号线缆屏蔽层接地，将有效避免干扰，提高信号精度。

在工程实际中，由于受影响的信号线缆不可能全部封闭在屏蔽层内（包括导体两端外漏的部分及编制屏蔽层的缝隙），为了解决这部分问题的影响增强电场屏蔽效果：

◇尽量降低中心信号线暴露在屏蔽层外的长度[3]。

◇为屏蔽层提供一个良好的接地，具体方式应该依据现场环境选择。经试验验证，结构件环接的接地效果好于直接贴接，好于“猪尾巴”接地。

信号线缆对抗电感性耦合，主要是减少电流回路之间的互感，为了达到这个目的：

1）可以增大电流回路间的耦合距离，一般增加回路之间的相对位置。

2）采用电磁屏蔽线缆，一般是使用双绞线缆和同轴线缆。

但是试验现场依据试验标准执行，增加耦合距离的方式不容易执行，所以一般考虑使用电磁屏蔽线缆。

将一般DB25 线缆记为配置⑥；将核级仪表双绞线缆记为配置⑦。在其他条件均保持一致的情况下，改变线缆规格，以TC 信号、RTD-4 信号、RTD-3 信号3 种类型信号的精度进行量化，进行试验验证。详情见表3。

表3 电磁屏蔽线缆比对Table 3 Comparison of electromagnetic shielded cables

由表3 可知，线缆规格越高，防护的等级也将越好，信号的精度也将提高。但是，使用电磁屏蔽线缆需要注意以下几点：

a）屏蔽体的截止频率。当导线中通过的电流的频率远大于屏蔽体截止频率时，屏蔽效果好；当导线中通过的电流低于5 倍的屏蔽体截止频率时，大部分电流会通过地面返回，屏蔽效果小。

b）屏蔽双绞线是一种十分方便的电磁屏蔽措施，但是因为有较大的电容，所以不适用于高频或高阻抗回路。一般是使用在频率低于100kHZ 的屏蔽。

c）无论是屏蔽双绞线还是同轴线缆，为了抑制电容性耦合，最好使用单端接地。只有在大于1MHz 时，才将屏蔽体两端接地。

2.2 电路设计及PCB设计

2.2.1 电路设计

从电路设计方面，考虑增强数字化仪控系统抗扰性能一般方法为在信号采集电路前端增加一阶有源滤波电路，增强板卡整体滤波性能和使用数字滤波方式。

有源滤波电路由RC 网络及放大器组成，RC 滤波电路广泛应用于对信号处理要求高的场合，但是想要改变滤波截止频率需要大量的计算来调整电阻和电容的数值。同时，因RC 网络本身的电路特点，在增强信号抗扰能力时，会延长系统的响应时间。

数字滤波是一种计算过程，滤波系统不需要硬件支撑，可靠性高并且不会出现阻抗匹配等问题。调整滤波截止频率只要修改程序参数即可，同时在RC 滤波电路处理效果较差的低频段也可以很好地发挥滤波作用。但是数字滤波需要占据运算资源，受运算速度及内存大小影响，想要实现高难度数字滤波过程也比较困难。

将正常板卡的配置记为配置⑧；将正常板卡外接辅助滤波模块记为配置⑨。在其他条件均保持一致的情况下，改变滤波配置，以TC 信号、RTD 信号两种类型信号的精度进行量化，进行试验验证。详情见表4。

表4 滤波器比对Table 4 Filter comparison

由表4 可知，增加滤波电路能有效降低干扰对信号精度的影响。

结合两种滤波的优缺点及核电系统已完成设备鉴定试验的板卡原理图，发现将两种滤波方式结合使用，即在信号采集电路前端增加一阶RC 滤波电路，同时通过AD 转换芯片进行数字滤波，效果是最好的。

2.2.2 PCB设计

从PCB 设计方面考虑，增强数字化仪控系统抗扰性能主要方法为合理进行分区、设置禁止布线区域，针对其进行合理的叠层设计。

合理的分区，可以最小化走线长度，提高信号完整性，最小化寄生耦合风险，防止RF 能量在不同带宽区域耦合传播，利于电路之间滤波抑制，也有利于局部屏蔽的实现。

禁止布线区域的设置，可以减少板内时钟或高频电路产生的高频场（磁场、电场）影响IO 采集电路及信号端口。

PCB 叠层设计是将绝缘体和铜层进行分层放置，良好的多层机构设计可以增强板卡的抗电磁干扰能力。

针对上述影响，可以进行的整改方案如下：

1）分区设计。首先，高速逻辑区域不能靠近I/O 区域；其次，晶振和高频振荡器要靠近集成电路；最后，I/O 驱动要靠近连接器。

2）禁止布线区域要离板边，最少应保持20 倍信号线与返回参考平面的间距，并且关键信号都不应该在该区域走线。

3）对8 层板来说，要合理改变层的排列顺序，信号层与平面层要相邻，使用多个接地层来减少接地阻抗。

3 结束语

从工程系统设计、电路设计及PCB 设计3 个大方面，以及机柜结构设计、信号线缆选择与应用、滤波电路设计与PCB 设计几个小的方面，通过控制变量的方法，对单一因素进行实际的鉴定试验。以TC 信号、RTD-4 信号及RTD-3 信号精度试验数据比对，探究了RS 及CS 试验应力对数字化核电仪控系统的影响；分析了影响的产生原因，并结合相应的因素给出了一些整改措施，为今后核电数字化仪控系统RS、CS 试验的通过提供设计上的思路。更重要的是，提出了一种解决思路。出现问题后，可依据此排查不同因素对试验的影响，然后针对不同的因素采取不同的方式整改。将系统性的EMC 问题，分割到小的因素上，提高了EMC 问题的定位、解决效率。