目前，核電站設計越來越重視電磁干擾對輸入輸出信號的影響，作為三代核電一回路中起重要測量作用的磁浮子液位變送器，容易受到電磁干擾，同時又容易成為干擾源，因此電磁兼容性要求成為它關鍵的設計鑒定要求。考慮到它在核電環境中潛在的干擾源類型很多，干擾的產生機制、形態和對儀表控制系統的影響方式都有很大不同。為了更好地進行安全可靠地工藝參數計量和保證監視數據的安全可靠，本文就磁浮子液位變送器的電磁兼容性問題進行了深入研究。

 

1 磁浮子液位變送器的基本結構

磁浮子液位變送器主要由液位傳感器和變送器轉換模塊兩大部分組成。內浮筒中的浮子隨著液位的變化而上下移動，與固定在外浮筒的干簧管陣列發生磁性耦合后將液位變化引起機械位移變化轉化為電阻值的變化，通過變送器轉換模塊對信號進行處理輸出電信號，完成將電阻器轉換成二線制4~20mA標準信號輸出，實現液位的測量。

2 電磁兼容性要求分析

2.1 安裝位置

根據三代核電的設計布置，磁浮子液位變送器的布點主要為位于安全殼冷卻系統（PCS）閥門間的冷卻水箱泄露收集箱液位檢測點，位于蒸汽發生器間的安全殼內放射性液體廢物排放系統（WLS）的檢漏收集罐液位檢測點，和位于走道的安全殼外放射性液體廢物排放系統（WRS）的檢漏收集罐液位檢測點。該測點電氣分級均為E，設計可靠性保證分級為NO/NR。

 

2.2 電磁兼容性要求

電磁兼容性（EMC）試驗要求主要分兩部分：電磁騷擾（EMI）試驗和電磁抗擾度（EMS）試驗。其中電磁騷擾又分為傳導騷擾和輻射騷擾試驗，電磁抗擾度試驗分為傳到抗擾度和輻射靠擾度試驗。按照設計要求和研究需要，對于電氣分級為E，設計可靠性保證分級為NO/NR的電氣設備，對磁浮子液位變送器所需要進行的試驗項目、引用的試驗標準出處、試驗達到的水平（試驗頻率范圍、適用范圍），試驗作用對象進行了梳理。明確要求在試驗之后被試變送器能正常工作，輸出變化量<1.5%。

 

其中電磁騷擾試驗項目涉及4項，電磁抗擾度實驗項目共計10項。電磁騷擾試驗4項要滿足美軍標MIL-STD-461E的試驗條件，電磁抗擾度試驗10項要滿足國際標準IEC 61000-4的試驗條件。必須要說明的是，這14項試驗的試驗順序。一般來說，大部分的試驗項目不會對液位變送器產生破壞作用，只有少數項目可能會造成不可逆的情況。在順序編排中，按不具有破壞性的試驗在前、破壞性的試驗在后的原則。原則上xianjin行電磁騷擾試驗，再進行電磁抗擾度試驗，浪涌、電快速瞬變脈沖群抗擾度zui后進行。另外，電磁兼容性試驗沒有試驗裕度的要求。

 

3 電路設計

3.1 電路框架

電路功能分成環路取能電源模塊、V/I轉換電路模塊、零度調節模塊、量程調節模塊、電壓調理模塊，其整個電路功能框圖如圖2。

電路工作原理為：液位測量信號轉換成與液位對應變化的電阻信號，通過傳感器輸入模塊調理成對應的電壓值后輸入電壓輸入調理模塊，電壓輸入模塊同時還接收零滿度調節與量程調節輸出信號，zui后通過V/I轉換電路輸出標準的4~20mA信號；取能電路則負責從電流環路上獲得能量，轉換成穩定的電壓值對整個電子電路進行供電。

 

3.2 電路分析

磁浮子液位變送器具有取能電路等信號轉換環節和較復雜的電子線路：零滿調節、V/I轉換電路、環路取能電源等，因此很容易受到電場、磁場的干擾，造成儀表的測量誤差變大和不穩定的現象。如觸點的吸合和斷開、元器件工作狀態的變化等。為了克服各種干擾的影響，提高穩定性，除常用的抗干擾措施外，應設計特殊的抗干擾電路以滿足工程需求。分析發現對于磁浮子液位變送器主要為外部干擾，即干擾信號沿著電源線直接加載到輸入電壓DC24V上，這里指的是環路取能電源的輸入側。電源側的輸入電壓穩定與否，會直接影響信號提取的精準性，增大測量誤差，造成輸出信號的不穩定。因此考慮在電源側設計抗干擾回路。理想的電路設計要求回路精簡緊湊，沒有多余的元器件。

 

3.3 抗干擾電路設計

設計了一個抗干擾電路，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串接一個繞線電阻R4，阻值10Ω，用于抑制電源側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，減輕后級電路的負荷。輸入端回路和大地之間接一個空氣放電管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點用來限制浪涌電壓，當電路過壓時，二極管首先擊穿短路，可起到保護后級電路的效果。在回路和大地之間并聯一個大電阻R1，用于泄放變送器的可能累積的靜電荷。

 

輸入端端口L串接一個繞線電阻R5，阻值10Ω，用于抑制電源側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，減輕后級電路的負荷。輸入端回路和大地之間接一個空氣放電管FD1和大功率雙向TVS管，在回路和大地之間并聯一個大電阻R1，作用同上，空氣放電管FD1和大功率雙向TVS管，用來限制浪涌電壓，當電路過壓時，二極管首先擊穿短路，和H側一樣同時起到保護后級電路的效果。在回路和大地之間并聯一個大電阻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電源端經過共模軛流電感線圈L1輸出至變送器供電，用于對經電源線引入的電源干擾進行抑制。穩壓管D8的接入用于防止電源反擊保護，同時可以作為現場電流信號測試端。

 

3個TVS管W6、W6、W7用于對變送器的zui終保護。可以根據不同的輸出電壓合理配置穩壓值，保護電源負載不會因為超壓而損壞。

 

3.4 抗干擾電路設計效果

在工程樣機試制中，如電快速瞬變脈沖群試驗，根據標準在端口施加2kV電壓，根據工程應用經驗，實際輸出的電壓峰值為2V的情況下，若持續時間取15ms，則通過計算可得這一過程中的累積能量為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相關的試驗要求，在單元設計時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前級使用，和后級的TVS管一起使用，響應時間很快，對后級電路的保護效果更好，這種器件的絕緣電阻非常高，而且其并接在線路上對線路基本不會構成什么影響。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是zui小的，因此用于zui末級的精細保護，同時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，使殘壓不會對變送器產生破壞性影響。

（2）壓敏電阻的響應時間介于空氣放電管和瞬態抑制二極管之間，可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，實現對后級電路的保護。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，使干擾信號的幅度被限制在允許范圍之內。

（3）在每一路輸入信號線與機殼（接大地）之間增加一個大阻值的泄放回路，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 試驗過程

結合磁浮子液位變送器常規產品的經驗，對EMC抗干擾技術的研究設計進行轉化，經過充分的硬件試制，試制過程考慮電路板上元件布置的設計排布、制作工藝等，和公司專用的試驗設備對樣機進行摸底，驗證設計方案的可行性。正式試驗前，對受試磁浮子液位變送器進行基本性能檢測，輸出變化量為0.01%。試驗后，受試液位變送器工作正常，其中9項抗擾度試驗輸出變化為0，其余各項試驗輸出變化量均小于0.01%，驗證該設計可行。

 

4 結論

通過對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項目和試驗要求，研究和分析變送器在該試驗項下的主要騷擾來源，采用在電源端加入抗擾電路的設計，減小電源端輸入噪聲對測量誤差的影響，減小模擬電路中的模擬信號來自電源的干擾。通過試驗證明本設計滿足三代核電的電磁兼容性要求，可以在所在測點位置使用。