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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司張笑平

關(guān)鍵詞：電磁兼容；核電儀表控制系統(tǒng)；傳導(dǎo)發(fā)射；不確定度

1　引言

傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量在核電儀表控制系統(tǒng)電磁兼容（EMC）測(cè)試中十分重要，在核電儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，必須充分考慮其帶來的問題如電源穩(wěn)定性、傳輸信號(hào)受到干擾導(dǎo)致測(cè)量精度下降等，并采取有效的措施來降低傳導(dǎo)發(fā)射對(duì)系統(tǒng)的影響，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，在樣機(jī)鑒定時(shí)，實(shí)驗(yàn)室需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行符合性判定。為了表征測(cè)量結(jié)果的可信度，測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)室要充分考慮測(cè)量設(shè)備和設(shè)施所引入的不確定度（測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值的程度），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CISPR16-4-2^[1]要求，實(shí)驗(yàn)室不確定度Ulab不同，騷擾限值的符合性判定要求也不同。因此實(shí)驗(yàn)室如何準(zhǔn)確地對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量的不確定度進(jìn)行評(píng)定顯得尤為重要。

2　測(cè)量結(jié)果的不確定度分量分析

2.1　傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

按照GB/T 6113.201-2018^[2]規(guī)定，傳導(dǎo)發(fā)射主要是測(cè)量系統(tǒng)在正常工作時(shí)沿著電源線向電網(wǎng)發(fā)射的連續(xù)騷擾電壓的大小，測(cè)量一般在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，以避免周圍環(huán)境電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。測(cè)量時(shí)，需要在電網(wǎng)和被測(cè)量系統(tǒng)之間插入一個(gè)人工電源網(wǎng)絡(luò)，將騷擾信號(hào)傳送到測(cè)量接收機(jī)。測(cè)試布置圖如圖1所示，由屏蔽室提供測(cè)試環(huán)境，測(cè)量接收機(jī)和人工電源網(wǎng)絡(luò)以及受試設(shè)備（EUT）構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)鏈路圖

2.2　不確定度分量分析

通過對(duì)圖1測(cè)試系統(tǒng)分析可知，影響到測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來源于測(cè)試設(shè)備和連接線纜及端口3部分：

（1）由接收機(jī)讀數(shù)引入的不確定度分量

按照NB/T20218-2013^[3]要求，接收機(jī)測(cè)量的是0.15MHz～30MHz頻率范圍內(nèi)的騷擾信號(hào)，其輸出為場(chǎng)強(qiáng)電壓值，騷擾信號(hào)既包含連續(xù)波信號(hào)也包含脈沖信號(hào)等。接收機(jī)讀數(shù)引入的分量既包含重復(fù)測(cè)量引入的不確定度分量u(V_r)，也包含接收機(jī)本身帶來的不確定度分量，如電壓示值的準(zhǔn)確度u(δV_sw)、脈沖幅度響應(yīng)u(δV_pa)、脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)u(δV_pr)、接收機(jī)的本底噪聲u(δV_nf)。

（2）由人工電源網(wǎng)絡(luò)引入的不確定度分量

人工電源網(wǎng)絡(luò)在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試中的作用：

·在0.15MHz～30MHz范圍內(nèi)向受試設(shè)備提供一個(gè)穩(wěn)定的阻抗；

·將受試設(shè)備發(fā)射的騷擾電壓耦合至接收機(jī)；

·隔離電網(wǎng)和受試設(shè)備。

因此測(cè)試中人工電源網(wǎng)絡(luò)引入的不確定度分量包含：由阻抗引入的u(δZ_AMN)；將騷擾信號(hào)耦合至接收機(jī)中會(huì)引起幅度變化，這會(huì)引入分壓系數(shù)u(F_AMN)；另外由于分壓系數(shù)是通過校準(zhǔn)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)之間的內(nèi)插計(jì)算得到的，因此還要考慮分壓系數(shù)頻率內(nèi)插引入的u(δF_AMNf)。

（3）由線纜以及端口引入的不確定度分量

接收機(jī)和人工電源網(wǎng)絡(luò)之間線纜損耗引入的u(a_c)；人工電源網(wǎng)絡(luò)騷擾輸出接口和測(cè)量接收機(jī)騷擾輸入接口由于失配將引起反射，形成駐波，會(huì)對(duì)讀數(shù)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響從而引入的u(δM)；人工電源網(wǎng)絡(luò)電源騷擾引入的u(δD_mains)；測(cè)量環(huán)境的影響引入的u(δV_env)。

2.3　數(shù)學(xué)模型的確定

基于以上分析可得，傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量值的數(shù)學(xué)模型為式（1）：

由于各不確定度分量之間互不相關(guān)，因此靈敏系數(shù)為式（2）：

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度數(shù)學(xué)模型為式（3）：

3　測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

測(cè)量結(jié)果的不確定度一般由若干標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量組成，包括A類不確定度分量（隨機(jī)分量）和B類不確定度分量（系統(tǒng)分量），二者來源不同。A類不確定度是對(duì)被測(cè)量進(jìn)行多次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，用其算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果的最佳估計(jì)值，通過貝塞爾公式計(jì)算出A類不確定度分量。在電磁兼容測(cè)試中，B類不確定度分量通常與諸如失配效應(yīng)、電纜損耗以及測(cè)試儀器的非線性特性有關(guān)，在分析時(shí)，借助于校準(zhǔn)報(bào)告、儀器制造商的技術(shù)規(guī)范或憑知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。由A類不確定度分量和B類不確定度分量合成得到的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，再乘以包含因子，可獲得最終測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

根據(jù)以上分析，可得由接收機(jī)讀數(shù)的重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為A類不確定度分量；整個(gè)測(cè)量鏈路中會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響的其它因素引入的歸入B類不確定度分量。

3.1　A類不確定度分量的評(píng)定

以VVER堆型設(shè)備等級(jí)1級(jí)后備盤整機(jī)為被測(cè)對(duì)象，選取10MHz為測(cè)量點(diǎn)，獨(dú)立重復(fù)測(cè)量10次，準(zhǔn)峰值（QP）和平均值（AV）的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 10次重復(fù)測(cè)量結(jié)果

由上表可得單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為式（4）、（5）：

在實(shí)際進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試時(shí)，只測(cè)量1次，故由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為式（6）、（7）：

3.2　B類不確定度分量評(píng)定

3.2.1接收機(jī)正弦波電壓引入的不確定度分量

根據(jù)CISPR16-4-2^[1]中規(guī)定，如果校準(zhǔn)報(bào)告表明接收機(jī)的正弦波電壓準(zhǔn)確度優(yōu)于CISPR16-1-1^[4]規(guī)定的±1dB的允差，則將±1dB用于測(cè)量接收機(jī)的不確定度計(jì)算，而不使用校準(zhǔn)過程中產(chǎn)生的測(cè)量不確定度。根據(jù)校準(zhǔn)證書可得，接收機(jī)正弦波電壓準(zhǔn)確度修正值δVsw估計(jì)值的擴(kuò)展不確定度為0.30dB（k=2），計(jì)算可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.15dB，優(yōu)于1dB，所以將±1dB用于測(cè)量接收機(jī)的不確定度計(jì)算（估計(jì)值為0，在EMC測(cè)量中一般不對(duì)接收機(jī)讀數(shù)做修正），服從半寬度為1dB的矩形分布，可得接收機(jī)的正弦波電壓引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為式（8）：

3.2.2接收機(jī)脈沖幅度響應(yīng)和脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)引入的不確定度分量

如果接收機(jī)的脈沖幅度響應(yīng)δV_pa和重復(fù)頻率響應(yīng)δV_pr滿足CISPR16-1-1^[4]規(guī)定的±1.5dB允差要求，則這兩項(xiàng)的不確定度分量服從半寬度為1.5dB的矩形分布。根據(jù)校準(zhǔn)證書可計(jì)算，脈沖幅度響應(yīng)和重復(fù)頻率響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度都為0.75dB，優(yōu)于1.5dB，可得接收機(jī)脈沖幅度響應(yīng)和脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為式（9）、（10）:

3.2.3　接收機(jī)的本底噪聲引入的不確定度分量

通常，接收機(jī)的本底噪聲遠(yuǎn)低于騷擾電壓限值，因此本底噪聲對(duì)那些接近限值的測(cè)量結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，所以本底噪聲引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為式（11）：

3.2.4　人工電源網(wǎng)絡(luò)阻抗引入的不確定度分量

按照人工電源網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)證書中給出的阻抗模值和阻抗相角，通過Impedance Uncertainty Contribution軟件可計(jì)算出阻抗引入的誤差限為（-0.63/0.81）dB，區(qū)間半寬度為0.72dB，服從三角分布，可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為式（12）：

3.2.5　人工電源網(wǎng)絡(luò)分壓系數(shù)及其頻率內(nèi)插引入的不確定度分量

人工電源網(wǎng)絡(luò)的電壓分壓系數(shù)擴(kuò)展不確定度和包含因子可從校準(zhǔn)證書得到。由校準(zhǔn)可得，擴(kuò)展不確定度為0.24dB，包含因子k為2，可得分壓系數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)確定度分量為式（13）：

根據(jù)GB/T6113.402可得^[5]，分壓系數(shù)頻率內(nèi)插的修正值為0，服從半寬度為0.1dB的矩形分布，所以分壓系數(shù)頻率內(nèi)插引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為^[4]式（14）：

3.2.6　接收機(jī)和人工電源網(wǎng)絡(luò)之間連接線線纜衰減引入的不確定度分量

一般是由制造商提供的數(shù)據(jù)得到。其標(biāo)準(zhǔn)不確定度可認(rèn)為服從矩形分布且半寬度等于制造商所規(guī)定的衰減量的最大允差。根據(jù)制造商提供的線纜數(shù)據(jù)可得，半寬度為0.1dB，可得連接線引入的不確定度分量為式（15）：

3.2.7　人工電源網(wǎng)絡(luò)和測(cè)量接收機(jī)接口失配引入的不確定度分量

根據(jù)GB/T6113.402^[5]可得，失配修正值δM的極限值依據(jù)公式（16）計(jì)算：

其中，1為人工電源網(wǎng)絡(luò)端口，2為接收機(jī)端口。人工電源網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)置10dB衰減）端口的反射系數(shù)|Γ_e|≤0.1，接收機(jī)（接收機(jī)在測(cè)量時(shí)一般設(shè)置衰減為10dB～20dB，電壓駐波比不大于1.2）端口的發(fā)射系數(shù)|Γ_r|≤0.09，同時(shí)設(shè)定接收機(jī)的連接電纜匹配良好（|S₁₁|≤1，|S₂₂|≤1）（且衰減可忽略不計(jì)（|S₂₁|≈1），可得δM^±為±0.08dB。δM的概率分布近似為U型分布，其寬度不大于（δM⁺-δM-），可得失配引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為式（17）：

3.2.8　人工電源網(wǎng)絡(luò)電源騷擾引入的不確定度分量

測(cè)量時(shí)，電源騷擾（本底噪聲）可通過自身得到抑制或者可附加濾波器（進(jìn)入屏蔽室每根電源線均裝有電源濾波器），因此該項(xiàng)影響可忽略不計(jì)，即式（18）：

3.2.9　測(cè)量環(huán)境引入的不確定度分量

測(cè)量一般在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，避免了周圍環(huán)境電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，而且試驗(yàn)場(chǎng)地、接地不理想等因素的影響某種程度上已經(jīng)包含在了上述不確定度分量的計(jì)算中，因此可不考慮測(cè)量環(huán)境引入的不確定度分量，即式（19）：

3.3　擴(kuò)展不確定度

根據(jù)公式（3）～（19）計(jì)算可得式（20）、（21）：

取包含因子為k＝2，置信概率為95%，可得騷擾電壓QP和AV的擴(kuò)展不確定度均為2.9dB，因此可統(tǒng)一電源傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為（取k＝2）式（21）：

4　結(jié)果表示

上述計(jì)算得到的Ulab=U(V)=2.9dBμv，小于U_CISP（3.4dBμv），因此測(cè)得的騷擾結(jié)果若不超過所規(guī)定的騷擾限值，即判定為符合要求，反之則判定為不合格，且在試驗(yàn)報(bào)告中給出擴(kuò)展不確定度為U_lab=2.9dBμv，包含因子k=2或注明本次測(cè)量的不確定度U_lab小于U_CISPR。

5　結(jié)語

由于電磁兼容檢測(cè)項(xiàng)目的不確定度評(píng)定過多的涉及到檢測(cè)方法、應(yīng)用的儀器設(shè)備和測(cè)試場(chǎng)地的特性，因此評(píng)定起來比較復(fù)雜。本文以使用人工電源網(wǎng)絡(luò)為例對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量進(jìn)行了評(píng)定，為不確定度評(píng)定方法如何應(yīng)用到核電儀表控制系統(tǒng)電磁兼容檢測(cè)領(lǐng)域的其它項(xiàng)目提供了參考。

作者簡介：

張笑平（1987-），女，河南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證工作和設(shè)備的電磁兼容型式鑒定工作。

參考文獻(xiàn)：

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[2] GB/T 6113.201-2018, 無線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范 第2-1部分: 無線電騷擾和抗擾度測(cè)量方法傳導(dǎo)騷擾測(cè)量[S].

[3] NB/T20218-2013, 安全重要儀表和控制設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)要求[S].

[4] CISPR 16-1-1: 2019, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods–Part 1-1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus–Measuring apparatus[S].

[5] GB/T 6113.402-2022, 無線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范 第4-2部分: 不確定度、統(tǒng)計(jì)學(xué)和限值建模 測(cè)量設(shè)備和設(shè)施的不確定度[S].

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年8月刊