★北京广利核系统工程有限公司张笑平

关键词：电磁兼容；核电仪表控制系统；传导发射；不确定度

1　引言

传导发射测量在核电仪表控制系统电磁兼容（EMC）测试中十分重要，在核电仪表控制系统的设计和运行过程中，必须充分考虑其带来的问题如电源稳定性、传输信号受到干扰导致测量精度下降等，并采取有效的措施来降低传导发射对系统的影响，以确保系统的安全性和可靠性。因此，在样机鉴定时，实验室需要对控制系统进行传导发射测试，并对测量结果进行符合性判定。为了表征测量结果的可信度，测量时实验室要充分考虑测量设备和设施所引入的不确定度（测量结果偏离真实值的程度），根据标准CISPR16-4-2^[1]要求，实验室不确定度Ulab不同，骚扰限值的符合性判定要求也不同。因此实验室如何准确地对传导发射测量的不确定度进行评定显得尤为重要。

2　测量结果的不确定度分量分析

2.1　传导发射测试系统

按照GB/T 6113.201-2018^[2]规定，传导发射主要是测量系统在正常工作时沿着电源线向电网发射的连续骚扰电压的大小，测量一般在屏蔽室内进行，以避免周围环境电磁场对测量结果的影响。测量时，需要在电网和被测量系统之间插入一个人工电源网络，将骚扰信号传送到测量接收机。测试布置图如图1所示，由屏蔽室提供测试环境，测量接收机和人工电源网络以及受试设备（EUT）构成测试系统。

图1 测试系统链路图

2.2　不确定度分量分析

通过对图1测试系统分析可知，影响到测量结果的不确定度主要来源于测试设备和连接线缆及端口3部分：

（1）由接收机读数引入的不确定度分量

按照NB/T20218-2013^[3]要求，接收机测量的是0.15MHz～30MHz频率范围内的骚扰信号，其输出为场强电压值，骚扰信号既包含连续波信号也包含脉冲信号等。接收机读数引入的分量既包含重复测量引入的不确定度分量u(V_r)，也包含接收机本身带来的不确定度分量，如电压示值的准确度u(δV_sw)、脉冲幅度响应u(δV_pa)、脉冲重复频率响应u(δV_pr)、接收机的本底噪声u(δV_nf)。

（2）由人工电源网络引入的不确定度分量

人工电源网络在传导发射测试中的作用：

·在0.15MHz～30MHz范围内向受试设备提供一个稳定的阻抗；

·将受试设备发射的骚扰电压耦合至接收机；

·隔离电网和受试设备。

因此测试中人工电源网络引入的不确定度分量包含：由阻抗引入的u(δZ_AMN)；将骚扰信号耦合至接收机中会引起幅度变化，这会引入分压系数u(F_AMN)；另外由于分压系数是通过校准频率点的数据之间的内插计算得到的，因此还要考虑分压系数频率内插引入的u(δF_AMNf)。

（3）由线缆以及端口引入的不确定度分量

接收机和人工电源网络之间线缆损耗引入的u(a_c)；人工电源网络骚扰输出接口和测量接收机骚扰输入接口由于失配将引起反射，形成驻波，会对读数的准确度产生影响从而引入的u(δM)；人工电源网络电源骚扰引入的u(δD_mains)；测量环境的影响引入的u(δV_env)。

2.3　数学模型的确定

基于以上分析可得，传导发射测量值的数学模型为式（1）：

由于各不确定度分量之间互不相关，因此灵敏系数为式（2）：

合成标准不确定度数学模型为式（3）：

3　测量结果的不确定度评定

测量结果的不确定度一般由若干标准不确定度分量组成，包括A类不确定度分量（随机分量）和B类不确定度分量（系统分量），二者来源不同。A类不确定度是对被测量进行多次独立重复测量，用其算术平均值作为测量结果的最佳估计值，通过贝塞尔公式计算出A类不确定度分量。在电磁兼容测试中，B类不确定度分量通常与诸如失配效应、电缆损耗以及测试仪器的非线性特性有关，在分析时，借助于校准报告、仪器制造商的技术规范或凭知识和经验进行评估。由A类不确定度分量和B类不确定度分量合成得到的合成标准不确定度，再乘以包含因子，可获得最终测量结果的扩展不确定度。

根据以上分析，可得由接收机读数的重复性测量引入的标准不确定度为A类不确定度分量；整个测量链路中会对测量结果造成影响的其它因素引入的归入B类不确定度分量。

3.1　A类不确定度分量的评定

以VVER堆型设备等级1级后备盘整机为被测对象，选取10MHz为测量点，独立重复测量10次，准峰值（QP）和平均值（AV）的数据如表1所示。

表1 10次重复测量结果

由上表可得单次实验标准差为式（4）、（5）：

在实际进行传导发射测试时，只测量1次，故由测量重复性引入的标准不确定度为式（6）、（7）：

3.2　B类不确定度分量评定

3.2.1接收机正弦波电压引入的不确定度分量

根据CISPR16-4-2^[1]中规定，如果校准报告表明接收机的正弦波电压准确度优于CISPR16-1-1^[4]规定的±1dB的允差，则将±1dB用于测量接收机的不确定度计算，而不使用校准过程中产生的测量不确定度。根据校准证书可得，接收机正弦波电压准确度修正值δVsw估计值的扩展不确定度为0.30dB（k=2），计算可得标准不确定度为0.15dB，优于1dB，所以将±1dB用于测量接收机的不确定度计算（估计值为0，在EMC测量中一般不对接收机读数做修正），服从半宽度为1dB的矩形分布，可得接收机的正弦波电压引入的标准不确定度分量为式（8）：

3.2.2接收机脉冲幅度响应和脉冲重复频率响应引入的不确定度分量

如果接收机的脉冲幅度响应δV_pa和重复频率响应δV_pr满足CISPR16-1-1^[4]规定的±1.5dB允差要求，则这两项的不确定度分量服从半宽度为1.5dB的矩形分布。根据校准证书可计算，脉冲幅度响应和重复频率响应的标准不确定度都为0.75dB，优于1.5dB，可得接收机脉冲幅度响应和脉冲重复频率响应引入的标准不确定度分量为式（9）、（10）:

3.2.3　接收机的本底噪声引入的不确定度分量

通常，接收机的本底噪声远低于骚扰电压限值，因此本底噪声对那些接近限值的测量结果的影响可忽略不计，所以本底噪声引入的标准不确定度为式（11）：

3.2.4　人工电源网络阻抗引入的不确定度分量

按照人工电源网络校准证书中给出的阻抗模值和阻抗相角，通过Impedance Uncertainty Contribution软件可计算出阻抗引入的误差限为（-0.63/0.81）dB，区间半宽度为0.72dB，服从三角分布，可得标准不确定度分量为式（12）：

3.2.5　人工电源网络分压系数及其频率内插引入的不确定度分量

人工电源网络的电压分压系数扩展不确定度和包含因子可从校准证书得到。由校准可得，扩展不确定度为0.24dB，包含因子k为2，可得分压系数引入的标准确定度分量为式（13）：

根据GB/T6113.402可得^[5]，分压系数频率内插的修正值为0，服从半宽度为0.1dB的矩形分布，所以分压系数频率内插引入的标准不确定度分量为^[4]式（14）：

3.2.6　接收机和人工电源网络之间连接线线缆衰减引入的不确定度分量

一般是由制造商提供的数据得到。其标准不确定度可认为服从矩形分布且半宽度等于制造商所规定的衰减量的最大允差。根据制造商提供的线缆数据可得，半宽度为0.1dB，可得连接线引入的不确定度分量为式（15）：

3.2.7　人工电源网络和测量接收机接口失配引入的不确定度分量

根据GB/T6113.402^[5]可得，失配修正值δM的极限值依据公式（16）计算：

其中，1为人工电源网络端口，2为接收机端口。人工电源网络（内置10dB衰减）端口的反射系数|Γ_e|≤0.1，接收机（接收机在测量时一般设置衰减为10dB～20dB，电压驻波比不大于1.2）端口的发射系数|Γ_r|≤0.09，同时设定接收机的连接电缆匹配良好（|S₁₁|≤1，|S₂₂|≤1）（且衰减可忽略不计（|S₂₁|≈1），可得δM^±为±0.08dB。δM的概率分布近似为U型分布，其宽度不大于（δM⁺-δM-），可得失配引入的标准不确定度分量为式（17）：

3.2.8　人工电源网络电源骚扰引入的不确定度分量

测量时，电源骚扰（本底噪声）可通过自身得到抑制或者可附加滤波器（进入屏蔽室每根电源线均装有电源滤波器），因此该项影响可忽略不计，即式（18）：

3.2.9　测量环境引入的不确定度分量

测量一般在屏蔽室内进行，避免了周围环境电磁场对测量结果的影响，而且试验场地、接地不理想等因素的影响某种程度上已经包含在了上述不确定度分量的计算中，因此可不考虑测量环境引入的不确定度分量，即式（19）：

3.3　扩展不确定度

根据公式（3）～（19）计算可得式（20）、（21）：

取包含因子为k＝2，置信概率为95%，可得骚扰电压QP和AV的扩展不确定度均为2.9dB，因此可统一电源传导发射测量的扩展不确定度为（取k＝2）式（21）：

4　结果表示

上述计算得到的Ulab=U(V)=2.9dBµv，小于U_CISP（3.4dBµv），因此测得的骚扰结果若不超过所规定的骚扰限值，即判定为符合要求，反之则判定为不合格，且在试验报告中给出扩展不确定度为U_lab=2.9dBµv，包含因子k=2或注明本次测量的不确定度U_lab小于U_CISPR。

5　结语

由于电磁兼容检测项目的不确定度评定过多的涉及到检测方法、应用的仪器设备和测试场地的特性，因此评定起来比较复杂。本文以使用人工电源网络为例对传导发射测量进行了评定，为不确定度评定方法如何应用到核电仪表控制系统电磁兼容检测领域的其它项目提供了参考。

作者简介：

张笑平（1987-），女，河南人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事电磁兼容实验室的认证工作和设备的电磁兼容型式鉴定工作。

参考文献：

[1] CISPR 16-4-2: 2018, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 4-2: Uncertainties, statistics and limit modelling - Measurement instrumentation uncertainty[S].

[2] GB/T 6113.201-2018, 无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第2-1部分: 无线电骚扰和抗扰度测量方法传导骚扰测量[S].

[3] NB/T20218-2013, 安全重要仪表和控制设备电磁兼容性试验要求[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, 无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第4-2部分: 不确定度、统计学和限值建模 测量设备和设施的不确定度[S].

摘自《自动化博览》2024年8月刊