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★北京廣利核系統工程有限公司張笑平

關鍵詞：電磁兼容；核電儀表控制系統；傳導發射；不確定度

1　引言

傳導發射測量在核電儀表控制系統電磁兼容（EMC）測試中十分重要，在核電儀表控制系統的設計和運行過程中，必須充分考慮其帶來的問題如電源穩定性、傳輸信號受到干擾導致測量精度下降等，并采取有效的措施來降低傳導發射對系統的影響，以確保系統的安全性和可靠性。因此，在樣機鑒定時，實驗室需要對控制系統進行傳導發射測試，并對測量結果進行符合性判定。為了表征測量結果的可信度，測量時實驗室要充分考慮測量設備和設施所引入的不確定度（測量結果偏離真實值的程度），根據標準CISPR16-4-2^[1]要求，實驗室不確定度Ulab不同，騷擾限值的符合性判定要求也不同。因此實驗室如何準確地對傳導發射測量的不確定度進行評定顯得尤為重要。

2　測量結果的不確定度分量分析

2.1　傳導發射測試系統

按照GB/T 6113.201-2018^[2]規定，傳導發射主要是測量系統在正常工作時沿著電源線向電網發射的連續騷擾電壓的大小，測量一般在屏蔽室內進行，以避免周圍環境電磁場對測量結果的影響。測量時，需要在電網和被測量系統之間插入一個人工電源網絡，將騷擾信號傳送到測量接收機。測試布置圖如圖1所示，由屏蔽室提供測試環境，測量接收機和人工電源網絡以及受試設備（EUT）構成測試系統。

圖1 測試系統鏈路圖

2.2　不確定度分量分析

通過對圖1測試系統分析可知，影響到測量結果的不確定度主要來源于測試設備和連接線纜及端口3部分：

（1）由接收機讀數引入的不確定度分量

按照NB/T20218-2013^[3]要求，接收機測量的是0.15MHz～30MHz頻率范圍內的騷擾信號，其輸出為場強電壓值，騷擾信號既包含連續波信號也包含脈沖信號等。接收機讀數引入的分量既包含重復測量引入的不確定度分量u(V_r)，也包含接收機本身帶來的不確定度分量，如電壓示值的準確度u(δV_sw)、脈沖幅度響應u(δV_pa)、脈沖重復頻率響應u(δV_pr)、接收機的本底噪聲u(δV_nf)。

（2）由人工電源網絡引入的不確定度分量

人工電源網絡在傳導發射測試中的作用：

·在0.15MHz～30MHz范圍內向受試設備提供一個穩定的阻抗；

·將受試設備發射的騷擾電壓耦合至接收機；

·隔離電網和受試設備。

因此測試中人工電源網絡引入的不確定度分量包含：由阻抗引入的u(δZ_AMN)；將騷擾信號耦合至接收機中會引起幅度變化，這會引入分壓系數u(F_AMN)；另外由于分壓系數是通過校準頻率點的數據之間的內插計算得到的，因此還要考慮分壓系數頻率內插引入的u(δF_AMNf)。

（3）由線纜以及端口引入的不確定度分量

接收機和人工電源網絡之間線纜損耗引入的u(a_c)；人工電源網絡騷擾輸出接口和測量接收機騷擾輸入接口由于失配將引起反射，形成駐波，會對讀數的準確度產生影響從而引入的u(δM)；人工電源網絡電源騷擾引入的u(δD_mains)；測量環境的影響引入的u(δV_env)。

2.3　數學模型的確定

基于以上分析可得，傳導發射測量值的數學模型為式（1）：

由于各不確定度分量之間互不相關，因此靈敏系數為式（2）：

合成標準不確定度數學模型為式（3）：

3　測量結果的不確定度評定

測量結果的不確定度一般由若干標準不確定度分量組成，包括A類不確定度分量（隨機分量）和B類不確定度分量（系統分量），二者來源不同。A類不確定度是對被測量進行多次獨立重復測量，用其算術平均值作為測量結果的最佳估計值，通過貝塞爾公式計算出A類不確定度分量。在電磁兼容測試中，B類不確定度分量通常與諸如失配效應、電纜損耗以及測試儀器的非線性特性有關，在分析時，借助于校準報告、儀器制造商的技術規范或憑知識和經驗進行評估。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準不確定度，再乘以包含因子，可獲得最終測量結果的擴展不確定度。

根據以上分析，可得由接收機讀數的重復性測量引入的標準不確定度為A類不確定度分量；整個測量鏈路中會對測量結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定

以VVER堆型設備等級1級后備盤整機為被測對象，選取10MHz為測量點，獨立重復測量10次，準峰值（QP）和平均值（AV）的數據如表1所示。

表1 10次重復測量結果

由上表可得單次實驗標準差為式（4）、（5）：

在實際進行傳導發射測試時，只測量1次，故由測量重復性引入的標準不確定度為式（6）、（7）：

3.2　B類不確定度分量評定

3.2.1接收機正弦波電壓引入的不確定度分量

根據CISPR16-4-2^[1]中規定，如果校準報告表明接收機的正弦波電壓準確度優于CISPR16-1-1^[4]規定的±1dB的允差，則將±1dB用于測量接收機的不確定度計算，而不使用校準過程中產生的測量不確定度。根據校準證書可得，接收機正弦波電壓準確度修正值δVsw估計值的擴展不確定度為0.30dB（k=2），計算可得標準不確定度為0.15dB，優于1dB，所以將±1dB用于測量接收機的不確定度計算（估計值為0，在EMC測量中一般不對接收機讀數做修正），服從半寬度為1dB的矩形分布，可得接收機的正弦波電壓引入的標準不確定度分量為式（8）：

3.2.2接收機脈沖幅度響應和脈沖重復頻率響應引入的不確定度分量

如果接收機的脈沖幅度響應δV_pa和重復頻率響應δV_pr滿足CISPR16-1-1^[4]規定的±1.5dB允差要求，則這兩項的不確定度分量服從半寬度為1.5dB的矩形分布。根據校準證書可計算，脈沖幅度響應和重復頻率響應的標準不確定度都為0.75dB，優于1.5dB，可得接收機脈沖幅度響應和脈沖重復頻率響應引入的標準不確定度分量為式（9）、（10）:

3.2.3　接收機的本底噪聲引入的不確定度分量

通常，接收機的本底噪聲遠低于騷擾電壓限值，因此本底噪聲對那些接近限值的測量結果的影響可忽略不計，所以本底噪聲引入的標準不確定度為式（11）：

3.2.4　人工電源網絡阻抗引入的不確定度分量

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

3.2.5　人工電源網絡分壓系數及其頻率內插引入的不確定度分量

人工電源網絡的電壓分壓系數擴展不確定度和包含因子可從校準證書得到。由校準可得，擴展不確定度為0.24dB，包含因子k為2，可得分壓系數引入的標準確定度分量為式（13）：

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

3.2.6　接收機和人工電源網絡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據得到。其標準不確定度可認為服從矩形分布且半寬度等于制造商所規定的衰減量的最大允差。根據制造商提供的線纜數據可得，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　人工電源網絡和測量接收機接口失配引入的不確定度分量

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

其中，1為人工電源網絡端口，2為接收機端口。人工電源網絡（內置10dB衰減）端口的反射系數|Γ_e|≤0.1，接收機（接收機在測量時一般設置衰減為10dB～20dB，電壓駐波比不大于1.2）端口的發射系數|Γ_r|≤0.09，同時設定接收機的連接電纜匹配良好（|S₁₁|≤1，|S₂₂|≤1）（且衰減可忽略不計（|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-），可得失配引入的標準不確定度分量為式（17）：

3.2.8　人工電源網絡電源騷擾引入的不確定度分量

測量時，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（進入屏蔽室每根電源線均裝有電源濾波器），因此該項影響可忽略不計，即式（18）：

3.2.9　測量環境引入的不確定度分量

測量一般在屏蔽室內進行，避免了周圍環境電磁場對測量結果的影響，而且試驗場地、接地不理想等因素的影響某種程度上已經包含在了上述不確定度分量的計算中，因此可不考慮測量環境引入的不確定度分量，即式（19）：

3.3　擴展不確定度

根據公式（3）～（19）計算可得式（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的擴展不確定度均為2.9dB，因此可統一電源傳導發射測量的擴展不確定度為（取k＝2）式（21）：

4　結果表示

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

5　結語

由于電磁兼容檢測項目的不確定度評定過多的涉及到檢測方法、應用的儀器設備和測試場地的特性，因此評定起來比較復雜。本文以使用人工電源網絡為例對傳導發射測量進行了評定，為不確定度評定方法如何應用到核電儀表控制系統電磁兼容檢測領域的其它項目提供了參考。

作者簡介：

張笑平（1987-），女，河南人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事電磁兼容實驗室的認證工作和設備的電磁兼容型式鑒定工作。

參考文獻：

[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, 無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法規范 第2-1部分: 無線電騷擾和抗擾度測量方法傳導騷擾測量[S].

[3] NB/T20218-2013, 安全重要儀表和控制設備電磁兼容性試驗要求[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量設備和測量方法規范 第4-2部分: 不確定度、統計學和限值建模 測量設備和設施的不確定度[S].

摘自《自動化博覽》2024年8月刊