CN202258389U - 核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其包括安装于安全场所的控制器和安装于危险环境中的仪表和执行器，控制器包括控制装置、输入卡件和输出卡件，控制装置分别与输入卡件、输出卡件连接，仪表与控制装置的输入卡件连接，执行器与控制装置的输出卡件连接，仪表与输入卡件之间以及输出卡件与执行器之间设有限能装置。本实用新型防爆系统在处于现场危险环境中的仪表、执行器与处于安全场所中的控制器之间增加限能装置，可以有效避免危险能量进入仪表或者执行器中，限制输入仪表和执行器中的电压和电流，有效防止在氢气或者其他爆炸性气体环境中因电气线路等原因造成的爆炸。

Description

核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统

技术领域

本实用新型属于核电技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种核电站处于爆炸性气体的爆炸环境中控制设备的防爆系统。

背景技术

核电站正常运行过程中，氢气是必然的产物，根据《GB 3836.1-爆炸性气体环境用电器设备第1部分：通用要求》，氢气属于II C级爆炸性气体，对于处理氢气这类废气的处理系统来说，这些处理系统的管线、仪表、执行器等所处的环境满足了爆炸的三个条件：1)爆炸物质：具有氢气；2)氧气：空气中含有氧气；3)点火源：现场仪表、执行器等电气设备各种磨擦产生的电火花，机械磨损产生的火花，静电火花，高温产生的火花等。因此，必须注意上述现场爆炸环境中的仪表及执行器等控制设备的防爆。

目前，可以从以下两个方面解决防爆问题。

第一，对于现场仪表及执行器，可以通过选用防爆的设备来解决防爆问题：可以根据仪表、执行器等控制设备实际所处使用环境的危险性等级，选择不同防爆型式的仪表和执行器，表1为危险场所危险性划分表，表2为防爆对危险场所的适用表。

表1 危险场所危险性划分

表2 防爆对危险场所的适用表

参照表2可知，本安型以外防爆型的设备均采用隔离点火源的方式，只有本安型设备是采用限制点火源能量的方式，从源头上避免发生爆炸，处于Zone0区域的设备防爆方式仅为本安型(ia)。

第二，控制回路设计为具备防爆的功能：对于本安型仪表、执行器，具有限制点火源的能力，因此仪表、执行器等设备本身在设计时已经考虑了正常工作时或在规定的故障状态下，其所产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体或蒸汽电路。但是，仅仅选用防爆的设备还不能保证电源线、信号线等外部引线不会产生危险的火花，因此在整个控制回路的设计中，还可以通过限制能量来解决防爆的问题。

根据表1“危险场所危险性划分”，核电站中常出现的环境多为Zone1和Zone2区域，因此根据表2在核电站中采用满足Zone1、Zone2区域的防爆型设备即可满足要求。在核电站设计中，目前一般选用表2中防爆型仪表及隔爆型执行器等设备来解决防爆的问题。如图1所示为现有防爆系统的示意图，防爆型仪表2、隔爆型执行器3等设备暴露在危险环境中，根据表2 选用的防爆型仪表、隔爆型执行器经铠装屏蔽电缆直接连接至控制器1的输入卡件11和输出卡件13。在危险环境下，现场的防爆型仪表、隔爆型执行器等设备考虑隔离点火源，以确保仪表、执行器等设备电气部分外壳能承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，并能阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性传播，引起爆炸环境下气体大规模爆炸。

但是，前述现有防爆系统至少存在以下缺陷：

1) 虽然现场仪表、执行器采用隔爆型设备，但仍然存在设备内部爆炸的可能，会造成仪表的失效；

2) 现场仪表、执行器采用隔爆型设备，仅考虑内部防爆，虽然多采用铠装屏蔽电缆，但是不能完全避免外部的引线(如电源线、信号线等)破损或者断裂所产生的点火源；

3) 隔爆型仪表在调校或者维修时，不能在爆炸性危险环境中进行操作，需要将仪表拆卸移至安全场所进行操作，避免调校过程中出现点火源；

4) 隔爆型仪表、执行器不能用于“在正常情况下，爆炸性气体混合物连续或长时间存在的场所”即Zone0区域的危险环境中，不能完全满足核电站中所有厂房情况。

由于现场设备一般安装在放射性区域，除采用本安型设备外的其他防爆设备不能从本质上控制线路的能量，还会产生威胁现场设备安全的火花，造成现场设备的爆炸损坏，因此，需要解决仪表本身的威胁，从本质上解决点火源。此外，在危险环境下，仅考虑采用防爆的现场设备，只能保证现场设备隔离爆炸，而不能避免因设备以外的电源线或者信号线等引线破损、断裂所引发的点火源，因此除现场设备防爆外，还需要解决线路上的防爆问题。

鉴于此，确有必要提供一种核电站爆炸环境中具有良好防爆效果的控制设备的防爆系统。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种核电站爆炸环境中具有良好防爆效果的控制设备的防爆系统。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其包括安装于安全场所的控制器和安装于危险环境中的仪表和执行器，控制器包括控制装置、输入卡件和输出卡件，控制装置分别与输入卡件、输出卡件连接，仪表与控制装置的输入卡件连接，执行器与控制装置的输出卡件连接，仪表与输入卡件之间设有限能装置，输出卡件与执行器之间设有限能装置。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述仪表为本安型仪表，所述执行器为本安型执行器。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述限能装置为安全栅。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述安全栅为齐纳安全栅。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述齐纳安全栅包括快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z，快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z的一端连接在一起，限流电阻R的另一端与危险侧的一端连接，快速熔断器F的另一端与安全侧的一端连接，稳压二极管Z的另一端与危险侧另一端、安全侧另一端连接在一起。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述安全栅为隔离式安全栅。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述隔离式安全栅包括限能单元、隔离单元和信号处理单元，限能单元、隔离单元、信号处理单元依次连接，限能单元与危险侧连接，信号处理单元与安全侧连接。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述限能单元包括快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z，快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z的一端连接在一起，限流电阻R的另一端与危险侧的一端连接，快速熔断器F的另一端与隔离单元一端连接，稳压二极管Z的另一端与危险侧另一端、隔离单元另一端连接在一起。

作为本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的一种改进，所述隔离式安全栅包括检测端安全栅和操作端安全栅。

相较于现有技术，本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统在处于现场危险环境中的仪表、执行器与处于安全场所中的控制器之间增加限能装置，可有效避免处于安全场所的控制器的危险能量进入危险场所的仪表或者执行器中，限制输入处于危险环境的仪表和执行器中的电压和电流，有效防止在氢气或者其他爆炸性气体环境中因电气线路等原因造成的爆炸。本实用新型防爆系统能够有效地限制检测及控制回路中的能量，具有良好的防爆效果，可以从本质上解决防爆问题。

本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统通过采用本安型现场设备与安全栅构成的本安型回路，使整个控制回路都具备了本质安全特性，避免了安装在放射性危险区域的现场设备由于出现危险的点火源引起现场设备不可用，减少了现场维修或者更换设备的频次，减少了维修人员接受辐射的剂量。此外，在控制器侧采用安全栅，可以将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花的能级范围内，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内，有效避免了除设备以外部分的外部引线造成的威胁。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的结构及其有益技术效果进行详细说明。

图1为现有技术防爆系统的示意图。

图2为本实用新型防爆系统的示意图。

图3为本实用新型防爆系统第一实施方式的齐纳安全栅的原理图。

图4为本实用新型防爆系统第二实施方式的隔离式安全栅的原理图。

图中，1：控制器；11：输入卡件；12：控制装置；13：输出卡件；2：防爆型仪表；3：隔爆型执行器；10：安全控制器；14：输入安全栅；15：输出安全栅；20：本安型仪表；30：本安型执行器；40：齐纳安全栅；50：隔离式安全栅；51：限能单元；52：隔离单元；53：信号处理单元。

具体实施方式

为了使本实用新型的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本实用新型，并不是为了限定本实用新型。

请参阅图2 和图3所示，本实用新型核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统的第一实施方式包括：安装于电子设备间或者控制室等安全场所的安全控制器10和安装于现场的危险环境中的本安型仪表20以及本安型执行器30。安全控制器10包括控制装置12、输入卡件11和输出卡件13，控制装置12分别与输入卡件11、输出卡件13连接，本安型仪表20与控制装置12的输入卡件11连接，本安型执行器30与控制装置12的输出卡件13连接，本安型仪表20与输入卡件11之间设有输入安全栅14作为限能装置，输出卡件13与本安型执行器30之间设有输出安全栅15作为限能装置。

安装于现场的仪表、执行器选用本安型ia或ib型设备，在处于现场的仪表、执行器和处于电子设备间或者控制室等安全场所中的控制器之间增加安全栅作为限能装置，构成完整的本安型回路，可以有效保证安全场所的危险能量不进入现场的危险环境中，同时可以限制输入现场的危险环境中的电压和电流。安全栅作为本安型仪表与非本安电气设备的控制器之间、以及本安型执行器与非本安电气设备的控制器之间连接的中间连接设备，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。限制能量传入危险区域，是从源头上消除产生爆炸的一项必要条件。仪表和执行器本身均采用本安型设备，本安型设备的本安电路的设计也有效保证了设备不会产生引起爆炸的火花，即使产生了火花，也不会造成该环境下混合气体爆炸。

在本实用新型的第一实施方式中，作为限能装置的安全栅为齐纳安全栅40。齐纳安全栅40包括快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z，快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z的一端连接在一起，限流电阻R的另一端与危险侧的一端连接，快速熔断器F的另一端与安全侧的一端连接，稳压二极管Z的另一端与危险侧另一端、安全侧另一端连接在一起。齐纳安全栅40通过限流电阻R和稳压二极管Z组成的限压限流电路以及快速熔断器F实现能量限制，使在本安防爆系统中，不论现场本安型仪表发生任何故障，都保证传输到现场即危险环境区域的能量处于一个安全值内，从而保证生产现场的安全。

本实用新型的第一实施方式采用齐纳安全栅的原理是，稳压二极管Z限制从安全侧传到危险侧的电压，限流电阻R限制从安全侧传到危险侧的电流，快速熔断器F用于保护稳压器二极管Z不被过大的电流烧坏。通过电路的限压和限流，将输出到危险区的能量限制在安全值以内。

请参阅图4所示，为本实用新型第二实施方式的示意图。本实用新型第二实施方式与第一实施方式的区别在于：作为限能装置的安全栅为隔离式安全栅50，隔离式安全栅50包括限能单元51、隔离单元52和信号处理单元53，限能单元51、隔离单元52、信号处理单元53依次连接，限能单元51与危险侧连接，信号处理单元53与安全侧连接。限能单元51包括快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z，快速熔断器F、限流电阻R和稳压二极管Z的一端连接在一起，限流电阻R的另一端与危险侧的一端连接，快速熔断器F的另一端与隔离单元52一端连接，稳压二极管Z的另一端与危险侧另一端、隔离单元52另一端连接在一起。

隔离式安全栅50是本安回路与非本安回路之间通过光、电、磁隔离技术，用变压器耦合实现电源、信号输入、信号输出的隔离，由于信号完全浮空，增强了信号的抗干扰能力，提高了自动控制系统的运行可靠性。另外，在本安端设置类似齐纳式安全栅的限能单元51，通过限能单元51中的由限流电阻R和稳压二极管Z组成的限压限流电路以及快速熔断器F实现能量的限制，保证本安防爆系统的安全。隔离式安全栅在使用时，不需要特别要求在本安端接地，系统可以在危险侧区域或安全侧区域认为合适的任何一方接地。

本实用新型第二实施方式采用隔离式安全栅的原理是：隔离式安全栅除具有与齐纳安全栅相同的限能单元外，还带有电流隔离功能，隔离式安全栅50由限能单元51、隔离单元52和信号处理单元53三部分组成，限能单元51为隔离式安全栅50的核心部分。隔离式安全栅采用了限压、限流、隔离等措施，不仅能防止危险能量从本安端进入危险现场，提高系统的本安防爆性能，而且还增加了系统的抗干扰能力，大大提高了系统运行的可靠性。

隔离式安全栅，有检测端安全栅和操作端安全栅两种类型。

检测端隔离式安全栅的原理是：模块电路通过本安能量模块电路将通过本安能量限制电路输入的电流或电压信号转变为0.2-1VDC后，送入模块内进行采集、放大、运算和进行抗干扰处理后，再经变压器调制成输出隔离的电流和电压信号，供后面的二次仪表或其它仪表使用。模块还需输出一个带隔离18.5∽28.5VDC电压，通过本安能量限制电路做为供给两线制变送器的工作电压。本安能量限制电路能限制大电流或高电压的危险信号串入危险现场。

操作端隔离式安全栅的原理是：将调节器或操作器输出的4-20mA DC信号隔离后再输出4-20mA DC 的信号，通过本安能量限制电路供给电气转换器或现场的电气阀门定位器使用。

隔离式安全栅采用三方隔离方式，无需系统接地线路，给设计及现场带来极大方便；由于线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性；隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接收并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的；隔离式安全栅可输出两路相互隔离信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。

在选择安全栅时，可采用近年逐渐形成的一种本安认证技术，即“参量认证”。按照“参量认证”方式认证本安设备和关联设备，按照“参量认证”方式认证的本安设备和关联设备都会给出如下的安全参数。

1)  关联设备

Voc--最高开路电压，即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最高电压；

Isc--最大短路电流，即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最大电流；

Ca--关联设备允许外接的最大电容；

La--关联设备允许外接的最大电感；

Pmaxo--关联设备允许输入的最大功率；

2)  本安现场设备

Vmax--在正常工作或故障条件下，能接受并能保持其本安性能的最高电压； 

Imax--在正常工作或故障条件下，能接受并能保持其本安性能的最大电流；

Ci--本安现场设备内部未被保护的电容；

Li--本安现场设备内部未被保护的电感；

Pmaxi--本安现场设备允许输入的最大功率。

3)参量认证关系式：

Vmax≥Voc；Imax≥Isc；Pmaxi≥Pmaxo

Ci+Cc≤Ca；Li+Lc≤La (Cc，Lc为电缆的电容和电感)

满足以上条件后，本安回路还应解决阻抗匹配问题，安全仪表的允许负载阻抗Ro应满足Ra+Rb+RL≤Ro(注：安全栅阻抗Ra，现场仪表阻抗Rb，电缆阻抗RL)。

需要说明的是，除了前述安全栅作为限能装置以外，还可以在现场侧采用其他隔离型仪表或者执行器作为现场设备起到防爆作用，如增安型、正压型、充油型、充砂型、无火花型、浇封型、气密型等设备，但是，会出现原有隔离型现场设备遇到的问题，最好是选用本安型仪表和本安型执行器。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (9)

1.一种核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其包括：安装于安全场所的控制器和安装于危险环境中的仪表和执行器，控制器包括控制装置、输入卡件和输出卡件，控制装置分别与输入卡件、输出卡件连接，仪表与控制装置的输入卡件连接，执行器与控制装置的输出卡件连接，其特征在于：所述仪表与输入卡件之间设有限能装置，所述输出卡件与执行器之间设有限能装置。

2.根据权利要求1所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述仪表为本安型仪表，所述执行器为本安型执行器。

3.根据权利要求1或2所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述限能装置为安全栅。

4.根据权利要求3所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述安全栅为齐纳安全栅。

5.根据权利要求4所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述齐纳安全栅包括快速熔断器(F)、限流电阻(R)和稳压二极管(Z)，快速熔断器(F)、限流电阻(R)和稳压二极管(Z)的一端连接在一起，限流电阻(R)的另一端与危险侧的一端连接，快速熔断器(F)的另一端与安全侧的一端连接，稳压二极管(Z)的另一端与危险侧另一端、安全侧另一端连接在一起。

6.根据权利要求3所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述安全栅为隔离式安全栅。

7.根据权利6所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述隔离式安全栅包括限能单元、隔离单元和信号处理单元，限能单元、隔离单元和信号处理单元依次连接，限能单元与危险侧连接，信号处理单元与安全侧连接。

8.根据权利要求7所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述限能单元包括快速熔断器(F)、限流电阻(R)和稳压二极管(Z)，快速熔断器(F)、限流电阻(R)和稳压二极管(Z)的一端连接在一起，限流电阻(R)的另一端与危险侧的一端连接，快速熔断器(F)的另一端与隔离单元一端连接，稳压二极管(Z)的另一端与危险侧另一端、隔离单元另一端连接在一起。

9.根据权利要求6所述的核电站爆炸环境中控制设备的防爆系统，其特征在于：所述隔离式安全栅包括检测端安全栅和操作端安全栅。

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