向健,李靜,吳秋奇,梁錢勝,肖飛
(1.中廣核研究院有限公司,深圳 518120;2.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司,深圳 518120)
目前針對(duì)核電廠電氣火災(zāi)的防控手段相對(duì)缺乏,主要針對(duì)部分重點(diǎn)區(qū)域和重要設(shè)備進(jìn)行定期溫度檢測(cè),多半為災(zāi)后報(bào)警,實(shí)時(shí)性差,缺少對(duì)重要電氣設(shè)備的溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)警的功能。一般來(lái)說(shuō),造成電氣火災(zāi)的主要原因包括短路、過(guò)載、局放、泄漏電流等因素。由于核電廠環(huán)境和對(duì)安全要求的特殊性,火災(zāi)事故頻率較高,誤報(bào)現(xiàn)象多發(fā)。目前電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)手段相對(duì)落后,覆蓋范圍小,難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),電氣設(shè)備整體溫度數(shù)據(jù)庫(kù)空缺。如果能夠加以分析并解決,對(duì)于提高核電廠電氣設(shè)備火災(zāi)預(yù)警及處理能力,無(wú)論是從保障設(shè)備及人身安全,還是從維護(hù)核安全的角度,都有巨大意義[1]。
針對(duì)目前溫度測(cè)量手段中存在的問(wèn)題,本文提出一種應(yīng)用于核電廠新的一體化溫度監(jiān)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型電氣設(shè)備進(jìn)行在線溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警。首先介紹了核電廠電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及采用的溫度測(cè)溫方法的基本原理,同時(shí)進(jìn)行了可行性分析和討論,并搭建了電氣設(shè)備溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái),最后介紹了平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試情況。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明:本文提出的結(jié)合分布式光纖、光纖光柵、光纖熒光測(cè)溫及無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法集成于監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái)的搭建,能夠全面實(shí)現(xiàn)各類電氣設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)。
目前核電廠具有高火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的電氣設(shè)備主要包括電纜線型設(shè)備、電氣開(kāi)關(guān)柜點(diǎn)型設(shè)備以及大型變壓器面型設(shè)備等幾大類。其中電纜類監(jiān)測(cè)主要采用纜式測(cè)溫,該技術(shù)只能對(duì)電纜的最高溫度進(jìn)行測(cè)量,溫度超過(guò)設(shè)定值后報(bào)警,無(wú)法在線監(jiān)測(cè)溫度變化,只在火災(zāi)發(fā)生后給出對(duì)應(yīng)區(qū)域的報(bào)警信息,溫度報(bào)警時(shí)往往已經(jīng)形成火災(zāi),無(wú)法準(zhǔn)確定位,受電磁環(huán)境影響較大,不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。電氣盤柜、開(kāi)關(guān)設(shè)備以及母線隨著運(yùn)行老化、異物散落以及局部散熱不佳等容易引起電氣火災(zāi)。目前核電廠絕大多數(shù)電氣盤柜、開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部未裝設(shè)溫度監(jiān)測(cè)裝置,形成了部分電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)盲區(qū)。而對(duì)大型變壓器、電抗器等設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)往往采用纜式測(cè)溫或人工紅外測(cè)溫,一般很難實(shí)現(xiàn)大范圍在線監(jiān)測(cè),也無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)。目前核電廠變壓器等設(shè)備空間大,存在較強(qiáng)電磁干擾,實(shí)時(shí)性較差,缺乏全面的監(jiān)測(cè)措施[2]。
核電廠溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警定位目前存在的幾大難點(diǎn):全廠電氣設(shè)備眾多,需要對(duì)關(guān)鍵設(shè)備及敏感位置進(jìn)行識(shí)別定位;核電廠電氣盤柜內(nèi)部尚無(wú)溫度監(jiān)測(cè)手段;監(jiān)測(cè)過(guò)程需要避免改變?cè)O(shè)備絕緣性能;電氣設(shè)備周圍往往電磁環(huán)境復(fù)雜,監(jiān)測(cè)手段需要避免電磁干擾。
分布式光纖測(cè)溫主要基于拉曼(Raman)散射原理。發(fā)射光源產(chǎn)生的光脈沖同光纖分子作用發(fā)生散射,散射有多種類型,其中拉曼散射會(huì)產(chǎn)生比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的斯托克斯(Stokes)光和比光源波長(zhǎng)短的反斯托克斯(Anti-Stokes)光,光纖因溫度的作用使反斯托克斯光強(qiáng)產(chǎn)生了變化,兩者比值提供了溫度的絕對(duì)指示。通過(guò)測(cè)量入射光與散射光的時(shí)間間隔可得到拉曼散射光發(fā)生的位置[3]。光纖散射光譜圖如圖1所示。
圖1 光纖散射光譜圖
只要得到IS與IAS的比值,即可算得對(duì)應(yīng)溫度值,二者關(guān)系如下式:
式中:h為譜朗克常數(shù);K為玻爾茲曼常數(shù);IS為斯托克斯光強(qiáng);IAS為反斯托克斯光強(qiáng);f0為伴隨光的頻率;Δf為光頻率增量。
通過(guò)得到時(shí)間差Δti與光纖內(nèi)部光傳播速度ck,可算得各個(gè)散射點(diǎn)與入射點(diǎn)的距離,即獲得待測(cè)點(diǎn)的位置信息,位置信息Xi.可由下述公式算得:
由于光纖本征安全、不存在電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),可檢測(cè)整個(gè)光纖沿線完整的溫度分布,無(wú)誤報(bào),可以連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量沿線幾千米內(nèi)各點(diǎn)的待測(cè)信息,定位精度可達(dá)1m,測(cè)溫精度可達(dá)1℃,且安裝維護(hù)簡(jiǎn)單,任何位置斷裂后進(jìn)行簡(jiǎn)單熔接即可恢復(fù)使用。在核電廠電纜、電纜橋架、電纜井、電纜隧道等區(qū)域的溫度監(jiān)測(cè)采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)來(lái)代替現(xiàn)有的感溫電纜測(cè)溫手段,可執(zhí)行溫度監(jiān)測(cè)跟蹤及預(yù)警功能。
光纖光柵是基于光折變效應(yīng)通過(guò)紫外線照射產(chǎn)生周期性的折射率變化而制成的布喇格(Bragg)光柵。發(fā)射光經(jīng)過(guò)光柵發(fā)生散射,特定波長(zhǎng)的光經(jīng)光纖返回,其余波長(zhǎng)的光繼續(xù)向前傳送。波長(zhǎng)計(jì)算公式如下:
式中:λB為中心波長(zhǎng);Λ為光柵周期;n為有效折射率;nΛ為溫度與軸向函數(shù)[4-5]。
通過(guò)把溫度傳感器固定在待測(cè)點(diǎn)表面,接收主機(jī)發(fā)射的光信號(hào),將傳感器中的散射光信號(hào)反饋給主機(jī),通過(guò)主機(jī)對(duì)散射光信號(hào)的解調(diào)處理得到對(duì)應(yīng)設(shè)備的溫度狀態(tài)。工作原理如圖2所示。
圖2 光纖光柵溫度傳感原理
根據(jù)上述原理及特點(diǎn),光纖光柵屬于點(diǎn)型測(cè)溫,一般在一根光纖上可制成若干個(gè)傳感器,可用于實(shí)時(shí)采集配電柜、中高壓開(kāi)關(guān)等設(shè)備重要點(diǎn)位的溫度數(shù)據(jù),在溫度過(guò)高之前及時(shí)預(yù)警,確保有充分的時(shí)間采取相應(yīng)預(yù)防措施。此外還可用于對(duì)油浸式變壓器內(nèi)部油溫及繞組溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
熒光物質(zhì)的熒光周期在某一溫度區(qū)間具有穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)。當(dāng)光照射熒光物質(zhì),內(nèi)部的電子吸收能量從基態(tài)突躍至激發(fā)態(tài),溫度上升會(huì)增強(qiáng)晶格振動(dòng)的強(qiáng)度,同時(shí)增加了參與吸收的分子數(shù),當(dāng)從激發(fā)態(tài)降至基態(tài)過(guò)程中釋放輻射能使其發(fā)出熒光,持續(xù)時(shí)間由激發(fā)態(tài)的壽命周期決定,即熒光壽命。熒光特性曲線如圖3所示[6]。
圖3 熒光特性曲線
由于熒光壽命與溫度是單值函數(shù),熒光余暉曲線衰減規(guī)律可由如下公式表示:
式中,I(t)為熒光強(qiáng)度;I0為激勵(lì)光斷開(kāi)時(shí)初始光強(qiáng);τ為熒光壽命;t為測(cè)量時(shí)間。
根據(jù)熒光能級(jí)理論和波爾茲曼分布定律,熒光壽命與溫度的關(guān)系公式如下:
式中,ΔE為能級(jí)差;RE、RT、k為常數(shù);T為絕對(duì)溫度。可以看出熒光壽命隨溫度的變化而變化,且為反比關(guān)系,因而可通過(guò)依據(jù)熒光余暉曲線獲得熒光壽命信息,實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。利用該方法測(cè)量的溫度只取決于熒光壽命,與其他參量無(wú)關(guān)[7]。
由于熒光光纖測(cè)溫是單點(diǎn)測(cè)溫,具有無(wú)電、本質(zhì)安全、抗電磁干擾等特點(diǎn),可應(yīng)用在高壓變壓器及中高壓開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備中。跟光纖光柵測(cè)溫技術(shù)相比,單根光纖上只能設(shè)置一個(gè)熒光光纖傳感器,適合待測(cè)點(diǎn)數(shù)較少的設(shè)備。
無(wú)線無(wú)源測(cè)溫利用聲表面波傳感器SAW(Surface Acoustic Wave)對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行采集的方法,SAW技術(shù)采用傳感器被動(dòng)工作機(jī)理,可在非常規(guī)運(yùn)行環(huán)境下(高電壓、電流)進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)溫。
采集過(guò)程為:由天線發(fā)射的電磁脈沖信號(hào)被接收裝置上的天線接收后,經(jīng)叉指換能裝置在傳感器表層激活一個(gè)表面波,波頻率會(huì)因裝置自身溫度的波動(dòng)而波動(dòng),叉指換能器后續(xù)把表面波的頻率振蕩處理為電磁脈沖信號(hào),收發(fā)器中的天線接收信號(hào)并解調(diào);諧振器具有高質(zhì)量特征,可保證反射的信息具有準(zhǔn)確的相關(guān)數(shù)據(jù);信號(hào)頻率狀態(tài)和溫度的變化具有顯著比例關(guān)系[8]。
圖4 無(wú)線無(wú)源測(cè)溫原理
由于無(wú)線無(wú)源測(cè)溫方式實(shí)現(xiàn)高壓隔離,安全性高,且占用空間小,安裝靈活,無(wú)需布線,無(wú)需電池驅(qū)動(dòng),能工作在強(qiáng)磁、強(qiáng)電、粉塵等各種惡劣場(chǎng)合,因而采用單點(diǎn)測(cè)溫可用于中高壓開(kāi)關(guān)觸頭、母線連接處和電纜接頭等部位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。
分布式測(cè)溫光纖是把整條專用光纖當(dāng)成溫度傳感裝置,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要沿電纜、電纜橋架、電纜溝、電纜接頭敷設(shè)。信號(hào)源由調(diào)制器發(fā)出,通過(guò)耦合器到達(dá)光纖的目標(biāo)位置,光纖內(nèi)的每一處均會(huì)對(duì)源信號(hào)進(jìn)行反向散射,其強(qiáng)度與其位置的溫度緊密相關(guān),散射信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行放大,并進(jìn)行降噪處理,處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)主機(jī)運(yùn)算得到光纖目標(biāo)位置的溫度及位置信息,同時(shí)發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
被測(cè)區(qū)域可根據(jù)需要?jiǎng)澐殖啥鄠€(gè)分區(qū),每個(gè)分區(qū)可采用定溫、溫升速率、溫差報(bào)警等策略。報(bào)警可設(shè)置多級(jí)報(bào)警,并針對(duì)系統(tǒng)故障及火警發(fā)出不同的聲光報(bào)警信息,通過(guò)繼電器或其他接口輸出。同時(shí),光纖測(cè)溫支持精確定位功能,便于操作人員查詢定位,確定報(bào)警點(diǎn)并排除故障?,F(xiàn)場(chǎng)的安裝根據(jù)不同設(shè)備可采用直線形、S形及環(huán)形折返等布置方式進(jìn)行敷設(shè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖
核電廠電氣盤柜等設(shè)備可采用光纖熒光、光纖光柵及無(wú)線無(wú)源測(cè)溫配合實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。以光纖光柵測(cè)溫為例,電氣開(kāi)關(guān)柜光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)主要包含測(cè)溫傳感裝置、分路盒、光纖、測(cè)溫主機(jī)及監(jiān)控后臺(tái),系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。
圖6 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
光纖光柵測(cè)溫傳感器串直接裝于待測(cè)點(diǎn),用來(lái)獲取該裝置的溫度信息同時(shí)轉(zhuǎn)化成光信號(hào),光分路盒用于一根光纖與若干個(gè)傳感器連接。主機(jī)內(nèi)置解調(diào)器,可對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析。解調(diào)器主要采用光纖光柵傳感特有的波分復(fù)用原理,包含可調(diào)光源和解調(diào)裝置。監(jiān)控后臺(tái)收集解調(diào)器處理的溫度數(shù)據(jù),同步跟蹤待監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度信息,并由定制的監(jiān)控界面執(zhí)行對(duì)應(yīng)狀態(tài)分析[9]。
目前核電廠變壓器采用傳統(tǒng)感溫電纜測(cè)溫,同時(shí)利用巡檢人員手持式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行關(guān)鍵部位溫度數(shù)據(jù)采集。對(duì)于變壓器等需要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的大型設(shè)備,考慮到核電廠變壓器等主設(shè)備所占空間巨大,有較強(qiáng)電磁干擾,可采用分布式光纖與光纖光柵結(jié)合的測(cè)溫方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
變壓器、發(fā)電機(jī)等面型設(shè)備可采用殼體表面立體安裝方式進(jìn)行表面測(cè)溫,感溫光纜從光纖測(cè)溫主機(jī)處沿電纜橋架及電纜溝依次鋪設(shè)至變壓器處,然后攀至變壓器上,以間隔1米的間距使用電木壓條固定在變壓器四面,對(duì)于轉(zhuǎn)彎處需減小固定間隔,折彎處需多用壓條,以保證光纜能緊貼在變壓器外殼上?,F(xiàn)場(chǎng)布線及安裝方式如圖7所示。
圖7 變壓器外殼表面?zhèn)鞲衅靼惭b示意圖
對(duì)于油浸式變壓器內(nèi)部測(cè)溫,可在出廠或返廠時(shí)將傳感器安裝于內(nèi)部。由于在繞組頂部的不同部位一般存在10K℃左右的溫差,應(yīng)在主要不同部位安裝,分別監(jiān)測(cè)A、B、C三相高壓繞組、鐵芯、油的溫度,其中鐵芯安裝3個(gè)傳感器,頂層油和底層油各裝2個(gè)傳感器,A、B、C三相高側(cè)壓繞組和低壓側(cè)繞組各裝3個(gè)傳感器,可安裝在距繞組頂部2cm~3cm處。三相三柱式變壓器傳感器推薦安裝位置如圖8所示。
圖8 變壓器內(nèi)部傳感器安裝示意圖
核電廠電氣設(shè)備實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警及定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依托全廠電氣設(shè)備溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警及定位平臺(tái)建設(shè),搭建溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)以記錄電氣設(shè)備在不同環(huán)境、工況、季節(jié)的運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)溫度數(shù)據(jù)庫(kù)形成電氣設(shè)備的溫度變化趨勢(shì)識(shí)別,對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行及老化趨勢(shì)以及火災(zāi)薄弱點(diǎn)進(jìn)行判斷,有針對(duì)性地進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防。
系統(tǒng)架構(gòu)由物理層、核心層和交互層構(gòu)成。物理層的布置根據(jù)具體監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同區(qū)分配置,感溫元件可以分為分布式光纖傳感器、光纖光柵傳感器等感溫元件,通過(guò)傳感器的探測(cè),經(jīng)各自的光纖通道傳達(dá)至測(cè)溫主機(jī)。測(cè)溫主機(jī)位于核心層,用于向前端物理層元件發(fā)出信號(hào),接收物理層反射的信號(hào),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理得出相應(yīng)的溫度參數(shù)以及位置信號(hào)。主機(jī)具備溫度報(bào)警設(shè)置及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能,同時(shí)具備開(kāi)放式通信接口,可與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享,該部分是實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)及相關(guān)算法的核心。交互層顯示各測(cè)溫元件所監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)一管理,可作為專家系統(tǒng)通過(guò)專用軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)及趨勢(shì)分析。系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖9所示。
圖9 溫度監(jiān)控及實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)交互平臺(tái)、測(cè)溫主機(jī)(一種或多種)、傳感器、通信電纜、監(jiān)控后臺(tái)、服務(wù)器等設(shè)備組成。基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的支持可集成不同測(cè)溫系統(tǒng),包括分布式光纖測(cè)溫、光纖光柵測(cè)溫、光纖熒光測(cè)溫及無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng),滿足核電廠各類重要電氣設(shè)備的溫度監(jiān)控需求。
本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩大重要功能,一是通過(guò)測(cè)溫主機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)匯總至監(jiān)控中心,形成設(shè)備溫度變化曲線,通過(guò)設(shè)定高低溫限值、溫升限值等方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù),設(shè)備溫度超過(guò)限值發(fā)出報(bào)警;二是通過(guò)測(cè)溫主機(jī)將報(bào)警信號(hào)輸出到火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)執(zhí)行消防聯(lián)動(dòng)功能。
此外,本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問(wèn)交互層的數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)交互平臺(tái)將定制內(nèi)容以異常信息或報(bào)警信息發(fā)送至特定的移動(dòng)端,需要固定IP地址的方式進(jìn)行授權(quán)訪問(wèn),執(zhí)行無(wú)人值守和遠(yuǎn)端監(jiān)控,信息顯示形式支持網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)應(yīng)用或短信等格式,監(jiān)控內(nèi)容包括監(jiān)控對(duì)象、設(shè)備編碼、溫度數(shù)據(jù)、報(bào)警類型等關(guān)鍵信息。
電氣火災(zāi)預(yù)防是工業(yè)火災(zāi)預(yù)防工作中的重中之重,光纖及無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)逐漸成為當(dāng)前電氣火災(zāi)預(yù)防的最佳方案,此外減少巡檢人員的工作量也一直是核電廠的愿望。隨著用戶對(duì)供電可靠性要求的提高以及核電廠無(wú)人值守模式的普及,電氣設(shè)備自動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)溫及預(yù)警定位系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。采用基于光纖傳感及無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)的測(cè)溫手段,具有測(cè)溫準(zhǔn)確度高、響應(yīng)迅速、實(shí)時(shí)反映溫度變化趨勢(shì)、回落后可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn),并通過(guò)建立溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái),可全面了解現(xiàn)場(chǎng)重要電氣設(shè)備絕緣老化情況、全面掌握其運(yùn)行狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和火災(zāi)隱患,對(duì)提高核電廠電氣設(shè)備的運(yùn)行可靠穩(wěn)定性、降低現(xiàn)場(chǎng)電氣火災(zāi)事故發(fā)生概率和損失具有重大意義,一定程度上填補(bǔ)了核電廠相關(guān)重要電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的空白。