感溫光纖在核電站的實施及運用

干炯申

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

國內(nèi)外核電站運行經(jīng)驗表明，火災(zāi)可對核電站安全造成潛在威脅，并貫穿核電站的全生命周期。核電廠的防火安全不僅是核電廠自身的安全問題，現(xiàn)已成為世界公眾關(guān)注的社會問題[1]。

核電廠安全系統(tǒng)和其它安全重要物項的防火主要依靠火災(zāi)探測及報警系統(tǒng)，所以它們的穩(wěn)定十分重要。但在惡劣的環(huán)境區(qū)域，傳統(tǒng)火災(zāi)報警探測器無法避免環(huán)境帶來的影響，從而產(chǎn)生誤報警。例如在梅雨季節(jié)，室外地溝中的火災(zāi)報警探測器頻發(fā)故障和火警信號。

火災(zāi)報警系統(tǒng)的故障和誤報將給機組帶來負面影響，其主要表現(xiàn)在：誤報警聯(lián)動消防設(shè)備，引起噴淋等閥門動作；造成運行人員做出錯誤判斷，使相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)中斷，降低人員對火災(zāi)報警系統(tǒng)的信任度；發(fā)生事故時，如探測器故障未報警，則可能引起一定的生產(chǎn)損失，對電廠安全與經(jīng)濟效應(yīng)造成不可預(yù)期的影響[2]。

1 惡劣環(huán)境下火災(zāi)報警探測器現(xiàn)狀

核電廠環(huán)境較惡劣的區(qū)域主要有變壓器區(qū)域、地溝區(qū)域，這些區(qū)域常使用線型火災(zāi)報警探測器——感溫電纜來監(jiān)測火情。感溫電纜又分開關(guān)量和模擬量兩種類型，經(jīng)過技術(shù)迭代，開關(guān)量類型的感溫電纜已經(jīng)被淘汰。模擬型感溫電纜是一種由多根導(dǎo)體組成的電纜，當(dāng)溫度變化時，高聚合化合物內(nèi)會產(chǎn)生不斷變化的電阻，通過檢測電阻值的變化來產(chǎn)生需要的報警信號[3]。

但模擬量感溫電纜有以下缺點：

1）感溫電纜無法進行在線監(jiān)測被測對象的溫度變化，只是在火災(zāi)發(fā)生后給出區(qū)域的報警信號，不能給出報警點的確切位置[4]。

2）報警溫度無法隨意修改，對于不同場景不能靈活運用。

3）無法發(fā)出溫升報警，不能在火災(zāi)前期進行處理。

4）傳輸為電信號，易受電磁干擾，在干擾大的區(qū)域容易誤報警。

5）易受環(huán)境因素影響，在潮濕環(huán)境下容易生銹，影響正常監(jiān)測功能。

6）測量距離短，在路徑上要增加許多接口模塊，相當(dāng)于增加了許多故障點。

因此，目前急需一種新的技術(shù)或設(shè)備來替代易受環(huán)境影響的感溫電纜。通過大量比對，發(fā)現(xiàn)光纖具有良好的性能，可以滿足現(xiàn)場探測的要求，也能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。

2 感溫光纖技術(shù)概況

光纖傳感技術(shù)的研究始于20 世紀(jì)70 年代，是光電技術(shù)領(lǐng)域最活躍的分支之一。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細、質(zhì)軟、質(zhì)量輕的機械性能，絕緣、無感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等[5]。

2.1 感溫光纖測溫原理

根據(jù)入射光頻率和散射光頻率的關(guān)系將光的散射分為3 類：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。檢測不同的散射光，則可實現(xiàn)不同類型的分布式光纖傳感器[6]。

其中，瑞利散射與折射率的波動有關(guān)，是衰減的主要原因，但與溫度變化關(guān)系不大。布里淵散射受溫度和應(yīng)變的共同影響，存在交叉敏感問題。而拉曼散射僅受溫度變化的影響，它產(chǎn)生的光子能量交換引起對稱分布的斯托克斯光和反斯托克斯光（見圖1），其中反斯托克斯光與溫度成正比例關(guān)系，溫度升高則其強度也相應(yīng)增大。因此，可以通過檢測光強變化并結(jié)合正確的溫度解調(diào)方法，使用已驗證的計算公式，精確地獲得溫度信息。

圖1 瑞利光、斯托克斯光和反斯托克斯光示意圖Fig.1 Schematic diagram of Rayleigh, Stokes and Anti-Stokes

菲涅爾反射和瑞利散射是光纖傳輸過程中兩種不同的信號衰減形式。菲涅爾反射是由于光纖接口處的光線反射引起的，而瑞利散射是由光纖內(nèi)部折射率的微小變化引起的。如果光纖中（或接頭處）有幾何缺陷或斷裂面，會產(chǎn)生菲涅爾反射光，同時該點以后的瑞利散射光功率為零。

在光纖中，光波傳輸時會不斷發(fā)生瑞利散射現(xiàn)象，其散射光功率與入射光功率成正比。由于光在傳輸過程中會發(fā)生衰減，因而瑞利散射信號會帶有光纖沿線的損耗信息。依據(jù)光功率、衰減及傳輸距離之間的關(guān)系，即可獲得位置及損耗信息。

2.2 感溫光纖特點

光纖分布式傳感器作為光纖傳感家族的后起之秀，因其獨特的應(yīng)用環(huán)境而備受青睞。光纖分布式傳感的核心技術(shù)是實現(xiàn)分布式測量，即使用一根或多根光纖實現(xiàn)長距離連續(xù)測量，并能夠準(zhǔn)確給出某一點上的應(yīng)變、振動或溫度等參數(shù)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的監(jiān)控[7]。

隨著智能電廠概念的普及，對電廠電纜運行狀態(tài)實時監(jiān)測的要求越來越高。采用分布式光纖測溫技術(shù)對電纜實時監(jiān)測，建立相應(yīng)的負荷溫度曲線，可以實現(xiàn)對電纜運行溫度進行連續(xù)高空間分辨率的監(jiān)控[8]。

所以，在室外、地溝等環(huán)境較差的地方，使用感溫光纖是十分合適的。

3 現(xiàn)場實施難點與解決措施

選定分布式光纖測溫系統(tǒng)后，緊接著就要開展現(xiàn)場實施。敷設(shè)感溫光纖不像敷設(shè)感溫電纜那樣方便，斷點對感溫電纜影響很小，使用接口模塊連接即可。而感溫光纖是用一整根進行敷設(shè)，斷點后要熔接，斷點多了會對感溫光纖的整體傳導(dǎo)會有影響，造成測量不準(zhǔn)確。所以光纖敷設(shè)時要整體考慮，包括成品光纖長度、光纖主機通道數(shù)量、廠房布局等。

此外，核電廠實施改造還需要考慮工期和實施窗口，有些實施場所在室外，還要留意天氣因素。這些會對實施造成更多困難，具體將在以下幾個方面進行詳細講述。

3.1 變壓器區(qū)域?qū)嵤├щy與解決

核電廠變壓器區(qū)域有主變、廠變、輔變、鍋爐變等，這些區(qū)域的特點是感溫光纖需保護的設(shè)備暴露在室外，施工需要在變壓器停運期間執(zhí)行，即大修期間。

核電廠大修工期緊、任務(wù)重，變壓器區(qū)域工作又屬于主線工作，所以在變壓器區(qū)域?qū)嵤└袦毓饫w敷設(shè)需要提前聯(lián)系各專業(yè)，商量好各自的工作時間，以避免交叉作業(yè)。一些不在變壓器本體上的工作則要提前完成，比如光纖主機安裝、電源電纜敷設(shè)、與火災(zāi)報警主機通訊的電纜敷設(shè)、模塊安裝等。

前期工作準(zhǔn)備完成后，就要考慮在變壓器上敷設(shè)感溫光纖，主要有3 個難點：

1）變壓器區(qū)域風(fēng)吹雨淋，感溫光纖保護層材質(zhì)在選擇上要謹慎，既要考慮雨水帶來的酸性腐蝕，也要考慮高溫天氣下的膨脹、老化。

2）光纖主機安裝在室內(nèi)，與變壓器本體有一段距離，中間通過一小段地溝連接。地溝的特點是電纜眾多，電纜敷設(shè)工作較多，雨水天氣較潮濕。

3）在變壓器上固定感溫光纖的方式，既要不影響別的設(shè)備檢修，又要整潔美觀，在最高處油枕部位要牢固可靠。

首先，解決感溫光纖的選型問題。室外變壓器區(qū)域使用硅膠材質(zhì)保護的感溫光纖，地溝處選用鎧裝材質(zhì)保護的感溫光纖。這樣既能滿足室外抗老化的需求，也能在地溝起到應(yīng)力保護的作用。硅膠保護層除了抗老化外，還有一個好處，就是整體無金屬部分，不會受磁場影響，安全系數(shù)更高。

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敷設(shè)時，先用鎧裝感溫光纜從光纖測溫主機處鋪設(shè)至變壓器的電纜溝處，在電纜溝中安裝熔接盒，使鎧裝感溫光纜與硅膠感溫光纜熔接在一起，然后攀至變壓器上。敷設(shè)時需要注意，不能將光纖折成直角，彎曲的最大半徑為6cm。

然后解決固定問題，在變壓器的四周使用電木壓條進行固定，每隔1m 放置一塊。在鋪設(shè)光纜時，若遇到轉(zhuǎn)彎處，則需要縮小電木壓條的固定間隔，以確保光纜能夠緊密貼合在變壓器外殼上。光纜鋪設(shè)方式如圖2 所示。

圖2 變壓器周圍的敷設(shè)方式Fig.2 The laying method around transformer

對于光纜至變壓器上的維修通道孔及各類需要檢修的設(shè)備，需繞過設(shè)備鋪設(shè)，以便雙方的日后維修，如圖3 所示。

圖3 遇到障礙物時的敷設(shè)方式Fig.3 The laying method in case of obstacles

變壓器最上方的油枕區(qū)域是一個圓柱，屬于最難固定的地方，且容易受風(fēng)影響，尤其是臺風(fēng)天氣，因此要用大量電木壓條進行固定，此外還需要考慮到敷設(shè)和維護方便。若是簡單以環(huán)繞狀布置，感溫光纖就無法拆除，并且也不美觀。綜合考慮后選擇圖4 的方式進行敷設(shè)，這樣既能方便拆除，敷設(shè)簡單，也不會輕易脫落。

圖4 油枕處的敷設(shè)方式Fig.4 The laying method at conservator

3.2 多層橋架區(qū)域?qū)嵤├щy與解決

核電廠電纜橋架眾多，有些橋架前后、上下均為多層，敷設(shè)十分困難，比如說網(wǎng)控樓區(qū)域有一層專門放置電纜的電纜夾層。

本文討論的電纜夾層，以感溫光纖主機所在處為主視角，上下共6 層，前后共7 層，左右共3 層，并且還有3個電纜溝。電纜夾層平面示意圖如圖5 所示，想要用一根光纖覆蓋整個區(qū)域是異常復(fù)雜和困難的。

圖5 電纜夾層平面圖Fig.5 The plan of cable interlayer

對于此類復(fù)雜的橋架層，首先要測量、評估需要準(zhǔn)備的感溫光纖米數(shù)，感溫光纖以S 型敷設(shè)，根據(jù)1:1.5 的比例計算長度。然后與成品感溫光纖作對比，判斷是否要熔接多根成品感溫光纖。

電纜夾層敷設(shè)總長約為1500m，在一根成品感溫光纖長度范圍內(nèi)，所以不用考慮熔接，只需要考慮敷設(shè)的方式。若是從頭到尾進行敷設(shè)，人員和感溫光纖就要來回移動，稍一分心就會敷錯路徑，尤其在敷設(shè)中間豎型橋架（左右層）時，必然會經(jīng)過已敷設(shè)的路徑，使整體工作變得復(fù)雜。在施工過程中也可能發(fā)生施工人員不按照計劃，怎么方便怎么來的情況。

為了讓施工變得更加具體和清晰，多層橋架建議使用分層加分類的敷設(shè)方式。分層為一層敷設(shè)完后再敷設(shè)下一層；分類為將橫型、豎型橋架分來，先敷設(shè)完橫型橋架再敷設(shè)豎型橋架。具體方式如圖6 所示。

圖6 電纜夾層敷設(shè)圖Fig.6 The laying out plan of cable interlayer

3.3 電纜溝區(qū)域?qū)嵤├щy與解決

電纜溝是核電廠電纜最多的幾個區(qū)域之一，各個廠房之間的設(shè)備通過電纜溝進行供電、信號傳輸。所以該區(qū)域的特點是范圍廣、距離長。

根據(jù)電纜溝區(qū)域的特點，一根成品的感溫光纖肯定無法覆蓋完一個區(qū)域，敷設(shè)感溫光纖時就要考慮光纖熔接、以及熔接點的數(shù)量。

以浙江振東光電ZD-4B 光纖主機為例，光纖主機有4個通道，總覆蓋為10km。為了使光纖熔接點盡可能少，就要合理分配每個通道的光纖長度。于是將整個電纜溝區(qū)域分成若干個小區(qū)域，光纖主機的每個通道對應(yīng)一個小區(qū)域，直至覆蓋完整個電纜溝。電纜溝及區(qū)域分布圖如圖7 所示。

圖7 電纜溝平面圖Fig.7 The plan of cable trench

由于光纖主機安裝位置在同一個廠房，敷設(shè)感溫光纖時，多根光纖必然會經(jīng)過同一地方。對于這些交集處的區(qū)域以就近原則來分配哪根光纖來監(jiān)測，其余光纖以直線方式敷設(shè)。這樣可以明確各區(qū)域的探測分配，在后續(xù)組態(tài)中更便捷、直觀。

4 感溫光纖的數(shù)字化顯示

感溫光纖具有連續(xù)探測的特性，若沒有相應(yīng)的硬件支持顯示，就無法發(fā)揮其作用。參考數(shù)字化系統(tǒng)，最直觀的方式就是以趨勢圖的方式呈現(xiàn)溫度狀況，這樣既能顯示光纖的整體長度，又能觀測局部溫度的變化。

4.1 計算機顯示過程

在傳感系統(tǒng)中，計算機通過同步脈沖發(fā)生器發(fā)出一定頻率的脈沖，調(diào)制脈沖激光器產(chǎn)生一系列大功率光脈沖，同時提供同步脈沖進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。這些光脈沖經(jīng)過波分復(fù)用器進入傳感光纖，產(chǎn)生后向散射光，通過干涉濾光片濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和放大后，數(shù)據(jù)采集卡進行采集和存儲，并對后續(xù)光脈沖產(chǎn)生的散射光電信號進行累加和平均等數(shù)據(jù)處理，得到準(zhǔn)確的溫度信息。最后，系統(tǒng)主機內(nèi)置計算機通過編譯好的軟件進行溫度解調(diào)和顯示。

詳細技術(shù)路線圖如圖8 所示。

圖8 技術(shù)路線圖Fig.8 The plan of technical route

4.2 精確定位

計算機將感溫光纖曲線實時顯示出來后，對于簡單地形可以迅速定位到故障和火警出現(xiàn)的地方，但對于電纜溝這樣的復(fù)雜地形無異于大海撈針。

為了讓火警顯示更加精確，首先要記錄米標(biāo)，即通過在感溫光纖上加溫觸發(fā)火警，獲得該點的具體米數(shù)（主機處為0 m）。然后運用到電子地圖，即廠房平面圖和感溫光纖敷設(shè)路徑同時在顯示設(shè)備上顯示。廠房平面圖通過圖片導(dǎo)入，感溫光纖敷設(shè)路徑需要手動繪制，拐彎、分層處需要根據(jù)實際的米標(biāo)值進行設(shè)置，這樣一張擁有數(shù)字標(biāo)簽的電子地圖就繪制完成了。

通過計算機軟件設(shè)置，將感溫光纖曲線中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮拥貓D中。當(dāng)現(xiàn)場有火警時，火警信號就能通過電子地圖第一時間將具體的著火位置反饋到值班人員，方便值班人員去現(xiàn)場核實。

5 結(jié)論

感溫光纖在核電站變壓器、電纜夾層、電纜溝的成功運用，標(biāo)示著在大型區(qū)域，火災(zāi)報警探測器有了更多的選擇，也證明了感溫光纖在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性，從此擺脫了傳統(tǒng)線性感溫探測器易發(fā)生故障的困擾。

在核電站管理逐漸精細的現(xiàn)在，感溫光纖產(chǎn)品的出現(xiàn)和完善對于火災(zāi)報警系統(tǒng)的精細化管理有著重要的意義。隨著火災(zāi)報警系統(tǒng)從半自動到全自動的轉(zhuǎn)變，精準(zhǔn)、精確的火災(zāi)報警探測器必將成為主流。