纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器在核電廠中的應(yīng)用

摘要：首先分析了三類纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器的原理，然后描述了各類纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器在核電廠中的典型應(yīng)用和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后建議在核電廠纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器選型時(shí)，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理搭配，具有重要的工程借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器；感溫電纜；感溫光纖；感溫光柵

中圖分類號(hào)：TM623.4" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-0797（2023）07-0063-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.016

0" " 引言

核電廠中電纜數(shù)量龐大，分布于各個(gè)廠房，一旦發(fā)生火災(zāi)便有可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。然而由于電纜長(zhǎng)期過載運(yùn)行、施工質(zhì)量不佳、絕緣老化等原因造成的火災(zāi)事件層出不窮，為了有效預(yù)防電纜火災(zāi)事件的發(fā)生，除了定期對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)防性檢查以外，電纜日常的火災(zāi)探測(cè)也十分重要。

可探測(cè)電纜火災(zāi)的探測(cè)器有點(diǎn)型感煙探測(cè)器、點(diǎn)型感溫探測(cè)器、火焰探測(cè)器、線性光束探測(cè)器和纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器，除纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器外，其余火災(zāi)探測(cè)器均只能探測(cè)電纜著火后的煙、光和熱現(xiàn)象，為事故后探測(cè)；纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器敷設(shè)在電纜表面，當(dāng)電纜發(fā)熱超過一定閾值時(shí)即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，為事故前探測(cè)，響應(yīng)速度極快，對(duì)于預(yù)防電纜火災(zāi)意義重大。由于不同種類的纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器技術(shù)原理、性能特點(diǎn)各不相同，因此需要選用合適的纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器。以下討論不同種類的纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器及其在核電廠中的應(yīng)用。

1" " 纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器工作原理

纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器通常包括三類，分別為感溫電纜、感溫光纖、感溫光柵。下面分別對(duì)這三類纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器的工作原理進(jìn)行介紹。

1.1" " 感溫電纜

感溫電纜也稱為纜式線型感溫火災(zāi)探測(cè)器，如圖1所示，其由微機(jī)調(diào)制器、線型感溫電纜、終端盒組成[1]。

微機(jī)調(diào)制器也叫微機(jī)頭，內(nèi)部包含信號(hào)處理單元，能對(duì)感溫電纜所處的環(huán)境溫度進(jìn)行不間斷的自動(dòng)監(jiān)視，對(duì)于由于環(huán)境異常變化產(chǎn)生的高溫（含定溫和差溫）進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)還可對(duì)感溫電纜自身的斷路和短路產(chǎn)生故障報(bào)警。

感溫電纜根據(jù)工作方式可分為可恢復(fù)型和不可恢復(fù)型兩種，根據(jù)動(dòng)作性能分為定溫、差溫（溫升速率）和差定溫三類。不可恢復(fù)型感溫電纜由兩根外部包有熱敏材料的鋼絲構(gòu)成，熱敏材料同時(shí)也是絕緣材料，在正常工作情況下，兩根鋼絲之間為絕緣狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)控設(shè)備的溫度升高到熱敏材料的熔化閾值后，熱敏材料熔化，造成原本處于絕緣狀態(tài)的兩根鋼絲接通，微機(jī)調(diào)制器接收到的電流信號(hào)從正常監(jiān)控電流信號(hào)陡然增加為短路電流信號(hào)，微機(jī)調(diào)制器隨即產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，由于熱敏材料熔化后形態(tài)發(fā)生變化，無法恢復(fù)原狀，報(bào)警后必須更換備件，因此這種感溫電纜為一次性消耗型設(shè)備?？苫謴?fù)型感溫電纜也叫“模擬量型感溫電纜”[2]，也由兩根鋼絲組成，不同的是兩根鋼絲間填充為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的感溫材料，鋼絲間的電阻隨周圍環(huán)境溫度的變化而反向變化，微機(jī)調(diào)制器監(jiān)測(cè)電阻值的變化可產(chǎn)生定溫、差溫和差定溫報(bào)警。

終端盒內(nèi)部有一個(gè)終端電阻，該終端電阻使感溫電纜的兩根鋼絲形成一個(gè)閉合回路，以便微機(jī)調(diào)制器對(duì)感溫電纜進(jìn)行斷線監(jiān)視。

1.2" " 感溫光纖

感溫光纖一般為分布式光纖感溫探測(cè)器，其利用光纖的“光時(shí)域反射”和“反向拉曼（Raman）散射”原理制成，感溫光纖測(cè)溫原理如圖2所示。

“光時(shí)域反射”指利用反射光傳輸?shù)臅r(shí)間以及光速的乘積來定位報(bào)警點(diǎn)。“反向拉曼散射”原理為，在脈沖光作用下，光纖分子將受熱并由此發(fā)生振動(dòng)，光纖分子的振動(dòng)將產(chǎn)生比入射光源波長(zhǎng)更長(zhǎng)的斯托克斯（Stokes）光和比入射光源波長(zhǎng)短的反斯托克斯（Anti-Stokes）光[3]，斯托克斯光和反斯托克斯光的光強(qiáng)比與光纖散射點(diǎn)處的溫度成如下關(guān)系，利用此關(guān)系可推導(dǎo)出光纖散射點(diǎn)處的溫度值。

=aehcv/kt

式中：las為反斯托克斯光強(qiáng)；ls為斯托克斯光強(qiáng)；a為與溫度相關(guān)的系數(shù)；h為普朗克系數(shù)；c為光在真空中的速度；v為拉曼平移系數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)；t為絕對(duì)溫度。

感溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)就是利用“光時(shí)域反射”和“反向拉曼散射”原理，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理制成的，感溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)一般由圖3所示的計(jì)算機(jī)、激光器驅(qū)動(dòng)、激光器、波分復(fù)用器、測(cè)溫光纖、光電檢測(cè)器（APD）、放大器、采樣平均累加器構(gòu)成。具體工作流程為：計(jì)算機(jī)通過編程軟件控制激光器驅(qū)動(dòng)器，使其產(chǎn)生特定頻率的脈沖波信號(hào)，這個(gè)脈沖波信號(hào)一方面控制激光器，使其產(chǎn)生一系列功率更大的脈沖波，另一方面還向采樣平均累加器輸入同步脈沖信號(hào)，使采樣平均累加器進(jìn)入數(shù)據(jù)收集狀態(tài)。放大后的脈沖波經(jīng)過波分復(fù)用器的激光發(fā)射口進(jìn)入測(cè)溫光纜，并在測(cè)溫光纜沿線各點(diǎn)處產(chǎn)生反向的散射光，反向的散射光將返回波分復(fù)用器。波分復(fù)用器通過薄膜式干涉濾光片可以過濾出斯托克斯光以及反斯托克斯光，然后分別經(jīng)過波分復(fù)用器的兩個(gè)輸出端口輸出，輸出后的信號(hào)分別進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)通過信號(hào)放大器放大到采樣平均累加器的有效收集范圍內(nèi)。接著，采樣平均累加器對(duì)測(cè)溫光纜各點(diǎn)反射回來的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和信號(hào)處理。最后，計(jì)算機(jī)通過編程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)和顯示，人機(jī)交互界面上可形成一條沿光纖長(zhǎng)度的溫度曲線。當(dāng)前已能夠?qū)崿F(xiàn)最大30 km的沿光纖溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布式測(cè)量，光纖空間分辨率可達(dá)1 m，溫度分辨率達(dá)0.1 ℃。

1.3" " 感溫光柵

感溫光柵也稱為布拉格光纖光柵火災(zāi)探測(cè)器，是利用光纖材料對(duì)光的敏感性，通過紫外光對(duì)光纖進(jìn)行曝光，將預(yù)設(shè)的相位掩模板圖樣蝕刻到光纖內(nèi)部，在光纖內(nèi)部產(chǎn)生沿軸向折射率周期性變化的薄膜，這些薄膜就是光纖內(nèi)部的感溫光柵。感溫光柵實(shí)際上就是一段折射率周期性變化的光纖，一般長(zhǎng)度為1 cm左右。當(dāng)一束寬光譜的入射光經(jīng)過感溫光柵時(shí)，其中滿足感溫光柵布拉格波長(zhǎng)λB（Bragg波長(zhǎng)）的光將產(chǎn)生反射，其余波長(zhǎng)的光將透過感溫光柵繼續(xù)傳輸[4]，如圖4所示。

反射光中心波長(zhǎng)利用如下關(guān)系計(jì)算：

λB=2neffA

式中：A為感溫光柵的折射率變化周期；neff為感溫光柵的有效折射率。

在應(yīng)變力作用下，光柵柵格發(fā)生變化，同時(shí)感溫光柵將發(fā)生光彈效應(yīng)，導(dǎo)致折射率發(fā)生變化；在溫度變化時(shí)，感溫光柵將發(fā)生熱光效應(yīng)，熱光效應(yīng)將導(dǎo)致感溫光柵常數(shù)發(fā)生變化。感溫光柵反射波長(zhǎng)增量ΔλB與反射光中心波長(zhǎng)λB的比值與溫度和應(yīng)變的關(guān)系如下[5]：

=（αf+ξ）ΔT+（1-Pe）Δε

式中：ΔλB為反射波長(zhǎng)增量；λB為反射光中心波長(zhǎng)；αf為感溫光柵的熱膨脹系數(shù)；ξ為感溫光柵的熱光系數(shù)；ΔT為環(huán)境溫度的變化；Pe為感溫光柵的應(yīng)變位移系數(shù)；Δε為感溫光柵的應(yīng)變光彈變量。

在不考慮應(yīng)變力影響的情況下，感溫光柵反射波長(zhǎng)偏移ΔλB與環(huán)境溫度的變化ΔT成線性關(guān)系，如圖5所示，感溫光柵反射光波長(zhǎng)溫度常數(shù)為9.39 pm/℃，感溫光柵在出廠前經(jīng)過嚴(yán)格的波長(zhǎng)測(cè)試，所以通過測(cè)量布拉格反射光波長(zhǎng)的變化情況，即可獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)上感溫光柵周圍溫度的變化情況。

感溫光柵測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作流程與感溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)類似，在此不再贅述。

2" " 纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器在核電廠中的應(yīng)用

2.1" " 感溫電纜在核電廠的使用

感溫電纜作為傳統(tǒng)的電纜溫度探測(cè)手段，相較于新型的感溫光纖、感溫光柵而言，雖然缺點(diǎn)較多，但是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜的優(yōu)點(diǎn)，目前仍是核電廠首選的探測(cè)方式。核電廠中感溫電纜與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)配套使用時(shí)，通過火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的輸入模塊（IMInput Module）將報(bào)警信號(hào)接入火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，其接線方式如圖6所示。一般將感溫電纜和輸入模塊安裝在火災(zāi)報(bào)警模塊箱內(nèi)，通過火警系統(tǒng)輸入模塊接入火警系統(tǒng)回路中，當(dāng)感溫電纜發(fā)出火警報(bào)警時(shí)，輸出開關(guān)量報(bào)警信號(hào)，HJ7和HJ8節(jié)點(diǎn)接通，火警系統(tǒng)輸入模塊動(dòng)作報(bào)警，報(bào)警信號(hào)通過火警回路線纜上傳至火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器，從而完成整個(gè)報(bào)警流程。目前核電廠廠前區(qū)、BOP廠房、常規(guī)島等要求相對(duì)較低區(qū)域的電纜橋架、電纜溝、電纜豎井、大型設(shè)備周圍大多采用感溫電纜測(cè)溫。

2.2" " 感溫光纖在核電廠的使用

感溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)配套有繼電器、交換機(jī)、圖形工作站等設(shè)備，繼電器輸出開關(guān)量報(bào)警信號(hào)，交換機(jī)實(shí)現(xiàn)感溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)組網(wǎng)，圖形工作站主要顯示報(bào)警信息，便于操作人員日常操作。感溫光纖可以在核電廠電纜溝和電纜橋架上使用，對(duì)于電纜橋架、夾層、電纜溝和豎井等火情監(jiān)測(cè)采用正弦波方式敷設(shè)，對(duì)于動(dòng)力電纜采用捆綁方式敷設(shè)，對(duì)于電纜橋架和電纜溝建議敷設(shè)在電纜表面，對(duì)于通風(fēng)不好的電纜橋架（如槽式、托盤式電纜橋架）建議每層均鋪設(shè)一組感溫光纜。對(duì)于寬度不大于30 cm的電纜橋架，建議采用直線的方式敷設(shè)光纖，光纖以較為寬松的方式敷設(shè)在橋架的正中央；大于30 cm的電纜橋架建議采用正弦波（S型）方式敷設(shè)光纖，光纖可使用綁扎帶或?qū)Ｓ脢A具直接固定在被保護(hù)電纜的外表面上。

感溫光纖的固定點(diǎn)數(shù)S可按如下方法計(jì)算：

S=正弦波個(gè)數(shù)×4+1

感溫光纖的長(zhǎng)度L可按下列方法計(jì)算：

L=橋架長(zhǎng)度×倍率系數(shù)

倍率系數(shù)可參考表1。

感溫光纖依托光纖傳感技術(shù)，具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，但感溫光纖組網(wǎng)需要占用較大空間，造價(jià)較高。目前AP1000核電廠在核島1E級(jí)和非1E級(jí)電纜橋架中使用感溫光纖，其中安全殼內(nèi)使用的是耐輻照的感溫光纖，部分核電廠在商運(yùn)后的設(shè)計(jì)變更改造項(xiàng)目中將常規(guī)島、電氣廠房、室外變壓器等區(qū)域感溫電纜改造為感溫光纖。

2.3" " 感溫光柵在核電廠的使用

感溫光柵測(cè)溫系統(tǒng)組網(wǎng)和感溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)類似，不再贅述。感溫光柵與感溫光纖不同之處在于，感溫光柵需如圖7所示逐個(gè)熔接串聯(lián)而成，感溫光柵只能測(cè)試光柵所在位置的溫度值，而感溫光纖可測(cè)試光纖路徑上所有點(diǎn)位溫度值。感溫光柵也不是一無是處，感溫光柵中的光柵測(cè)溫精度較光纖高很多，因此感溫光柵可用在溫度測(cè)量精度嚴(yán)苛的場(chǎng)所，如測(cè)量電力電纜中間接頭、機(jī)柜內(nèi)電纜端接頭部位溫度。經(jīng)調(diào)研，已有核電廠使用感溫光柵測(cè)量電氣機(jī)柜電纜端接頭溫度。另外，感溫光柵的前沿制造工藝，可在光纖拉絲后同步執(zhí)行光柵刻蝕，克服了后續(xù)逐個(gè)熔接的技術(shù)短板，在具備高測(cè)量精度的同時(shí)具有媲美感溫光纖的測(cè)量長(zhǎng)度，今后感溫光柵測(cè)溫技術(shù)必將得到長(zhǎng)足發(fā)展。

3" " 纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.1" " 感溫電纜優(yōu)缺點(diǎn)

結(jié)合感溫電纜的結(jié)構(gòu)原理及多年核電廠工作經(jīng)驗(yàn)，感溫電纜優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：（1）微機(jī)調(diào)制器、終端盒類似于火警模塊，可方便安裝；（2）造價(jià)便宜。

缺點(diǎn)：（1）內(nèi)部傳輸電信號(hào)，容易受電磁干擾；（2）不能定位報(bào)警點(diǎn)，無法劃分報(bào)警區(qū)域；（3）感溫電纜易老化剝落；（4）感溫電纜損壞后需整根更換，工作量大；（5）報(bào)警信號(hào)為開關(guān)量，無預(yù)警功能，無實(shí)時(shí)溫度顯示功能；（6）感溫電纜最大長(zhǎng)度為200 m，在常規(guī)島等電纜聚集區(qū)域需要大量感溫電纜，造成系統(tǒng)復(fù)雜化；（7）感溫電纜不宜安裝于室外環(huán)境，同時(shí)感溫電纜不應(yīng)鋪設(shè)在被陽光直射的地方。

3.2" " 感溫光纖優(yōu)缺點(diǎn)

調(diào)研核電廠感溫光纖的實(shí)際使用情況，感溫光纖的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：（1）光信號(hào)不受電磁干擾影響；（2）可準(zhǔn)確顯示報(bào)警位置，并對(duì)報(bào)警區(qū)域進(jìn)行劃分；（3）光纖損壞可進(jìn)行熔接，無須整根更換，方便維修；（4）可實(shí)時(shí)顯示溫度值，并進(jìn)行預(yù)警報(bào)警；（5）最大測(cè)溫長(zhǎng)度可達(dá)30 km，特別適用于長(zhǎng)距離、大區(qū)間、電纜聚集區(qū)域。

缺點(diǎn)：（1）需要單獨(dú)主機(jī)及機(jī)柜，占用空間較大；（2）造價(jià)較高。

3.3" " 感溫光柵優(yōu)缺點(diǎn)

從感溫光柵的工作原理可看出，感溫光柵與感溫光纖之間有很多相似之處，感溫光柵的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：（1）光信號(hào)不受電磁干擾影響；（2）光柵精密度高，測(cè)溫精度高。

缺點(diǎn)：（1）光通過感溫光柵后，部分光被反射，透射光強(qiáng)度降低，單通道安裝感溫光柵數(shù)量較少，目前單通道最多串接21只光柵，測(cè)溫距離較短；（2）光柵傳感器一旦安裝完成，無法更改；（3）光柵溫度傳感器為一個(gè)個(gè)熔接串聯(lián)，熔接點(diǎn)易損壞；（4）需要單獨(dú)主機(jī)及機(jī)柜，占用空間較大；（5）造價(jià)較高。

綜上所述，感溫電纜、感溫光纖和感溫光柵三類纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器各自優(yōu)勢(shì)如下：（1）感溫電纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜；（2）感溫光纖工作穩(wěn)定，測(cè)溫距離長(zhǎng)；（3）感溫光柵工作穩(wěn)定，測(cè)溫精度高。

4" " 結(jié)語

感溫電纜、感溫光纖和感溫光柵作為主要的纜式感溫火災(zāi)探測(cè)器，具有不同的工作原理，也各有優(yōu)劣勢(shì)，在核電工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)火災(zāi)探測(cè)的實(shí)際需求進(jìn)行合理搭配。

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收稿日期：2022-12-09

作者簡(jiǎn)介：姚明奇（1987—），男，重慶忠縣人，工程師，從事核電廠消防設(shè)施調(diào)試及運(yùn)維工作。