分布式感溫光纖探測系統在AP1000核電廠中的應用

嚴振杰，鄒穎男

（國核工程有限公司，上海 200233）

分布式感溫光纖探測系統在AP1000核電廠中的應用

嚴振杰，鄒穎男

（國核工程有限公司，上海 200233）

AP1000核電廠首次將分布式感溫光纖探測系統應用于1E級與非1E級電纜橋架火災探測。文章介紹了分布式感溫光纖探測系統技術原理，分析了感溫光纖探測系統的結構及其特點，并根據核電廠的特殊環境，研究了對感溫光纖的影響以及提出了相關建議，最后介紹了AP1000分布式感溫光纖探測系統設計、光纖布置方案。

分布式感溫光纖；火災探測；AP1000

AP1000核電廠的主回路系統和設備均采用成熟的電廠設計［1］，主要安全系統采用簡化的非能動設計，大大提高了安全性和經濟性。AP1000核電廠首次應用分布式感溫光纖探測系統（DTS）用于探測1E級與非1E級電纜橋架溫度。分布式感溫光纖探測系統［2］是融合了當前世界上先進的光纖和激光技術，利用光纖作為傳感探測器進行溫度探測的比較完善和理想的高科技設備。DTS系統是目前世界上較為先進且有效的在線分布式感溫探測系統，并廣泛應用于電力、石油、化工及交通等諸多領域。

本文介紹了感溫式火災探測技術原理，對不同類型的設備進行了比較。同時，根據核電廠的特殊環境，研究了對感溫光纖的影響以及提出了相關建議。最后，本文介紹了分布式感溫光纖探測系統在AP1000核電廠中的應用，重點介紹系統設計方案、光纖布置方案。

1　感溫式火災探測技術原理

線型感溫式火災探測器根據敏感部件形式可分為：1）纜式線型感溫火災探測器；2）分布式光纖線型感溫火災探測器；3）光纖光柵感溫火災探測器；4）空氣管式線型感溫火災探測器；5）線式多點型感溫火災探測器。目前，只有纜式線型感溫火災探測器和分布式光纖線型感溫火災探測器被應用于核電廠。

由于感溫電纜無法進行在線監測被測對象的溫度變化，只是在火災發生后給出區域的報警信號，電纜過熱燒穿絕緣是一個長期累積的過程，此外感溫電纜報警不能給出報警點的確切位置。如表1所示。

表1　分布式感溫光纖探測系統與感溫電纜性能比較Table 1　Performance comparison between the distributed fiber optic heat detector and temperature sensing cable

因此，AP1000核電廠核島設計中采用分布式感溫光纖探測系統彌補感溫電纜的上述不足。下面介紹一下光纖測溫的原理。

光纖測溫［3］的機理是依據后向喇曼（Raman）散射效應。激光脈沖與光纖分子相互作用，發生散射，散射有多種，如瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和喇曼（Raman）散射等。其中喇曼散射是由于光纖分子的熱振動，它會產生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯（Stokes）光，和一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）光。光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯（Anti-Stokes）光強發生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量。

結合高品質的脈沖光源和高速的信號采集與處理技術，就可以得到沿著光纖所有點的準確溫度值。系統用一個10 ns延遲的激光脈沖，能夠實現對最大30 km的光纖空間分辨率1 m的溫度測量，也就是相當于30 000個測量點。

2　AP1000核電廠特殊應用環境對感溫光纖的影響

AP1000首次應用感溫光纖于核電廠電纜橋架的溫度探測。感溫光纖主要用于探測殼內與殼外1E級與非1E級電纜橋架。安全殼內屬于輻照區域，輻照環境可能影響光纖的傳輸特性，從而影響測溫。由于此前感溫光纖從未在輻照環境下進行使用，因此，本文將500 m商品級感溫光纖分為100 m的5段，分別命名為1號、2號、3號、4號、5號，每段100 m光纖從檢測室通過穿墻孔沿輻照室外墻面敷設約30 m，其余70 m盤成卷放置在輻照實驗室內相應劑量率位置，按照1、0.7、0.5、0.3、0.1 Mrad/h分別測試，并觀察記錄，結果如表2所示。

試驗結果表明，輻照對感溫光纖的測量結果影響巨大，且對光纖的損傷降低了光纖的傳輸特性，高劑量的電離輻射可能會使光纖不能傳輸信號，使感溫光纖在輻照區域的應用受到了影響。輻照對光纖的影響主要表現在兩個方面：1） 光吸收損耗增加；2） 產生熒光或契侖科夫光，輻照射線有γ、n、X和電子4種，研究表明基本現象是一致的。對直流和脈沖源的輻照，光纖有穩態和瞬態兩種吸收不同的相應，其區別主要在于恢復效應的不同，一般情況下，一種光纖的瞬態吸收在同一劑量下要比穩態吸收大幾個數量級，當光纖收到直流輻照時，開始存在最大損耗——峰值損耗，然后隨恢復快慢損耗下降，光纖輻照誘導損耗的結果是使傳輸信號強度降低。

表2　感溫光纖輻照監測記錄Table 2　Radiation monitoring record of the temperature sensing optic fiber cable

光纖的誘導吸收主要來源于染色中心的產生，即新的缺陷產生，由于構成光纖材料的隨機性，本來就存在硅離子和氧空穴以及橋鍵氧離子和非橋鍵氧離子等缺陷，另外還存在堿金屬離子等雜質，當受到射線的電離輻照時，光纖的包層和芯中形成電子和空穴，而這些電子空穴對在缺陷和雜質位置上被俘獲，產生新的缺陷中心。這些缺陷中心也稱作“色心”，其使光纖的缺陷增加并都具有使光纖吸收增加的光譜，從而造成了光纖的損耗增加。

因此，殼內用耐輻照感溫光纖必須嚴格控制光纖的摻雜、雜質濃度和OH-含量濃度等。

3　AP1000感溫光纖火災探測系統研究

3.1組網方式

AP1000核電廠分布式感溫光纖探測系統的基本構成主要分為3個部分：

1）感溫探測系統圖文工作站；主要顯示告警信息，便于操作人員進行火警定位、復位、數據查詢等；

2）DTS主機；該部分包括探測器、就地顯示屏、光電轉換模塊、監視模塊、內置繼電器等；

3）感溫光纖。

AP1000核電廠分布式感溫光纖探測系統結構圖如圖1所示。

圖1　AP1000核島分布式感溫光纖探測系統結構圖Fig.1　System structure of the distributed fiber optic heat detector in AP1000 nuclear island

如圖1所示，AP1000核島分布式感溫光纖探測系統設計理念如下，系統通過DTS主機中的通訊口與布置在主控室的圖文工作站連接，將探測數據、報警信息等發送至工作站，便于操作人員進行查詢、復位等操作。同時，每個DTS主機配置兩個帶地址的監視模塊，兩個模塊分別接入火災探測與聯動回路，一個用于觸發溫度報警，另一個用于觸發DTS自身故障。一旦某個模塊動作后，相關信息將顯示在主消防控制柜顯示屏上，操作人員在得知DTS主機報警后，前往圖文工作站進行查詢定位，確定準確的報警點，排除故障。

3.2感溫光纖布置方案研究

對電纜橋架宜采用接觸電纜鋪設，當感溫光纖不能安裝在電纜的表面時，應安裝在被測電纜的上方橋架或豎井的側壁上。對于透氣性良好的梯級式等電纜橋架和夾層通常每隔一層安裝一根感溫光纖，光纖直接放在或吊裝在橋架上方；對于透氣性不好的槽式和托盤式電纜橋架建議每層鋪設一根感溫光纖。對于寬度小于0.3 m的電纜橋架，通常采用直線方式鋪設光纖，光纖以寬松方式鋪設在橋架正中央；大于0.3 m的橋架建議采用正弦波方式鋪設光纖，光纖直接綁縛在保護電纜的外護套上面。感溫光纖固定點數計算方法：固定點數 = 正弦波個數×4+1

感溫光纖的長度按下列公式計算：感溫光纖的長度 = 托架長×倍率系數

倍率系數按表3選定。感溫光纖布置如圖2所示。

表3　倍率系數表Table 3　Magnification coefficients

圖2　感溫光纖布置示意圖Fig.2　Layout of temperature sensing fiber optic

4　結束語

根據分布式感溫光纖探測系統的特點，結合工程實際，AP1000首次將其應用于1E級與非1E級電纜橋架溫度探測。根據核電廠特殊環境，研究并論證了感溫光纖在輻照環境下的特性，這將對AP1000后續堆型中繼續推廣具有示范作用；同時也可以推廣到國內外其他核電堆型。該系統的可靠運行可以方便核電廠運行和維護，滿足業主功能要求。

［1］ 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000［M］. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant［M］. Beijing： Atomic Energy Press， 2008. ）

［2］ 劉繼則. 光纖分布式感溫探測系統在1000 MW超超臨界機組的應用［J］. 華電技術，2008，30（4）：32-34.（LIU Ji-ze. Application of the Optical Fibre Distributed Temperature-sensing Detection System in 1000 MW Ultra-supercritical Unit［J］. Huadian Technology， 2008， 30（4）：32-34. ）

［3］ 王憶蓮，等. 線型感溫探測器技術在核電站的應用探討［J］. 消防技術與產品信息，2014，1：49-52.（WANG Yi-lian，et al. Application of Linear Temperature-sensing Detector Technologies in Nuclear Power Plant［J］. Fire Protection Techniques and Products Information， Jan. 2014：49-52. ）

Distributed Temperature Sensing Optic Fiber Monitoring System Applied in AP1000 Nuclear Power Plant

YAN Zhen-jie， ZOU Ying-nan
（State Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

AP1000 nuclear power plant firstly applied the distributed temperature sensing optic fiber monitoring system for monitoring Class 1E and Non-Class 1E cable trays. This paper introduces the technical principle of distributed temperature sensing optic fiber monitoring system， and analyzes the system configuration and characteristics. According to the special environmental condition of the nuclear power plant， the influence on temperature sensing optic fiber is studied and relevant proposals are put forward. The system design and fiber layout proposal are also introduced according to the AP1000 design.

distributed temperature sensing optic fiber； fire detection； AP1000

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0226-05

TM623

A

1674-1617（2016）03-0226-05

2016-03-31

嚴振杰（1985—），男，上海人，工程師，碩士，主要從事AP1000核電廠消防設備采購工作。