核電廠火警系統(tǒng)感溫光纖擴(kuò)展應(yīng)用研究

吳瓊

中核海洋核動(dòng)力發(fā)展有限公司 上海 200233

1 感溫光纖

1.1 感溫光纖的工作原理

感溫光纖系統(tǒng)由測溫主機(jī)及測溫光纖兩部分組成，測溫主機(jī)內(nèi)的激光器發(fā)射激光脈沖進(jìn)入光纖，它以一定的速度向前傳輸，并在光纖各處依次產(chǎn)生散射，其中各點(diǎn)后向傳輸?shù)纳⑸涔鈺?huì)以相同速度逐一返回入射端被探頭捕獲，通過檢測與入射光的時(shí)間差，可以計(jì)算不同散射點(diǎn)的位置距入射端的距離。捕獲的散射光中包含多種不同波長的光，其中反斯托克斯光的強(qiáng)度與溫度相關(guān)，溫度越高，反斯托克斯光越強(qiáng)，通過測量各點(diǎn)檢測到的反斯托克斯光強(qiáng)度，可得到各點(diǎn)溫度參數(shù)，并進(jìn)而獲得沿光纖軸向的溫度曲線[1]。

1.2 感溫光纖的優(yōu)勢

與感溫電纜相比，感溫光纖的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，如表1 所示：

1.3 感溫光纖的工業(yè)應(yīng)用

感溫光纖是一種新型的線型感溫探測器，通過監(jiān)測特定區(qū)域的溫度值，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，聯(lián)動(dòng)火警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，保障人員及時(shí)撤離，防止災(zāi)害擴(kuò)大。目前感溫光纖已在發(fā)電廠、冶金企業(yè)、石油化工單位等諸多領(lǐng)域的火警消防系統(tǒng)中有了較為廣泛的應(yīng)用[1]。

2 感溫光纖在核電廠的應(yīng)用

感溫光纖在核電工程中主要用于火警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廠房電纜橋架火警監(jiān)測。每套系統(tǒng)配備1 臺工控機(jī)、若干臺測溫主機(jī)。其中工控機(jī)布置在主控室內(nèi)，負(fù)責(zé)收集匯總測溫主機(jī)的實(shí)時(shí)信息，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，自身能夠發(fā)出警報(bào)；每臺測溫主機(jī)對其所連接的測溫光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集，當(dāng)有故障或者火災(zāi)發(fā)生時(shí)，測溫主機(jī)自身發(fā)出報(bào)警，同時(shí)將相關(guān)信息匯報(bào)給主控室的工控機(jī)。

3 感溫光纖的擴(kuò)展應(yīng)用研究

在核電工程中，感溫光纖主要用于廠房電纜橋架的火警監(jiān)測。在電纜橋架中，所測得的溫度數(shù)據(jù)可以是一段感溫光纖隨空間的變化趨勢，也可以是光纖某一點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢，因此不難通過大量、長時(shí)間采集感溫光纖溫度數(shù)據(jù)，并加以分析獲得更多信息，這些信息有助于我們判斷電纜的工作狀態(tài)以及電廠的一些設(shè)備、廠房的運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 溫度分布異常分析

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

感溫光纖測得的溫度主要取決于電纜本身的工作溫度和橋架內(nèi)的環(huán)境溫度，正常情況下，電纜本身的工作溫度相對穩(wěn)定，橋架內(nèi)的環(huán)境溫度受廠房內(nèi)暖通等因素的影響有一定區(qū)別。通過采集整段感溫光纖上各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，可繪制成感溫光纖溫度分布曲線。由于正常情況下該分布曲線就可能存在波動(dòng)現(xiàn)象，為避免其對數(shù)據(jù)分析造成干擾，可以預(yù)先將正常情況下的溫度波動(dòng)原因在曲線上標(biāo)示出來，作為背景曲線[2]。

基于背景曲線，結(jié)合實(shí)時(shí)測量的溫度曲線，就可以甄別出有別于正常波動(dòng)時(shí)的波動(dòng)或毛刺。作為火警系統(tǒng)的感溫光纖，這些波動(dòng)和毛刺雖不足以觸發(fā)火警信號，卻也顯示了電纜的工作溫度或橋架的環(huán)境溫度發(fā)生變化甚至出現(xiàn)異常，此時(shí)就需要我們對其作進(jìn)一步分析，以了解產(chǎn)生這些異常的原因。

3.1.2 異常分析

由于感溫光纖的溫度既反映了電纜本身的工作溫度，也反映了電纜所處橋架內(nèi)的環(huán)境溫度，因此其溫度分布異常應(yīng)從電纜本身（直接原因）和環(huán)境因素（間接原因）兩方面考慮：

電纜工作溫度的變化，其原因可能包括：制造工藝導(dǎo)致的電纜軸向材質(zhì)、線徑差異，使得電纜在各點(diǎn)產(chǎn)生的熱量不同；電纜絕緣層的厚薄差異，導(dǎo)致散熱不均；電纜絕緣破損導(dǎo)致局部溫度升高；電纜中存在中間接頭導(dǎo)致局部溫度升高。

橋架環(huán)境溫度的變化，其原因可能包括：電纜橋架所在廠房的溫度發(fā)生變化；橋架附近的設(shè)備（如管道等）溫度發(fā)生變化；橋架的封閉狀態(tài)發(fā)生變化等等。

因此當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時(shí)，需要綜合考慮上述兩個(gè)方面判斷出現(xiàn)異常的可能原因，并進(jìn)而為判斷電站運(yùn)行狀態(tài)、消除電站存在的缺陷提供支持。

在實(shí)際分析時(shí)，一方面，運(yùn)行人員可以及時(shí)聯(lián)系操作人員到達(dá)出現(xiàn)異常的區(qū)域進(jìn)行排查，另一方面，還可以通過在電站長期運(yùn)行過程中積累經(jīng)驗(yàn)，將異常狀態(tài)的溫度曲線、異常的可能原因建立對應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)異常后第一時(shí)間判斷異常并消除缺陷，盡快恢復(fù)電站正常運(yùn)行狀態(tài)[3]。

3.2 溫度變化異常分析

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

上節(jié)介紹了利用某一時(shí)間點(diǎn)感溫光纖上各點(diǎn)的溫度分布對電站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行輔助判斷，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將數(shù)年甚至數(shù)十年內(nèi)的感溫光纖測得的數(shù)據(jù)加以存儲并分析成為可能，因此我們還可以對某一段感溫光纖測得的溫度數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢進(jìn)行分析。

根據(jù)分析的需要，需要預(yù)先采集一段時(shí)間內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)作為對照，例如，在進(jìn)行短期的溫度變化異常分析時(shí)，考慮到白天和夜晚的溫差，可以采集過去24 小時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，繪制成曲線，并根據(jù)實(shí)際注明曲線變化的原因，作為背景曲線。如需進(jìn)行長期的溫度變化異常分析時(shí)，考慮到季節(jié)不同時(shí)的溫差，可以采集過去一年內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，繪制成曲線，同樣在曲線中注明變化原因，作為背景曲線。背景曲線周期的選擇可以結(jié)合溫度變化的總體趨勢和異常分析的需要。

需要說明的是：背景曲線本身可能就是異常曲線，因此可能會(huì)對異常分析造成干擾，除了根據(jù)最新采集的數(shù)據(jù)不斷修正背景曲線外，對于短期的溫度曲線，可以考慮連續(xù)采集若干次數(shù)據(jù)并完成比較分析后選擇正常曲線作為背景曲線；對于長期的溫度曲線，可以在數(shù)據(jù)采集過程中進(jìn)行上一節(jié)所介紹的溫度分布異常分析，實(shí)時(shí)排除異常情況。

基于背景曲線，通過采集同一周期內(nèi)的實(shí)時(shí)曲線，將背景曲線與實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行對照，就可以甄別出溫度異常，并進(jìn)而分析對電站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。

3.2.2 異常分析

溫度變化的異常分析與溫度分布的異常分析大體相同，我們依然可以通過現(xiàn)場排查的方式查找出現(xiàn)異常的原因并及時(shí)消除缺陷。

同時(shí)，由于溫度變化分析過程中會(huì)采集較長時(shí)間內(nèi)的溫度測量數(shù)據(jù)，除了進(jìn)行異常分析外，我們還可以對電纜壽期進(jìn)行判斷。對于電力電纜，其使用壽命主要取決于電纜絕緣的壽命，而電纜絕緣的老化程度與其工作的環(huán)境溫度息息相關(guān)。在非正常的過熱狀態(tài)下，電力電纜絕緣老化速度加快。以交聯(lián)聚乙烯電纜為例，當(dāng)其工作溫度超過允許值的8%時(shí)，其壽命將減半；如果超過15%，電纜壽命將只剩下1/4，即便在允許值范圍內(nèi)，其壽期也會(huì)隨工作溫度的升高而降低[2]。

4 結(jié)語

本文所提感溫光纖的這一擴(kuò)展應(yīng)用，并不改變感溫光纖作為火警系統(tǒng)設(shè)備的自身功能，只是通過數(shù)據(jù)采集和分析來擴(kuò)展其功能，在不增加任何硬件成本、不改變現(xiàn)有功能的前提下，為運(yùn)行人員增加輔助判斷手段，考慮到感溫光纖的應(yīng)用范圍約來越廣，本文所研究內(nèi)容具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。