核電廠電氣設備溫度實時監測及預警系統設計

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.大亞灣核電運營管理有限責任公司，深圳 518120)

1 引言

目前針對核電廠電氣火災的防控手段相對缺乏，主要針對部分重點區域和重要設備進行定期溫度檢測，多半為災后報警，實時性差，缺少對重要電氣設備的溫度變化實時監控及預警的功能。一般來說，造成電氣火災的主要原因包括短路、過載、局放、泄漏電流等因素。由于核電廠環境和對安全要求的特殊性，火災事故頻率較高，誤報現象多發。目前電氣設備溫度監測手段相對落后，覆蓋范圍小，難以實時監測，電氣設備整體溫度數據庫空缺。如果能夠加以分析并解決，對于提高核電廠電氣設備火災預警及處理能力，無論是從保障設備及人身安全，還是從維護核安全的角度，都有巨大意義[1]。

針對目前溫度測量手段中存在的問題，本文提出一種應用于核電廠新的一體化溫度監測方法，實現對不同類型電氣設備進行在線溫度監測預警。首先介紹了核電廠電氣設備溫度監測現狀及采用的溫度測溫方法的基本原理，同時進行了可行性分析和討論，并搭建了電氣設備溫度實時監測及預警平臺，最后介紹了平臺的實際應用測試情況。實際測試結果表明:本文提出的結合分布式光纖、光纖光柵、光纖熒光測溫及無線無源測溫技術的實現方法集成于監測及預警平臺的搭建，能夠全面實現各類電氣設備的溫度監測。

2 核電廠電氣設備溫度監測現狀

目前核電廠具有高火災風險的電氣設備主要包括電纜線型設備、電氣開關柜點型設備以及大型變壓器面型設備等幾大類。其中電纜類監測主要采用纜式測溫，該技術只能對電纜的最高溫度進行測量，溫度超過設定值后報警，無法在線監測溫度變化，只在火災發生后給出對應區域的報警信息，溫度報警時往往已經形成火災，無法準確定位，受電磁環境影響較大，不利于及時發現隱患。電氣盤柜、開關設備以及母線隨著運行老化、異物散落以及局部散熱不佳等容易引起電氣火災。目前核電廠絕大多數電氣盤柜、開關設備內部未裝設溫度監測裝置，形成了部分電氣火災監測盲區。而對大型變壓器、電抗器等設備的溫度監測往往采用纜式測溫或人工紅外測溫，一般很難實現大范圍在線監測，也無法實現數據的智能化實時采集、傳輸、存儲。目前核電廠變壓器等設備空間大，存在較強電磁干擾，實時性較差，缺乏全面的監測措施[2]。

核電廠溫度實時監測和預警定位目前存在的幾大難點:全廠電氣設備眾多，需要對關鍵設備及敏感位置進行識別定位；核電廠電氣盤柜內部尚無溫度監測手段；監測過程需要避免改變原設備絕緣性能；電氣設備周圍往往電磁環境復雜，監測手段需要避免電磁干擾。

3 技術原理與可行性分析

3.1 分布式光纖測溫

分布式光纖測溫主要基于拉曼(Raman)散射原理。發射光源產生的光脈沖同光纖分子作用發生散射，散射有多種類型，其中拉曼散射會產生比光源波長長的斯托克斯(Stokes)光和比光源波長短的反斯托克斯(Anti-Stokes)光，光纖因溫度的作用使反斯托克斯光強產生了變化，兩者比值提供了溫度的絕對指示。通過測量入射光與散射光的時間間隔可得到拉曼散射光發生的位置[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，即可算得對應溫度值，二者關系如下式:

式中:h為譜朗克常數；K為玻爾茲曼常數；IS為斯托克斯光強；IAS為反斯托克斯光強；f0為伴隨光的頻率；Δf為光頻率增量。

通過得到時間差Δti與光纖內部光傳播速度ck，可算得各個散射點與入射點的距離，即獲得待測點的位置信息，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點，可檢測整個光纖沿線完整的溫度分布，無誤報，可以連續實時測量沿線幾千米內各點的待測信息，定位精度可達1m，測溫精度可達1℃，且安裝維護簡單，任何位置斷裂后進行簡單熔接即可恢復使用。在核電廠電纜、電纜橋架、電纜井、電纜隧道等區域的溫度監測采用分布式光纖測溫技術來代替現有的感溫電纜測溫手段，可執行溫度監測跟蹤及預警功能。

3.2 光纖光柵測溫

光纖光柵是基于光折變效應通過紫外線照射產生周期性的折射率變化而制成的布喇格(Bragg)光柵。發射光經過光柵發生散射，特定波長的光經光纖返回，其余波長的光繼續向前傳送。波長計算公式如下:

式中:λB為中心波長；Λ為光柵周期；n為有效折射率；nΛ為溫度與軸向函數[4-5]。

通過把溫度傳感器固定在待測點表面，接收主機發射的光信號，將傳感器中的散射光信號反饋給主機，通過主機對散射光信號的解調處理得到對應設備的溫度狀態。工作原理如圖2所示。

圖2 光纖光柵溫度傳感原理

根據上述原理及特點，光纖光柵屬于點型測溫，一般在一根光纖上可制成若干個傳感器，可用于實時采集配電柜、中高壓開關等設備重要點位的溫度數據，在溫度過高之前及時預警，確保有充分的時間采取相應預防措施。此外還可用于對油浸式變壓器內部油溫及繞組溫度進行監測。

3.3 光纖熒光測溫

熒光物質的熒光周期在某一溫度區間具有穩定的關聯。當光照射熒光物質，內部的電子吸收能量從基態突躍至激發態，溫度上升會增強晶格振動的強度，同時增加了參與吸收的分子數，當從激發態降至基態過程中釋放輻射能使其發出熒光，持續時間由激發態的壽命周期決定，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，熒光余暉曲線衰減規律可由如下公式表示:

式中，I(t)為熒光強度；I0為激勵光斷開時初始光強；τ為熒光壽命；t為測量時間。

根據熒光能級理論和波爾茲曼分布定律，熒光壽命與溫度的關系公式如下:

式中，ΔE為能級差；RE、RT、k為常數；T為絕對溫度。可以看出熒光壽命隨溫度的變化而變化，且為反比關系，因而可通過依據熒光余暉曲線獲得熒光壽命信息，實現溫度監測。利用該方法測量的溫度只取決于熒光壽命，與其他參量無關[7]。

由于熒光光纖測溫是單點測溫，具有無電、本質安全、抗電磁干擾等特點，可應用在高壓變壓器及中高壓開關柜等設備中。跟光纖光柵測溫技術相比，單根光纖上只能設置一個熒光光纖傳感器，適合待測點數較少的設備。

3.4 無線無源測溫

無線無源測溫利用聲表面波傳感器SAW(Surface Acoustic Wave)對設備溫度進行采集的方法，SAW技術采用傳感器被動工作機理，可在非常規運行環境下(高電壓、電流)進行定點測溫。

采集過程為:由天線發射的電磁脈沖信號被接收裝置上的天線接收后，經叉指換能裝置在傳感器表層激活一個表面波，波頻率會因裝置自身溫度的波動而波動，叉指換能器后續把表面波的頻率振蕩處理為電磁脈沖信號，收發器中的天線接收信號并解調；諧振器具有高質量特征，可保證反射的信息具有準確的相關數據；信號頻率狀態和溫度的變化具有顯著比例關系[8]。

圖4 無線無源測溫原理

由于無線無源測溫方式實現高壓隔離，安全性高，且占用空間小，安裝靈活，無需布線，無需電池驅動，能工作在強磁、強電、粉塵等各種惡劣場合，因而采用單點測溫可用于中高壓開關觸頭、母線連接處和電纜接頭等部位進行實時溫度監測。

4 系統設計方案

4.1 電纜類設備溫度監測及預警定位

分布式測溫光纖是把整條專用光纖當成溫度傳感裝置，根據現場需要沿電纜、電纜橋架、電纜溝、電纜接頭敷設。信號源由調制器發出，通過耦合器到達光纖的目標位置，光纖內的每一處均會對源信號進行反向散射，其強度與其位置的溫度緊密相關，散射信號通過光電轉換裝置轉換成電信號后進行放大，并進行降噪處理，處理后的信號經過主機運算得到光纖目標位置的溫度及位置信息，同時發送至后臺監控端進行實時監控。

被測區域可根據需要劃分成多個分區，每個分區可采用定溫、溫升速率、溫差報警等策略。報警可設置多級報警，并針對系統故障及火警發出不同的聲光報警信息，通過繼電器或其他接口輸出。同時，光纖測溫支持精確定位功能，便于操作人員查詢定位，確定報警點并排除故障。現場的安裝根據不同設備可采用直線形、S形及環形折返等布置方式進行敷設。系統結構配置圖如圖5所示。

圖5 系統結構配置圖

4.2 中高壓電氣盤柜溫度監測及預警定位

核電廠電氣盤柜等設備可采用光纖熒光、光纖光柵及無線無源測溫配合實現溫度監測。以光纖光柵測溫為例，電氣開關柜光纖光柵測溫系統主要包含測溫傳感裝置、分路盒、光纖、測溫主機及監控后臺，系統架構圖如圖6所示。

圖6 光纖光柵測溫系統結構圖

光纖光柵測溫傳感器串直接裝于待測點，用來獲取該裝置的溫度信息同時轉化成光信號，光分路盒用于一根光纖與若干個傳感器連接。主機內置解調器，可對溫度信號進行解調分析。解調器主要采用光纖光柵傳感特有的波分復用原理，包含可調光源和解調裝置。監控后臺收集解調器處理的溫度數據，同步跟蹤待監測對象的溫度信息，并由定制的監控界面執行對應狀態分析[9]。

4.3 變壓器溫度在線監測及預警

目前核電廠變壓器采用傳統感溫電纜測溫，同時利用巡檢人員手持式紅外測溫儀進行關鍵部位溫度數據采集。對于變壓器等需要進行溫度監測的大型設備，考慮到核電廠變壓器等主設備所占空間巨大，有較強電磁干擾，可采用分布式光纖與光纖光柵結合的測溫方式進行監測。

變壓器、發電機等面型設備可采用殼體表面立體安裝方式進行表面測溫，感溫光纜從光纖測溫主機處沿電纜橋架及電纜溝依次鋪設至變壓器處，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，對于轉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。現場布線及安裝方式如圖7所示。

圖7 變壓器外殼表面傳感器安裝示意圖

對于油浸式變壓器內部測溫，可在出廠或返廠時將傳感器安裝于內部。由于在繞組頂部的不同部位一般存在10K℃左右的溫差，應在主要不同部位安裝，分別監測A、B、C三相高壓繞組、鐵芯、油的溫度，其中鐵芯安裝3個傳感器，頂層油和底層油各裝2個傳感器，A、B、C三相高側壓繞組和低壓側繞組各裝3個傳感器，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 變壓器內部傳感器安裝示意圖

4.4 電氣設備溫度實時監測及預警平臺建設

核電廠電氣設備實時溫度監測預警及定位技術的實現依托全廠電氣設備溫度實時監測預警及定位平臺建設，搭建溫度監測數據庫以記錄電氣設備在不同環境、工況、季節的運行數據，通過溫度數據庫形成電氣設備的溫度變化趨勢識別，對電氣設備的運行及老化趨勢以及火災薄弱點進行判斷，有針對性地進行火災預防。

系統架構由物理層、核心層和交互層構成。物理層的布置根據具體監測對象的不同區分配置，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，通過傳感器的探測，經各自的光纖通道傳達至測溫主機。測溫主機位于核心層，用于向前端物理層元件發出信號，接收物理層反射的信號，對接收到的信號進行分析處理得出相應的溫度參數以及位置信號。主機具備溫度報警設置及數據存儲等功能，同時具備開放式通信接口，可與其他系統進行數據共享，該部分是實現溫度監測及相關算法的核心。交互層顯示各測溫元件所監測的溫度數據并進行統一管理，可作為專家系統通過專用軟件實現監測數據的歷史數據及趨勢分析。系統整體網絡架構如圖9所示。

圖9 溫度監控及實時預警系統網絡結構圖

本系統主要由數據交互平臺、測溫主機(一種或多種)、傳感器、通信電纜、監控后臺、服務器等設備組成。基于TCP/IP網絡的支持可集成不同測溫系統，包括分布式光纖測溫、光纖光柵測溫、光纖熒光測溫及無線無源測溫系統，滿足核電廠各類重要電氣設備的溫度監控需求。

本系統可實現兩大重要功能，一是通過測溫主機將采集到的溫度數據匯總至監控中心，形成設備溫度變化曲線，通過設定高低溫限值、溫升限值等方式對設備進行實時保護，設備溫度超過限值發出報警；二是通過測溫主機將報警信號輸出到火災自動報警系統執行消防聯動功能。

此外，本系統能實現移動端遠程監控功能，可遠程實時訪問交互層的數據，通過數據交互平臺將定制內容以異常信息或報警信息發送至特定的移動端，需要固定IP地址的方式進行授權訪問，執行無人值守和遠端監控，信息顯示形式支持網頁、手機應用或短信等格式，監控內容包括監控對象、設備編碼、溫度數據、報警類型等關鍵信息。

5 結論

電氣火災預防是工業火災預防工作中的重中之重，光纖及無線無源測溫系統逐漸成為當前電氣火災預防的最佳方案，此外減少巡檢人員的工作量也一直是核電廠的愿望。隨著用戶對供電可靠性要求的提高以及核電廠無人值守模式的普及，電氣設備自動實時測溫及預警定位系統是今后的發展趨勢。采用基于光纖傳感及無線無源測溫技術的測溫手段，具有測溫準確度高、響應迅速、實時反映溫度變化趨勢、回落后可重復使用等優點，并通過建立溫度實時監測及預警平臺，可全面了解現場重要電氣設備絕緣老化情況、全面掌握其運行狀態、及時發現故障和火災隱患，對提高核電廠電氣設備的運行可靠穩定性、降低現場電氣火災事故發生概率和損失具有重大意義，一定程度上填補了核電廠相關重要電氣設備溫度監測的空白。