核電廠火災報警系統改進及實現

趙 川

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

核電廠火災探測及報警系統，它是核電廠防火的一部分，主要用于保護核電廠中的安全系統和其它安全重要物項免受火災的影響。通過在核電廠中設置具有適當容量、能力和鑒定合格的火災探測及報警系統，以便快速探測、及時報警和啟動相應的消防設備，從而能夠迅速滅火并將火災對人員和相關重要物項的有害影響降至最低。當被保護范圍內的設備發生火災時，火災探測器將火災初期產生的煙霧信號和溫度信號直接傳輸或經過比較判斷后傳輸到火災報警控制器，控制器經過數據分析判斷，發出火警聲、光報警信號，并聯動相應的消防設備[1,2]。

1 火災報警系統的基本要求

1.1 基本功能要求

1）根據不同的環境要求，配置不同的探測設備，并和報警設備組成高可靠性的火災探測報警網絡。

2）本系統在接到火災信號時，可在現場和控制室等處發出音響或燈光等報警信號。

3）本系統具有火災報警模擬顯示功能[5]。

4）具有可靠的UPS不間斷電源供電。

5）本系統具有強大的邏輯編程功能，能手動/自動控制其它消防系統設備。

6）本系統具有手動報警功能。

7）本系統具有故障自檢功能。

8）本系統具有很強的抗干擾和程序自恢復能力。

應考慮火災報警設備所處環境，保證其運行的適應性、穩定性及持久性等，均適應核島、常規島等各廠房的安裝環境。

1.2 安全等級、質量保證等級和抗震要求[11]

1）安全等級

本系統的所有設備均屬于N1E級

2）質量保證等級

本系統的所有設備部件均滿足質保等級QA3級的要求，設備在設計和生產制造階段滿足質保等級要求，并且系統在運行階段可以接受定期試驗檢查。

3）抗震要求

參考RCCI-97，在地震中和地震后設備能保證其運行性。

設備能夠承受由安全停堆地震（SSE）力引發的極限地震條件。對在安全停堆地震（SSE）條件下部件內產生的應力進行計算，計算的結果用于確定火災報警設備部件的特性。

4）抗雷擊措施

根據有關要求，火災報警系統應具有抗擊雷擊的相關措施。安裝在室外的探測設備，如線型感溫火災探測器等信號總線和供電線路是感應雷的主要通道，應在這些位置合理地安裝電涌保護器，提高系統抗雷擊的能力。

1.3 特殊試驗要求

火災探測器的試驗要求除各項技術性能滿足國家標準GB 4715-93《點型感煙火災探測器技術要求及試驗方法》和GB 4716-93《點型感溫火災探測器技術要求及試驗方法》外，還滿足核電廠如下特殊環境的要求[3,4]：

1） 反應堆廠房

① 一回路設備室

核輻射累積劑量：5×103Gy（年）

運行溫度：≤55℃；運行相對濕度：≤80%

停堆溫度：≤40℃；停堆相對濕度：95%±2%

② 反應堆安全殼內環廊區（大廳操作層以下）

核輻射累積劑量：2.5Gy（年）

運行溫度：≤55℃；運行相對濕度：≤80%

停堆溫度：≤40℃；停堆相對濕度：98%±1%

③ 運行層以上高大空間

核輻射累積劑量：12.5Gy（年）

運行溫度：≤50℃；運行相對濕度：≤80%

停堆溫度：≤40℃；停堆相對濕度：≤90%

2） 輔助廠房

① 放射性設備室（泵房等）

核輻射累積劑量：1×104Gy（年）

運行溫度：40℃；運行相對濕度：98%±1%

有腐蝕物品：硼酸、氫氧化鈉

② 蓄電池室

核輻射累積劑量不考慮。

運行溫度：≤35℃；運行相對濕度：≤70%

有腐蝕物品：相當于4%氫氣（體積濃度）的硫酸霧氣

3）其它廠房

① 通風主管道

核輻射累積劑量不考慮。

風速：≤15m/s；

運行溫度：≤45℃；運行相對濕度：≤80%

② 計算機（狹小空間）

核輻射累積劑量不考慮。

運行溫度：≤40℃；運行相對濕度：≤80%

2 系統及產品實現方案

對于國家強制認證的產品，除了滿足國標的要求外，還要滿足產品安裝的現場環境條件。均需提供第三方的試驗報告包括：《輻射試驗報告》《抗潮濕試驗報告》《腐蝕試驗報告》《抗震試驗報告》《強氣流試驗報告》[10]等。

核電廠火災報警系統的網絡構成與常規民用項目基本相同，由于在核電廠消防設備安裝現場環境的特殊性，對消防設備的防護性能也提出了很高的要求。核電廠的廠房布局特點，決定了消防系統網絡布線的復雜性，比如線路長、各種信號，及動力線間干擾、室外安裝等[6]。為了保證核電廠火災報警設備的運行質量，提高設備長效穩定的運行能力，除了常規系統應考慮的內容外，還應重點考慮以下方面：

1）對于暴露在室外安裝的線路應加裝電涌保護裝置，防止雷電對系統的影響：比如安裝于室外的線型感溫探測器。

防雷系統布局圖如圖1。

圖1 電涌保護器的設置Fig.1 Setup of the surge protector

a）火災報警系統加裝電涌保護器的目的

通過加裝電涌保護器，將直擊雷或感應雷高壓電荷引入大地，提高火災報警系統在雷電情況下的運行穩定性，減少雷電對報警系統的危害程度，進一步使火災報警系統更好地服務于生產。

b）火災報警系統加裝電涌保護器的范圍

室外探測系統常規島變壓器的探測系統、鍋爐變壓器的探測系統、輔助變壓器的探測系統。

防雷的具體區域為：常規島變壓器的探測系統、鍋爐變壓器的探測系統、輔助變壓器的探測系統，分布于室外，為二類防雷區，由線型感溫火災探測器引入感應雷或直擊雷對火災報警系統的破壞幾率較大。因此，需要對這些區域的報警設備采取防雷措施，示意圖如圖2。

圖2 防雷系統在火災報警系統的布置Fig.2 Arrangement of lightning protection system in fire alarm system

電涌保護器A、B用于保護主機、直流電源以及總線和直流供電的其他設備；電涌保護器C用于保護纜式探測器接口模塊。電涌保護器C根據現場線型感溫探測器數量配置，安裝于電涌保護器箱內。

電涌保護器根據線路負載選型，技術指標完全滿足現場技術參數的要求，不影響原系統的運行，且電涌保護器具有過流保護、防火防爆和抗腐蝕功能。

電涌保護器的參數選擇至關重要，既要起到防雷作用，又要不影響報警系統的工作。

c）火災報警系統安裝電涌保護器的技術要求

現場線型感溫探測器接口模塊集中安裝，加裝電涌保護器接口箱較方便，電涌保護器接口箱采用膨脹螺栓固定在墻壁上，由金屬蛇形軟管連接到線型感溫探測器始端盒，線型感溫探測器通過橡膠穿線孔連接到電涌保護器接口箱。等電位接地電纜一端連接到電涌保護器的接地端子，另一端由電纜固定卡固定在金屬穿線管上，連接到安全地點上，接地電阻不大于4Ω。

2）專用感溫電纜接口模塊

電纜溝中的電纜傳輸信號的復雜性包括：高壓、大電流、高頻等特性，應專門設計具有電器隔離特性的感溫電纜接口模塊，該模塊具有極強的抗干擾能力。敷設于橋架中的電纜，在通電情況下電磁輻射很強，敷設在其上的感溫電纜耦合感應電壓很高，直接影響了感溫電纜接口模塊工作，可能擊穿或燒壞電纜接口模塊的電子元件[9]。原理框圖如圖3。

圖3 感溫電纜接口模塊的設置Fig.3 Setting of temperature sensing cable interface module

T為雙向TVS瞬態抑制二極管，當感溫電纜耦合的干擾信號幅度超出TVS的限定值時，TVS的阻抗瞬時降至導通狀態，允許大電流通過，將干擾信號限制在預定的幅度，降低了干擾信號對接口電路的損壞。電阻R起到對干擾信號的旁路作用，接口電路的判斷電流I1=I-IR，電流I并未全部經過接口電路。因此，消弱了干擾信號對接口電路的破壞作用。電容C的“通交隔直”作用，也旁路了部分交流信號的干擾。在實際產品應用中，上述措施非常明顯。

3）聚煙罩

在核電廠中有很多的電纜豎井，在設計要求上電纜豎井中安裝感煙探測器，而在實際環境中，核電廠的電纜豎井面積寬闊，上行風速大。當火災發生時，煙霧隨氣流沿豎井很快消散。在這種情況下，感煙探測器無法感知煙霧。因此，安裝于豎井的感煙探測器必須加裝金屬聚煙罩，鋼制聚煙罩安裝在電纜豎井中。當煙霧上升到達聚煙罩時，由于阻擋作用煙霧在聚煙罩中回旋、停留，感煙探測器檢測到煙霧，經CPU處理、確認，將火警信息上報火災報警控制器，解決了電纜豎井中有火災發生時探測器的漏報現象。

4）火焰或光束探測器接口模塊

該產品在設計上采用軟件濾波技術，有效地減少誤報，且能與火災報警控制器同步復位。由于火焰或光束探測器安裝于較大或大的空間，特別是光束探測器，其對煙霧的探測原理就是煙霧的遮擋作用。對于探測區域內瞬間的遮擋物，如吊裝的物體、飛鳥等，在一定程度上與煙霧作用是一致的，從而引起探測器誤報警[7]。按照國標的要求，探測器要自鎖報警狀態，而火焰或光束探測器由DC24V供電，要使探測器復位必須斷開DC24V后重新上電，給系統維護帶來諸多不便。針對以上問題必須設計一種具有軟件濾波和電源輸出可控的接口模塊，大幅度減少了誤報警并有效解決了探測器的復位問題[7]。

5）三防處理

部分設備安裝于電纜溝內，陰暗、潮濕、通風差，安裝于此類現場的設備必需具有良好的防護性能，除了產品的材質外還應考慮產品的抗腐蝕能力，主要手段是在電子產品的PCB板表面涂敷三防材料。三防材料具有良好的附著性、耐濕熱性、耐水性、可防鹽霧、耐酸、耐堿、耐污染、抗靜電、阻燃等卓越防護性能[8]。由于火災報警產品易受潮濕、煙霧、靜電、霉變等因素的影響，引起其電子線路板及電子元器件性能的變化而損壞或誤報警。所以在生產工藝中，采取特殊三防工藝來解決。電路板及標貼元件應被三防材料完全密封，才會使產品達到具有極強的抗腐蝕、抗潮濕、抗霉變能力。

3 結束語

確保核電廠整個火災報警系統運行的穩定性，應考慮核電廠的特殊性。從多個方面入手，主要包括過硬質量的設備、規范的系統設計、安裝施工和完備的系統維護。火災自動報警系統的設計、施工及驗收規范，在很大程度上是針對誤報的來源及消除誤報的措施，做出了科學、合理的規定，進而抑制或減少了大量誤報的發生。仔細了解核電站的特殊情況，才能設計、生產出符合其特殊要求的高品質產品，更好服務于核電廠的運行。