感溫光纖在核電站的實施及運用

干炯申

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

國內外核電站運行經驗表明，火災可對核電站安全造成潛在威脅，并貫穿核電站的全生命周期。核電廠的防火安全不僅是核電廠自身的安全問題，現已成為世界公眾關注的社會問題[1]。

核電廠安全系統和其它安全重要物項的防火主要依靠火災探測及報警系統，所以它們的穩定十分重要。但在惡劣的環境區域，傳統火災報警探測器無法避免環境帶來的影響，從而產生誤報警。例如在梅雨季節，室外地溝中的火災報警探測器頻發故障和火警信號。

火災報警系統的故障和誤報將給機組帶來負面影響，其主要表現在：誤報警聯動消防設備，引起噴淋等閥門動作；造成運行人員做出錯誤判斷，使相關生產作業中斷，降低人員對火災報警系統的信任度；發生事故時，如探測器故障未報警，則可能引起一定的生產損失，對電廠安全與經濟效應造成不可預期的影響[2]。

1 惡劣環境下火災報警探測器現狀

核電廠環境較惡劣的區域主要有變壓器區域、地溝區域，這些區域常使用線型火災報警探測器——感溫電纜來監測火情。感溫電纜又分開關量和模擬量兩種類型，經過技術迭代，開關量類型的感溫電纜已經被淘汰。模擬型感溫電纜是一種由多根導體組成的電纜，當溫度變化時，高聚合化合物內會產生不斷變化的電阻，通過檢測電阻值的變化來產生需要的報警信號[3]。

但模擬量感溫電纜有以下缺點：

1）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，不能給出報警點的確切位置[4]。

2）報警溫度無法隨意修改，對于不同場景不能靈活運用。

3）無法發出溫升報警，不能在火災前期進行處理。

4）傳輸為電信號，易受電磁干擾，在干擾大的區域容易誤報警。

5）易受環境因素影響，在潮濕環境下容易生銹，影響正常監測功能。

6）測量距離短，在路徑上要增加許多接口模塊，相當于增加了許多故障點。

因此，目前急需一種新的技術或設備來替代易受環境影響的感溫電纜。通過大量比對，發現光纖具有良好的性能，可以滿足現場探測的要求，也能適應惡劣的環境。

2 感溫光纖技術概況

光纖傳感技術的研究始于20 世紀70 年代，是光電技術領域最活躍的分支之一。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質的光纖，具有一系列獨特的、其他載體和媒質難以相比的優點，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細、質軟、質量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等[5]。

2.1 感溫光纖測溫原理

根據入射光頻率和散射光頻率的關系將光的散射分為3 類：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。檢測不同的散射光，則可實現不同類型的分布式光纖傳感器[6]。

其中，瑞利散射與折射率的波動有關，是衰減的主要原因，但與溫度變化關系不大。布里淵散射受溫度和應變的共同影響，存在交叉敏感問題。而拉曼散射僅受溫度變化的影響，它產生的光子能量交換引起對稱分布的斯托克斯光和反斯托克斯光（見圖1），其中反斯托克斯光與溫度成正比例關系，溫度升高則其強度也相應增大。因此，可以通過檢測光強變化并結合正確的溫度解調方法，使用已驗證的計算公式，精確地獲得溫度信息。

圖1 瑞利光、斯托克斯光和反斯托克斯光示意圖Fig.1 Schematic diagram of Rayleigh, Stokes and Anti-Stokes

菲涅爾反射和瑞利散射是光纖傳輸過程中兩種不同的信號衰減形式。菲涅爾反射是由于光纖接口處的光線反射引起的，而瑞利散射是由光纖內部折射率的微小變化引起的。如果光纖中（或接頭處）有幾何缺陷或斷裂面，會產生菲涅爾反射光，同時該點以后的瑞利散射光功率為零。

在光纖中，光波傳輸時會不斷發生瑞利散射現象，其散射光功率與入射光功率成正比。由于光在傳輸過程中會發生衰減，因而瑞利散射信號會帶有光纖沿線的損耗信息。依據光功率、衰減及傳輸距離之間的關系，即可獲得位置及損耗信息。

2.2 感溫光纖特點

光纖分布式傳感器作為光纖傳感家族的后起之秀，因其獨特的應用環境而備受青睞。光纖分布式傳感的核心技術是實現分布式測量，即使用一根或多根光纖實現長距離連續測量，并能夠準確給出某一點上的應變、振動或溫度等參數變化，能夠實現大范圍的監控[7]。

隨著智能電廠概念的普及，對電廠電纜運行狀態實時監測的要求越來越高。采用分布式光纖測溫技術對電纜實時監測，建立相應的負荷溫度曲線，可以實現對電纜運行溫度進行連續高空間分辨率的監控[8]。

所以，在室外、地溝等環境較差的地方，使用感溫光纖是十分合適的。

3 現場實施難點與解決措施

選定分布式光纖測溫系統后，緊接著就要開展現場實施。敷設感溫光纖不像敷設感溫電纜那樣方便，斷點對感溫電纜影響很小，使用接口模塊連接即可。而感溫光纖是用一整根進行敷設，斷點后要熔接，斷點多了會對感溫光纖的整體傳導會有影響，造成測量不準確。所以光纖敷設時要整體考慮，包括成品光纖長度、光纖主機通道數量、廠房布局等。

此外，核電廠實施改造還需要考慮工期和實施窗口，有些實施場所在室外，還要留意天氣因素。這些會對實施造成更多困難，具體將在以下幾個方面進行詳細講述。

3.1 變壓器區域實施困難與解決

核電廠變壓器區域有主變、廠變、輔變、鍋爐變等，這些區域的特點是感溫光纖需保護的設備暴露在室外，施工需要在變壓器停運期間執行，即大修期間。

核電廠大修工期緊、任務重，變壓器區域工作又屬于主線工作，所以在變壓器區域實施感溫光纖敷設需要提前聯系各專業，商量好各自的工作時間，以避免交叉作業。一些不在變壓器本體上的工作則要提前完成，比如光纖主機安裝、電源電纜敷設、與火災報警主機通訊的電纜敷設、模塊安裝等。

前期工作準備完成后，就要考慮在變壓器上敷設感溫光纖，主要有3 個難點：

1）變壓器區域風吹雨淋，感溫光纖保護層材質在選擇上要謹慎，既要考慮雨水帶來的酸性腐蝕，也要考慮高溫天氣下的膨脹、老化。

2）光纖主機安裝在室內，與變壓器本體有一段距離，中間通過一小段地溝連接。地溝的特點是電纜眾多，電纜敷設工作較多，雨水天氣較潮濕。

3）在變壓器上固定感溫光纖的方式，既要不影響別的設備檢修，又要整潔美觀，在最高處油枕部位要牢固可靠。

首先，解決感溫光纖的選型問題。室外變壓器區域使用硅膠材質保護的感溫光纖，地溝處選用鎧裝材質保護的感溫光纖。這樣既能滿足室外抗老化的需求，也能在地溝起到應力保護的作用。硅膠保護層除了抗老化外，還有一個好處，就是整體無金屬部分，不會受磁場影響，安全系數更高。

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敷設時，先用鎧裝感溫光纜從光纖測溫主機處鋪設至變壓器的電纜溝處，在電纜溝中安裝熔接盒，使鎧裝感溫光纜與硅膠感溫光纜熔接在一起，然后攀至變壓器上。敷設時需要注意，不能將光纖折成直角，彎曲的最大半徑為6cm。

然后解決固定問題，在變壓器的四周使用電木壓條進行固定，每隔1m 放置一塊。在鋪設光纜時，若遇到轉彎處，則需要縮小電木壓條的固定間隔，以確保光纜能夠緊密貼合在變壓器外殼上。光纜鋪設方式如圖2 所示。

圖2 變壓器周圍的敷設方式Fig.2 The laying method around transformer

對于光纜至變壓器上的維修通道孔及各類需要檢修的設備，需繞過設備鋪設，以便雙方的日后維修，如圖3 所示。

圖3 遇到障礙物時的敷設方式Fig.3 The laying method in case of obstacles

變壓器最上方的油枕區域是一個圓柱，屬于最難固定的地方，且容易受風影響，尤其是臺風天氣，因此要用大量電木壓條進行固定，此外還需要考慮到敷設和維護方便。若是簡單以環繞狀布置，感溫光纖就無法拆除，并且也不美觀。綜合考慮后選擇圖4 的方式進行敷設，這樣既能方便拆除，敷設簡單，也不會輕易脫落。

圖4 油枕處的敷設方式Fig.4 The laying method at conservator

3.2 多層橋架區域實施困難與解決

核電廠電纜橋架眾多，有些橋架前后、上下均為多層，敷設十分困難，比如說網控樓區域有一層專門放置電纜的電纜夾層。

本文討論的電纜夾層，以感溫光纖主機所在處為主視角，上下共6 層，前后共7 層，左右共3 層，并且還有3個電纜溝。電纜夾層平面示意圖如圖5 所示，想要用一根光纖覆蓋整個區域是異常復雜和困難的。

圖5 電纜夾層平面圖Fig.5 The plan of cable interlayer

對于此類復雜的橋架層，首先要測量、評估需要準備的感溫光纖米數，感溫光纖以S 型敷設，根據1:1.5 的比例計算長度。然后與成品感溫光纖作對比，判斷是否要熔接多根成品感溫光纖。

電纜夾層敷設總長約為1500m，在一根成品感溫光纖長度范圍內，所以不用考慮熔接，只需要考慮敷設的方式。若是從頭到尾進行敷設，人員和感溫光纖就要來回移動，稍一分心就會敷錯路徑，尤其在敷設中間豎型橋架（左右層）時，必然會經過已敷設的路徑，使整體工作變得復雜。在施工過程中也可能發生施工人員不按照計劃，怎么方便怎么來的情況。

為了讓施工變得更加具體和清晰，多層橋架建議使用分層加分類的敷設方式。分層為一層敷設完后再敷設下一層；分類為將橫型、豎型橋架分來，先敷設完橫型橋架再敷設豎型橋架。具體方式如圖6 所示。

圖6 電纜夾層敷設圖Fig.6 The laying out plan of cable interlayer

3.3 電纜溝區域實施困難與解決

電纜溝是核電廠電纜最多的幾個區域之一，各個廠房之間的設備通過電纜溝進行供電、信號傳輸。所以該區域的特點是范圍廣、距離長。

根據電纜溝區域的特點，一根成品的感溫光纖肯定無法覆蓋完一個區域，敷設感溫光纖時就要考慮光纖熔接、以及熔接點的數量。

以浙江振東光電ZD-4B 光纖主機為例，光纖主機有4個通道，總覆蓋為10km。為了使光纖熔接點盡可能少，就要合理分配每個通道的光纖長度。于是將整個電纜溝區域分成若干個小區域，光纖主機的每個通道對應一個小區域，直至覆蓋完整個電纜溝。電纜溝及區域分布圖如圖7 所示。

圖7 電纜溝平面圖Fig.7 The plan of cable trench

由于光纖主機安裝位置在同一個廠房，敷設感溫光纖時，多根光纖必然會經過同一地方。對于這些交集處的區域以就近原則來分配哪根光纖來監測，其余光纖以直線方式敷設。這樣可以明確各區域的探測分配，在后續組態中更便捷、直觀。

4 感溫光纖的數字化顯示

感溫光纖具有連續探測的特性，若沒有相應的硬件支持顯示，就無法發揮其作用。參考數字化系統，最直觀的方式就是以趨勢圖的方式呈現溫度狀況，這樣既能顯示光纖的整體長度，又能觀測局部溫度的變化。

4.1 計算機顯示過程

在傳感系統中，計算機通過同步脈沖發生器發出一定頻率的脈沖，調制脈沖激光器產生一系列大功率光脈沖，同時提供同步脈沖進入數據采集狀態。這些光脈沖經過波分復用器進入傳感光纖，產生后向散射光，通過干涉濾光片濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經過光電轉換和放大后，數據采集卡進行采集和存儲，并對后續光脈沖產生的散射光電信號進行累加和平均等數據處理，得到準確的溫度信息。最后，系統主機內置計算機通過編譯好的軟件進行溫度解調和顯示。

詳細技術路線圖如圖8 所示。

圖8 技術路線圖Fig.8 The plan of technical route

4.2 精確定位

計算機將感溫光纖曲線實時顯示出來后，對于簡單地形可以迅速定位到故障和火警出現的地方，但對于電纜溝這樣的復雜地形無異于大海撈針。

為了讓火警顯示更加精確，首先要記錄米標，即通過在感溫光纖上加溫觸發火警，獲得該點的具體米數（主機處為0 m）。然后運用到電子地圖，即廠房平面圖和感溫光纖敷設路徑同時在顯示設備上顯示。廠房平面圖通過圖片導入，感溫光纖敷設路徑需要手動繪制，拐彎、分層處需要根據實際的米標值進行設置，這樣一張擁有數字標簽的電子地圖就繪制完成了。

通過計算機軟件設置，將感溫光纖曲線中的數據傳輸到電子地圖中。當現場有火警時，火警信號就能通過電子地圖第一時間將具體的著火位置反饋到值班人員，方便值班人員去現場核實。

5 結論

感溫光纖在核電站變壓器、電纜夾層、電纜溝的成功運用，標示著在大型區域，火災報警探測器有了更多的選擇，也證明了感溫光纖在潮濕環境下的穩定性，從此擺脫了傳統線性感溫探測器易發生故障的困擾。

在核電站管理逐漸精細的現在，感溫光纖產品的出現和完善對于火災報警系統的精細化管理有著重要的意義。隨著火災報警系統從半自動到全自動的轉變，精準、精確的火災報警探測器必將成為主流。