纜式感溫火災探測器在核電廠中的應用

摘要：首先分析了三類纜式感溫火災探測器的原理，然后描述了各類纜式感溫火災探測器在核電廠中的典型應用和各自的優缺點，最后建議在核電廠纜式感溫火災探測器選型時，根據實際需求進行合理搭配，具有重要的工程借鑒價值。

關鍵詞：纜式感溫火災探測器；感溫電纜；感溫光纖；感溫光柵

中圖分類號：TM623.4" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0063-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.016

0" " 引言

核電廠中電纜數量龐大，分布于各個廠房，一旦發生火災便有可能產生嚴重后果。然而由于電纜長期過載運行、施工質量不佳、絕緣老化等原因造成的火災事件層出不窮，為了有效預防電纜火災事件的發生，除了定期對電纜進行預防性檢查以外，電纜日常的火災探測也十分重要。

可探測電纜火災的探測器有點型感煙探測器、點型感溫探測器、火焰探測器、線性光束探測器和纜式感溫火災探測器，除纜式感溫火災探測器外，其余火災探測器均只能探測電纜著火后的煙、光和熱現象，為事故后探測；纜式感溫火災探測器敷設在電纜表面，當電纜發熱超過一定閾值時即可發出報警信號，為事故前探測，響應速度極快，對于預防電纜火災意義重大。由于不同種類的纜式感溫火災探測器技術原理、性能特點各不相同，因此需要選用合適的纜式感溫火災探測器。以下討論不同種類的纜式感溫火災探測器及其在核電廠中的應用。

1" " 纜式感溫火災探測器工作原理

纜式感溫火災探測器通常包括三類，分別為感溫電纜、感溫光纖、感溫光柵。下面分別對這三類纜式感溫火災探測器的工作原理進行介紹。

1.1" " 感溫電纜

感溫電纜也稱為纜式線型感溫火災探測器，如圖1所示，其由微機調制器、線型感溫電纜、終端盒組成[1]。

微機調制器也叫微機頭，內部包含信號處理單元，能對感溫電纜所處的環境溫度進行不間斷的自動監視，對于由于環境異常變化產生的高溫（含定溫和差溫）進行報警，同時還可對感溫電纜自身的斷路和短路產生故障報警。

感溫電纜根據工作方式可分為可恢復型和不可恢復型兩種，根據動作性能分為定溫、差溫（溫升速率）和差定溫三類。不可恢復型感溫電纜由兩根外部包有熱敏材料的鋼絲構成，熱敏材料同時也是絕緣材料，在正常工作情況下，兩根鋼絲之間為絕緣狀態，當監控設備的溫度升高到熱敏材料的熔化閾值后，熱敏材料熔化，造成原本處于絕緣狀態的兩根鋼絲接通，微機調制器接收到的電流信號從正常監控電流信號陡然增加為短路電流信號，微機調制器隨即產生報警信號，由于熱敏材料熔化后形態發生變化，無法恢復原狀，報警后必須更換備件，因此這種感溫電纜為一次性消耗型設備。可恢復型感溫電纜也叫“模擬量型感溫電纜”[2]，也由兩根鋼絲組成，不同的是兩根鋼絲間填充為負溫度系數（NTC）的感溫材料，鋼絲間的電阻隨周圍環境溫度的變化而反向變化，微機調制器監測電阻值的變化可產生定溫、差溫和差定溫報警。

終端盒內部有一個終端電阻，該終端電阻使感溫電纜的兩根鋼絲形成一個閉合回路，以便微機調制器對感溫電纜進行斷線監視。

1.2" " 感溫光纖

感溫光纖一般為分布式光纖感溫探測器，其利用光纖的“光時域反射”和“反向拉曼（Raman）散射”原理制成，感溫光纖測溫原理如圖2所示。

“光時域反射”指利用反射光傳輸的時間以及光速的乘積來定位報警點。“反向拉曼散射”原理為，在脈沖光作用下，光纖分子將受熱并由此發生振動，光纖分子的振動將產生比入射光源波長更長的斯托克斯（Stokes）光和比入射光源波長短的反斯托克斯（Anti-Stokes）光[3]，斯托克斯光和反斯托克斯光的光強比與光纖散射點處的溫度成如下關系，利用此關系可推導出光纖散射點處的溫度值。

=aehcv/kt

式中：las為反斯托克斯光強；ls為斯托克斯光強；a為與溫度相關的系數；h為普朗克系數；c為光在真空中的速度；v為拉曼平移系數；k為玻耳茲曼常數；t為絕對溫度。

感溫光纖測溫系統就是利用“光時域反射”和“反向拉曼散射”原理，經過數據采集和信號處理制成的，感溫光纖測溫系統一般由圖3所示的計算機、激光器驅動、激光器、波分復用器、測溫光纖、光電檢測器（APD）、放大器、采樣平均累加器構成。具體工作流程為：計算機通過編程軟件控制激光器驅動器，使其產生特定頻率的脈沖波信號，這個脈沖波信號一方面控制激光器，使其產生一系列功率更大的脈沖波，另一方面還向采樣平均累加器輸入同步脈沖信號，使采樣平均累加器進入數據收集狀態。放大后的脈沖波經過波分復用器的激光發射口進入測溫光纜，并在測溫光纜沿線各點處產生反向的散射光，反向的散射光將返回波分復用器。波分復用器通過薄膜式干涉濾光片可以過濾出斯托克斯光以及反斯托克斯光，然后分別經過波分復用器的兩個輸出端口輸出，輸出后的信號分別進入光電轉換器進行光電信號轉換，轉換后的電信號通過信號放大器放大到采樣平均累加器的有效收集范圍內。接著，采樣平均累加器對測溫光纜各點反射回來的信號進行存儲和信號處理。最后，計算機通過編程軟件進行數據解調和顯示，人機交互界面上可形成一條沿光纖長度的溫度曲線。當前已能夠實現最大30 km的沿光纖溫度場的實時分布式測量，光纖空間分辨率可達1 m，溫度分辨率達0.1 ℃。

1.3" " 感溫光柵

感溫光柵也稱為布拉格光纖光柵火災探測器，是利用光纖材料對光的敏感性，通過紫外光對光纖進行曝光，將預設的相位掩模板圖樣蝕刻到光纖內部，在光纖內部產生沿軸向折射率周期性變化的薄膜，這些薄膜就是光纖內部的感溫光柵。感溫光柵實際上就是一段折射率周期性變化的光纖，一般長度為1 cm左右。當一束寬光譜的入射光經過感溫光柵時，其中滿足感溫光柵布拉格波長λB（Bragg波長）的光將產生反射，其余波長的光將透過感溫光柵繼續傳輸[4]，如圖4所示。

反射光中心波長利用如下關系計算：

λB=2neffA

式中：A為感溫光柵的折射率變化周期；neff為感溫光柵的有效折射率。

在應變力作用下，光柵柵格發生變化，同時感溫光柵將發生光彈效應，導致折射率發生變化；在溫度變化時，感溫光柵將發生熱光效應，熱光效應將導致感溫光柵常數發生變化。感溫光柵反射波長增量ΔλB與反射光中心波長λB的比值與溫度和應變的關系如下[5]：

=（αf+ξ）ΔT+（1-Pe）Δε

式中：ΔλB為反射波長增量；λB為反射光中心波長；αf為感溫光柵的熱膨脹系數；ξ為感溫光柵的熱光系數；ΔT為環境溫度的變化；Pe為感溫光柵的應變位移系數；Δε為感溫光柵的應變光彈變量。

在不考慮應變力影響的情況下，感溫光柵反射波長偏移ΔλB與環境溫度的變化ΔT成線性關系，如圖5所示，感溫光柵反射光波長溫度常數為9.39 pm/℃，感溫光柵在出廠前經過嚴格的波長測試，所以通過測量布拉格反射光波長的變化情況，即可獲得監測點上感溫光柵周圍溫度的變化情況。

感溫光柵測溫系統的結構和工作流程與感溫光纖測溫系統類似，在此不再贅述。

2" " 纜式感溫火災探測器在核電廠中的應用

2.1" " 感溫電纜在核電廠的使用

感溫電纜作為傳統的電纜溫度探測手段，相較于新型的感溫光纖、感溫光柵而言，雖然缺點較多，但是具有結構簡單、造價便宜的優點，目前仍是核電廠首選的探測方式。核電廠中感溫電纜與火災報警系統配套使用時，通過火災報警系統的輸入模塊（IMInput Module）將報警信號接入火災報警系統，其接線方式如圖6所示。一般將感溫電纜和輸入模塊安裝在火災報警模塊箱內，通過火警系統輸入模塊接入火警系統回路中，當感溫電纜發出火警報警時，輸出開關量報警信號，HJ7和HJ8節點接通，火警系統輸入模塊動作報警，報警信號通過火警回路線纜上傳至火災報警系統控制器，從而完成整個報警流程。目前核電廠廠前區、BOP廠房、常規島等要求相對較低區域的電纜橋架、電纜溝、電纜豎井、大型設備周圍大多采用感溫電纜測溫。

2.2" " 感溫光纖在核電廠的使用

感溫光纖測溫系統配套有繼電器、交換機、圖形工作站等設備，繼電器輸出開關量報警信號，交換機實現感溫光纖測溫系統組網，圖形工作站主要顯示報警信息，便于操作人員日常操作。感溫光纖可以在核電廠電纜溝和電纜橋架上使用，對于電纜橋架、夾層、電纜溝和豎井等火情監測采用正弦波方式敷設，對于動力電纜采用捆綁方式敷設，對于電纜橋架和電纜溝建議敷設在電纜表面，對于通風不好的電纜橋架（如槽式、托盤式電纜橋架）建議每層均鋪設一組感溫光纜。對于寬度不大于30 cm的電纜橋架，建議采用直線的方式敷設光纖，光纖以較為寬松的方式敷設在橋架的正中央；大于30 cm的電纜橋架建議采用正弦波（S型）方式敷設光纖，光纖可使用綁扎帶或專用夾具直接固定在被保護電纜的外表面上。

感溫光纖的固定點數S可按如下方法計算：

S=正弦波個數×4+1

感溫光纖的長度L可按下列方法計算：

L=橋架長度×倍率系數

倍率系數可參考表1。

感溫光纖依托光纖傳感技術，具有很多突出的優點，但感溫光纖組網需要占用較大空間，造價較高。目前AP1000核電廠在核島1E級和非1E級電纜橋架中使用感溫光纖，其中安全殼內使用的是耐輻照的感溫光纖，部分核電廠在商運后的設計變更改造項目中將常規島、電氣廠房、室外變壓器等區域感溫電纜改造為感溫光纖。

2.3" " 感溫光柵在核電廠的使用

感溫光柵測溫系統組網和感溫光纖測溫系統類似，不再贅述。感溫光柵與感溫光纖不同之處在于，感溫光柵需如圖7所示逐個熔接串聯而成，感溫光柵只能測試光柵所在位置的溫度值，而感溫光纖可測試光纖路徑上所有點位溫度值。感溫光柵也不是一無是處，感溫光柵中的光柵測溫精度較光纖高很多，因此感溫光柵可用在溫度測量精度嚴苛的場所，如測量電力電纜中間接頭、機柜內電纜端接頭部位溫度。經調研，已有核電廠使用感溫光柵測量電氣機柜電纜端接頭溫度。另外，感溫光柵的前沿制造工藝，可在光纖拉絲后同步執行光柵刻蝕，克服了后續逐個熔接的技術短板，在具備高測量精度的同時具有媲美感溫光纖的測量長度，今后感溫光柵測溫技術必將得到長足發展。

3" " 纜式感溫火災探測器優缺點對比

3.1" " 感溫電纜優缺點

結合感溫電纜的結構原理及多年核電廠工作經驗，感溫電纜優缺點如下：

優點：（1）微機調制器、終端盒類似于火警模塊，可方便安裝；（2）造價便宜。

缺點：（1）內部傳輸電信號，容易受電磁干擾；（2）不能定位報警點，無法劃分報警區域；（3）感溫電纜易老化剝落；（4）感溫電纜損壞后需整根更換，工作量大；（5）報警信號為開關量，無預警功能，無實時溫度顯示功能；（6）感溫電纜最大長度為200 m，在常規島等電纜聚集區域需要大量感溫電纜，造成系統復雜化；（7）感溫電纜不宜安裝于室外環境，同時感溫電纜不應鋪設在被陽光直射的地方。

3.2" " 感溫光纖優缺點

調研核電廠感溫光纖的實際使用情況，感溫光纖的優缺點如下：

優點：（1）光信號不受電磁干擾影響；（2）可準確顯示報警位置，并對報警區域進行劃分；（3）光纖損壞可進行熔接，無須整根更換，方便維修；（4）可實時顯示溫度值，并進行預警報警；（5）最大測溫長度可達30 km，特別適用于長距離、大區間、電纜聚集區域。

缺點：（1）需要單獨主機及機柜，占用空間較大；（2）造價較高。

3.3" " 感溫光柵優缺點

從感溫光柵的工作原理可看出，感溫光柵與感溫光纖之間有很多相似之處，感溫光柵的優缺點如下：

優點：（1）光信號不受電磁干擾影響；（2）光柵精密度高，測溫精度高。

缺點：（1）光通過感溫光柵后，部分光被反射，透射光強度降低，單通道安裝感溫光柵數量較少，目前單通道最多串接21只光柵，測溫距離較短；（2）光柵傳感器一旦安裝完成，無法更改；（3）光柵溫度傳感器為一個個熔接串聯，熔接點易損壞；（4）需要單獨主機及機柜，占用空間較大；（5）造價較高。

綜上所述，感溫電纜、感溫光纖和感溫光柵三類纜式感溫火災探測器各自優勢如下：（1）感溫電纜結構簡單，造價便宜；（2）感溫光纖工作穩定，測溫距離長；（3）感溫光柵工作穩定，測溫精度高。

4" " 結語

感溫電纜、感溫光纖和感溫光柵作為主要的纜式感溫火災探測器，具有不同的工作原理，也各有優劣勢，在核電工程實際應用中，應根據火災探測的實際需求進行合理搭配。

[參考文獻]

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[3] 鄒和根.常規火電項目火災報警系統感溫光纖及感溫電纜的應用比較[J].消防技術與產品信息，2014（11）：57-59.

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收稿日期：2022-12-09

作者簡介：姚明奇（1987—），男，重慶忠縣人，工程師，從事核電廠消防設施調試及運維工作。