感温光纤在核电站的实施及运用

干炯申

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

国内外核电站运行经验表明，火灾可对核电站安全造成潜在威胁，并贯穿核电站的全生命周期。核电厂的防火安全不仅是核电厂自身的安全问题，现已成为世界公众关注的社会问题[1]。

核电厂安全系统和其它安全重要物项的防火主要依靠火灾探测及报警系统，所以它们的稳定十分重要。但在恶劣的环境区域，传统火灾报警探测器无法避免环境带来的影响，从而产生误报警。例如在梅雨季节，室外地沟中的火灾报警探测器频发故障和火警信号。

火灾报警系统的故障和误报将给机组带来负面影响，其主要表现在：误报警联动消防设备，引起喷淋等阀门动作；造成运行人员做出错误判断，使相关生产作业中断，降低人员对火灾报警系统的信任度；发生事故时，如探测器故障未报警，则可能引起一定的生产损失，对电厂安全与经济效应造成不可预期的影响[2]。

1 恶劣环境下火灾报警探测器现状

核电厂环境较恶劣的区域主要有变压器区域、地沟区域，这些区域常使用线型火灾报警探测器——感温电缆来监测火情。感温电缆又分开关量和模拟量两种类型，经过技术迭代，开关量类型的感温电缆已经被淘汰。模拟型感温电缆是一种由多根导体组成的电缆，当温度变化时，高聚合化合物内会产生不断变化的电阻，通过检测电阻值的变化来产生需要的报警信号[3]。

但模拟量感温电缆有以下缺点：

1）感温电缆无法进行在线监测被测对象的温度变化，只是在火灾发生后给出区域的报警信号，不能给出报警点的确切位置[4]。

2）报警温度无法随意修改，对于不同场景不能灵活运用。

3）无法发出温升报警，不能在火灾前期进行处理。

4）传输为电信号，易受电磁干扰，在干扰大的区域容易误报警。

5）易受环境因素影响，在潮湿环境下容易生锈，影响正常监测功能。

6）测量距离短，在路径上要增加许多接口模块，相当于增加了许多故障点。

因此，目前急需一种新的技术或设备来替代易受环境影响的感温电缆。通过大量比对，发现光纤具有良好的性能，可以满足现场探测的要求，也能适应恶劣的环境。

2 感温光纤技术概况

光纤传感技术的研究始于20 世纪70 年代，是光电技术领域最活跃的分支之一。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、质量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等[5]。

2.1 感温光纤测温原理

根据入射光频率和散射光频率的关系将光的散射分为3 类：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。检测不同的散射光，则可实现不同类型的分布式光纤传感器[6]。

其中，瑞利散射与折射率的波动有关，是衰减的主要原因，但与温度变化关系不大。布里渊散射受温度和应变的共同影响，存在交叉敏感问题。而拉曼散射仅受温度变化的影响，它产生的光子能量交换引起对称分布的斯托克斯光和反斯托克斯光（见图1），其中反斯托克斯光与温度成正比例关系，温度升高则其强度也相应增大。因此，可以通过检测光强变化并结合正确的温度解调方法，使用已验证的计算公式，精确地获得温度信息。

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

菲涅尔反射和瑞利散射是光纤传输过程中两种不同的信号衰减形式。菲涅尔反射是由于光纤接口处的光线反射引起的，而瑞利散射是由光纤内部折射率的微小变化引起的。如果光纤中（或接头处）有几何缺陷或断裂面，会产生菲涅尔反射光，同时该点以后的瑞利散射光功率为零。

在光纤中，光波传输时会不断发生瑞利散射现象，其散射光功率与入射光功率成正比。由于光在传输过程中会发生衰减，因而瑞利散射信号会带有光纤沿线的损耗信息。依据光功率、衰减及传输距离之间的关系，即可获得位置及损耗信息。

2.2 感温光纤特点

光纤分布式传感器作为光纤传感家族的后起之秀，因其独特的应用环境而备受青睐。光纤分布式传感的核心技术是实现分布式测量，即使用一根或多根光纤实现长距离连续测量，并能够准确给出某一点上的应变、振动或温度等参数变化，能够实现大范围的监控[7]。

随着智能电厂概念的普及，对电厂电缆运行状态实时监测的要求越来越高。采用分布式光纤测温技术对电缆实时监测，建立相应的负荷温度曲线，可以实现对电缆运行温度进行连续高空间分辨率的监控[8]。

所以，在室外、地沟等环境较差的地方，使用感温光纤是十分合适的。

3 现场实施难点与解决措施

选定分布式光纤测温系统后，紧接着就要开展现场实施。敷设感温光纤不像敷设感温电缆那样方便，断点对感温电缆影响很小，使用接口模块连接即可。而感温光纤是用一整根进行敷设，断点后要熔接，断点多了会对感温光纤的整体传导会有影响，造成测量不准确。所以光纤敷设时要整体考虑，包括成品光纤长度、光纤主机通道数量、厂房布局等。

此外，核电厂实施改造还需要考虑工期和实施窗口，有些实施场所在室外，还要留意天气因素。这些会对实施造成更多困难，具体将在以下几个方面进行详细讲述。

3.1 变压器区域实施困难与解决

核电厂变压器区域有主变、厂变、辅变、锅炉变等，这些区域的特点是感温光纤需保护的设备暴露在室外，施工需要在变压器停运期间执行，即大修期间。

核电厂大修工期紧、任务重，变压器区域工作又属于主线工作，所以在变压器区域实施感温光纤敷设需要提前联系各专业，商量好各自的工作时间，以避免交叉作业。一些不在变压器本体上的工作则要提前完成，比如光纤主机安装、电源电缆敷设、与火灾报警主机通讯的电缆敷设、模块安装等。

前期工作准备完成后，就要考虑在变压器上敷设感温光纤，主要有3 个难点：

1）变压器区域风吹雨淋，感温光纤保护层材质在选择上要谨慎，既要考虑雨水带来的酸性腐蚀，也要考虑高温天气下的膨胀、老化。

2）光纤主机安装在室内，与变压器本体有一段距离，中间通过一小段地沟连接。地沟的特点是电缆众多，电缆敷设工作较多，雨水天气较潮湿。

3）在变压器上固定感温光纤的方式，既要不影响别的设备检修，又要整洁美观，在最高处油枕部位要牢固可靠。

首先，解决感温光纤的选型问题。室外变压器区域使用硅胶材质保护的感温光纤，地沟处选用铠装材质保护的感温光纤。这样既能满足室外抗老化的需求，也能在地沟起到应力保护的作用。硅胶保护层除了抗老化外，还有一个好处，就是整体无金属部分，不会受磁场影响，安全系数更高。

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敷设时，先用铠装感温光缆从光纤测温主机处铺设至变压器的电缆沟处，在电缆沟中安装熔接盒，使铠装感温光缆与硅胶感温光缆熔接在一起，然后攀至变压器上。敷设时需要注意，不能将光纤折成直角，弯曲的最大半径为6cm。

然后解决固定问题，在变压器的四周使用电木压条进行固定，每隔1m 放置一块。在铺设光缆时，若遇到转弯处，则需要缩小电木压条的固定间隔，以确保光缆能够紧密贴合在变压器外壳上。光缆铺设方式如图2 所示。

图2 变压器周围的敷设方式Fig.2 The laying method around transformer

对于光缆至变压器上的维修通道孔及各类需要检修的设备，需绕过设备铺设，以便双方的日后维修，如图3 所示。

图3 遇到障碍物时的敷设方式Fig.3 The laying method in case of obstacles

变压器最上方的油枕区域是一个圆柱，属于最难固定的地方，且容易受风影响，尤其是台风天气，因此要用大量电木压条进行固定，此外还需要考虑到敷设和维护方便。若是简单以环绕状布置，感温光纤就无法拆除，并且也不美观。综合考虑后选择图4 的方式进行敷设，这样既能方便拆除，敷设简单，也不会轻易脱落。

图4 油枕处的敷设方式Fig.4 The laying method at conservator

3.2 多层桥架区域实施困难与解决

核电厂电缆桥架众多，有些桥架前后、上下均为多层，敷设十分困难，比如说网控楼区域有一层专门放置电缆的电缆夹层。

本文讨论的电缆夹层，以感温光纤主机所在处为主视角，上下共6 层，前后共7 层，左右共3 层，并且还有3个电缆沟。电缆夹层平面示意图如图5 所示，想要用一根光纤覆盖整个区域是异常复杂和困难的。

图5 电缆夹层平面图Fig.5 The plan of cable interlayer

对于此类复杂的桥架层，首先要测量、评估需要准备的感温光纤米数，感温光纤以S 型敷设，根据1:1.5 的比例计算长度。然后与成品感温光纤作对比，判断是否要熔接多根成品感温光纤。

电缆夹层敷设总长约为1500m，在一根成品感温光纤长度范围内，所以不用考虑熔接，只需要考虑敷设的方式。若是从头到尾进行敷设，人员和感温光纤就要来回移动，稍一分心就会敷错路径，尤其在敷设中间竖型桥架（左右层）时，必然会经过已敷设的路径，使整体工作变得复杂。在施工过程中也可能发生施工人员不按照计划，怎么方便怎么来的情况。

为了让施工变得更加具体和清晰，多层桥架建议使用分层加分类的敷设方式。分层为一层敷设完后再敷设下一层；分类为将横型、竖型桥架分来，先敷设完横型桥架再敷设竖型桥架。具体方式如图6 所示。

图6 电缆夹层敷设图Fig.6 The laying out plan of cable interlayer

3.3 电缆沟区域实施困难与解决

电缆沟是核电厂电缆最多的几个区域之一，各个厂房之间的设备通过电缆沟进行供电、信号传输。所以该区域的特点是范围广、距离长。

根据电缆沟区域的特点，一根成品的感温光纤肯定无法覆盖完一个区域，敷设感温光纤时就要考虑光纤熔接、以及熔接点的数量。

以浙江振东光电ZD-4B 光纤主机为例，光纤主机有4个通道，总覆盖为10km。为了使光纤熔接点尽可能少，就要合理分配每个通道的光纤长度。于是将整个电缆沟区域分成若干个小区域，光纤主机的每个通道对应一个小区域，直至覆盖完整个电缆沟。电缆沟及区域分布图如图7 所示。

图7 电缆沟平面图Fig.7 The plan of cable trench

由于光纤主机安装位置在同一个厂房，敷设感温光纤时，多根光纤必然会经过同一地方。对于这些交集处的区域以就近原则来分配哪根光纤来监测，其余光纤以直线方式敷设。这样可以明确各区域的探测分配，在后续组态中更便捷、直观。

4 感温光纤的数字化显示

感温光纤具有连续探测的特性，若没有相应的硬件支持显示，就无法发挥其作用。参考数字化系统，最直观的方式就是以趋势图的方式呈现温度状况，这样既能显示光纤的整体长度，又能观测局部温度的变化。

4.1 计算机显示过程

在传感系统中，计算机通过同步脉冲发生器发出一定频率的脉冲，调制脉冲激光器产生一系列大功率光脉冲，同时提供同步脉冲进入数据采集状态。这些光脉冲经过波分复用器进入传感光纤，产生后向散射光，通过干涉滤光片滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，经过光电转换和放大后，数据采集卡进行采集和存储，并对后续光脉冲产生的散射光电信号进行累加和平均等数据处理，得到准确的温度信息。最后，系统主机内置计算机通过编译好的软件进行温度解调和显示。

详细技术路线图如图8 所示。

图8 技术路线图Fig.8 The plan of technical route

4.2 精确定位

计算机将感温光纤曲线实时显示出来后，对于简单地形可以迅速定位到故障和火警出现的地方，但对于电缆沟这样的复杂地形无异于大海捞针。

为了让火警显示更加精确，首先要记录米标，即通过在感温光纤上加温触发火警，获得该点的具体米数（主机处为0 m）。然后运用到电子地图，即厂房平面图和感温光纤敷设路径同时在显示设备上显示。厂房平面图通过图片导入，感温光纤敷设路径需要手动绘制，拐弯、分层处需要根据实际的米标值进行设置，这样一张拥有数字标签的电子地图就绘制完成了。

通过计算机软件设置，将感温光纤曲线中的数据传输到电子地图中。当现场有火警时，火警信号就能通过电子地图第一时间将具体的着火位置反馈到值班人员，方便值班人员去现场核实。

5 结论

感温光纤在核电站变压器、电缆夹层、电缆沟的成功运用，标示着在大型区域，火灾报警探测器有了更多的选择，也证明了感温光纤在潮湿环境下的稳定性，从此摆脱了传统线性感温探测器易发生故障的困扰。

在核电站管理逐渐精细的现在，感温光纤产品的出现和完善对于火灾报警系统的精细化管理有着重要的意义。随着火灾报警系统从半自动到全自动的转变，精准、精确的火灾报警探测器必将成为主流。