缆式感温火灾探测器在核电厂中的应用

摘 要：

首先分析了三类缆式感温火灾探测器的原理，然后描述了各类缆式感温火灾探测器在核电厂中的典型应用和各自的优缺点，最后建议在核电厂缆式感温火灾探测器选型时，根据实际需求进行合理搭配，具有重要的工程借鉴价值。

0 引言

核电厂中电缆数量庞大，分布于各个厂房，一旦发生火灾便有可能产生严重后果。然而由于电缆长期过载运行、施工质量不佳、绝缘老化等原因造成的火灾事件层出不穷，为了有效预防电缆火灾事件的发生，除了定期对电缆进行预防性检查以外，电缆日常的火灾探测也十分重要。

可探测电缆火灾的探测器有点型感烟探测器、点型感温探测器、火焰探测器、线性光束探测器和缆式感温火灾探测器，除缆式感温火灾探测器外，其余火灾探测器均只能探测电缆着火后的烟、光和热现象，为事故后探测；缆式感温火灾探测器敷设在电缆表面，当电缆发热超过一定阈值时即可发出报警信号，为事故前探测，响应速度极快，对于预防电缆火灾意义重大。由于不同种类的缆式感温火灾探测器技术原理、性能特点各不相同，因此需要选用合适的缆式感温火灾探测器。以下讨论不同种类的缆式感温火灾探测器及其在核电厂中的应用。

1 缆式感温火灾探测器工作原理

缆式感温火灾探测器通常包括三类，分别为感温电缆、感温光纤、感温光栅。下面分别对这三类缆式感温火灾探测器的工作原理进行介绍。

1.1感温电缆

感温电缆也称为缆式线型感温火灾探测器，如图1所示，其由微机调制器、线型感温电缆、终端盒组成[1]。

微机调制器也叫微机头，内部包含信号处理单元，能对感温电缆所处的环境温度进行不间断的自动监视，对于由于环境异常变化产生的高温（含定温和差温）进行报警，同时还可对感温电缆自身的断路和短路产生故障报警。

感温电缆根据工作方式可分为可恢复型和不可恢复型两种，根据动作性能分为定温、差温（温升速率）和差定温三类。不可恢复型感温电缆由两根外部包有热敏材料的钢丝构成，热敏材料同时也是绝缘材料，在正常工作情况下，两根钢丝之间为绝缘状态，当监控设备的温度升高到热敏材料的熔化阈值后，热敏材料熔化，造成原本处于绝缘状态的两根钢丝接通，微机调制器接收到的电流信号从正常监控电流信号陡然增加为短路电流信号，微机调制器随即产生报警信号，由于热敏材料熔化后形态发生变化，无法恢复原状，报警后必须更换备件，因此这种感温电缆为一次性消耗型设备。可恢复型感温电缆也叫“模拟量型感温电缆”[2]，也由两根钢丝组成，不同的是两根钢丝间填充为负温度系数（NTC）的感温材料，钢丝间的电阻随周围环境温度的变化而反向变化，微机调制器监测电阻值的变化可产生定温、差温和差定温报警。

终端盒内部有一个终端电阻，该终端电阻使感温电缆的两根钢丝形成一个闭合回路，以便微机调制器对感温电缆进行断线监视。

1.2 感温光纤

感温光纤一般为分布式光纤感温探测器，其利用光纤的“光时域反射”和“反向拉曼（Raman）散射”原理制成，感温光纤测温原理如图2所示。

“光时域反射”指利用反射光传输的时间以及光速的乘积来定位报警点。“反向拉曼散射”原理为，在脉冲光作用下，光纤分子将受热并由此发生振动，光纤分子的振动将产生比入射光源波长更长的斯托克斯（Stokes）光和比入射光源波长短的反斯托克斯（Anti-Stokes）光[3]，斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比与光纤散射点处的温度成如下关系，利用此关系可推导出光纤散射点处的温度值。

式中：las为反斯托克斯光强；ls为斯托克斯光强；a为与温度相关的系数；h为普朗克系数；c为光在真空中的速度；v为拉曼平移系数；k为玻耳兹曼常数；t为绝对温度。

感温光纤测温系统就是利用“光时域反射”和“反向拉曼散射”原理，经过数据采集和信号处理制成的，感温光纤测温系统一般由图3所示的计算机、激光器驱动、激光器、波分复用器、测温光纤、光电检测器（APD）、放大器、采样平均累加器构成。具体工作流程为：计算机通过编程软件控制激光器驱动器，使其产生特定频率的脉冲波信号，这个脉冲波信号一方面控制激光器，使其产生一系列功率更大的脉冲波，另一方面还向采样平均累加器输入同步脉冲信号，使采样平均累加器进入数据收集状态。放大后的脉冲波经过波分复用器的激光发射口进入测温光缆，并在测温光缆沿线各点处产生反向的散射光，反向的散射光将返回波分复用器。波分复用器通过薄膜式干涉滤光片可以过滤出斯托克斯光以及反斯托克斯光，然后分别经过波分复用器的两个输出端口输出，输出后的信号分别进入光电转换器进行光电信号转换，转换后的电信号通过信号放大器放大到采样平均累加器的有效收集范围内。接着，采样平均累加器对测温光缆各点反射回来的信号进行存储和信号处理。最后，计算机通过编程软件进行数据解调和显示，人机交互界面上可形成一条沿光纤长度的温度曲线。当前已能够实现最大30 km的沿光纤温度场的实时分布式测量，光纤空间分辨率可达1 m，温度分辨率达0.1 ℃。

1.3感温光栅

感温光栅也称为布拉格光纤光栅火灾探测器，是利用光纤材料对光的敏感性，通过紫外光对光纤进行曝光，将预设的相位掩模板图样蚀刻到光纤内部，在光纤内部产生沿轴向折射率周期性变化的薄膜，这些薄膜就是光纤内部的感温光栅。感温光栅实际上就是一段折射率周期性变化的光纤，一般长度为1 cm左右。当一束宽光谱的入射光经过感温光栅时，其中满足感温光栅布拉格波长λB（Bragg波长）的光将产生反射，其余波长的光将透过感温光栅继续传输[4]，如图4所示。

反射光中心波长利用如下关系计算：

λB=2neffA

式中：A为感温光栅的折射率变化周期；neff为感温光栅的有效折射率。

在应变力作用下，光栅栅格发生变化，同时感温光栅将发生光弹效应，导致折射率发生变化；在温度变化时，感温光栅将发生热光效应，热光效应将导致感温光栅常数发生变化。

感温光栅反射波长增量△λB与反射光中心波长λB的比值与温度和应变的关系如下[5]：

式中：△λB为反射波长增量；λB为反射光中心波长；αf为感温光栅的热膨胀系数；ξ为感温光栅的热光系数；△T为环境温度的变化；Pe为感温光栅的应变位移系数；△ε为感温光栅的应变光弹变量。

在不考虑应变力影响的情况下，感温光栅反射波长偏移△λB与环境温度的变化△T成线性关系，如图5所示，感温光栅反射光波长温度常数为9.39 pm/℃，感温光栅在出厂前经过严格的波长测试，所以通过测量布拉格反射光波长的变化情况，即可获得监测点上感温光栅周围温度的变化情况。

感温光栅测温系统的结构和工作流程与感温光纤测温系统类似，在此不再赘述。

2 缆式感温火灾探测器在核电厂中的应用

2.1 感温电缆在核电厂的使用

感温电缆作为传统的电缆温度探测手段，相较于新型的感温光纤、感温光栅而言，虽然缺点较多，但是具有结构简单、造价便宜的优点，目前仍是核电厂首选的探测方式。核电厂中感温电缆与火灾报警系统配套使用时，通过火灾报警系统的输入模块（IMInput Module）将报警信号接入火灾报警系统，其接线方式如图6所示。一般将感温电缆和输入模块安装在火灾报警模块箱内，通过火警系统输入模块接入火警系统回路中，当感温电缆发出火警报警时，输出开关量报警信号，HJ7和HJ8节点接通，火警系统输入模块动作报警，报警信号通过火警回路线缆上传至火灾报警系统控制器，从而完成整个报警流程。目前核电厂厂前区、BOP厂房、常规岛等要求相对较低区域的电缆桥架、电缆沟、电缆竖井、大型设备周围大多采用感温电缆测温。

2.2 感温光纤在核电厂的使用

感温光纤测温系统配套有继电器、交换机、图形工作站等设备，继电器输出开关量报警信号，交换机实现感温光纤测温系统组网，图形工作站主要显示报警信息，便于操作人员日常操作。感温光纤可以在核电厂电缆沟和电缆桥架上使用，对于电缆桥架、夹层、电缆沟和竖井等火情监测采用正弦波方式敷设，对于动力电缆采用捆绑方式敷设，对于电缆桥架和电缆沟建议敷设在电缆表面，对于通风不好的电缆桥架（如槽式、托盘式电缆桥架）建议每层均铺设一组感温光缆。对于宽度不大于30 cm的电缆桥架，建议采用直线的方式敷设光纤，光纤以较为宽松的方式敷设在桥架的正中央；大于30 cm的电缆桥架建议采用正弦波（S型）方式敷设光纤，光纤可使用绑扎带或专用夹具直接固定在被保护电缆的外表面上。

感温光纤的固定点数S可按如下方法计算：

S=正弦波个数×4+1

感温光纤的长度L可按下列方法计算：

L=桥架长度×倍率系数

倍率系数可参考表1。

感温光纤依托光纤传感技术，具有很多突出的优点，但感温光纤组网需占用较大空间，造价较高。目前AP1000核电厂在核岛1E级和非1E级电缆桥架中使用感温光纤，其中安全壳内使用的是耐辐照的感温光纤，部分核电厂在商运后的设计变更改造项目中将常规岛、电气厂房、室外变压器等区域感温电缆改造为感温光纤。

2.3 感温光栅在核电厂的使用

感温光栅测温系统组网和感温光纤测温系统类似，不再赘述。感温光栅与感温光纤不同之处在于，感温光栅需如图7所示逐个熔接串联而成，感温光栅只能测试光栅所在位置的温度值，而感温光纤可测试光纤路径上所有点位温度值。感温光栅也不是一无是处，感温光栅中的光栅测温精度较光纤高很多，因此感温光栅可用在温度测量精度严苛的场所，如测量电力电缆中间接头、机柜内电缆端接头部位温度。经调研，已有核电厂使用感温光栅测量电气机柜电缆端接头温度。另外，感温光栅的前沿制造工艺，可在光纤拉丝后同步执行光栅刻蚀，克服了后续逐个熔接的技术短板，在具备高测量精度的同时具有媲美感温光纤的测量长度，今后感温光栅测温技术必将得到长足发展。

3 缆式感温火灾探测器优缺点对比

3.1感温电缆优缺点

结合感温电缆的结构原理及多年核电厂工作经验，感温电缆优缺点如下：

优点：（1）微机调制器、终端盒类似于火警模块，可方便安装；（2）造价便宜。

缺点：（1）内部传输电信号，容易受电磁干扰；（2）不能定位报警点，无法划分报警区域；（3）感温电缆易老化剥落；（4）感温电缆损坏后需整根更换，工作量大；（5）报警信号为开关量，无预警功能，无实时温度显示功能；（6）感温电缆最大长度为200 m，在常规岛等电缆聚集区域需要大量感温电缆，造成系统复杂化；（7）感温电缆不宜安装于室外环境，同时感温电缆不应铺设在被阳光直射的地方。

3.2感温光纤优缺点

调研核电厂感温光纤的实际使用情况，感温光纤的优缺点如下：

优点：（1）光信号不受电磁干扰影响；（2）可准确显示报警位置，并对报警区域进行划分；（3）光纤损坏可进行熔接，无须整根更换，方便维修；（4）可实时显示温度值，并进行预警报警；（5）最大测温长度可达30 km，特别适用于长距离、大区间、电缆聚集区域。

缺点：（1）需要单独主机及机柜，占用空间较大；（2）造价较高。

3.3感温光栅优缺点

从感温光栅的工作原理可看出，感温光栅与感温光纤之间有很多相似之处，感温光栅的优缺点如下：

优点：（1）光信号不受电磁干扰影响；（2）光栅精密度高，测温精度高。

缺点：（1）光通过感温光栅后，部分光被反射，透射光强度降低，单通道安装感温光栅数量较少，目前单通道最多串接21只光栅，测温距离较短；（2）光栅传感器一旦安装完成，无法更改；（3）光栅温度传感器为一个个熔接串联，熔接点易损坏；（4）需要单独主机及机柜，占用空间较大；（5）造价较高。

综上所述，感温电缆、感温光纤和感温光栅三类缆式感温火灾探测器各自优势如下：（1）感温电缆结构简单，造价便宜；（2）感温光纤工作稳定，测温距离长；（3）感温光栅工作稳定，测温精度高。

4 结语

感温电缆、感温光纤和感温光栅作为主要的缆式感温火灾探测器，具有不同的工作原理，也各有优劣势，在核电工程实际应用中，应根据火灾探测的实际需求进行合理搭配。

审核编辑：汤梓红