王思聰

（上海核工程研究設計院有限公司 電氣儀控所，上海 200233）

0 引言

在傳統(tǒng)核電廠中，測量主要依賴于傳統(tǒng)的點式傳感器或各類儀表。而光纖傳感器的經(jīng)典之作光纖光柵傳感器、光纖陀螺等已在軍事、地質(zhì)勘探、電力等部門得到推廣應用。近年來，光纖傳感器逐步向分布式、智能化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展。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(huán)境而備受青睞。光纖分布式傳感的核心技術是實現(xiàn)分布式測量，即使用一根或多根光纖實現(xiàn)長距離連續(xù)測量，并能夠準確給出某一點上的應變、振動或溫度等參數(shù)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的監(jiān)控。其中，基于非線性光學散射機理的長距離分布式傳感，光纖既充當傳感器又充當信號傳輸通道，因此具有非常突出的優(yōu)勢，在核電廠中具有非常重要的潛在應用價值，近年來受到廣泛關注。

傳統(tǒng)的點式傳感器僅能測量布點范圍內(nèi)的點式數(shù)據(jù)，且通常需點對點布置相關信號傳輸電纜，系統(tǒng)布置繁瑣、數(shù)據(jù)量小。而新型的分布式光纖傳感系統(tǒng)可測量光纖布置沿線的相關溫度、應變數(shù)據(jù)，系統(tǒng)布置簡單，且實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)從點到線的維度提升。

但目前尚未有完整的方法指導其進行嚴酷環(huán)境下的性能驗證，有必要開展專門研究。

1 嚴酷環(huán)境光纖傳感系統(tǒng)應用場景

在核電廠中，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)是電廠老化機理分析、核電廠延壽評估分析等方面的重要依據(jù)。然而，傳統(tǒng)的點式檢測方法已逐漸暴露出數(shù)據(jù)連續(xù)性差、數(shù)據(jù)分布片面、代表性不足等問題。建立分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)，推動數(shù)字化核電廠的全面建設迫在眉睫。

1.1 分布式測溫系統(tǒng)

在核島區(qū)域建立分布式測溫系統(tǒng)，可有效收集環(huán)境溫度參數(shù)，為理論分析提供大數(shù)據(jù)支持。其中，一個特別強烈的需求是在電纜系統(tǒng)中的應用。

電纜載流量計算基于材料本身散熱特性與布置情況。核電廠所采用的電纜材料是非傳統(tǒng)牌號材料，為平衡阻燃性、耐輻照性、耐熱氧老化性，摻雜了許多添加劑。材料密度等物理特性與電纜標準中常用的聚烯烴、乙丙橡膠等體系相去甚遠，因此在設計時只能參考標準進行保守估計并計算。相比民用工程與常規(guī)動力電廠，核電廠實際運行時負荷帶載率較低，電纜實際工作電流與溫升情況還未有過相關參數(shù)。在電纜鑒定時，熱老化參數(shù)按最高運行溫度90℃進行鑒定[1]，其保守裕度較高。

因此對電纜系統(tǒng)來說，可依托于分布式測溫系統(tǒng)，在關鍵區(qū)域和熱點區(qū)域的布線通道建立監(jiān)測系統(tǒng)，積累運行數(shù)據(jù)，可強有力地支持電纜實際運行狀態(tài)[2-4]，為核電廠延壽提供依據(jù)[5]。

1.2 分布式應力/應變測量

分布式應變測量可應用于主管道與抗震I類支架的位移與振動測量。雖然其準確率不如傳統(tǒng)的振動傳感器，但其分布式特性可收集長時間的多維度數(shù)據(jù)，有力支持理論分析。

另一個典型應用是在周界安防系統(tǒng)中，可通過分布式應力應變傳感打造核電廠實物保護系統(tǒng)中的周界安防子系統(tǒng)。但受限于核電廠的環(huán)境，往往建于海邊，受到強風、強降雨的影響，誤動率較高，算法需進一步完善，在本文中暫不考慮。

1.3 分布式輻照測量

目前，傳統(tǒng)的環(huán)境輻照劑量測量方式大多仍基于試劑盒等離線式手段，而且僅能通過換料周期的間歇才能得到運維數(shù)據(jù)，這對于積累諸多有機材料的老化數(shù)據(jù)是遠遠不夠的。

有一種潛在的方法是基于光纖在輻照環(huán)境下衰減性能的迅速劣化趨勢進行模型構建，從而推斷出所在環(huán)境的輻照累積劑量。但由于應用面過小，目前國際上僅有部分文獻提到了該方法，尚無固化的理論體系支持，在本文中暫不論述。

2 光纖傳感系統(tǒng)架構

無論是分布式溫度測量，還是應變測量系統(tǒng)，其基礎是分布式光纖傳感技術，其可實現(xiàn)大范圍、長距離的全天候傳感，主要包含干涉型擾動分布傳感、光頻域反射儀（OFDR）傳感技術、相干光時域反射儀（Φ-OTDR）傳感技術、光纖布里淵傳感技術、光纖拉曼傳感技術等。系統(tǒng)架構主要由傳感光纖、光纖連接器、傳感機柜組成。

2.1 分布式測溫系統(tǒng)

分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)應設計為一種實時、在線、連續(xù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)基于后向拉曼（Raman）散射原理和光時域反射（OTDR）定位原理，應具備光信號的發(fā)生、光譜分析、光電轉(zhuǎn)換、信號放大和處理的等功能，應采用專用感溫光纜作為溫度傳感器，可精確測量感溫光纜鋪設方向各個位置的溫度以及精確定位溫度異常點，應具備良好的性能指標和系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)應集計算機機柜、光纖通訊、光纖傳感、光電控制等技術于一體。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 測溫系統(tǒng)架構Fig.1 Temperature measurement system architecture

2.2 分布式應力/應變監(jiān)測系統(tǒng)

分布式應力/應變監(jiān)測系統(tǒng)架構應基于激光技術、光纖受激布里淵散射技術、差分脈沖對技術、光時域反射技術、高頻信號采集等技術。系統(tǒng)應集計算機機柜、光纖通訊、光纖傳感、光電控制等技術于一體。系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 應力系統(tǒng)架構圖Fig.2 Stress system architecture diagram

2.3 環(huán)境條件

在核島中布置分布式光纖傳感系統(tǒng)需綜合考慮需監(jiān)測對象、系統(tǒng)傳感器和傳感機柜等元器件所處的工況及對應的環(huán)境條件。

3 光纖傳感系統(tǒng)性能驗證試驗方法

3.1 試驗方法

原則上，光纖傳感系統(tǒng)應按照對應應用場景不同工況的環(huán)境條件下進行可用性驗證試驗。但由于系統(tǒng)成套設備體積較大，且穿越多個區(qū)域，無法成套模擬，需要針對不同部件拆解分別進行性能驗證，再結合成套設備特性，開展嚴酷環(huán)境下的標定，方法如下：

首先，應開展傳感光纜及光纖連接器的性能驗證試驗。嚴酷環(huán)境傳感光纜及光纖連接器的核級鑒定已有完整方法論，可參照IEEE 1682開展，在本文中不再贅述。

其次，開展傳感機柜的型式試驗，主要包含：基本性能試驗、系統(tǒng)功能試驗、環(huán)境適應性試驗、電磁兼容性（EMC）試驗等。

最后，開展嚴酷環(huán)境系統(tǒng)成套設備的標定，即性能驗證試驗。這也是本文所探討的核心，主要分以下步驟：

1）實施光纜、柜內(nèi)部件加速熱老化試驗。

2）將傳感光纜置于滿足嚴酷環(huán)境要求一定劑量率的輻照環(huán)境下，在線開展系統(tǒng)成套設備測量精度試驗。

3）將傳感光纜置于滿足嚴酷環(huán)境要求一定劑量率的輻照環(huán)境下，在線開展系統(tǒng)成套設備定位精度試驗。

4）將傳感光纜置于滿足嚴酷環(huán)境要求一定劑量率的輻照環(huán)境下，在線開展系統(tǒng)成套設備空間分辨率試驗。

3.2 樣件選擇

分布式光纖傳感系統(tǒng)設備樣件選擇總體要求如下：

對傳感光纜，應事先完成基于IEEE 1682的質(zhì)量合格鑒定后，方可應用于本系統(tǒng)。

光纖連接器應證明其代表性，包含廠家、產(chǎn)品型號、規(guī)格參數(shù)、材質(zhì)等。

傳感機柜中所有元器件均應證明其代表性，包含廠家、產(chǎn)品型號、規(guī)格參數(shù)、材質(zhì)等。

上述3樣主要部件所組裝后的成品樣件應能夠代表與實際安裝于核島運行產(chǎn)品相同的設計、材料和制造工藝。

4 光纖傳感系統(tǒng)嚴酷環(huán)境下的標定

4.1 部件預處理

在開展光纖傳感系統(tǒng)嚴酷環(huán)境下的標定之前，需事先完成傳感光纜的加速熱老化試驗，將其模擬至壽命末期的熱老化劣化狀態(tài)[5,6]，該狀態(tài)指所有性能、運行和機械及電氣等特性的退化狀態(tài)[7]。

4.2 系統(tǒng)成套設備安裝

將傳感光纜盤繞式布置于γ輻照實驗室迷宮有效輻照區(qū)域內(nèi)，并在標定的米數(shù)設置水浴鍋等經(jīng)過檢定的溫度標定裝置、標準應力/應變試驗臺。將光纜貫穿出輻照迷宮，接入通過型式試驗的傳感機柜，形成完整的標定系統(tǒng)。其中，傳感光纜推薦γ輻照劑量率≤750Gy/h，在60年累積劑量作用下，按等間隔持續(xù)進行以下4.3～4.5的標定試驗，以獲取相關參數(shù)，后續(xù)優(yōu)化算法。

推薦采用OTDR等技術，可實時觀察溫度變化曲線，并自動采集數(shù)據(jù)。

4.3 測量精度試驗

溫度傳感系統(tǒng)主機置于緩和環(huán)境下，選擇測溫光纜遠端光纜置于加熱平臺，將平臺分別設置3個恒定溫度點，溫度穩(wěn)定后，讀取溫度傳感系統(tǒng)主機中的溫度數(shù)據(jù)，對比加熱平臺上熱電偶測試的溫度值。溫度傳感系統(tǒng)主機所測量的溫度值與標準熱電偶的溫度值差值的最大值應滿足系統(tǒng)所要求的誤差。

選擇三段傳感光纜中的0.9mm緊套結構置于應力應變試驗平臺上，分別設置3個基準偏移量，靜置30min，記錄3個應力應變傳感系統(tǒng)主機監(jiān)測應力值，記做參考值；保持試驗平臺應變基準不變，靜置30min，再次記錄3個應力應變傳感系統(tǒng)主機監(jiān)測應力值，兩組監(jiān)測值差值的最大值即為應力測量分辨率，應滿足系統(tǒng)所要求的誤差。

4.4 定位精度試驗

選擇測溫光纜遠端3m長的光纜，置于加熱平臺上，設置恒定溫度，并用溫度傳感系統(tǒng)主機讀取加熱點1的位置P1。在加熱點1的基礎上，利用標準尺沿光纜向后測量距離P1有3m長的距離并設置為加熱點2，用溫度傳感系統(tǒng)主機讀取加熱點2的位置P2。定位準確度=P2-P1-3，試驗3次，其結果需滿足系統(tǒng)所要求的誤差。

選取待測光纜中的0.9mm緊套結構的一段，置于應力平臺，并設置某個基準偏移值，如400με，并用測應力應變傳感系統(tǒng)主機讀取施加應力點1的位置P1。在應力點1的基礎上，利用標準尺沿光纜向后測量距離P1有3m長的距離并設置應力點2，用測應力應變傳感系統(tǒng)主機讀取應力點位置P2。定位準確度=P2-P1-3，試驗3次，其結果需滿足系統(tǒng)所要求的誤差。

4.5 空間分辨率試驗

選取待測光纜的三段，每段光纜長度分別為2m、3m、4m，置于加熱平臺，其平臺溫度設定為某個基準溫度，推薦60℃。三段中溫度傳感系統(tǒng)主機可解調(diào)出滿足測量精度的最小長度即為溫度傳感系統(tǒng)主機空間分辨率，應滿足系統(tǒng)所要求的誤差。

選取待測光纜中的0.9mm緊套結構的三段，每段光纜長度分別為40cm、50cm、60cm。用光纜夾具固定至應力平臺上，對三段光纜應力設定為某個基準偏移值，如400με。三段中應力應變傳感系統(tǒng)主機可解調(diào)出滿足測量精度的最小長度即為應變系統(tǒng)空間分辨率，應滿足系統(tǒng)所要求的誤差。

圖7 輻照前溫度測量精度Fig.7 Temperature measurement accuracy before irradiation

5 試驗結果及分析

5.1 試驗布置

如圖3和圖4所示，將約400m抗輻射單模光纖放入輻射環(huán)境中，光纖尾端施加一個標定加熱點，并通過熱電偶讀取加熱溫度，溫度數(shù)據(jù)由DTS主機通過雙端解調(diào)得到。

圖3 輻照室內(nèi)試驗樣件布置Fig.3 Layout of test samples in the irradiation room

圖4 輻照裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of irradiation device

5.2 分布式測溫系統(tǒng)試驗結果

在給定累積劑量的輻照期間，需持續(xù)開展空間分辨率、測溫精度標定。

某次試驗在輻照前、輻照期末的空間分辨率測試結果如圖5、圖6所示。

圖5 輻照前空間分辨率Fig.5 Spatial resolution before irradiation

圖6 輻照期末空間分辨率Fig.6 Spatial resolution at the end of the irradiation period

某次試驗在輻照前、輻照期末的溫度測量精度測試結果如圖7、圖8所示。

圖8 輻照期末溫度測量精度Fig.8 Temperature measurement accuracy at the end of the irradiation period

將輻射室內(nèi)光纖100m～350m未加熱區(qū)域溫度的標準差作為系統(tǒng)的溫度測量精度，測量精度隨輻射劑量（時間）的變化如圖9所示。其中，17日～18日數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，19日恢復正常。經(jīng)排除，異常數(shù)據(jù)為外界擾動所導致的測量誤差，不能反映DTS的實際測量精度，為異常數(shù)據(jù)，需剔除。從圖中可以看出，輻照前的初始測量精度為0.34℃，輻照期末的測量精度為0.71℃，在光纖耐受γ輻照的過程中，測溫精度有顯著下降趨勢。

圖9 溫度測量精度變化Fig.9 Changes in temperature measurement accuracy

5.3 分布式應力應變測量系統(tǒng)試驗結果

在給定累積劑量的輻照期間，需持續(xù)開展應變測量精度標定。

某次試驗中，取光纖150m～300m之間兩組連續(xù)測量數(shù)據(jù)相減的標準差作為系統(tǒng)的應變測量精度，據(jù)此作測量精度隨輻照累積劑量（時間）的變化如圖10所示。

圖10 應變測量精度變化Fig.10 Changes in strain measurement accuracy

從圖10中可以看出，整體測量精度低于5με，平均應變測量精度為2.34με。與測溫傳感系統(tǒng)不同，應變的測量精度并未明顯隨著輻射劑量的增大而增大。

6 結論與展望

采用試驗法進行嚴酷環(huán)境分布式光纖傳感系統(tǒng)性能驗證，是對其引入核島并在壽期內(nèi)正常運行的有效保障。本文所探究的試驗方法系統(tǒng)性地驗證核電廠嚴酷環(huán)境光纖傳感系統(tǒng)在核電廠壽期內(nèi)的可用性，通過壽期內(nèi)的測量精度、定位精度、空間分辨率驗證進行系統(tǒng)標定，可用于指導采用試驗法的光纖傳感系統(tǒng)嚴酷環(huán)境可用性驗證。