分布式光柵傳感技術(shù)在電纜廊道火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域的應(yīng)用研究

江 濤 王宇庭 王世琪 何晶鑫

(1.長江三峽通航管理局 宜昌 443002; 2.三峽機(jī)電工程技術(shù)有限公司 成都 610041； 3.武漢理工光科股份有限公司 武漢 430223; 4.中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司 徐州 221008)

葛洲壩水利樞紐是我國長江干流上的第一座大型水利樞紐工程，其船閘被譽(yù)為萬里長江第一閘，是世界上最大的內(nèi)河船閘之一。長江是目前世界上最繁忙的水上運(yùn)輸通道，而葛洲壩船閘正是其關(guān)鍵的“綠色通道”。船閘內(nèi)的電纜廊道及其供電電纜是用于保障船閘工作的主動(dòng)脈，其中電纜的密集布設(shè)是導(dǎo)致電纜火災(zāi)的極大安全隱患[1]。由于電纜火災(zāi)前期特征不明顯、不易察覺，且電纜廊道內(nèi)散熱條件差、電纜廊道運(yùn)維管理手段和方式滯后等原因，導(dǎo)致電纜火災(zāi)事故管理風(fēng)險(xiǎn)十分突出[2-3]。

現(xiàn)有測溫技術(shù)包括感溫電纜技術(shù)和基于拉曼效應(yīng)的分布式光纖測溫技術(shù)。前者存在感溫電纜長時(shí)間使用老化問題，每個(gè)探測模塊僅支持200 m的監(jiān)測距離，安裝維護(hù)十分不方便，且使用金屬介質(zhì)易受絕緣和電磁干擾等因素影響[4-5]。分布式光纖測溫技術(shù)中的基于多模光纖中散射的拉曼光信號(hào)十分微弱，再加之使用較窄的脈沖光進(jìn)行尋址定位，為了獲得足夠強(qiáng)的信號(hào)光更是需要長時(shí)間累加，使得系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較慢，不利于實(shí)現(xiàn)高精度快速溫度監(jiān)測，無法達(dá)到理想的監(jiān)測效果[6-7]。為了更好地滿足電纜廊道內(nèi)動(dòng)力電纜的火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的高等級(jí)防護(hù)需求，提出了基于分布式光柵陣列傳感技術(shù)的新一代感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)的空間分辨率，對(duì)溫度場進(jìn)行精細(xì)感知；監(jiān)測距離在公里量級(jí)，可以進(jìn)行長距離的監(jiān)測覆蓋；測溫精度為±1 ℃，能夠響應(yīng)10 cm空間范圍內(nèi)的小規(guī)?；鹪矗⒛軠?zhǔn)確定位溫度異常位置?，F(xiàn)場測試表明該技術(shù)能夠滿足電纜廊道內(nèi)溫度場監(jiān)測及動(dòng)力電纜早期火災(zāi)報(bào)警的應(yīng)用需求。

1 分布式光柵傳感技術(shù)的測溫原理

分布式光柵陣列是采用工業(yè)拉絲塔在線制備的特種光纖傳感器，即在同一根光纖上根據(jù)需求連續(xù)在線制備成千上萬個(gè)傳感光柵，光柵間距可通過拉絲速度和紫外激光脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行控制。

光纖光柵是一種典型的波長調(diào)制型光纖無源器件，其光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性的變化，可選擇性地反射某一波長附近的光，其他光則無損耗地透過。當(dāng)某一寬帶光源的光入射到光纖光柵中時(shí)，折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致某一特定波長光的反射，反射光中心波長λB與光柵折射率變化周期Λ和有效折射率neff的關(guān)系式為[8]

λB=2neffΛ

(1)

當(dāng)外界溫度發(fā)生變化或光柵受到外力時(shí)，引起光柵折射率周期Λ和有效折射率neff發(fā)生改變，即引起光柵波長發(fā)生改變。通過檢測光柵波長的變化即可測得外界溫度的變化和受力的大小。

當(dāng)作用在光柵上的應(yīng)變?yōu)棣?，溫度變量為ΔT，則光柵波長改變量ΔλB與ε和ΔT的關(guān)系滿足

(2)

式中：Pe為光纖彈光系數(shù)；α為光纖的熱膨脹系數(shù)；ζ為光纖材料的熱光系數(shù)。

根據(jù)葛電纜廊道的實(shí)際情況，提出了基于分布式光柵陣列傳感技術(shù)的新一代感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，由光柵陣列傳感光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度場的分布式測量。信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)基于時(shí)分、波分混合復(fù)用，時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)不同位置光柵的定位檢測，波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)溫度變化的精確檢測，其原理見圖1。系統(tǒng)采用波長全同弱反射率光柵陣列作為傳感元件，光柵間距0.1 m，每2.5 m即25個(gè)光柵作為1個(gè)感溫區(qū)域，采集該區(qū)域內(nèi)光柵的最大波長并計(jì)算出該區(qū)域的溫度值，該區(qū)域內(nèi)任意1個(gè)光柵的波長變化均會(huì)影響到該區(qū)域溫度值計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)的火源感應(yīng)和長距離的感溫測量。

圖1 分布式光柵陣列傳感原理圖

2 船閘廊電纜廊道感溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感光纜感溫布置方案

葛洲壩船閘電纜廊道位于船閘兩側(cè)，單側(cè)橋架長約280 m，整個(gè)閘室電纜橋架長度約650 m，橋架共5層，各層電纜敷設(shè)寬度0.5～1.2 m不等。感溫火災(zāi)傳感光纜在橋架內(nèi)呈正弦波水平布置，固定在線纜橋架內(nèi)，單層電纜內(nèi)測溫電纜長度約為1 000 m，5層總長5 km。

感溫火災(zāi)傳感光纜安裝在電纜橋架時(shí)，宜以正弦波方式鋪設(shè)于被保護(hù)的動(dòng)力電纜或控制電纜的外護(hù)套上面，盡可能采用接觸安裝，具體安裝方法參照?qǐng)D2，固定卡具選用阻燃塑料卡具，圖3給出了現(xiàn)場布置圖。光纖光柵測點(diǎn)與廊道位置對(duì)應(yīng)關(guān)系通過正弦曲線關(guān)系公式和現(xiàn)場人為升溫測試進(jìn)行定標(biāo)確定。

圖2 感溫光纜布置方式示意圖(單位：mm)

圖3 感溫光纜現(xiàn)場布置情況

2.2 感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

葛洲壩船閘電纜廊道內(nèi)橋架的溫度分布，通過光柵陣列感溫光纜進(jìn)行檢測，檢測信號(hào)通過光纜傳輸?shù)嚼鹊纼x表間，進(jìn)入陣列光柵信號(hào)處理器，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后通過網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，產(chǎn)生的火災(zāi)控制信號(hào)實(shí)時(shí)上傳至消防控制系統(tǒng)，進(jìn)行消防應(yīng)急響應(yīng)。每層電纜橋架使用信號(hào)處理器的1個(gè)通道, 陣列光柵信號(hào)處理器放置于廊道儀表間，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱l監(jiān)控中心。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 監(jiān)控處理軟件

分布式光柵測溫系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：登錄及用戶權(quán)限管理、用戶管理、溫度曲線、實(shí)時(shí)曲線、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警設(shè)置、分區(qū)設(shè)置、通信管理、系統(tǒng)管理等。

軟件可實(shí)時(shí)掌握電纜廊道運(yùn)行狀況，其中監(jiān)控主界面見圖5，界面顯示其中1個(gè)片區(qū)的所有廊道的溫度總體情況，可與報(bào)警閾值設(shè)置相對(duì)應(yīng)，對(duì)不同區(qū)間的溫度顯示不同顏色。也可對(duì)各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)和具體溫度值進(jìn)行查看。

圖5 分布式光柵測溫系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面

報(bào)警系統(tǒng)可提供7種不同的報(bào)警模式，包括高溫報(bào)警、低溫報(bào)警、超溫報(bào)警、快速升溫報(bào)警、快速降溫預(yù)警、與周圍環(huán)境溫差過大報(bào)警、沿光纖溫差過大報(bào)警。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果與數(shù)據(jù)說明

圖6給出了第100個(gè)、第200個(gè)和第300個(gè)測點(diǎn)在2017-10-14 T 00：00-15 T 24：00時(shí)間段的溫度變化，從圖中可以看出這3個(gè)測點(diǎn)的溫度具有非常好的一致性，整體溫度在31～33 ℃之間，凌晨時(shí)間段溫度稍低，下午時(shí)間段溫度最高；15日的溫度與對(duì)應(yīng)14日溫度相比低1～2 ℃，查看當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)，14日當(dāng)?shù)販囟葹?3～19 ℃，15日當(dāng)?shù)赜行∮?，溫度?2～17 ℃。

圖6 不同監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化曲線

圖7為所有測點(diǎn)(512個(gè))在2017年10月14日0時(shí)、6時(shí)、12時(shí)、18時(shí)和24時(shí)等5個(gè)時(shí)刻的溫度值，由圖7可見，絕大多數(shù)測點(diǎn)溫度值分布在30～33 ℃之間，第33個(gè)測點(diǎn)溫度低至27 ℃，第308個(gè)測點(diǎn)溫度更是低至了21 ℃。通過后期到廊道現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)，這2處附近的光纜安裝出現(xiàn)了松動(dòng)，使光纜與廊道兩側(cè)的金屬擋板和混凝土墻壁發(fā)生了不同程度的接觸，導(dǎo)致了所測量溫度低于電纜溫度，更接近于環(huán)境溫度。

圖7 全部測點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度曲線

由圖6、圖7可見，分布式光纖光柵陣列感溫技術(shù)具有較好的溫度響應(yīng)一致性，電纜溫度在30～34 ℃之間，明顯高于環(huán)境溫度。

4 不同探測技術(shù)的對(duì)比測試

為體現(xiàn)分布式光纖光柵陣列感溫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

1) 將分布式光纖光柵陣列傳感光纜、分布式光纖傳感光纜和點(diǎn)式光纖光柵傳感光纜在電纜廊道內(nèi)進(jìn)行正弦曲線形敷設(shè)，見圖8。

圖8 不同探測光纜的敷設(shè)

2) 在電纜上敷設(shè)1條加熱帶，加熱帶和3種傳感光纜的接觸長度均為10 cm，見圖9。

圖9 加熱帶的敷設(shè)

3) 對(duì)加熱帶進(jìn)行升溫，同時(shí)使用1個(gè)熱電偶對(duì)監(jiān)測點(diǎn)處的加熱帶表面的溫度進(jìn)行監(jiān)測，測量結(jié)果見圖10。

圖10 3種探測技術(shù)的升溫曲線

由圖10可知，分布式光纖光柵陣列在升溫前和熱電偶溫度基本一致，升溫后的溫度比熱電偶低3 ℃左右，這是因?yàn)闇囟扔晒饫|外部傳導(dǎo)到內(nèi)部需要一定時(shí)間，且升溫越快，該滯后現(xiàn)象越明顯，屬于正?，F(xiàn)象。點(diǎn)式光纖光柵升溫前高于熱電偶4 ℃，升溫后低于熱電偶2 ℃，表明該探測技術(shù)的測溫精度不高，且在光纜敷設(shè)時(shí)，人為地將金屬套管敷設(shè)于加熱帶下方，否則該探測技術(shù)無法探測到任何溫度變化。分布式光纖的升溫曲線在升溫前為32.5 ℃，升溫后為35.1 ℃，基本無法有效探測到10 cm范圍內(nèi)的溫度變化。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，只有分布式光柵陣列探測技術(shù)能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)10 cm空間范圍內(nèi)小規(guī)模溫度變化進(jìn)行探測。

5 結(jié)語

本文基于分布式光柵感溫技術(shù)提出了新一代電纜廊道感溫火災(zāi)報(bào)警方案，并在葛洲壩船閘電纜廊道進(jìn)行了實(shí)際測試。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該技術(shù)可以對(duì)電纜溫度進(jìn)行較好感知，平穩(wěn)環(huán)境狀態(tài)下整體數(shù)據(jù)一致性較好；現(xiàn)場實(shí)際測試表明該技術(shù)能夠準(zhǔn)確、快速地響應(yīng)10 cm空間范圍內(nèi)的小規(guī)?；鹪?，且在動(dòng)力電纜廊道內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)正弦曲經(jīng)線形敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)7種模式的報(bào)警信號(hào)輸出，能夠滿足電纜廊道內(nèi)動(dòng)力電纜的早期火災(zāi)準(zhǔn)確快速報(bào)警的應(yīng)用需求，具有較好的市場推廣前景。