光纖測溫系統(tǒng)在煤礦供電系統(tǒng)的應用

張學斌，王韶偉

（晉能集團山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036604）

0 引 言

近年來，我國煤礦機電設備的使用數(shù)量逐步增多，供電系統(tǒng)越來越復雜，線路長、分支多，電壓等級高、設備臺數(shù)多、功率大，沿線開關(guān)、接線盒等節(jié)點多的現(xiàn)實情況給煤礦供電系統(tǒng)帶來更大的火災隱患。在煤礦生產(chǎn)實踐中，很多固定敷設的纜線使用年限久，絕緣老化，電纜接頭接觸不良，加之缺乏有效巡檢和及時維護，容易引起漏電打火產(chǎn)生火災；另外高壓開關(guān)或接線盒腔體內(nèi)觸頭接觸不良，也容易引起電弧打火，設備內(nèi)部元件過熱引起電氣火災。以上這些都是煤礦電氣火災的主要原因。

光纖測溫系統(tǒng)是近來逐步發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場的新技術(shù)，可以連續(xù)實時監(jiān)測光纖沿線十幾公里范圍內(nèi)各點的溫度，溫度采集點達上萬個，定位精度達到到1m，測溫精度可達±1℃，測溫范圍：-20℃到+150℃，非常適用于煤礦井下供電系統(tǒng)這樣的大范圍、惡劣環(huán)境、溫度監(jiān)測點多的場合。

1 工作原理

目前常用的煤礦電氣設備溫度監(jiān)測方法主要有：人工紅外感應槍巡檢、熱敏電阻式測溫系統(tǒng)和熱電偶式測溫系統(tǒng)。傳統(tǒng)測溫方法存在無法實時監(jiān)控、穩(wěn)定性差、絕緣性差、現(xiàn)場環(huán)境危險、受電磁干擾大、采用模擬量傳輸損耗大、測溫精度低等缺點。

分布式光纖測溫是指：綜合利用光纖的拉曼散射效應（Raman）和光時域反射測量技術(shù)（OTDR）來獲得空間溫度分布信息的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。生活中的一些物理量，如溫度、壓力和張力，可以影響玻璃纖維并且局部地改變光纖中的光傳輸特性。由于通過散射可以使石英玻璃纖維中的光發(fā)生衰減，由此可以確定外部物理效應的位置，使得光纖可用作線性傳感器。熱效應在光纖石英固體中引起晶格振蕩。當光落到這些熱激發(fā)的分子振蕩上時，光粒子和晶體分子的電子之間發(fā)生相互作用時的光散射，也稱為拉曼散射，與入射光不同，這種散射光的光譜位移量相當于晶格振蕩的共振頻率。從光纖散射回的光包含三種不同的光譜：瑞利散射光，斯托克斯光和反斯托克斯光，如圖1所示。

反斯托克斯光帶有很強的溫度依賴性，而斯托克斯光幾乎與溫度無關(guān)，光纖受外部溫度影響使光纖中的反斯托克斯光的強度發(fā)生變化，反斯托克斯光強與斯托克斯光強的比值可以用來標定溫度，利用這一原理可以實現(xiàn)光纖沿途各點溫度場的分布式測量。

圖1 拉曼散射光譜

光時域反射測量技術(shù)即（OTDR），其原理是：向被測光纖發(fā)出光脈沖，產(chǎn)生拉曼散射效應，形成的背向散射光向后傳播至光纖的起始端（也就是光脈沖的注入端），由于每個背向傳播的散射光都對應光纖上的一個散射點，因此根據(jù)其傳播時間即可判斷出光纖上發(fā)生散射點的位置。

散射點位置的計算公式為：

式中：c為光速；t為散射光從發(fā)射到接收（雙程）的總時間；IOR為光纖的折射率。

在光纖長度L處的斯托克喇曼散射光子數(shù)，根據(jù)下式計算：

在光纖長度L處的反斯托克喇曼散射光子數(shù)，根據(jù)下式計算：

式中：Ks為斯托克斯光與喇曼散射截面有關(guān)的系數(shù)和Ka為與反斯托克斯光與喇曼散射截面有關(guān)的系數(shù)；S是光纖的背向散射因數(shù)；Vs和Va分別為斯托克斯和反斯托克光子頻率；αo，αs，αa分別為入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光的頻率在光纖傳輸過程中的損耗；L為待測點處的長度；Rs（T）,Ra（T）為光纖分子低能級布居數(shù)、高能級布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，它與光纖待測點處的溫度有關(guān)。

一般情況下，光纖待測點處的溫度由反斯托克斯OTDR曲線與斯托克斯OTDR曲線的比值可得，根據(jù)下式計算：

從公式（4）可以推出：

在式（5）中 T、Na(T0)/Ns(T0)、Na(T)/Ns(T)均已知，則可計算得待測處的溫度T0。

除了上述方法外，還可以利用瑞利散射OTDR曲線來解調(diào)反斯托克斯喇曼OTDR曲線,兩者比值的具體公式如下：

在實際測量中,可認為T=T0，即已知起始溫度來確定光纖上各測點的溫度，通常瑞利散射非常少依賴于溫度,即

可認為NR(T)=NR(T0),則上式可轉(zhuǎn)化為：

上式中光子數(shù)的比可通過其對應的信號電壓的比值在實驗中測到，另起始溫度為已知，所測溫度可通過計算得到。在實際應用中,與傳統(tǒng)通過反斯托克斯與斯托克斯OTDR曲線的比值進行解調(diào)的方法相比,該方法提高了相對靈敏度和測量精度。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設汁

光纖測溫系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示：在同步控制單元的觸發(fā)下，系統(tǒng)的激光器產(chǎn)生一個大功率光脈沖，經(jīng)光耦合器后進入一段放置在恒溫箱中的光纖，用于系統(tǒng)標定。然后進入傳感光纖，傳感光纖將攜帶溫度信息的自發(fā)拉曼背向散射光沿原路傳回，通過分光耦合器分成兩束光，分別進入兩個不同波長的濾波器，再分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，通過光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，再送入數(shù)據(jù)采集處理單元。在數(shù)據(jù)采集處理單元中，經(jīng)過信號放大、去噪、算法，最后輸出溫度值。

圖2 系統(tǒng)原理框架結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的安裝方式

在王家?guī)X煤礦投入使用的DSC-DTSnK-XB型分布式光纖測溫系統(tǒng)針對井下幾種不同的測溫對象，進行了相應的光纜敷設方案設計。

3.1 電纜接頭光纜敷設

煤礦井下的電纜接頭屬于纜線連接的薄弱點，極易發(fā)生短路或漏電過熱現(xiàn)象，針對電纜接頭人工制作比較粗大的特點，采用測溫光纜雙環(huán)纏繞方式固定在電纜終端及接頭處，可使其充分緊密接觸，對整個電纜接頭的溫度監(jiān)測更密集、更靈敏。

圖3 電纜接頭的測溫光纖布設方式

3.2 電纜橋架中探測光纜的安裝

圖4 電纜槽內(nèi)測溫光纖布設方式

煤礦井下各類纜線在實際敷設過程中為了美觀和達到標準化要求，較多地采用橋架封閉安裝。這給電纜的散熱和人工測溫造成極大的不便，針對此類監(jiān)測對象的特點，光纜安裝采用S型曲線方式鋪設，橋架中電纜的溫度就可以實時掌握。

3.3 采用電纜鉤吊掛的電纜的溫度監(jiān)測方式

煤礦井下現(xiàn)場各類電纜往往通過電纜鉤成排吊掛，此時采取每根電纜緊密貼合布置一根光纜，如圖5所示：

圖5 煤礦井下成排吊掛的電纜測溫光纖布設方式

3.4 高壓開關(guān)柜靜觸頭、母排溫度在線監(jiān)測

煤礦地面各變配電所高壓開關(guān)柜、井下防爆高開、移動變壓器、組合開關(guān)、變頻器等箱體式電氣設備都可采用光纖繞盤固定的安裝方式，對特定危險點重點監(jiān)測，如圖6所示。

4 結(jié) 語

王家?guī)X煤礦在應用光纖測溫系統(tǒng)后，在其井下15.7km巷道范圍內(nèi)，總計約57260m長的各類高低壓電纜沿途，共布置了6314個溫度監(jiān)測點，測點分布之廣、監(jiān)測信息量之大、傳輸距離之長是傳統(tǒng)測溫方式遠遠不能達到的。另外光纖測溫系統(tǒng)的本安性、耐腐蝕、耐高壓、抗電磁干擾性能特別優(yōu)異，并且能夠自動檢測光纜斷點精確位置，為系統(tǒng)快速修復提供便利。

圖6 高壓開關(guān)柜內(nèi)測溫光纖布設方式

在安全和經(jīng)濟效益方面，光纖測溫系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)煤礦電工因工作量大、疏忽大意、責任心不足等因素，造成的人工巡查不到位，火災隱患發(fā)現(xiàn)不及時（往往等到冒煙時才能發(fā)現(xiàn)）的巨大隱患，給煤礦大大節(jié)省了人力成本，提高了煤礦井下供電系統(tǒng)的安全可靠性。