分布式光纤测温系统在煤矿供电系统中的应用.pdf

翟梦迪

[摘 要]对于矿山电力系统来说，设备故障将可能导致火灾和爆炸等灾难性后果，连续分布式光纤测温技术以其精准定位，低延时响应及高温度分辨率的特点，可以实现对对象温度的远距离多点实时在线监控，弥补了传统测温装置的不足。本文主要介绍了连续分数光纤测温技术在矿山电力系统设备监控、故障早期预警和故障点定位中的技术原理及应用环境。

[关键词]光纤测温 矿山 电力系统

中图分类号：TM732；TK311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0330-01

1.研发背景

在矿山电力系统中，由于大量运输、掘进、照明、通风设备的需求，往往在相对恶劣的条件下敷设有大量动力电缆、控制电缆。且运行环境差、敷设距离长，众多电缆通过桥架、隧道、夹层连接着数量众多的电气设备。由于矿山中的特殊环境，以及瓦斯、透水、塌方等重大安全隐患的威胁，对电气设备运行可靠性、设备故障点的及时定位、预警并修复的要求极高。由于电气设备故障的产生的后果中，温度过高甚至引起火灾对于矿山环境威胁极大，因此，争取能够在火灾发生前或刚刚出现时，及时、准确的监测到关键设备或关键部位的温度变化，并及时进行预警以便工作人员及时处理，对于矿山安全运行、安全生产具有极为重要的意义。

2.技术特点

连续分布式光纤测温系统（Distributed Optical Fiber Temperature Sensor System），可以实现对分布空间内各部分温度变化进行实时测量。光纤作为传输介质具有电绝缘、本征安全，不受电磁干扰影响，传输速率高，敷设成本低的特点，最主要的是，光纤不仅可以传输采集到的温度数据，其本身就具备温度感应能力。

连续分布式光纤测温系统有利用后向瑞利散射、后向拉曼散射及后向布里淵散射等几种，目前发展较为成熟，进入实用阶段的主要是利用光时域反射原理（Optical Time Domain Reflection，OTDR），及后向拉曼散射温度效应（Raman Scattering）。

该技术由英国南安普顿大学于1981年提出，目前英国、日本等国家已开发出分布式光纤温度系统产品，能够连续测量光纤敷设所在位置的环境温度，测量范围最大可达5000米，监测点定位可达米级，满足矿山电力系统监控需求。尤其是在对高压电缆、电缆通道、大功率电动机等大范围分布安装的设备设施进行的不间断监测中可以发挥巨大作用。

3.技术原理

连续分布光纤测温技术的主要采用光时域反射原理及后向拉曼散射温度效应。光时域反射原理的定位方法是：当连续光脉冲由光纤一段入射时，连续光脉冲沿光纤向前传播过程中，由于光纤内壁具有较强的反射率，光脉冲每次接触到内壁都会产生反射，并继续向前传播。但在每次反射中，会产生极小部分的后向光脉冲传播方向的反射光。后向方向的反射光强度与相应反射点温度存在比例关系，且后向方向的反射光强度越大，代表该反射点温度越高，即后向拉曼散射温度效应。因此，若能收集测量后向方向的反射光强度，就可以测得反射点温度。在这个过程中，光纤既作为传输温度参数的载体，同时也是测量温度的传感器，从而实现真正意义上的分布式测量。经过波分复用器和光电检测器采集并处理光学信号，可以通过光纤中广播传播速度，及后向方向反射光回拨的时间间隔，实现测温点的定位。

分布式光纤测温系统的原理以物理及数学模型可定量表示为：当频率为V0的光脉冲入射后在光纤中传播时，不断发生后向反射。后向散射的光波中，主要部分为与光源波长和频率相同的中心瑞利散射谱线。同时，由于光脉冲与光纤不断发生能量交换，在此过程中，若一小部分光能转换成热振动，则会产生与光源相比频率较低波长较长的斯托克斯谱线；若一小部分热振动转化成光能，则会产生于光源相比频率较高波长较短的反斯托克斯谱线。它们在频谱上基本呈对称分布，但相比之下反斯托克斯谱线对温度变化反应更加敏感。在自然条件下，光纤内单一点反斯托克斯谱线与斯托克斯谱线的强度之比仅与温度呈比例关系，入射光强度、入射角度、光纤性能参数及成分均不产生影响。因此，通过对反斯托克斯与斯托克斯散射谱线的强度比进行计算，即可实现对光纤所处环境温度的监测。

4.系统构成

连续分布光纤测温系统硬件构成通常由激光二极管及驱动器作为光源，包括定向耦合器、光滤波器、光纤通道的传感系统，光电接收、放大及检测模块，以及数据处理及报警功能模块。系统软件部分通过计算机对系统采集的斯托克斯-反斯托克斯谱线光强度数据进行运算，得到光缆各点温度数据，并对超出预先设定阈值的情况进行报警及定位。

光纤本征安全，具有较强的抗辐射及电磁干扰、防爆、抗腐蚀、耐高温性能，适于在矿山环境中使用。其本身既是感应器又是传输介质，对于矿山电力系统来说易敷设、易监测，通常情况下跟随电力电缆进行装设。为保证激光二极管工作参数的稳定性，通常采用外加冷却装置。激光脉冲通过定向耦合器进入光纤传感线路，收集后向散射光谱，通过薄膜干涉滤波器划分斯托克斯谱线及反斯托克斯谱线；并由高灵敏硅雪崩二极管（APD）进行光电检测，并将光信号转化成为电信号。再经由信号放大电路将微弱信号放大到适合数据采集器工作的正常电平信号。最终经由计算机对谱线强度进行分析，并确定温度计算结果。考虑到矿山环境下恶劣条件引起的系统损耗及误差，通常采用多次测量结果累加平均值描绘温度曲线的方式进行结果输出，以免出现误报、漏报情况。

从应用功能上，系统不仅具备通过显示器远程输出采集对象的位置及温度监测结果，提供设备故障或火灾早期预警及故障点定位。并可以根据设备实际状况，进行不同部位不同地点的报警阈值差异化设计。

5.应用环境

在矿山电力系统中，相比于传统温度测量方法，连续分布光纤测温技术具备监测范围大、抗电磁干扰能力强，绝缘性能好，无击穿或烧毁威胁，感应器与传输介质集于一体，感应精度高，硬件布线及安装容易，所需空间小，适合在恶劣环境下工作的优点。

光纤系统可以应用在矿山电力系统的电缆夹层、电缆通道中，光纤可以紧贴电缆安放，以获得电缆表面的温度参数，并可以与电缆载流量进行对比判断温度是否正常。

光纤系统也可以对高压开关设备的故障易发点——电缆接头、开关柜动触头、静触头及母排连接点、电压互感器及电流互感器连接点等接触电阻大、易产生高温的部位，或是大功率电动机等易产生较大电动力的设备进行近距离监测。由于具备良好的绝缘性能，连续分布光纤测温可以实现传统测温方法无法实现的监测功能。在必要时还可以与通风、空调系统配合使用，保证重点设备或重点部位的温度处于正常范围。

由于光纤自身特性，可以在其表面涂覆丙烯酸盐或有机聚合物，使其实用安全测温范围扩大到零下一百余摄氏度至零上四百余摄氏度，大大扩展了测温系统的应用范围及场合，并具备较强的事故环境下持续监测能力。

此外，由于矿山环境下对于设备的常规检测和故障设备的检修难度大，成本高，使用连续分布光纤测温技术后，可以针对设备温度参数进行参考，对重点设备进行检测，并可精确定位故障点，大大降低了维护及修理的时间及经济成本。

6.结语

连续分布式光纤测温技术主要解决了矿山电力系统中对大范围恶劣环境下设备的连续温度精确监测及故障点定位，为提高矿山电力系统安全运行、快速抢修发挥了重要作用，节约了维护成本，并提升了系统的应急能力，具有广阔的应用前景。未来光纤通信技术的进一步提高，将对电力系统产生不可估量的巨大影响，必将给2l世纪的电力通信行业带来快速而长足的进步，乃至进一步对整个人类社会经济的发展做出巨大贡献。

参考文献

[1] 孙国善，侯思祖，陈超.拉曼光纤测温原理及在电力系统中的应用[J]. 电力科学与工程.2010（03）.

[2] 李强，王艳松，刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J].电力系统保护与控制.2010（01）.