光纖測溫系統在煤礦供電系統的應用

張學斌，王韶偉

（晉能集團山西王家嶺煤業有限公司,山西 忻州 036604）

0 引 言

近年來，我國煤礦機電設備的使用數量逐步增多，供電系統越來越復雜，線路長、分支多，電壓等級高、設備臺數多、功率大，沿線開關、接線盒等節點多的現實情況給煤礦供電系統帶來更大的火災隱患。在煤礦生產實踐中，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生火災；另外高壓開關或接線盒腔體內觸頭接觸不良，也容易引起電弧打火，設備內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。

光纖測溫系統是近來逐步發展起來的一種用于實時測量空間溫度場的新技術，可以連續實時監測光纖沿線十幾公里范圍內各點的溫度，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這樣的大范圍、惡劣環境、溫度監測點多的場合。

1 工作原理

目前常用的煤礦電氣設備溫度監測方法主要有：人工紅外感應槍巡檢、熱敏電阻式測溫系統和熱電偶式測溫系統。傳統測溫方法存在無法實時監控、穩定性差、絕緣性差、現場環境危險、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（OTDR）來獲得空間溫度分布信息的溫度監測系統。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的分子振蕩上時，光粒子和晶體分子的電子之間發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，光纖受外部溫度影響使光纖中的反斯托克斯光的強度發生變化，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即（OTDR），其原理是：向被測光纖發出光脈沖，產生拉曼散射效應，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，因此根據其傳播時間即可判斷出光纖上發生散射點的位置。

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，根據下式計算：

在光纖長度L處的反斯托克喇曼散射光子數，根據下式計算：

式中：Ks為斯托克斯光與喇曼散射截面有關的系數和Ka為與反斯托克斯光與喇曼散射截面有關的系數；S是光纖的背向散射因數；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、高能級布居數有關的系數，它與光纖待測點處的溫度有關。

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),則上式可轉化為：

上式中光子數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,與傳統通過反斯托克斯與斯托克斯OTDR曲線的比值進行解調的方法相比,該方法提高了相對靈敏度和測量精度。

2 系統的結構和設汁

光纖測溫系統框架結構如圖2所示：在同步控制單元的觸發下，系統的激光器產生一個大功率光脈沖，經光耦合器后進入一段放置在恒溫箱中的光纖，用于系統標定。然后進入傳感光纖，傳感光纖將攜帶溫度信息的自發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，通過光電探測器轉化為電信號，再送入數據采集處理單元。在數據采集處理單元中，經過信號放大、去噪、算法，最后輸出溫度值。

圖2 系統原理框架結構圖

3 系統的安裝方式

在王家嶺煤礦投入使用的DSC-DTSnK-XB型分布式光纖測溫系統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，極易發生短路或漏電過熱現象，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測方式

煤礦井下現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 高壓開關柜靜觸頭、母排溫度在線監測

煤礦地面各變配電所高壓開關柜、井下防爆高開、移動變壓器、組合開關、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測，如圖6所示。

4 結 語

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

圖6 高壓開關柜內測溫光纖布設方式

在安全和經濟效益方面，光纖測溫系統有效解決了傳統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，火災隱患發現不及時（往往等到冒煙時才能發現）的巨大隱患，給煤礦大大節省了人力成本，提高了煤礦井下供電系統的安全可靠性。