分布式光纤测温系统（精选9篇）
分布式光纤测温系统 篇1
皮带机作为煤炭码头装卸主要设备, 因其工作量大及工作环境恶劣, 依靠人工进行巡检很难发现设备安全隐患。因此, 对皮带机电机、滚筒和托辊的安全监测是非常必要的。
随着光纤测温技术的发展, 已经能够用光纤测温技术实现温度、电流、电压、磁场等物理量监测。光纤测温技术采用的探测光纤具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、耐高压高温和抗电磁干扰的特点, 系统安全可靠, 在长距离测试中具有高灵敏度。
分布式光纤测温预警系统不仅具有普通光纤传感器的优点, 还具有对光纤沿线各点温度的分布式传感能力, 光纤既是传输信息的导体, 又是分布测量的传感器。它能够连续自动测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离最大在10km范围, 空间定位精度达到1m的数量级, 特别适用于需要大范围多点测量的场所。
分布式光纤测温预警系统为港口输煤系统中皮带机的安全生产提供了一系列集可视化、智能化、无人化于一体的数字化在线检测方案。
一、系统简介
1. 分布式光纤测温预警系统原理
光纤测温的机理是依据后向拉曼 (Raman) 散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用, 发生散射。拉曼散射是由于光纤分子的热振动, 产生一个比光源波长长的光, 称斯托克斯 (Stokes) 光, 和一个比光源波长短的光, 称为反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光强发生变化, Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示, 利用这一原理可以实现对光纤沿线温度场的分布式测量 (图1) 。
2. 分布式光纤测温预警系统组成
分布式光纤测温预警系统由测温主机和探测光缆两部分组成。
(1) 主机。
(1) 整条光纤既传输信号又感应被测量。
(2) 在长距离内能得到高精度的温度数据。
(3) 测温速度快且精度高, 可用图表形象、直观地呈现数据。
(4) 兼容性强。开放式通信结构, 可与第三方网络 (以太网、OPC、SCADA等) 可靠方便的连接, 具有灵活的远程控制和数据输入、输出功能。
(5) 内置PC。专门开发的应用软件通过易于理解的直观图表向操作人员提供数据。
(6) 警报设置齐全。智能警报类型和配置可以根据每个项目量身定制, 向操作人员发出当前或者潜在过热部位及其它不良事件的警告。
主机技术参数见表1。
(2) 探测光缆。
BY-SCJKBH1探测光缆是一种多模光缆, 光纤表层采用可触变的芳纶纤维加以保护, 外护套为高性能的阻燃PVC材料, 光纤被很好地密封以保证不受外界环境的影响, 同时光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性, 可以在恶劣的环境中长期使用。光纤类型及参数见表2。可根据用户要求定制探测光缆 (图2) 。
二、技术特点
(1) 连续分布式的进行温度在线监测, 没有盲区, 没有漏测点。
(2) 根据温度变化, 及时、准确地进行预警。在还没有发生燃烧的情况下, 准确监测出温度异常位置。
(3) 光缆不怕粉尘, 又可防雷。现场采用特殊光缆既是传输信号的载体又可以测量环境温度。
(4) 固定保护夹具、钢管经久耐用。
(5) 精度高、数据传输及读取速度快, 自适应性能好。
(6) 系统软件操作简单, 结合现场实际情况进行界面设计。软件可以对光缆进行无限的区域划分, 并可以对不同的区域设置不同的报警规则, 如定温报警、快速升温报警等。
(7) 安装维护简单、方便。
三、在营口港输煤系统中皮带机的应用
1. 输煤系统皮带监测
能够了解输煤皮带系统的安全情况, 及时应对危险, 不发生火灾或爆炸事故, 降低自燃或事故而造成的损失。
输煤系统皮带监测内容:监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化;对比分析不同位置探测光缆安装的温度变化特性;分析、判断报警温度的设置, 通过监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化, 判断设备运行状态, 进行安全监测, 利于及早发现安全隐患, 合理安排检修工作, 避免皮带打滑磨损造成火灾事故发生。
2. 实施方案
(1) 系统组成 (图3) 。
营口港二公司煤炭码头采用1台10km的DTS主机对10条计2150m皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承温度进行实时在线监测;敷设了1#变电所和4#变电所测温系统温度数据传输的专用网络。DTS主机将实时采集的温度数据传送至中央控制室, 值机员可通过监控终端实时查看皮带机电机减速机端、滚筒及托辊轴承运行温度情况, 依据温度数据判断皮带机相关设备的工作状态, 为皮带机安全监测提供科学的管理手段。
(1) 由1#变电所出来的四通道分别是:第一路 (图3中紫色表示) 探测光缆对BX1-2、BX1-1皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第二路 (图3中蓝色表示) 探测光缆对BX2-2、BX2-1皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第三路 (图3中红色表示) 探测光缆对BX1-3、BX1-4、BX1-5皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第四路 (图3中青色表示) 探测光缆分别对BX2-3、BX2-4、BX2-5的皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。
(2) 通信光缆通过1#变电所到4#变电所沿途皮带机的电缆桥架敷设, 如图3中黑色虚线所示。
(2) 检测方案。
(1) 皮带机滚筒温度检测。
用夹具将探测光缆固定在皮带机滚筒轴端盖上, 对皮带机滚筒进行温度监测, 一旦皮带打滑滚筒表面温度上升, 热量传递到皮带机滚筒端盖处, 系统即可监测到温升, 准确发出预警信号, 避免发生皮带机火灾事故 (图4) 。
(2) 承载托辊温度检测。
将探测光缆用工装夹具固定于承载托辊轴两个夹角处, 对托辊进行实时温度监测。一旦托辊不转或皮带出现打滑, 托辊表面温度上升, 热量传到托滚轴后系统监测到温升, 当达到设定报警温度值时系统告警。皮带机托辊支架光缆走线及固定示意图见图5, 皮带机桁架槽钢光缆走线及固定示意图见图6。
(3) 系统功能。
(1) 图形数据实时显示。
实时连续显示线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。可以设置系统软件在控制计算机的屏幕上以曲线方式显示整条皮带机系统各点的温度分布, 也可以设置显示整条皮带机长度与滚筒的相对位置分布图, 显示被测点位置和对应测点的实时温度值, 用户可以设置过热报警温度, 将接收的数据以曲线方式显示, 曲线可随意放大显示 (图7) 。
(2) 控制数据自动存储。
系统可以自动存储温度数据, 用户可以选择查询显示特定测温点的温度历史变化情况, 也可以选择查询显示在任意历史时刻保存的温度分布情况, 以便对设备的运行状况进行监视, 有利于对设备的维护和检修。
(3) 数据即时报表显示。
存储的温度数据以数据库的形式存储, 并可以用EXCEL表格形式显示出来, 并同时显示当前图形。此时可选择将数据或图形打印。
出现报警信号时自动切换到报警总画面, 并显示故障区域最高温度。
(4) 报警方式多种多样。
分布式光纤测温系统应具有连续测温功能, 能检测皮带机沿线温度变化情况, 报警数据可在软件中设置, 每个区域应能设置多种报警类型:最高温度报警、差温报警、温度上升速率报警、局部过热点报警、光纤破坏报警、装置异常等报警, 不同的区域能独立报警。报警方式除主控机屏幕显示基本要求外, 具有报警输出节点。
(5) 分区测量贴合实际。
能对测量区域在长度上进行分区, 对某些区域进行局部重点监测。对不同的应用环境设定不同的报警温度和报警级别, 更贴合实际应用。
四、结语
随着港口吞吐量的上升, 研发集可视化、智能化、无人化于一身的数字化港口储运及装卸设备状态在线监测技术已经刻不容缓。先进的分布式光纤测温技术将为港口的生产安全提供更多领域的技术支持和保障, 因此, 全面发展分布式测温技术在港口各个领域的应用意义重大。
摘要：介绍了分布式光纤测温预警系统的技术原理及在营口港二公司煤炭码头皮带机的应用。通过监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化, 判断设备运行状态, 进行安全监测, 及早发现安全隐患, 合理安排检修工作, 避免安全事故发生。
关键词：分布光纤测温预警系统,皮带机,电机,托辊,应用
参考文献
[1]江毅.高级光纤传感技术[M].科学出版社.
[2]方祖捷.光纤传感基础[M].科学出版社.
[3]李唐军.光纤通讯原理[M].北京交通大学出版社.
分布式光纤测温系统 篇2
开关柜光纤光栅测温系统
技
术
方
案
概述
电力设备在正常工作时都会产生发热现象。线路、设备等的连接处由于环境影响，加工工艺等原因使连接部分压接不紧、压力不够、触头间的接触部分发生变化等引起接触电阻变大，发热现象会更加明显。长期如此会加速电力设备线路等的老化，引起电力设备的绝缘性能下降，严重的还能触发电弧短路，降低设备使用寿命，引起重大的电力事故。尤其是隔离开关活动的动、静触头部分、主变引线、电缆头发热现象比较突出，故障率高，每年均有此类问题发生。目前监视方法仍靠工作人员定期完成的，费时费力，工作效率极低，而且不能及时发现潜藏的隐患，有些电力设备的焊点与接头位于不便触及的里端，这又给检测人员带来了极大的不便。
光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一门崭新的技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而派生的全新概念的传感技术。光纤光栅传感器通过辨析光波长来检测、度量外界物理量的变化。作为传感器家族新成员，光纤光栅传感器具有以下明显的优点：
1)
抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、安全性好——对电绝缘，适合高电压场所；
2)
灵敏度高，温度精度高，寿命长，综合性能全面优于现有监测手段；
3)
重量轻、体积小、可挠曲，适用于狭小空间；
4)
测量对象广泛，对被测介质影响小；
5)
易于组网，实现远距离分布式测量。
系统设计目标
光纤光栅测温系统必须满足：
Ø
实施探测开关柜触头温度
Ø
准确定位异常温度开关柜地址；
Ø
光纤光栅测温系统应能及时、准确的检测开关柜中A,B,C三相电缆头；A,B,C三相静触头；开关柜内部环境实时温度，温度异常报警信号可通过光纤光栅测温主机传送给仪表操作室现有的火灾控制器，实现报警并在消防值班室的工控机显示，也可通过手机短信发送信息至相关人员手机。
系统设计范围
本系统设计包含针对本次系统的整体设计、设备供货、安装指导、调试开通、配合验收以及设备保修等服务。其中系统设备包含光纤光栅测温主机（AP-DTS800）、光纤光栅传感器（AP-DTS800A）、AP-PSTO绝缘增爬器及其他安装附件。
系统设计优点
1）
绝缘耐压性强：
在电力系统尤其是高压和超高压系统中使用的设备，首先要满足绝缘耐压的要求，即不能降低原有设备的电压等级和安全特性，基于光纤光栅原理的AP-DTS800光纤光栅在线测温系统在监测现场为全光测量，并且采用加涂特氟龙高性能特种涂料的特殊光缆完全满足高压开关柜内的绝缘耐压要求。
2）
C+L宽光源：
我公司DTS100光纤光栅传感分析仪采用C+L宽光源，输出光功率稳定性好，功率损耗低，使用寿命长；波长覆盖范围广1525nm-1610nm
。AP-DTS800光纤光栅传感分析仪每通道可连接最多40个光纤光栅温度传感器（采用普通光源的光纤光栅传感分析仪每通道最多连接25个光纤光栅温度传感器）。
3）
防污闪：
在高压开关柜这样的有限空间内，如何保证光纤留有足够的爬电距离是该系统能否保证原有系统安全的一大关键。四川安普光控科技有限公司提供的AP-DTS800A光纤光栅温度传感器采用耐污性能优良的硅橡胶外套光纤进行信号传输，从而保证了系统的安全性。DTS800A光纤光栅温度传感器加装防闪络绝缘增爬器（绝缘子），彻底解决光纤测温系统中由于光纤的接入可能存在的闪络问题，保障整个光纤测温系统在最恶劣的环境中也可以安全运行
4）
故障点准确定位：
传统的光纤测温方式定位精度低，而且为了定位需要将5米光纤盘成一个盘来安装，不仅安装复杂，而且测量周期很长，还有很多隐患。而光纤光栅测温系统由于采用了光纤光栅做测温敏感元件，所以可以通过光纤光栅温度传感器来准确定位，对过热相或温升异常相进行报警，不仅可以测温，同时还可以通过温度的监测间接判断小电流接地端，作为小电流接地监测的补充。
5）
实时探测报警能力：
传统光纤测温方式，如测温点在40点到100点之间，则测温周期在几分钟到半小时之间。采用新型的光纤光栅测温系统，全部测点测温周期小于50毫秒，充分的保证报警的及时性，同时由于测温周期短，可以在报警系统中引入温升趋势报警，提高了报警的可靠性和前瞻性，提高电力设备的安全性。
6）
系统稳定性高：
光纤光栅测温系统的整体结构简单，只有光纤光栅温度传感器和分析仪两大主要部分组成，因此无中间环节，而测量现场为全光测量，完全不受强电场和强磁场的干扰，保障了系统的稳定运行。
7）
高可靠性：
光纤光栅测温系统与传统测温方式相比有无误报、无漏报的特点，这是由于光纤光栅只对温度敏感，因此无论是其他条件发生何种变化，都不会对光纤光栅测量的准确性发生影响，另外，光纤光栅的加工方式采用物理加工的方式，因此，一旦产品完成后，除非破坏不会产生零点漂移，所以光纤光栅测温系统不需要向传统的测温系统那样，定期进行零点标定，从而非常方便于维护。
系统设计规范
光纤光栅测温系统的设计符合下列规范：
GB
2423.1
《电工电子产品基本环境试验规程
试验A（低温试验方法）》
GB
2423.2
《电工电子产品基本环境试验规程
试验B（高温试验方法）》
GB
4208
《外壳防护等级的分类》
GB/T
5226.1
《工业机械电气设备
第一部分：通用技术条件》
GB
5080.1
《设备可靠性试验总要求》
GB/T
11022-1999
《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》
GB/T
17626-1998
《电磁兼容、试验和测量技术》
GB/T
17626.2
《静电放电抗扰度试验》
GB/T
17626.3
《射频电磁场辐射抗扰度试验》
GB/T
17626.4
《电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》
GB/T
17626.5
《浪涌（冲击）抗扰度试验》
GB/T
17626.6
《射频场感应的传导骚扰抗扰度》
GB/T
17626.8
《工频磁场的抗扰度试验》
Q/CSG
0011-2005
220kV~500
kV
《变电站电气技术导则》
系统设备技术指标和性能
6.1
光纤光栅测温主机
品牌：四川安普
型号：DTS800
l
通道数：1-128
l
测温精度：±0.5℃
l
测温分辨率：0.1℃
l
测温速率：20Hz
l
传感器光纤最大传输距离：40km
l
通信接口：10/100M自适应以太网
l
报警接口：1)光电隔离继电器输出
2)手机短信报警模块
3）语音报警音频接口
l
供电电源：AC：220V
/50Hz
l
工作环境温度：-10℃～+50℃
l
机箱：标准19英寸工业机箱
6.2
光纤光栅传感器（DTS800A）
l
测温范围：-55℃～200℃
l
最大耐温能力：220℃
l
温度分辨率：0.1℃
l
精度：±0.5℃
l
响应时间：<2S
l
光缆最大传输距离：40km
6.3
AP-PSTO绝缘增爬器
气候潮湿地区，盐雾严重的沿海地区以及重工业集中、空气污染严重的区域，开关柜的运行环境相对恶劣。开关柜在长期运行过程中，由于水汽，尘埃，盐雾等的积累，导致内部绝缘部件尤其是表面绝缘强度大大降低，甚至发生闪络导致表面击穿，从而引发事故的发生。AP-PSTO系列防闪络绝缘增爬器的应用，彻底解决光纤测温系统中由于光纤的接入可能存在的闪络问题，保障整个光纤测温系统在最恶劣的环境中也可以安全运行。
AP-PSTO绝缘增爬器可应用于220kV及以下电气系统。在工厂内与光纤感温传感器以及传输光纤预装配为一个整体部分，不增加任何现场安装工序。AP-PSTO亦可以加装在已经运行的光纤测温系统中，彻底解决原有测温系统可能存在的绝缘安全隐患。
型号
AP-PSTO
AP
-PSTO
AP
-PSTO
额定电压等级
kv
35kv
110kv
适应污秽等级
Ⅳ
Ⅳ
Ⅳ
传感器安装步骤
1.清洁被测物体表面
将被测物体表面的灰尘、铁锈、污物等清理干净，如果有条件可以用酒精棉擦试被测物体表面，直到擦拭干净为止。
2.盘纤
对于被测物体表面只能采用单端出光缆的测点位置，将传感器固定好，光缆按照图所示盘纤，盘纤直径不小于50mm，盘完以后顺着开关柜用扎带分段捆扎。
绝缘扎带
传感器
绝缘耐高温光缆
3.固定捆扎传感器
感温区
传感器主体
耐高温光缆
4.传感器外形如图所示，将感温区涂上适量的导热绝缘胶，安放于被测物体表面。
被测物体
安装固定槽
传感器
安装示意图如图所示。
5.光缆接续盒熔接保护
首先需要将主光缆的一端用开缆刀剥掉230mm长的外层披覆，光缆盒的一端光缆剥掉120mm长的外层披覆，其中凯氟拉的长度不小于30mm。然后加热缩套管放进光纤熔接机进行熔接、热缩。将熔接好的光缆盘在光纤接续盒内固定结实。
6.接入主缆
传感器安装实例
传感器安装在10kv/35kv母排上，光缆要顺着自身母排的绝缘橡胶套走缆。距传感器安装10cm处要用定位吸盘固定紧，尽量避免光缆在柜内缠绕。盘圈的光缆要固定整齐，安装后要求传感器信号正常、安全无隐患。
传感器安装及走线规范图
传感器安装及走线规范图
传感器安装及走线规范图
传感器安装及走线规范图
分路器及盘纤的安装位置
通信光缆的布置
接续盒内的熔接整理规范
开关柜结构图
分析仪安装
安装前，检查设备使用说明书及有关文档（装箱单、装箱手册等)，针对使用要求对装箱单进行复核，确认所需部件己全部供齐。会同客户单位人员共同对设备进行开箱点验，办理移交手续。开箱时，对照装箱单以全部设备、零部件、附属材料及专用工具进行复核，清点，确认设备、零部件、规格、型号、数量与装箱文件和施工图纸或者合同相符，检查设备在运输过程中是否受到损伤，及时发现安装时可能发生的错误和损坏，各方有关负责人在产品接收单上签字、存档。
把分析仪、工控机安装在标准19英寸机柜上，接好短信报警模块、报警灯、用直通线把分析仪和工控机连接起来，把机柜的地脚螺钉锁紧，当心机柜倒塌。
在施工完毕后，把施工现场清理干净。
电力开关柜光纤在线测温系统软件功能
1.火灾自动报警
自动对光纤光栅温度传感器所在区域进行实时温度监控，检测现场温度的异常波动，在火灾发生前及时报警。
2.监测点定位
液晶显示屏以电子地图方式实时显示各电力设备及相应温度监测点的编号和当前温度值以及实际地理位置，方便管理人员操作和维护。
电子地图界面
3.远程网络在线状态查询
各个监测点的温度和报警信息都保存到大容量储存器中，系统按照时间将数据分为历史信息、实时信息；
管理操作人员可以动态调整被监测点的实时状态监测时间间隔满足实际要求；
管理操作人员可在局域网上查看各监测点的历史温度变化曲线，为决策和维护提供数据支持；
温度曲线界面
详细温度显示界面
4.报警设定
可对开关柜触头温度的过温报警触发条件进行设定，以适用不同季节气温条件下及不同负荷条件下电力开关柜实际运行温度的差异。系统出厂设定的缺省报警触发条件为：
温度超过75℃
温升速率超过8℃／min
超过区域内平均温度值15℃以上
5.温度统计
可给出设备最高运行温度值及其发生时间、持续时间及对应监测点的位置编号和地理信息。
6.系统联动
分析仪报警接口输出开关量可直接接入仪表操作室现有的火灾控制器，实现火灾报警并在消防值班室显示，也可通过手机短信发送信息至相关人员手机。
7.线路自检及故障定位
具有自检功能，可对光纤传输线路的损耗及断点位置进行准确定位，方便系统调试、维护及线路检修。
系统联网图
设备及材料清单
清单号
项目名称
型号规格
制造商及原产地
单位
数量
单价（元）
合计(元)
备注
19寸标准机柜
个
工控机
个
光纤光栅测温主机
DTS800
安普/四川
光纤光栅传感器
DTS800A
安普/四川
个
220
绝缘增爬器
AP-PSTO
安普/四川
个
220
以太网网线
根
光纤分线盒
个
通信光纤
米
1分6光纤接续盒
安普/四川
个
传感器固定卡扣
个
660
光纤光栅在线分析软件
安普/四川
套
安装附件
分布式光纤测温系统 篇3
关键词：光纤测温系统 实时测量 电缆火灾
1 概述
我国目前主要通过磁探测、电阻率探测法、气体探测法、氡气探测法、煤炭自然温度探测法和红外探测法等预报方法预测煤矿火灾，这些预报办法都在不同程度上存在一定的弊病，进而难以满足矿井火灾预警的需要。其中，红外测温属于非接触性测量方式，在使用过程中，容易受到环境及周围电磁场的干扰，并且需要人工操作，进而难以实现在线测量，效率低下；电子温度传感器容易受电磁的干扰，机械温度传感器容易受环境因素的影响和制约。无论是测量效果，还是受干扰的程度，上述几种检测方法都不理想。因此，需要研究开发一种在线实时温度监测系统，这是对煤矿电缆温度进行监测的关键。在煤矿火灾预警系统中，我矿广泛使用分布式光纤测温系统，这种监测方式具有广阔的前景和深远的意义。
通过对电缆引起火灾的原因分析，可以看出电缆火灾大部分是电缆局部温度逐渐升高、是一个积累的过程，完全可以通过对易发生火灾部位进行温度检测，根据温度上升的趋势来预测电气设备和电缆的运行状态，从而在故障点及时采取措施，防止火灾的发生。
2 光纤测温系统的组成及应用
在施工安装的过程中，按照相应的安装要求，对主机、控制台及机柜、光纤等进行安装。主机的安装位置符合设计和环境条件要求，并采用螺钉固定安装在井下变电所。主电源挂标识牌，其引入线直接与消防电源连接，严禁适用电源插头。尾纤、同轴电缆放置在线槽内，外露部分穿软管保护，并在每一接线端子上标注编号或挂标识牌。感温光纤的安装采用直线敷设方式，按照感温光纤配置方案将感温光纤直接敷设在电缆表面，并用每隔1.0-1.5m用扎带进行固定，保证测温光纤达到所要求的测温精度和空间分辨率，实现最准确最有效的测量；遇到障礙物时应穿过障碍物（如立柱、支架、套管等），保证感温光纤全部敷设在所测电缆上，并紧贴电缆表面；在感温光纤走向改变或转角处，在放置光缆时放置大于电缆长度的光缆，以满足在敷设时感温光纤最小半径要求（感温光缆半径的20倍），在用扎带固定时将光缆紧贴光缆表面后再进行捆扎，避免因为光缆长度不够导致光缆悬空而未紧贴电缆表面；接入主机的感温光纤宜留10m长的余量并妥善放置，并挂标识牌进行区分；对于需要精确定位的对象（如电缆的接头、设备易发热点等重要检测部位），测温光纤采用双环形缠绕方式固定在电缆中间接头处，保证测温光纤与电缆中间接头紧密接触，双环形缠绕光纤展开长度不小于5m；对于煤矿中用到的冷缩接头，光缆可以直接敷设过去，不必做缠绕处理。对与高压柜连接的电缆处，将光纤绕成半径不小于感温光缆半径20倍的线圈，将线圈固定在连接处；光纤尾段用高温加热后封死，用电工胶带缠绕，之后将测温光缆缠绕在电缆尾端（约10m），用胶带固定在电缆上。光缆起止端进入变电站，与测温设备的专用尾纤连接，并接入设备主机。根据巷道的特点，将感温光缆敷沿着巷道走向进行敷设，并将光缆固定在靠近车轨方或巷道壁上。在交叉口、风口、转弯处等一些需要重点监测的地方，采用敷设感温线缆圈的方式，提高测温精度和准确性。以光缆为传感器，将光缆和电缆敷设在一起，使光缆处在电缆的温度场中。通过测量光缆的温度便可得知整根电缆的温度曲线。实时监控若干根电缆的温度状态。通过对电力电缆进行在线实时温度监测，保证电缆在不超过允许运行的温度状态下，将输送能力发挥到最大；对电缆接头进行实时监测，避免电缆接头因过热造成故障；因为光缆与电缆敷设在一起，因此无论人为或自然力造成电缆中断，都有可能造成光缆同时中断，系统可以对光缆中断准确定位。电缆常常放置在电缆沟中，我们在监测电缆的同时也可以监测电缆沟的环境温度，我们就能更加准确的对报警进行预测。
3 结束语
光纤测温系统在煤矿中的应用，提升了矿井的安全管理水平，将光缆和电缆敷设在一起，使光缆处在电缆的温度场中，通过测量光缆的温度获取整根电缆的温度曲线。当发生火警、光缆中断时，系统能对火警位置、中断位置进行定位，能够连续监测电缆整条线路的温度，在长距离与快速测量下，能得到高精度数据，当监测到电缆温度超过警戒值时可自动切断电源，有耐高压、抗电磁辐射等特性，测温光缆还具有防燃、防爆、抗腐蚀、耐高温、使用寿命长等优点，可以有效的预防电缆火灾，杜绝煤矿电缆着火而引起的煤矿瓦斯煤尘爆炸事故。
参考文献：
[1]刘冬梅，王桂梅，盛况.准分布式光纤温度传感器在煤矿火灾预防中的应用研究[J].科技信息，2010（05）.
[2]解家泽.消防领域分布式光纤测温系统的工程运用[J].中国新技术新产品，2010（10）.
[3]郑雁翎，仪涛，张冠军，李洪杰，张延辉，杨凤民，宋伟.10kV地下排管电缆的分布式光纤在线测温技术的应用研究[J].高压电器，
分布式光纤测温系统 篇4
在矿井冻结工程施工过程中, 为了实时掌握冻结壁的发展情况, 需要设置温度监测系统。目前, 冻结壁温度监测常采用多线制测量及一线总线式测量[1]方式。多线制测量方式布线困难、成本高;一线总线式测量方式布线简单、测温点可任意布置, 但任意一点的损坏将导致整个测温总线失效[2]。这2种方式都是通过获得离散点温度信息推断冻结壁的发展情况, 很难全面掌握冻结壁的全部温度信息。因此, 笔者采用光纤技术设计了一种分布式光纤测温系统。该系统主要依据光时域反射技术和后向拉曼散射温度效应实现温度测量, 近于连续分布的测温点使以往孤立点的温度监测发展为沿缆线的温度监测, 使得系统能够测量整个冻结壁的温度梯度, 克服了传统测温方式依靠检测离散点温度信息推断整个温度场分布特征的弊端, 消除了离散点测量带来的不安全因素[3]。同时, 光纤本身的抗电气干扰、耐腐蚀的性能大大提高了系统的稳定性。
1 系统设计
1.1 系统工作原理
分布式光纤测温系统的工作原理如图1所示。
该系统采用后向散射探测方法, 由半导体激光器 (LD) 产生很窄的泵浦光脉冲, 经光纤放大器 (EDFA) 提升功率后, 通过光纤分路器耦合进传感光纤, 在传感光纤中将产生后向散射光, 回来的后向散射光再经光纤分路器耦合进光滤波器进行滤波和分离, 从而得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向瑞利散射光, 自此便完成了信号的采集工作;从光滤波器分离出来的后向反斯托克斯拉曼散射光和后向瑞利散射光再分别进入光电探测器PD1、PD2进行光电转换及前级放大, 完成信号的光电转换工作;转换后的电平信号分别进入放大器1和放大器2进行放大, 然后分别由2片A/D卡 (A/D1和A/D2) 进行模数转换, 得到数字信号, 经FIFO数据缓存后进入计算机进行信号处理和分析计算, 最终得到对应点的温度信息。因此, 发出光脉冲后, 对后向拉曼散射光信号进行高速的多点采样, 就可获得沿光纤轴向的温度场分布, 实现分布式温度测量。
1.2 系统最佳波长的确定
分布式光纤测温系统的温度灵敏度可表示为
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式中:R (T) 为反斯托克斯光强比值;T为温度值;λ0为系统波长;Δγ为偏移波数;h为普朗克常量;c为光速;K为玻尔兹曼常量。
由式 (1) 可知, 系统的温度灵敏度随所选激光器中心波长的增加而提高[4]。但随着激光器工作时间的增加, 其中心波长会因管芯发热而向长波长方向漂移, 相应的后向拉曼散射光信号的中心波长也会随之发生变化, 从而影响整个系统的稳定性。尽管激光器的中心波长漂移量很小, 但也会给系统带来明显的不利影响。根据大量试验得出:系统的中心波长越短, 对系统的稳定性越有利[5,6]。
由上述可知, 从灵敏度角度看, 系统中心波长越长越好;从工作稳定性角度看, 系统中心波长越短越好。在选取系统中心波长时, 应着重考虑信号强度, 兼顾系统的温度灵敏度和稳定性。根据实验和研究, 得出分布式光纤测温系统的测量距离与激光器中心波长的关系[7]如图2所示。因此, 该系统选取激光器中心波长为1 550 nm。
2 系统的温度解调方案
分布式光纤测温系统利用后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线解调后向瑞利散射光功率曲线, 其实现过程:先测出整段光纤在T=T0 (T0为参考温度) 时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和后向瑞利散射光功率曲线, 然后将两者相比得到基线;测出光纤在任意温度T时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和后向瑞利散射光功率曲线, 将两者相比得到一条新曲线并与基线相比, 从而得到温度关系式。具体推导如下:
T=T0时, 后向反斯托克斯拉曼散射光功率Pas (T0) 和后向瑞利散射光功率PR (T0) 分别为
undefined
式中:n1为光纤折射率;E0为激光器光脉冲能量;Δv为光纤的拉曼频移量;Γas、ΓR分别为单位长度光纤中后向反斯托克斯拉曼散射光和后向瑞利散射光的散射系数;α0、αas分别为激光器中心波长和后向反斯托克斯散射光波长处光纤的损耗;L为光纤长度。
式 (2) 除以式 (3) 得到基线表达式:
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系统在温度T时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率和后向瑞利散射光功率分别为
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式 (5) 除以式 (6) 得:
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式 (7) 除以式 (4) 得:
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因此, 系统的温度解调表达式可表示为
undefined
该温度解调方案可抑制温漂噪声积累和后向瑞利散射光子窜扰后向反斯托克斯散射光子, 使测量精度保持较高水平;同时也可用后向瑞利散射光信号的电脉冲触发高速信号采集卡与累加器同步工作, 省去同速同步触发电源, 可进一步提高系统的安全性, 降低系统成本。
3 性能测试
3.1 室内实验
将分布式光纤测温系统调试好后, 将全部传感光纤置于-45 ℃的环境中, 运行自主研发的测温软件包程序, 得到的拉曼曲线、瑞利曲线、温度曲线如图3所示。
将全部传感光纤置于-15 ℃的环境中, 得到分布式光纤测温系统的拉曼曲线、瑞利曲线、温度曲线如图4所示。
从图3、图4可看出, 分布式光纤测温系统能比较真实地反映光纤沿线的温度, 所测得的温度曲线比较平滑, 系统测量精度可达1 ℃。
3.2 现场试验
将分布式传感光纤与一线总线式测温电缆同时下放到测温孔中, 并在一线总线式测温点处固定一个传感光纤环, 使传感光纤环与一线总线式测温系统的测温点相对应。开启一线总线式测温系统与分布式光纤测温系统, 测得的地层原始地温曲线如图5所示。
冷冻站运转一段时间后, 地层温度开始下降, 由一线总线式测温系统与分布式光纤测温系统测得的2组冻结孔内温度曲线如图6所示。
通过多次测量并对比测量结果发现:分布式光纤测温系统与一线总线式测温系统的测量结果存在误差, 误差曲线如图7所示。
从图7可看出, 分布式光纤测温系统与一线总线式测温系统的最大测温误差为0.69 ℃, 平均误差为0.5 ℃。一线总线式测温系统经计量研究院检测后, 系统最大测量误差小于0.2 ℃, 因此, 本文设计的分布式光纤测温系统的测温误差不超过1 ℃, 满足冻结工程的测温要求。
4 结语
通过室内实验可知:欲提高测量精度, 关键是提高信噪比, 提高有用信号强度;欲提高系统空间分辨率, 要求信号处理部分具有较宽的带宽, 但无限制地提高系统空间分辨率将会导致系统采集大量数据, 增加数据处理任务量, 使温度测量时间廷长, 最后可能导致系统实时性变得很差, 不能很好地满足工程需要或无法使用。
通过现场试验可知:将分布式光纤测温系统应用于冻结施工中, 可测量整个冻结壁温度场的分布情况, 及时发现温度异常点, 正确指导冻结施工, 满足信息化施工的要求。
摘要：文章根据冻结工程信息化施工的要求, 将分布测量理论和光纤传感技术引入到冻结监测中, 并结合某矿井冻结工程的实际情况, 对分布式光纤测温系统的工作原理、性能指标温度解调方案进行了详细的分析与研究, 成功设计出一套满足冻结施工要求的分布式光纤测温系统。该系统依据光时域反射技术和后向拉曼散射温度效应实现温度测量, 提高了测量精度和稳定性, 降低了系统成本。室内实验及现场试验验证了该系统的测量精度性与可靠性, 为冻结温度监测提供了一种新的监测手段。
关键词：矿井,冻结监测,温度监测,分布式光纤,温度解调
参考文献
[1]刘招伟, 赵运臣.城市地下工程施工监测与信息反馈技术[M].北京:科学出版社, 2006.
[2]翟延忠.地层冻结监测中超长距离一线总线驱动技术的研究[J].建井技术, 2004, 25 (6) :20~23.
[3]赵怀固, 沈华军, 潘存银.冻结温度监测仪引进与应用研究[J].西部探矿工程, 2005, 105 (2) :131~132.
[4]杨士娟, 李缓.拉曼散射光谱及应用[J].中国现代教育装备, 2006 (8) :56~58.
[5]常程.基于后向拉曼散射分布式光纤测温系统及其关键技术研究[D].北京:北京航空航天大学, 2000.
[6]刘德明.光纤传感系统的信号处理的研究[R].武汉:华中科技大学, 1999.
分布式光纤测温系统 篇5
关键词：煤矿,皮带输送机,分布式,光纤测温
1 前言
皮带输送机作为煤矿最基本的原煤运输工具, 因其连续大运量长时间的运行, 经常会出现打滑、撕裂、超温、过载、堆煤、电机异常等各类故障, 导致皮带相对滚筒及托辊之间打滑摩擦, 长时间摩擦产生的高温将会导致发生重大火灾乃至爆炸事故, 造成不可挽回的损失, 甚至危及人身安全。因此如何有效的检测皮带机各类温升故障, 把故障控制消灭在萌芽状态, 对于煤矿的安全生产异常重要。因此需要对皮带机传输线实施可靠的温度在线监测及预警, 达到提前报警的作用。分布式光纤温度检测系统针对煤矿皮带运输线路长、监测点多、环境恶劣等特点, 采用先进的光纤分布式传感技术, 利用光纤传感器具有不带电、抗腐蚀、抗干扰、施工简单等优点, 对煤矿井下皮带输送机运行中主要摩擦部位的温度变化进行实时检测, 对皮带输送机由于各种故障引起的温度异常做出诊断, 并发出声、光报警信号, 及时停止故障皮带机, 保证了皮带输送机的有效运行, 降低或避免了事故造成的人员伤害和财产损失。
2 光纤测温系统主要原理
分布式光纤测温系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输, 综合利用光纤的拉曼散射效应和光时域反射测量技术来获取空间温度分布信息。其中拉曼散射效应用于实现温度测量, 光时域反射测量技术用于实现温度定位。当激光光脉冲射入光纤并向前传播过程中, 由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射, 而一部分散射光会按照入射光相反的方向传播, 称之为背向光散射, 包括RayLeigh散射、Raman散射和Brillouin散射。其中Raman散射信号的变化与温度有关, 而且信号相对容易获取分析, 表现为一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光, 由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感, 因此系统采用斯托克斯光通道作为参考通道, 反斯托克斯光通道作为信号通道, 两者的比值提供了温度的绝对指示, 利用这一原理实现了对光纤温度信息的分布式采集。
3 光纤测温系统的组成及功能
光纤测温系统由光纤通讯、光纤传感、信号解调、报警控制等单元组成, 分为光信号发射模块、光信号接收模块、光波分复用模块、DSP数据处理模块以及定标控温模块五部分。由测温主机、工况机、光纤传感器、报警装置和监测系统软件组成。
分布式光纤温度监测主机是系统的核心部件, 实现光信号发生、背向散射信号的光谱分析、光电转换、信号放大和信号处理的功能。测量范围约7km, 温度分辨率0.1℃, 空间分辨率1m, 可提供36路报警输出干触点, 可输出设备状态、光缆状态等信息。工况机通过安装本地运行软件, 实时采集、分析数据, 并实现与主站计算机的通讯。光纤温度传感器安装在皮带传输托辊外端面, 实时监测皮带温度变化, 具有响应快、光纤衰减小等特点, 极大地提高了系统的测量精度和测量范围。报警装置, 在故障时发声光报警信号, 便于维修人员及时发现, 短信报警功能也为无人值守现场的工作人员提供监测报警信息。监测软件提供了监测现场线路全程分区图及其温度分布曲线, 具有6种报警类型, 为监测环境温度变化提供报警分析, 对实时数据进行分析, 可通过设定各种温度报警类型及时输出温度异常点, 以及保存各时刻数据以实现显示和查询功能。
4 光纤测温系统实际应用及功能
葛亭煤矿井下皮带运输分东、西两翼三个采区共计十一部皮带机, 其中集中胶带运输巷主皮带运输机共计四部。根据皮带机运行时间差异, 主要在GTPD-D1至GTPD-D4的集中运输巷四部皮带机上布置了光纤温度监测系统, 每部皮带机分别对皮带机驱动、改向滚筒轴承、上下托辊轴承以及电机、减带机等运转轴承等共计136个部位进行了传感器安装, 对温度情况进行实时监测, 并利用光纤传输至监测主机, 利用计算机及数据库技术对所采集的数据进行管理分析。测温主机置于井下, 可通过光纤终端盒端口接出2根感温光缆, 沿皮带机回程托辊进行铺设, 通过专用夹具将光缆固定在每个托辊的外端面上, 并分别引出光缆沿皮带机下方敷设进行温度检测。监测主机通过以太网口将实时数据传送到井下环网中, 再通过井下环网将数据传送到地面上位机进行数据分析, 如果监测到温升变化及时输出声光报警信号和短信报警信息。系统主机最大测量范围为7公里, 可以根据需求接多路感温光缆。探测光缆采用普通多模光纤, 低烟无卤阻燃外护套材料, 内部有加强芯提高抗拉抗压强度, 光缆柔软便于安装, 并且具有很好的热传导性和抗腐蚀特性。
该系统实现的主要功能, 一是显示功能, 能够实时显示系统监测温度曲线;显示全程分区状态图及其温度分布曲线;点击某区域显示重点监测点的温度随时间变化曲线;二是报警功能, 能够对皮带传输测量区域在长度上进行任意分区, 实现重点监测;根据实际情况设定不同分区的定温及差温预警值、报警值及地理位置名称, 同时可设置光纤断裂报警及设备异常报警;三是查询功能, 可以查询历史数据并显示或打印历史报表;可在系统图上直接查询设备信息、运行参数、统计信息等;四是报表功能, 能够提供强大的数据库保存功能, 可以根据用户需要定制或打印年报表、月报表、日报表等;五是分析功能, 能够根据历史数据记录对未来趋势进行评估, 提供检修参考信息。
5 经济、社会效益说明
分布式光纤温度监测系统在皮带运输生产中的应用, 充分利用了光纤本身不带电的优势对运行中的皮带机进行温升状态监测, 尽量把故障控制在萌芽状态。分布式光纤测温技术在煤矿原煤皮带运输系统中的推广应用, 极大推动了煤矿皮带机运输系统的在线综合监控、利用和管理等方面的能力, 大幅度降低了事故发生率, 提高科学判断水平, 达到事前预防的目的, 有效地保障了矿井的安全生产和职工的生命安全。分布式光纤测温系统在矿井皮带运输系统应用的基础上, 也可推广到煤矿空区自然发火监测、矿井光纤瓦斯传感监测、矿压矿震光纤传感监测和矿井供电系统主要部位温升监测等方面, 对提高矿山安全技术水平, 减少各类事故的发生, 推进谐社会建设, 具有重要的社会意义。
参考文献
[1]戚风云, 赵乐军, 周又玲.分布式光纤测温系统高速数据采集与处理[J].传感器技术, 2005, 11.
[2]宋士通.分布式光纤光栅测温系统的理论分析[J].农业电气化, 2010, 6.
分布式光纤测温系统 篇6
关键词：分布式测温,拉曼信号,自适应滤波,变步长,最小均方根
随着光纤技术的快速发展，分布式光纤测温技术在众多温度测量领域中得到了广泛应用，已成为温度测量的重要手段。与传统的传感器相比，光纤传感技术具有光学敏感测量和光纤传输的许多特点，如灵敏度高、电绝缘、抗电磁场干扰及易于实现远距离的分布式测量等[1]。基于Raman散射的分布式光纤传感测温系统(DTS)是一种实时测量沿光纤方向空间场温度的分布式传感器系统。其原理是高功功率窄脉宽激光光源发射一系列脉冲光，通过拉曼波分复用器(拉曼WDM)将脉冲光耦合进入传感光纤并接收光纤后向拉曼散射光谱，同时由拉曼WDM内光学滤波器，分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，再由检测器件、放大电路将其转化为电信号并进行相应的处理，解调出与光信号对应的温度场信息。最终通过光的时域反射技术进行定位。
由于光在传输过程中的损耗、拉曼散射的功率非常小使后向散射回来的反斯托克斯光和斯托克斯光的信号非常微弱，这样光电转换后的电信号很难被检测。同时传感光纤弯曲处和焊接处损耗、传感器自身的噪声、放大电路的噪声、各种元器件的固有噪声以及光电转换和放大的过程中会引入随机噪声和外界的电磁干扰，这些噪声的幅度往往比有用信号的幅度大得多[2]。受到上述因素的影响，使得原本微弱的反斯托克斯信号和斯托克斯信号完全淹没在噪声中。因此，必须有效抑制信号中的噪声，才能提取出有用的温度信号，从而提高系统的性能。因此，对微弱信号的处理的关键就是提高系统的信噪比[3]。
自适应滤波算法在信号处理领域有着重要的地位，近年来在各领域都得到了广泛应用，如工业控制、通信领域以及导航系统等。对于不能预测信号以及噪声特点的场合，无法使用一般的滤波器对信号进行最优滤波，自适应滤波器的引入成为行之有效的方法。现有各种自适应滤波算法中，LMS和NLMS[4,5]由于其计算量小，易于实现而被广泛采用。根据分布式光纤测温系统的信号噪声特点，本文采用一种变步长的LMS自适应滤波算法对拉曼散射传感信号进行去噪。
1 分布式光纤测温原理与信号特征
1.1 分布式光纤测温的原理
分布式光纤测温系统的原理如图1所示，主要由传感器光纤、拉曼WDM、高功率窄脉宽激光光源、光电转换器件雪崩二极管APD与放大电路、信号采集与数据处理系统等部分组成。激光器发出一系列高频大功率窄脉宽的脉冲光，经过拉曼WDM将光脉冲耦合进人传感光纤，由于传感光纤的背向拉曼散射，散射光通过光纤传输回拉曼WDM中分光器，分别过滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，然后通过光电转换器雪崩二极管APD转换为电信号，电信号经过低噪声放大器后，再由高速A/D进行转换与信号采集模块将采集的数据送入信号处理单元进行处理，最后解调出与光电信号对应的温度信息并在计算机中显示。
1.2 拉曼噪声信号的特征
拉曼散射散射的光信号具有以下特点:信号的信噪比较低，信号的噪声主要是白噪声和瞬时脉冲，致使原本微弱的有用信号完全淹没在噪声中;一般情况下有用的信号是低频信号，而噪声是高频信号;噪声信号的强度由近到远逐渐增强。由于白噪声的产生是随机的，并具有平均值为零统计特性，为减少噪声对分布式测温系统性能的影响，通常采用数据累加平均算法来处理信号，从而提高系统温度分辨率。该算法主要通过累加次数来改善信号的信噪比，累加次数越多效果越好。累加次数越多，系统温度测量的时间越长，显然，在温度快速变化的场合此算法则不适用，系统的实际应用会受到影响。若得到响应速度较快的系统，一是必须损失系统的测温精度，二是要改进算法节约数据处理的时间。
1.3 白噪声序列
从工程实际出发，白噪声往往可视为具有理想谱密度的平稳随机过程。白噪声是一种简单的随机过程，是由一系列不相关的随机变量组成的理想随机过程。数学描述
式中，δ(τ)为单位脉冲函数。白噪声离散化
DTS中拉曼散射温度信号中的这些噪声可认为是白噪声，故本文采用零均值，方差为1的高斯白噪声，如图2所示，作为噪声信号进行去噪仿真。
2 变步长LMS自适应滤波器的原理
2.1 最小均方自适应滤波器的结构
自适应滤波技术已广泛地应用于数字滤波器设计、通信、系统辨识、自动控制及物理科学中。在工程中经常会遇到如下情况:输入信号是随机的，信号统计特性未知或者统计特性缓慢变化(非平稳信号)。这就使人们不得不研究处理这类信号的滤波器，应用于工程实践中。这类滤波器的特点:输入信号是统计特性未知的随机信号或者非平稳信号时，可以通过某中算法自适应的调整滤波器参数，来实现工程中的某种准则。由于这类滤波器能变动自身的参数以“适应”输入过程统计特性的估计或变化。因此，把这类滤波器称为自适应滤波器[6]。
LMS算法(Least Mean Square)是美国斯坦福大学的Widrow和Hoff在研究自适应理论时提出的，因其易实现而得到了广泛应用，并成为自适应滤波中的标准算法。其有两个基本部分组成:
(1)滤波过程。计算通过输入信号时滤波器的输出响应;然后，通过比较输出响应Y(n)与期望响应D(n)产生估计误差。
(2)自适应过程。根据估计误差E(n)自动调整滤波器自身权值。这两个过程缺一不可，协调工作组成一个反馈回路，
以上两个过程协调工作，缺一不可，其框图如图3(a)所示，首先由一个普通的横向滤波器来构造LMS算法，用它完成基本的滤波工作。其次，还有一个根据E(n)自动调整权值的控制算法来适应横向滤波器。
自适应滤波器的结构如图3(b)所示。输入向量X(n)的元素有N×1个，分别为抽头X(n),X(n-1),X(n-2)，…，X(n-N+1)，其中N-1是延迟单元的个数;这些抽头组成了一个多维空间。与输入向量对应的有N×1个权向量W(n)，其分别是抽头权值W0(n),W1(n),W2(n)，…，WN-1(n)。通过计算计算最小均方根得到一个向量的估计值，当迭代次数趋近与无穷多时，该估计值的期望值可能接近维纳解Wo。在滤波过程中，输入向量X(n)与期望响应D(n)同时作为滤波器的输入参考，这样给定一个输入信号，横向滤波器FIR就会输出一个作为期望响应D(n)的估计，然后将此估计值与期望响应作差，得到估计误差E(n)。
2.2 最小均方自适应算法
本文综合文献[7,8]分析，在常规固定步长LMS或牛顿LMS自适应算法中，通常收敛速率与稳态误差之间相互矛盾并不能同时满足系统的要求，人们研究了各种各样的改进型LMS算法[9,10,11]。本文提出一种更为简便的变步长LMS算法，其迭代公式如下
式中，w(n)为自适应滤波器在时刻n的权值向量;X(n)为输入信号向量;D(n)为期望信号;E(n)为误差信号;μ(n)为使相应的定步长LMS算法收敛最快的步长;固定步长μ0表示最大允许的步长。α为调整因子，取值范围为0.9≤α≤1。LMS自适应滤波器有3个性能指标分别是收敛的速度，对时变系统的快速跟踪能力和收敛精度。变步长算法就是在无数次迭代过程中自适应调整步长，在滤波过程中不断调整步长因子，不断改变权值，进而达到同时满足速度和精度的要求。对于本文而言，步长增益α/en-1应具有:初始情况下α/en-1趋近与1;随着自适应滤波器慢慢逼近有用信号，α/en-1→0。
3 Matlab仿真及结果分析
根据分布式光纤测温系统的信号及噪声信号的特点，微弱的携带温度信息的反斯托克斯信号被完全掩没在噪声中。本文用s(t)=0.384×10-6τ2-1.92×10-3t+2.4模拟反斯托克斯信号，其离散化的Matla仿真如图4(a)所示。噪声信号noise(t)是零均值，方差为1的高斯白噪声，如图2所示。原始信号xn(t)=s(t)+noise(t)，将其离散化的Matlab仿真如图4(b)所示。
研究在收敛范围内，特定噪声方差下，同一实验环境下，变步长LMS算法和固定步长LMS算法性能的比较分析以及算法稳定性、收敛速度和稳态误差大小的影响。本文经过多次仿真比较，采用计算机模拟条件(1)自适应滤波器阶数L=5。(2)μ0=1/750，α=0.977。为得出每一条曲线，分别做500次独立的仿真，采样点数为1 500，然后求其统计平均，得出学习曲线，LMS算法的去噪效果如图5所示。统计平均的均方差信号，得到的学习曲线如图6所示。
图5是变步长LMS算法和固定步长LMS算法对分布式光纤测温温系统的原始信号的仿真结果。结果表明变步长的LMS算法与定步长LMS算法相比，滤波效果更好，稳定性和精度也更高。
分布式光纤测温系统 篇7
分布式光纤测温预警系统正是基于这一需求而研发出来的。它结构简单、实用可靠,并具有安全管理自动化水平。它采用光纤作为感温介质和传输介质,以光纤内传输激光强度的变化来测量光纤在油罐内各区域的温度。光纤精度高、质量轻、体积小,便于大规模敷设,和线型感温电缆相比,光纤防爆、防雷击、抗电磁干扰,具有较低的维护成本和较高的可靠性。分布式光纤测温系统能够实现油罐区无电、实时在线监测,提高了油罐区的安全性。
1 光纤测温技术原理
激光在光纤中传输时会产生瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等多种类型的散射。其中拉曼散射对温度最为敏感,它是由光纤构成分子的热振动和激光光子在相互作用时产生的。具体地说,若一部分光能转换为热振动,那么将发出一个比光源波长更长的光,此光为斯托克斯(Stokes)拉曼散射光;如果一部分热振动转换为光能,则将发出一个比光源波长更短的光,称为反斯托克斯(anti-stokes)拉曼散射光。Stokes拉曼散射光的光功率受温度影响很小,可忽略不计,而Anti-Stokes拉曼散射光的光功率对温度比较敏感,二者光功率之比是一个与温度相关的函数,
其中,PAS(L)、PS(L)分别是Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的光功率;ΓAS、ΓS分别为Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数;αAS、αS分别为A-nti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光在光纤中单位长度上的损耗系数;L为后向散射点到探测端的光纤长度。Δν为拉曼声子频率;h为普朗克常数;k为玻尔兹曼常数;T为绝对温度。可见,L处的Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的光功率比只与外界环境的温度有关。
式(1)中光功率比是到达探测器前的光功率比,由于探测器光谱响应率的不同,需要选取一段光纤L'作为定标光纤(此光纤放置在温度为T0恒温箱内,一般取光纤的前200 m区域)。
式(1)与式(2)相比知
式(3)光功率之比等于探测器探测到的光功率之比。
对强度之比取对数,则L处的温度
其中,h,Δν,k,T0,αS,αAS,PAS(L),PS(L),PAS(L'),PS(L'),L均已知。
激光在光纤中以一定的速度传播,通过入射光和接收到的后向散射光之间的时间差Δt,以及光纤内光的传播速度,可知光纤内各点距离光纤入口的距离L如下[6]
式(5)中,c为真空中光速;n为光纤折射率。
这样,由式(4)、式(5)就可以得到整根光纤沿线上各点上的温度,从而实现了分布式测量温度[2,3]。
测温过程如图1所示。
图1中(a)是拉曼散射原理示意图,入射激光波长为1 550 nm,光纤分子的拉曼声子频率Δν为1.32×1013Hz,则Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的波长分别为1 451 nm和1 663 nm,其中1 451 nm的拉曼散射光的光功率随着温度的升高逐渐增大。入射激光经光纤散射后(如图1中(b),Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光经窄带光谱滤波后分别进入探测器A和探测器B,记录传输时间Δt。探测器给出的电信号经处理器处理后,结合光纤定标信息,从而求得距离处的温度。采用高品质的脉冲激光光源和高速的信号采集与处理技术,便可得到激光沿传输方向的距离温度曲线。若图1中500 m处光纤温度升高,系统给出的测温曲线在500 m附近会有一个极大值,这样就可及时找到500 m处进行隐患排除,如图1中(c)所示。
2 性能指标及系统选型
光纤测温预警系统主要由光纤测温系统和火灾报警主机组成,其中光纤测温系统由测温光缆、分布式光纤测温主机组成。测温光缆感受并传送温度信号,测温主机对温度信号实时分析和监测,并将报警信号上传火灾报警主机。
2.1 性能指标
衡量光纤测温系统性能的指标主要有三个,即空间分辨率、温度精度和定位精度[5]。空间分辨率是指分布式光纤测温系统对沿光纤长度分布的温度进行测量所能分辨的最小空间单元,即最小长度;温度精度是指测量温度与实际温度的误差;定位精度在定位功能中,以长度值标示感温光纤位置时,位置测量数据与实际值的偏差。
2.2 测温光缆
感温光缆应具备良好的抗啮咬、抗振和防静电特性以及温度传导性能。用于储油罐温度监测的感温光缆,可以定做为内含金属铠装材料,外部为绝缘材料的形式。系统用光纤衰减不应大于3.5 d B/km@850 nm。整个系统的衰减不得超过控制单元的标度(2 000 m光纤上的最大衰减不超过10 d B),其他参数要求如表1所示。
2.3 分布式光纤测温主机
光纤测温主机采用OFDR技术,通过窄带检测频域信号,并在频域上进行温度计算。相比OTDR(optical time domain reflectometer)分布式光纤温度传感器,OFDR分布式光纤温度传感器温度稳定性好,测试时间短,可以降低噪声,从而获得更高的信噪比[4]。
分布式光纤测温主机通过测温通道与测温光缆相连,根据实际需要可选择不同通道数的测温主机,测温通道数最多可达到16个。测温主机具有可编程输入输出接口以及各种通讯接口。空间分辨率可到1 m,温度分辨率可低至0.1℃,测试距离可达2 000 m(可扩展)。
2.4 火灾报警主机
火灾报警主机通过连接光纤测温主机上的继电器实现报警,如图2所示。
不同的光缆对应相应的通道,通道对应相应的继电器,继电器又对应相应的输入模块。因而,火灾报警主机可提供光缆温度异常部位的位置信息。光线测温主机当测得某段光纤温度超过60℃时,通过相应继电器驱动火灾报警主机实现自动报警。
3 光纤测温预警系统方案与实施
3.1 光纤测温预警系统方案
某单位有4个拱顶油罐和3个浮顶油罐。4个拱顶油罐高12 m,直径25 m,介质为汽/柴油,油罐到主控室约500 m。3个浮顶油罐,高22/25 m,直径60/80/96 m,介质为原油,油罐到主控室约800 m。
可选用2台光纤测温主机。1号主机监测4个拱顶油罐,2号主机监测3个浮顶油罐。各通道监测的具体情况如表2所示。
3.2 光纤测温预警系统实施
系统实施的主要工作是光缆的敷设、熔接以及光缆接头盒固定。
3.2.1 光缆敷设
测温光缆安装在待测油罐顶上原有火灾探测口内,沿油罐内呈圆周分布。固定时,使用固定压板将光缆固定在油罐浮船周边,固定压板隔1 m左右使用1个,或使用U型永久磁铁将测温光缆吸附到所要安装的位置。拱顶罐内探测器固定在灌顶部的围栏下沿的扁铁上。测温光缆本身既作为感温探测光缆,同时也作为信号传输光缆,将其从地下敷设到控制室。光缆应每隔100 m设置光缆余量段。在测温光缆始端,设置光缆余量段来实现始端显示定位,在测温光缆尾端,设置光缆余量段来实现终端显示定位,并应在尾端进行防水处理。
3.2.2 光缆熔接与光缆接头盒固定
不但不同光缆盘之间持续需要进行光缆的熔接,在光缆断点处和较大损耗点处也需要进行光缆的熔接。熔接时,剥开测温光缆长度约50 cm,并将剥开部分固定至接头盒内。先清洗测温光缆,再穿热缩管,并对多对光缆完成光纤匹对。光缆熔接后,先固定盘内光缆再将光缆接头盒密封,并牢靠固定于高位。测温光缆在接头盒的进出口处要有较大的弯曲半径。铠装测温光缆应接地,接地电阻不大于4Ω。
3.2.3 测温结果
图3是光纤测温主机一号机通道三的距离温度曲线。
可以看出,光纤前端的温度抖动较大,随着距离的增加,曲线逐渐趋于一条直线。这是因为,光纤的温度除取决于油罐内油温外,还与太阳光照,与热源的距离以及室内外温度等有关。把光标定在温度曲线上某点,可知此距离处的温度。图中1 433.10 m处的温度为27.87℃。
4 结论
分布式光纤测温预警系统能够利用光纤测量其沿线的分布温度并实现告警,系统可扩展性强,单位成本随着测量距离的增加而降低。测温现场不带电、不引雷、无电源、无热源,测温主机离现场距离较远并可实现实时、高精度、远程集中自动化管理,从而最大程度上避免了火灾爆炸等恶性事故发生。分布式光纤测温预警系统对油罐内油气的温度进行实时连续的监测,当光纤温度超过60℃时能够实现自动告警。测温曲线与油温高低、太阳光照、室内室外、与热源距离等有关,温度分辨率高。通过分析运行温度,可寻找出油罐温度变化的气候、季节性规律,从而制定有针对性的巡察方案,这对预防火灾有较大的帮助作用。
参考文献
[1]陈思维,杜杨.油罐中油气爆炸规律研究[J].安全与环境学报,2007(3):102-104.
[2]孙静,赵子玉.电力电缆温度实时在线监测[J].电线电缆,2011(1):40-42.
[3]李秀琦,侯思祖.分布式光纤测温系统在电力系统中的应用[J].电力科学与工程,2008(8):37-40.
[4]耿文倩,耿军平.光时域背向拉曼散射分布式光纤传感器与光频域背向拉曼散射分布式光纤传感器对比研究[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2002(5):49-53.
[5]张丽萍,张斌.分布式光纤温度传感器与其性能参数检测方法的研究[J].工业计量,2013(5):37-39.
[6]张在宣.光纤分子背向散射的温度效应及其在分布光纤温度传感网络上应用研究的进展[J].原子与分子物理学报,2000(3):559-565.
分布式光纤测温系统 篇8
关键词：分布式光纤测温系统,工作原理,在线监测
随着经济社会的发展, 能源问题日益突出。为了响应国家走可持续发展道路的号召, 国家电网决定大力发展智能电网。智能电网对可靠性和稳定性的要求越来越高, 给电网的日常运行维护工作也带来了新的挑战和机会。在电力系统中, 电力电缆主要是用来进行电能的传递, 电缆常常因长期运行而发生绝缘老化, 由于所处外部环境恶劣及内部高负荷电流而引起局部高温甚至火灾, 而传统的运行维护方法主要靠人工进行日常巡视, 这需要大量人力和设备, 不能准确、快速地反映电力电缆的健康状况, 大大影响了电网的安全、可靠运行。因此, 很有必要对电力电缆进行实时在线监测, 从而能够及时进行故障诊断和定位, 使事故消除在萌芽状态。智能配电网中光纤复合架空相线 (OPPC) 和光纤复合低压电缆 (OPLC) 的大量使用, 为分布式光纤测温系统在电力电缆在线监测中的应用打下了扎实的基础。
基于分布式光纤传感技术的优势, 其理论和应用研究一直是国内外研究的热点[1]。1981年英国的南安普敦大学首次提出了分布光纤温度传感器系统的定义, 1987年英国YORK技术有限公司首次推出了商品化的拉曼后向散射效应的DTS分布式光纤温度传感系统。目前, 国外关于分布式光纤测温系统的研究已经相当成熟, 其测量距离最长可达30 km, 温度分辨率最高可达0.5℃, 空间定位精度最高可达0.5m;而国内同类产品的监测距离最大为5 km, 空间分辨率为2 m, 温度分辨率为1℃, 国内产品相比国外产品在性能指标上还存在一定的差距。
1 分布式光纤测温系统工作原理及特点
1.1 定位原理
分布式光纤测温系统在时域中利用OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer) 技术原理来对不同的温度点进行精确定位。OTDR技术基于光的瑞利散射和背向反射原理, 当光脉冲在光纤中进行信息传递时, 光纤上的每一处都会发生散射现象, 散射大小和光功率强弱成正比, 光功率和光纤的衰耗情况有光。由于瑞利散射是全方位的, 有一部分光会反向传输到输入端形成背向散射光, 利用OTDR探测器测量到的入射信号到达某测温点后返回信号所用的时间, 可以初步计算出该测温点的位置[2], 即:
式 (1) 中:L为测温点距离人射点的距离;C为光脉冲在真空中的速度;n为光纤纤芯的折射率大小;t为信号从发射到返回的时间。
1.2 测温原理
DTS (Distributed Temperature Sensor) 光纤分布式温度测量系统利用光子的拉曼散射温度效应来实现温度的检测。光纤本身不仅进行信号传输, 还用于探测温度, 即传播传感一体化。当激光脉冲在光纤中传输时, 光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换会产生拉曼散射。若一部分光能转换成热振动, 则会产生一个比光源波长长的光, 称之为斯托克斯光 (Stokes) , 如果一部分热振动转换成为光能, 则会产出一个比光源波长短的光, 称之为反斯托克斯光 (Anti-Stokes) [3,4,5]。
Stokes光强:
Anti-Stokes光强:
由于Stokes光强度受温度的影响很小, 可忽略不计, Anti-Stokes光强度会随着温度的变化而变化。而Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式, 即:
式 (2—4) 中:Ia, Is分别为Anti-Stokes和Stokes的光强度;λa, λs分别为Anti-Stokes和Stokes的波长;h为普朗克常量;c为光速;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度;Δγ为偏移波数。
光在光纤中传输时后向拉曼散射光沿光纤原路返回, 被光纤探测单元接收。测温主机通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化就可实现对外部温度变化的监测。
1.3 工作原理
分布式光纤测温系统的原理是利用激光在光纤中传输时产生的拉曼 (Raman) 散射和光时域反射原理来获取空间温度的分布情况, 其工作原理如图1所示。
光发射机在同步控制单元的触发下, 形成一定周期和持续时间的短脉冲光, 该脉冲驱动半导体激光器产生大功率的光脉冲, 脉冲光通过光耦合器连接到恒温槽, 然后进入传感光纤。其中, 恒温槽用于系统标定温度。同时, 双向耦合器将散射回来的后向拉曼光耦合至光处理系统。通过分光器, 滤出Stokes光和Anti-Stokes光, 分别进入不同的光路进行处理。由于散射光中还夹杂着其它散射光和干扰光, 所以需要对两路光进行一定的带通滤波处理。由于后向拉曼散射光的强度非常微弱, 拉曼散射光进而通过APD (雪崩光电二极管) 进行光电转换和放大, 得到一定范围的有效电压值。然后由数据采集单元进行高速数据采样并转换为数字量, 最后经过信号处理器对信号进一步处理, 便可将温度信息实时计算出来。同时根据光纤中光的传输速度和后向光回波的时间对温度信息定位。
工作人员根据实际情况预先在系统中预先设定测温光纤的始末长度与测温的距离间隔, 以每个点测得的温度值作为提取对象, 在数据提取程序下对这些点所在光纤上的刻度值进行定义, 从而实现对监测点的温度值实时在线监测。分布式测温系统按照设定的间隔每隔一定时间针对所有监测点记录相关温度数据, 随着通信网络的大力发展, 网络结构越来越复杂, 线路长度越来越长, 产生的数据也越来越大, 相关管理和处理也越来越困难, 如采用传统人工的检查和处理, 则工作量非常巨大, 且容易遗漏与出错。分布式测温系统采用数据库系统编程的方式来进行数据导入、异常数据的检验、数据处理后的导出等操作, 并能够与常规温度计实测温度进行差值比较, 按差值大小来进行自定义显示, 进行修改或者剔除等处理操作, 提高了光纤数据前处理工作的效率。系统采用统计检验方法识别温度异常值。统计检验方法采用统计理论进行观测资料检验, 因为有一定的数学依据和判断标准, 很大程度上减少了分析人员的主观性, 也不依赖于分析人员的经验和技术水平。对于异常温度测值, 程序可以根据识别因子判断并作出标记, 如果程序判断为温度异常数据, 将通过操作将异常温度测值直接剔除。
1.4 技术特点
传统的电温度传感器包括传统的热电偶传感器、热电阻传感器以及特殊的半导体传感器等, 这些传感器容易受电磁干扰, 同时易燃、易爆, 腐蚀性差。由于是点式测量, 有盲区, 在现实工作中, 也不便于安装、布线, 维护工作量大, 成本高。分布式光纤测温系统与传统的电缆感温系统相比, 有以下优点:
(1) 以光纤为媒介, 光纤的纤芯材料为二氧化硅, 耐腐蚀, 不受电磁干扰, 使用于特殊场合;
(2) 线性测量, 无盲区, 可以准确地测出光纤沿线任一点的温度量, 灵敏性高, 信息量大, 数据直观;
(3) 光纤体积小, 重量轻, 抗拉伸, 同时纤细柔软, 便于安装;
(4) 监测距离长 (可至10 km) , 一条光缆即可完成控测和信号传输, 所有设置都在终端完成, 整个系统简单稳定, 易于维护操作;
(5) 温度达到报警值, 不影响系统的正常使用, 可靠性高, 使用寿命长。
2 分布式光纤测温系统在电力电缆中的应用
2.1 在线监测系统网络结构
基于分布式光纤测温的电缆监测系统可采用B/S结构, 其网络结构如图2所示。
DTS设备负责进行测温, 将所得的数据保存在数据库服务器中, 中心服务器完成综合监视、数据管理、事件管理、台账管理、统计管理和系统管理。用户可以通过操作终端连接到监测服务器, 获取相关数据, 完成各项任务, 实现系统的各项操作功能。同时, 该监测系统网络级互通接口实现与其他网管系统、资源管理数据库系统等系统互通, 从而实现资源共享。该监测系统能查询其他系统的相关数据, 其它系统也能从该在线监测系统中提取自己所需的信息。通过这种基于B/S的模式控制简单, 系统扩展性好。
2.2 实际应用效果
(1) 无锡某电力管廊10 k V电力电缆采用了外置式光纤测温系统进行在线监测。状态检测主机和DTS测温主机均安装于监控室的控制柜中, 探测光缆沿着电缆表面敷设, 且每隔1 m使用尼龙扎带或固定夹具进行绑扎, 探测光缆安装示意如图3所示。
探测光缆既可以作为温度传感器感应温度信息, 又可以作为信息传输通道将相关温度信息传送给DTS测温主机进行处理。DTS测温主机与电力电缆状态监测主机之间通过TCP/IP协议进行通信, 通过检测主机内置软件实现对DTS测温主机和监测范围进行相关配置, DTS测温主机将温度信息传送给电力电缆状态监测主机内置软件进行后期处理, 输出实时电缆温度及报警信息等。
(2) 无锡某小区1号公配所至2号楼的10 k V电力电缆采用了内置式光纤测温系统进行在线监测。状态检测主机和DTS测温主机均安装于公配所的控制柜中, 采用光纤复合电缆中的内置光纤来进行探测, 安装示意如图4所示。
分布式光纤测温技术在电力电缆中的应用, 可以有效地监测电缆在不同负载下的发热状态, 积累历史数据;通过载流量分析, 可以保证在不超过电缆允许运行温度的情况下, 最大限度地发挥电缆的传输能力, 降低其运行成本;进行老化监测, 发现电力电缆上的局部过热点, 及时采取相关降温措施, 延缓电力电缆老化的速度;进行实时故障监测, 及时发现电缆运行过程中的外力破坏等。
(3) 电力电缆状态监测主机一般安装于变电站监控室或者中央控制室内, 电力电缆状态测温软件通常内置于主机内, 用户可以通过状态监测系统可以及时、准确地了解电力电缆的工作状态。分布式光纤测温系统界面可以实时地显示各电力电缆线路上的温度分布曲线、各点温度随时间的变化曲线、不同区域的独立报警、最高温度的报警、温度上升速率的报警等。
3 结束语
基于分布式光纤测温系统的电力电缆在线监测系统, 通过将导线、电缆张力、温度、垂度、信息和电气相关信息相结合, 不但能够实现实时对电力电缆负荷情况的在线监测, 还能够及时、准确地进行限制电缆载流量瓶颈点的温度监控和定位, 方便了电力部门及时调整负荷和线路的日常维护, 减少了由于停电对用户带来的经济损失。更为重要的是, 通过将故障电量信息与温度信息进行实时显示处理, 能够对电力电缆故障进行及时报警, 迅速准确地确定电力电缆的故障点位置, 指导相关检修人员及时赶到事故地点进行电力电缆修复, 大大提高了供电的可靠性。分布式光纤温度测量系统是目前电力电缆在线监测最有效的手段之一。
参考文献
[1]张颖, 张娟, 郭玉静, 等.分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势[J].仪表技术与传器, 2007, 08 (3) :1-2.
[2]AOYAMA K, NAKAGAWA K, ITOH T.Optical Time Domain Reflectometry in a Single-mode Fiber[J].IEEE Journal of Quantum Electronics, 1981, 17 (6) :862-868.
[3]刘扬, 侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统分析研究[J].电子设计工程, 2009, 17 (1) :23-25.
[4]AHANGRANI M, GOGOLLA T.Spontaneous Raman Scattering in Fibers with Modulated Probe Light for Distributed Temperature Roman Remote Sensing[J].Journal of Lightwave Technology, 1999 (8) :1379-1391.
[5]刘文, 杨坤涛, 许远忠.基于自发Raman散射分布式光纤测温系统设计[J].光通信研究, 2005 (4) :54-56.
分布式光纤测温系统 篇9
1 火灾成因及选煤厂传统的预防措施
1.1 火灾原因
电缆燃烧主要原因有以下几个: (1) 电缆本身存在质量问题, 过载能力不够。因材质和工艺的不同, 各种电缆之间有一定的寿命差别, 特别是在条件恶劣的电缆沟内, 电缆老化速度会加快。 (2) 电气故障。由于短路电流冲击, 导致电缆绝缘性能急剧下降, 容易发生火灾。 (3) 施工因素。施工时, 未按规定分层敷设、绝缘距离不够、敷设密度超标, 容易引起电缆发热。此外, 电缆头压接不紧、三相压接头几何位置不对称、压接管压接后有金属毛刺、接地电阻值超标等都会导致电缆接头发热。 (4) 外力因素。电缆沟浸水事故或者由于老鼠啃咬等都会造成电缆损伤, 埋下电缆火灾隐患。
综上所述, 火灾事故大部分是由于温度过高引起的, 如果在火灾发生之前能及时、准确地监测电缆、环境温度变化并发出预警, 使用户有充分的时间采取相应的措施, 就能够避免事故发生。选煤厂分布式光纤测温系统专门为长距离、大范围、多点链接温度监测的应用而设计。
1.2 选煤厂传统的预防措施
针对外因引起的火灾, 一般通过监测各机电设备或环境温度变化来判断各设备是否正常运转或区域环境温度是否正常。大功率主要机电设备一般安装电子传感器, 该方法只能测一个点或者局部温度, 如果对整个危险区域进行大范围连续监测, 系统造价成本会很高。采用烟雾传感器监测环境中的烟雾浓度也是监测选煤的另一种监测方法。但该方法存在较大的滞后性和局限性, 一般烟雾传感器仅布置在配电室和集控室。
目前, 选煤厂对电缆沟的管理大多还处于计划检修阶段, 一般采用定期巡视的方法对电缆沟的运行状况进行检查。这种管理方式已经成为电缆沟管理的短板, 潜在的火灾故障也很难被及时发现。
2 在线监测技术的应用
根据分布式光纤测温系统在我公司《宁夏宁鲁煤电有限责任公司任家庄洗煤厂扩建工程》EPC总承包工程项目工程中的实际应用, 通过跟踪YT-DTS2000分布式光纤测温的运行情况, 对分布式光纤测温系统在选煤厂的应用现状作以下介绍。
该系统由感温光缆、光纤测温主机 (双通道) 、监控电脑组成。其中通道1为电缆沟及3.5 km长的电缆桥架, 通道2为电缆沟及4.5 km长的电缆桥架。
分布式温度传感器 (distributed temperature sensing, 简称DTS) 是相对于传统点式温度传感器而言的。由于采用了光纤作为传感器, 因而DTS技术具有了精度高、稳定性强、寿命长等特点, 是温度传感领域的发展趋势之一。DTS可以连续得到沿探测光缆的所有温度信息, 不存在监测盲区。而且光纤本身由石英材料组成, 具备完全的电绝缘性。同时, 光纤传感器的信号是以光纤为载体的, 具有本质安全性, 在恶劣的电磁环境中仍可以正常工作。更为重要的是, DTS不仅可以监测电缆上的异常热点, 还可以对电缆进行载流量监控。这使得DTS既能有效预防火灾事故, 还可以为电缆工作情况的分析提供参考。
本项目DTS系统中测温光缆内芯采用美国康宁62.5/125μm多模光纤, 护套采用铠装保护, 外套采用阻燃的低卤PVC材料。其特点是测温部分采用全光纤结构, 真正实现了无源温度监测, 自身不带电、不发热, 不会因为传感系统的布设带来安全隐患;测温精度高, 能够提供连续的动态测温度信号, 形成温度随空间变化的曲线;整个温度传感系统的温度分辨率为0.1℃, 温度测量精度为±2℃;响应时间短, 采用高速数据总线和FPGA进行高速数据处理, 对8 km测温光缆的温度检测时间不超过4 s。
通过光纤温度分析主机和监测计算机的处理, DTS系统可以顺利完成如下工作: (1) 分布式监测, 无监测盲区。分布式光纤测温系统中测温光缆的每一点都是温度传感器, 可以对测温光缆布设范围内的每一点进行实时监测, 消除监测盲区, 从原理上避免了火情漏报的可能。 (2) 实时在线监测。可任意划分报警分区, 每个报警分区都可设置多级温度的温度点报警、温升速率报警等参数。报警信息以不同的声、光、颜色的图形界面、继电器输出等形式及时提供报警种类、位置、温度值等信息。 (3) 图文显示功能。软件系统可以根据用户的要求、被监测对象的地理位置信息设计出用户偏好的地图显示模式, 并具有深度图层扩展功能, 非常直观, 符合用户的使用习惯, 能够反映出监测对象的温度、运行状态等信息, 图层功能很好地实现了由面到点、由大到小的分散/集中管理模式。 (4) 灵活的报警控制。用户可以直接远程登录主机或通过远程监测软件设置整个火灾报警系统的报警参数, 并根据测温光缆位置及当期气候条件, 分别设置每个测温分区的报警温度, 也可设置多级报警条件, 例如温度预警、温升预警、温度报警和温升报警等, 结合实测温度和温度变化情况, 对真实的火灾事故进行甄别, 基本消除误报和漏报。 (5) 完善自我诊断功能。对于断电管理, 系统具有自己的蓄电池和断电管理模块, 当失去市电后自动切换到蓄电池工作模式, 并可独立正常工作8 h以上。 (6) 自我诊断。本系统中在对每条测温光缆温度进行检测的同时, 还能够实时检测每条测温光缆的工作状态, 例如光缆破损、折弯造成的额外损耗, 并对破损、折弯的位置进行精确定位。系统每进行一次温度测量的同时进行系统的自我检测与诊断, 及时发现损坏光缆, 便于及时维修与维护。 (7) 数据分析和处理功能。提供对数据的管理功能, 按照用户要求按时存储数据、管理数据, 能够对数据进行统计、分析, 形成记录曲线、文字图表等。还可根据查询条件查询历史数据, 绘制曲线图。
3 结束语
选煤厂必须高度重视火灾隐患, 对于供电线路的电缆桥架和电缆沟, 建议采取DTS光纤温度监测。光纤测温系统一次性投入相对较大, 但施工难度不大、精度高、寿命长、信号传输可靠、不需要外接电源, 不但能有效防止火灾的发生, 还能提高电网运行管理的水平, 促进智能电网的进一步发展。
参考文献
[1]赵浩, 肖恺, 李平, 等.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究与应用[J].山东工业技术, 2013 (10) .
[2]宋士通.分布式光纤光栅测温系统的理论分析[J].农业电气化, 2010 (6) .
[3]杨黎鹏, 杨连殿, 张俊, 等.分布式光纤XLPE电缆温度在线监测技术[J].电力设备, 2008 (12) .
[4]林衡, 吴振国, 唐志坚.在线监测技术在预防电力电缆[J].电力安全技术, 2011 (10) .