光纤测温系统在煤矿供电系统的应用_张学斌.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 0引言 近年来，我国煤矿机电设备的使用数量逐步增 多， 供电系统越来越复杂， 线路长、 分支多， 电压等级 高、 设备台数多、 功率大， 沿线开关、 接线盒等节点多 的现实情况给煤矿供电系统带来更大的火灾隐患。 在 煤矿生产实践中，很多固定敷设的缆线使用年限久， 绝缘老化， 电缆接头接触不良， 加之缺乏有效巡检和 及时维护， 容易引起漏电打火产生火灾； 另外高压开 关或接线盒腔体内触头接触不良， 也容易引起电弧打 火， 设备内部元件过热引起电气火灾。以上这些都是 煤矿电气火灾的主要原因。 光纤测温系统是近来逐步发展起来的一种用于 实时测量空间温度场的新技术， 可以连续实时监测光 纤沿线十几公里范围内各点的温度， 温度采集点达上 万个， 定位精度达到到 1m， 测温精度可达1℃， 测温 范围 - 20℃到 150℃，非常适用于煤矿井下供电系 统这样的大范围、 恶劣环境、 温度监测点多的场合。 1工作原理 目前常用的煤矿电气设备温度监测方法主要有 人工红外感应枪巡检、 热敏电阻式测温系统和热电偶 式测温系统。传统测温方法存在无法实时监控、 稳定 性差、 绝缘性差、 现场环境危险、 受电磁干扰大、 采用 模拟量传输损耗大、 测温精度低等缺点。 分布式光纤测温是指综合利用光纤的拉曼散 射效应 （Raman） 和光时域反射测量技术 （OTDR ）来 获得空间温度分布信息的温度监测系统。生活中的 一些物理量， 如温度、 压力和张力， 可以影响玻璃纤 维并且局部地改变光纤中的光传输特性。由于通过 散射可以使石英玻璃纤维中的光发生衰减，由此可 以确定外部物理效应的位置，使得光纤可用作线性 传感器。 热效应在光纤石英固体中引起晶格振荡。 当 光落到这些热激发的分子振荡上时，光粒子和晶体 分子的电子之间发生相互作用时的光散射，也称为 拉曼散射， 与入射光不同， 这种散射光的光谱位移量 相当于晶格振荡的共振频率。从光纤散射回的光包 含三种不同的光谱 瑞利散射光， 斯托克斯光和反斯 托克斯光， 如图 1 所示。 反斯托克斯光带有很强的温度依赖性， 而斯托克 斯光几乎与温度无关， 光纤受外部温度影响使光纤中 的反斯托克斯光的强度发生变化， 反斯托克斯光强与 斯托克斯光强的比值可以用来标定温度， 利用这一原 理可以实现光纤沿途各点温度场的分布式测量。 光纤测温系统在煤矿供电系统的应用 张学斌 ， 王韶伟 （晋能集团 山西王家岭煤业有限公司 , 山西 忻州 036604 ） 摘要 煤矿井下电缆或高低压开关设备着火引发的重大火灾事故严重威胁煤矿安全， 针对煤矿井下 电气火灾事故的主要原因及特点, 提出采用分布式光纤测温技术对井下供电系统全方位进行温度监 测预警， 甚至对于部分非一类重要负荷可在升温幅度达到燃点之前给予断电闭锁的反馈控制方案。 本 文讨论了光纤测温系统的原理结构、 实施方案， 以及光纤测温系统对煤矿供电安全的重要意义。 关键词 煤矿井下电气火灾 ; 分布式光纤传感器 ; 温度监测 中图分类号 X936文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0107-03 Application of Optical Fiber Temperature Measurement System in Coal Mine Power Supply System ZHANG Xuebin , WANG Shaowei （Jineng Group Shanxi Wangjialing Coal Industry Co., Ltd. , Shanxi Xinzhou 036604 ） Abstract major fire accidents caused by coal mine underground cable or high and low pressure switch equipment fire seriously threaten coal mine safety, aiming at the main causes and characteristics of coal mine underground electrical fire accidents, In this paper, distributed fiber optic temperature measurement technology is used to monitor and warn the underground power supply system in all respects, even the feedback control scheme of power outage can be given before the temperature increase reaches the ignition point. This paper discusses the principle structure, implementation scheme and the significance of the optical fiber temperature measurement system for coal mine power supply security. Keywords underground electric fire in coal mine ; Distributed optical fiber sensors ; Temperature monitoring 107 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 图 1拉曼散射光谱 光时域反射测量技术即 （OTDR ） ， 其原理是 向被 测光纤发出光脉冲， 产生拉曼散射效应， 形成的背向 散射光向后传播至光纤的起始端 （也就是光脉冲的注 入端 ） ，由于每个背向传播的散射光都对应光纤上的 一个散射点， 因此根据其传播时间即可判断出光纤上 发生散射点的位置。 散射点位置的计算公式为 d （ct ）/ 2 （IOR ）（1 ） 式中 c 为光速； t 为散射光从发射到接收 （双程 ） 的总时间； IOR 为光纤的折射率。 在光纤长度 L处的斯托克喇曼散射光子数， 根据 下式计算 Ns KsSVs4Ne exp [-（αo α s）L]Rs（T ） （2 ） 在光纤长度 L处的反斯托克喇曼散射光子数， 根 据下式计算 Na KaSVa4Ne exp [-（αo α a）L]RaT （3 ） 式中Ks为斯托克斯光与喇曼散射截面有关的系 数和 Ka为与反斯托克斯光与喇曼散射截面有关的系 数； S 是光纤的背向散射因数； Vs和 Va分别为斯托克 斯和反斯托克光子频率； αo ， α s ， α a分别为入射光、 斯 托克斯光、 反斯托克斯光的频率在光纤传输过程中的 损耗； L 为待测点处的长度； Rs（T ） ,Ra（T ） 为光纤分子 低能级布居数、 高能级布居数有关的系数， 它与光纤 待测点处的温度有关。 一般情况下， 光纤待测点处的温度由反斯托克斯 OTDR 曲线与斯托克斯 OTDR 曲线的比值可得， 根据 下式计算 NaTNsT0 NaT0NsT exp[- hΔv/kT] exp[- hΔv/kT0] （4 ） 从公式 （4 ） 可以推出 1 T 1 T0 - k hΔv ln NaTNsT0 NaT0NsT ［］ （5 ） 在式 （5 ） 中 T、 NaT0/NsT0、 NaT/NsT均已知， 则 可计算得待测处的温度 T0。 除了上述方法外， 还可以利用瑞利散射 OTDR 曲 线来解调反斯托克斯喇曼 OTDR 曲线,两者比值的具 体公式如下 NaT NRT Ka KR va v0 ［ ］ 4 RaTexp[- αa-αoL]（6 ） 在实际测量中,可认为 TT0， 即已知起始温度来 确定光纤上各测点的温度， 通常瑞利散射非常少依赖 于温度,即 可认为 NRTNRT0,则上式可转化为 NaT/NRT NaT0/NRT0 NaT NaT0 [exphΔv/kT0- 1] [exphΔv/kT- 1] （7 ） 上式中光子数的比可通过其对应的信号电压的 比值在实验中测到， 另起始温度为已知， 所测温度可 通过计算得到。在实际应用中,与传统通过反斯托克 斯与斯托克斯 OTDR 曲线的比值进行解调的方法相 比,该方法提高了相对灵敏度和测量精度。 2系统的结构和设汁 光纤测温系统框架结构如图 2 所示 在同步控制 单元的触发下，系统的激光器产生一个大功率光脉 冲，经光耦合器后进入一段放置在恒温箱中的光纤， 用于系统标定。然后进入传感光纤， 传感光纤将携带 温度信息的自发拉曼背向散射光沿原路传回， 通过分 光耦合器分成两束光， 分别进入两个不同波长的滤波 器， 再分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光， 通过光 电探测器转化为电信号，再送入数据采集处理单元。 在数据采集处理单元中， 经过信号放大、 去噪、 算法， 最后输出温度值。 图 2系统原理框架结构图 3系统的安装方式 在王家岭煤矿投入使用的 DSC- DTSnK- XB型分 布式光纤测温系统针对井下几种不同的测温对象， 进 行了相应的光缆敷设方案设计。 3.1电缆接头光缆敷设 煤矿井下的电缆接头属于缆线连接的薄弱点， 极 易发生短路或漏电过热现象， 针对电缆接头人工制作 比较粗大的特点， 采用测温光缆双环缠绕方式固定在 108 ChaoXing （上接第 106 页 ） 参考文献 [1] 武宇,戴俊,李晨， 等.声波测试技术在巷道围岩松动区测 定中的应用[J].煤炭工程,2016,48 （12） 80- 8286. [2] 赵宾,梁宁宁,王方田， 等.浅埋高强度采动巷道围岩松动 圈 演 化 规 律 研 究 [J]. 煤 炭 科 学 技 术 ,2018,46（05） 33- 3946. [3] 孔皖军,郑根源,国伟， 等.采动条件下底板岩层破坏深度 动态测试研究及应用[J].煤炭工程,2018,50 （10） 96- 100. [4] 罗生虎,伍永平,王红伟， 等.大倾角煤层长壁开采底板非 对称破坏形态与滑移特征 [J]. 煤炭学报,2018,43 （08） 2155- 2161. 作者简介 亢克勤 （1987 年 1 月 -） ,男,汉族， 山西阳泉人， 助理工程 师， 现就职于阳煤集团三矿生产调度指挥中心。 （收稿日期 2019- 3- 18） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 电缆终端及接头处， 可使其充分紧密接触， 对整个电 缆接头的温度监测更密集、 更灵敏。 图 3电缆接头的测温光纤布设方式 3.2电缆桥架中探测光缆的安装 图 4电缆槽内测温光纤布设方式 煤矿井下各类缆线在实际敷设过程中为了美观 和达到标准化要求， 较多地采用桥架封闭安装。这给 电缆的散热和人工测温造成极大的不便， 针对此类监 测对象的特点，光缆安装采用 S型曲线方式铺设， 桥 架中电缆的温度就可以实时掌握。 3.3采用电缆钩吊挂的电缆的温度监测方式 煤矿井下现场各类电缆往往通过电缆钩成排吊 挂， 此时采取每根电缆紧密贴合布置一根光缆， 如图 5 所示 图 5 煤矿井下成排吊挂的电缆测温光纤布设方式 3.4高压开关柜静触头、 母排温度在线监测 煤矿地面各变配电所高压开关柜、井下防爆高 开、 移动变压器、 组合开关、 变频器等箱体式电气设备 都可采用光纤绕盘固定的安装方式， 对特定危险点重 点监测， 如图 6 所示。 4结语 王家岭煤矿在应用光纤测温系统后， 在其井下 15.7km巷道范围内， 总计约 57260m长的各类高低压 电缆沿途， 共布置了 6314 个温度监测点， 测点分布之 广、 监测信息量之大、 传输距离之长是传统测温方式 远远不能达到的。另外光纤测温系统的本安性、 耐腐 蚀、 耐高压、 抗电磁干扰性能特别优异， 并且能够自动 检测光缆断点精确位置， 为系统快速修复提供便利。 图 6 高压开关柜内测温光纤布设方式 在安全和经济效益方面， 光纤测温系统有效解决 了传统煤矿电工因工作量大、 疏忽大意、 责任心不足 等因素， 造成的人工巡查不到位， 火灾隐患发现不及 时 （往往等到冒烟时才能发现 ） 的巨大隐患， 给煤矿大 大节省了人力成本， 提高了煤矿井下供电系统的安全 可靠性。 参考文献 [1] 张在宣,刘天夫,张步新等.激光喇曼型分布光纤温度传感 器系统.光学学报,1995;15 （11） 1585～1589 [2] 林全德.浅谈煤矿井下电气火灾原因及其预防[J].能源与 环境,2006, （4） 110～111. [3] 李艳秋,曹钟中,靳涛.电力电缆火灾监测及防火预警系统 的研制[J].华北电力技术,2001, （2） 23～24. 作者简介 [1] 张学斌， 男,1985 年 10 月生,煤矿机电工程师， 山西王家 岭煤业有限公司机电副总工，毕业于河北工程大学， 研 究方向 煤矿机电。 [2] 王韶伟， 男,1984 年 10 月生,煤矿机电工程师， 山东科技 大学测控技术与仪器专业毕业， 研究方向 煤矿机电。 （收稿日期 2018- 11- 15） 109 ChaoXing