田 豐

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

2017-08-29

田 豐(1989- )，男，山西太原人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：高速公路機(jī)電工程。

1674- 4578(2017)05- 0031- 03

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在隧道內(nèi)的應(yīng)用

田 豐

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

隨著分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今越來越多地應(yīng)用在隧道的火災(zāi)探測(cè)中。利用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，可以有效地對(duì)隧道內(nèi)發(fā)生的火情進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的報(bào)警，對(duì)保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)安全有很大的作用。本文結(jié)合山平高速公路鴛鴦會(huì)隧道的實(shí)際情況，對(duì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以及時(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)出火情。

分布式光纖測(cè)溫；隧道；火災(zāi)探測(cè)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)公路覆蓋面積越來越廣。我國(guó)是一個(gè)山區(qū)較多的國(guó)家，近年來越來越多的高速公路需要穿越山區(qū)，長(zhǎng)隧道及超長(zhǎng)隧道在公路修建過程中數(shù)量不斷增大，給隧道消防帶來了挑戰(zhàn)。

隧道作為一種特殊的建筑結(jié)構(gòu)，所處空間狹小，結(jié)構(gòu)封閉，交通流量大，現(xiàn)代化交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大大增加了隧道火災(zāi)的潛在危險(xiǎn)。一旦發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的濃煙將會(huì)沿隧道迅速擴(kuò)散，產(chǎn)生極大的危害，因此對(duì)隧道火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及防范是保障隧道交通安全的必要措施。由于所處的地理位置，隧道內(nèi)常年陰冷并保持一定的風(fēng)速，并且隨著季節(jié)變換環(huán)境溫度變化較大，再加上汽車尾氣排放造成的空氣粉塵污染，給準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)的火災(zāi)探測(cè)帶來極大的困難。隨著新技術(shù)的發(fā)展，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用在隧道火災(zāi)探測(cè)上。

2 分布式光纖測(cè)溫技術(shù)

2.1 系統(tǒng)說明

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)DTS(Distributed Temperature Sensing)是近年來發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)快速多點(diǎn)測(cè)溫和測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感系統(tǒng)。它是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)，可對(duì)測(cè)量距離幾十公里的范圍進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量，特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測(cè)量的場(chǎng)合應(yīng)用。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)是利用感溫光纖，在隧道內(nèi)作為線性溫度傳感器，可以連續(xù)測(cè)量整條光纖沿線所在各處的溫度。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)利用拉曼效應(yīng)測(cè)量溫度，光的強(qiáng)度與光纖分布處的溫度成正比。一個(gè)激光脈沖進(jìn)入光纖后會(huì)和光纖分子互相作用，會(huì)產(chǎn)生拉曼散射、瑞麗散射、布里淵散射，如圖1所示。其中反斯托克斯拉曼散射(Raman Anti-Stokes)對(duì)溫度的敏感系數(shù)比斯托克斯拉曼散射(Raman Stokes)要大得多。因此通常都將反斯托克斯拉曼散射用作信號(hào)通道，作為計(jì)算溫度的主要依據(jù)。利用光纖背向拉曼散射的溫度效應(yīng)，可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，并且通過測(cè)量反斯托克斯(Anti-stokes)光強(qiáng)Pa與斯托克斯(Stokes)光強(qiáng)Ps的比值R(T)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)外部溫度變化的監(jiān)測(cè)。

其中，h為普克朗常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，Δv為拉曼頻移量，Ω為與波長(zhǎng)相關(guān)的常數(shù)，αa和αs為反斯托克斯散射和斯托克斯散射對(duì)應(yīng)的光纖損耗系數(shù)，z為測(cè)量距離。

通過光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)可以對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行精確定位。在時(shí)域中利用OTDR技術(shù)，根據(jù)光在光纖中的傳輸速率和入射光與反斯托克斯拉曼散射之間的時(shí)間差，可以對(duì)不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。在時(shí)域里，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為：

其中，V為光在光纖中的傳播速度,C為真空中的光速，n為光纖折射率。在測(cè)得時(shí)刻t時(shí)，就可求得距光源L處的距離。利用OTDR技術(shù)可以對(duì)感溫光纖的斷點(diǎn)、異常溫度點(diǎn)進(jìn)行定位。

圖1 光纖背向散射光譜

2.2 在隧道內(nèi)的應(yīng)用

以山西省山陰至平魯高速公路鴛鴦會(huì)隧道為例，隧道右線長(zhǎng)4 787 m，左線長(zhǎng)4 728 m，隧道凈寬10.75 m，采用單向雙車道設(shè)置，設(shè)計(jì)最高車速為70 km/h。在鴛鴦會(huì)隧道左右洞頂部分別通長(zhǎng)鋪設(shè)一條感溫光纖，感溫光纖掛在已經(jīng)固定在隧道頂部張緊的鋼絞線上，距離隧道頂部10 cm。并且對(duì)10 kV電纜及油浸地埋式變壓器上也設(shè)置感溫光纖，感溫光纖采用纏繞式，將感溫光纖纏繞在地埋式變壓器上，同時(shí)纏繞于隧道強(qiáng)電側(cè)電纜溝內(nèi)的10 kV電纜上，對(duì)地埋式變壓器及10 kV電纜進(jìn)行火災(zāi)檢測(cè)。

所有的感溫光纖接入到隧道口變電室內(nèi)的感溫光纖主機(jī)上，再由光端機(jī)將信號(hào)傳回鴛鴦會(huì)隧道管理站，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄ｉT的火災(zāi)報(bào)警軟件上。感溫光纖火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警類型分為火災(zāi)報(bào)警和故障報(bào)警，當(dāng)感溫光纖檢測(cè)到隧道內(nèi)有異常的溫度變化時(shí)將會(huì)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到與感溫報(bào)警主機(jī)通訊中斷及光纖有斷點(diǎn)時(shí)，將會(huì)發(fā)出故障報(bào)警。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)報(bào)警時(shí)，火災(zāi)報(bào)警主機(jī)會(huì)將報(bào)警信號(hào)傳回隧道管理站，隧道管理站監(jiān)控室將會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警音提醒現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控人員。監(jiān)控人員可用攝像頭來判斷報(bào)警點(diǎn)附近情況，并可以觸發(fā)事前編輯好的聯(lián)動(dòng)預(yù)案，監(jiān)控軟件將會(huì)自動(dòng)對(duì)隧道內(nèi)的照明燈、車道指示標(biāo)志、風(fēng)機(jī)、卷簾門、交通信號(hào)燈等設(shè)備進(jìn)行切換，由于隧道內(nèi)著火時(shí)應(yīng)急人員無法立即進(jìn)入，所以各項(xiàng)聯(lián)動(dòng)措施顯得尤為重要。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證感溫光纖的火災(zāi)探測(cè)的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)隧道頂部的感溫光纖進(jìn)行了點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)備1 m2的火盆，將火盆置于90 cm高的支架上，燃料為93#汽油，并使用風(fēng)速儀記錄當(dāng)時(shí)風(fēng)速，用秒表記錄報(bào)警時(shí)間。

表1 隧道頂部感溫光纖點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)記錄表

在電纜溝內(nèi)的感溫光纖是為了探測(cè)電纜發(fā)熱導(dǎo)致的火災(zāi)，我們采用澆熱水的方式來模擬電纜發(fā)熱，來測(cè)試火災(zāi)報(bào)警的響應(yīng)情況。準(zhǔn)備一壺開水。到達(dá)測(cè)試位置后，直接將熱水倒在感溫光纖上，由于測(cè)試不受風(fēng)速影響并且光纖升溫較快，所以反應(yīng)很迅速。

表2 隧道電纜溝內(nèi)感溫光纖實(shí)驗(yàn)記錄表

通過上述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以看出分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以很好地完成火災(zāi)探測(cè)的功能。

3 結(jié)語(yǔ)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)作為比較新興的火災(zāi)探測(cè)手段與傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)方式相比有其明顯的特點(diǎn)：1) 測(cè)溫和定位的精度高，檢測(cè)范圍廣，可以全面實(shí)時(shí)地在線檢測(cè)被檢測(cè)區(qū)域的溫度狀況。2) 光纖安裝方便，耐高壓、抗腐蝕、防燃，在惡劣的環(huán)境下可正常工作，并且壽命長(zhǎng)。3) 現(xiàn)場(chǎng)只敷設(shè)感溫光纖，沒有電子設(shè)備，不受電磁干擾，因此系統(tǒng)安全可靠。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在公路、地鐵隧道中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣。

[1] 張?jiān)谛?劉紅林,王劍鋒,等.分布式光纖拉曼散射測(cè)溫技術(shù)的進(jìn)展.世界儀表與自動(dòng)化,2005(1):25-27.

涂勤昌,李涉英,顧海濤,等.分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)及在隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.控制工程,2010(s1):114-116.

李秀琦,侯思祖,蘇貴波.分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.電力科學(xué)與工程,2008,24(8):37-40.

ApplicationofDistributedTemperatureSensingSysteminTunnel

Tian Feng

(ShanxiXATAutomationEngineeringCo.,Ltd.,TaiyuanShanxi030012,China)

With the development of distributed temperature sensing technology, it is now increasingly used in tunnel fire detection. Using the distributed temperature sensing system, it can effectively and accurately alarm the fire in the tunnel, which has a great effect on the protection of life and property safety. Combined with the actual situation of Yuanyanghui Tunnel which belongs to the Shanping highway, the distributed temperature sensing system is tested and the experimental results show that the distributed temperature sensing system can accurately detect the fire in time.

distributed temperature sensing；tunnel；fire detection

TN247 ；U456.33

A