韓子彬

(神東煤炭集團洗選中心，陜西 神木 719315)

0 引言

選煤廠的電纜一旦發(fā)生嚴重熱故障將破壞整個選煤系統(tǒng)。目前，神東選煤廠產(chǎn)量較大，自動化水平越來越高，其電纜需求量也就越來越多。隨著電纜長度的增加，熱故障事故的發(fā)生概率相應增加。造成電纜熱故障的原因很多。本質(zhì)原因都是電纜絕緣內(nèi)部受熱，造成絕緣炭化。外在原因是在電纜密集地區(qū)、電纜隧道等處的電纜，會因電纜過負荷或散熱不良造成絕緣加速受損。電纜的絕緣在運行中要受到熱、化學、機械作用，容易使絕緣介質(zhì)發(fā)生物理、化學變化，導致絕緣水平下降。制造電纜包鉛時留下砂眼或裂紋等缺陷，也會使電纜受潮；電纜中間接頭、終端頭因密封或安裝工藝不好而造成絕緣受潮。

光纖測溫防滅火系統(tǒng)根據(jù)火災發(fā)生發(fā)展時期產(chǎn)生的各種跡象，溫度、煙霧、氣體等，可實現(xiàn)火災的早期發(fā)現(xiàn)，及時撲救。選煤廠火災的分布式監(jiān)測及早期識別，可將火災危害和造成的損失減少到最低程度，是改變選煤廠火災安全隱患，防止重大火災事故的重要手段。

1 光纖測溫及設計原則

1.1 光纖測溫原理

光纖測溫技術使用光的拉曼時間域反射技術進行測溫和定位。當激光脈沖沿著光纖傳輸時，它的后向散射光將沿著光纖傳回發(fā)射端，通過采集、解析后向散射光，提取出拉曼-斯托克頓光與拉曼-反斯托克頓光的強度，從而得到了光纖沿路溫度；同時利用測量出的后向散射光到達發(fā)射端的時間，就可以計算出測量點在光線沿路的位置。技術原理如圖1、圖2所示。

圖1 溫度測量原理圖

圖2 位置測量原理圖

光纖測溫系統(tǒng)工作原理如圖3所示，嵌入式系統(tǒng)軟件通過控制光模塊采集測溫光纜沿線的原始信號，通過對應的原始數(shù)據(jù)處理模塊將光信號轉(zhuǎn)換成需要的數(shù)字信號，通過原始數(shù)字信號計算出光纜沿線的溫度數(shù)據(jù)，使用LCD模塊進行溫度的顯示和實現(xiàn)人機交互，通過外部多種接口達到控制和數(shù)據(jù)上傳的目的。

圖3 主機系統(tǒng)工作原理框圖

1.2 系統(tǒng)設計原則

實用性原則：本系統(tǒng)選用了“夠用、好用、實用”的相關設備。選用的設備符合ISO、IEC等技術標準。采用成熟可靠的技術與設備，在性能和價格的矛盾處理中，盡量利用原有系統(tǒng)的相關設備，達到經(jīng)濟、實用和有效的結(jié)果。在進行系統(tǒng)結(jié)構設計和設備選型時多做比較分析，從而使得系統(tǒng)結(jié)構、設備選型、系統(tǒng)整體性能具有高性價比。在保證系統(tǒng)功能的前提下，充分利用現(xiàn)有設施和資源，以減少投資費用，縮短施工周期。

可擴展性原則：監(jiān)控平臺系統(tǒng)軟件需將神東集團11個洗煤廠火災監(jiān)測系統(tǒng)與分布式光纖測溫系統(tǒng)集成在一起，同時可擴展連接擴容多臺測溫主機。系統(tǒng)采用開放的標準和協(xié)議技術，如TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)設備組成合理，具有良好的互換性和通用性，有利于系統(tǒng)的擴展與其他系統(tǒng)的互聯(lián)，易于系統(tǒng)的設備管理和維護。系統(tǒng)軟件和硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構具有前瞻性。一方面，在考慮配置時，為系統(tǒng)今后的擴容、提高留有充裕的擴展容量；另一方面，系統(tǒng)必須具有靈活的網(wǎng)絡結(jié)構。將來系統(tǒng)的擴展在本期系統(tǒng)的基礎上增加部分設備即可實現(xiàn)，無須變更本期系統(tǒng)的軟件、硬件，不影響系統(tǒng)的運行。

高可靠性原則：對監(jiān)控系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的可靠性是安全、高效生產(chǎn)的重要保障。對監(jiān)測系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)在可靠性方面作重點考慮。監(jiān)測系統(tǒng)設備選型經(jīng)過了多方比較，選擇了性價比高的設備和元件，并充分考慮現(xiàn)場電源波動適應性、抗各種電磁干擾能力、感溫光纜抗拉伸能力等因素，系統(tǒng)自身具有通訊故障等自診斷功能與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合使本系統(tǒng)可準確診斷系統(tǒng)的各種故障及排除情況，這些都為系統(tǒng)的可靠性、可用性提供了良好的技術與工程保障。

先進性原則：系統(tǒng)采用業(yè)界領先技術的設備，系統(tǒng)的組網(wǎng)采用成熟而先進的以太網(wǎng)與廣域網(wǎng)相結(jié)合的方式，一次設計、分布實施，系統(tǒng)容量易于逐步擴展，符合技術發(fā)展的趨勢方向。

易用性原則：整個系統(tǒng)易于管理、安裝和使用，系統(tǒng)具有良好的可管理性，在充分滿足現(xiàn)在的自動化監(jiān)控應用需求，具有很高的資源利用率。一般設計安裝是在不影響平時運行和維護的情況下根據(jù)現(xiàn)場情況而定。

實時性原則：由于早期火災預警監(jiān)測系統(tǒng)對溫度變化趨勢實時性要求很高，因此，在設計上應保證系統(tǒng)的處理能力。

標準化原則：系統(tǒng)的硬件設計、圖紙設計、軟件設計均采用標準化、模塊化設計，以便于批量加工、現(xiàn)場安裝、調(diào)試和維護。系統(tǒng)從設計、加工到實施均嚴格按照ISO9001質(zhì)量管理體系和項目管理流程進行，確保產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)施工的規(guī)范。

2 設計方案及主要設備選型

2.1 系統(tǒng)設計方案

動力電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)功能：①運行電纜溫度的實時監(jiān)測；②準確定位電纜事故位置，顯示事故時的溫度狀態(tài)；③將光纜敷設在被監(jiān)測的電纜表面，并對電纜接頭和電纜套管重點監(jiān)測，測溫主機能夠?qū)崟r、連續(xù)地對電纜進行溫度測量，監(jiān)測由于大電流負載引起的發(fā)熱。

電纜隧道(包括電纜溝)：這是專門用來鋪設各種電纜的集中通道。由于大量的各種電壓和電流的電纜鋪設在無人值守的長距離的通道中，一旦發(fā)生火災，很難及時發(fā)現(xiàn)和撲救，造成嚴重的損失。將感溫光纜沿著被監(jiān)測電纜鋪設在其表面，并對電纜中間頭重點監(jiān)測，自動測量電纜表面的溫度的變化，當其溫度變化速率或溫度值滿足報警條件時，監(jiān)控室的主機部分將發(fā)出聲光報警和位置指示，通知值班人員采取措施。

電纜橋架：是通過專門加工的構件來集中鋪設各種電纜的通道，與電纜隧道的特點很類似。一旦發(fā)生火災，也將造成重大損失。將感溫光纜部分沿著電纜鋪設的橋架布設在被測電纜及中間頭的表面，通過測量其溫度的變化，確定出現(xiàn)異常電纜的位置，從而實現(xiàn)火災早期報警。

2.2 測溫光纜布置工藝

隧道內(nèi)的測溫光纜布置：①隧道內(nèi)沿電纜橋架上方、電纜隧道頂部安裝一條測溫光纜(圖4)，監(jiān)測電纜隧道內(nèi)溫度，針對電纜隧道內(nèi)溫度的異常變化，設定火災報警閾值，實現(xiàn)電纜隧道火災的早期預警；②當電纜隧道中電纜橋架數(shù)量較大時，增加測溫光纜的數(shù)量；每條測溫光纜監(jiān)測區(qū)域水平寬度為2 m；測溫光纜通過固定裝置懸掛于隧道頂部，每隔1 m設置一個固定裝置，測溫光纜距離隧道頂部10 cm；③測溫光纜安裝時在重點監(jiān)測區(qū)域加裝光纖盤或輻射感溫單元，提高測溫光纜對溫度變化的敏感度。

圖4 電纜隧道光纜安裝位置示意圖

電纜橋架測溫光纜布置：①槽式電纜橋架是用整張鋼板彎制而成的槽式部件，與托盤架的區(qū)別是高、寬比不同，托盤架淺而寬，槽式電纜橋架具有一定的深度和封閉性。因為槽式電纜橋架封閉性的特點，在槽式電纜橋架內(nèi)部布置測溫光纜，具體布置位置為上部側(cè)壁(圖5(a))，每間隔1 m采用固定裝置固定，這樣能有效地監(jiān)測橋架內(nèi)溫度的變化，配合設定火災報警閾值，實現(xiàn)電纜橋架火災的早期預警；②托盤式電纜橋架淺而寬，將測溫光纜布置于電纜一側(cè)平行放置(圖5(b))，監(jiān)測金屬橋架傳導的溫度；③梯級式電纜橋架中部鏤空，將測溫光纜布置于橋架下方(圖5(c))，監(jiān)測電纜下方氣流傳導的溫度。

電纜接頭測溫光纜布置：電纜接頭的制作要求更高，數(shù)量大，存在事故隱患的可能性更大，電纜接頭是電纜安全運行的薄弱環(huán)節(jié)，當電纜接頭溫度超過電纜所能承受的臨界溫度時，就有可能引起電纜接頭著火，造成供電系統(tǒng)的大范圍停電。電纜接頭的溫度是反映其運行狀態(tài)的重要參數(shù)。通過對電纜接頭溫度進行監(jiān)測，可以全面了解其絕緣老化情況，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，對提高電纜接頭運行可靠性具有重要意義。具體安裝工藝為制作光纖盤貼裝于電纜接頭表面。

2.3 主要設備選型

光纖測溫主機選型：選煤廠各車間屬于重點防火、防水、防爆和防雷區(qū)域，廠區(qū)、生產(chǎn)廠房及倉庫必須嚴格按照《選煤廠安全規(guī)程》要求選擇相應防護等級的設備。光纖測溫主機主要有室內(nèi)一般型、戶外型和防爆型。選煤廠原煤車間、裝車車間屬于煤塵比較集中的地點，根據(jù)《選煤廠安全規(guī)程》相關規(guī)定，安裝在廠區(qū)選擇KJ190-F型光纖測溫主機與系統(tǒng)進行配套，為方便后續(xù)繼續(xù)擴展使用主機選用4通道，單通道10 km設備。

a-槽式電纜橋架；b-托盤式電纜橋架；c-梯級式電纜橋架圖5 電纜橋架光纜安裝位置示意圖

感溫光纜選型：感溫光纜是本項目中一個重要組成部分，充當了傳感器的作用，探測光纜的選擇主要考慮以下幾點：①導熱性能。能夠快速感受出外界溫度的變化；②傳輸性能。在傳輸很長距離后，衰減要低；③機械性能。由于現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，要求光纜具有較高的抗拉、抗壓性能；④針對選煤廠設計適當厚度的礦用阻燃材料為阻燃護套，不銹鋼松套管為外護套，添加芳綸紗增加光纖抗拉強度；應用緊包光纖的套塑層和阻燃護套一起緩沖測壓力對光纖的沖擊，能承受高強度，高對抗擠壓，縱向及橫向均不漏水，卓越的防咬噬等性能；這種光纜配有無鹵素的阻燃護套；⑤選擇的金屬護套測溫光纖，感溫光纜部分應具有安全標志認證。

3 系統(tǒng)結(jié)構及典型故障處理

3．1 系統(tǒng)結(jié)構

主機在上電后可以獨立使用也可接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)使用，主機接入系統(tǒng)使用的典型連接圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構圖

監(jiān)控裝置包括監(jiān)控中心站、監(jiān)控分站、煙感系統(tǒng)主機、網(wǎng)絡交換機等設備。感溫光纜連接時將帶有E2000跳線接頭的感溫光纜連接到主機通道的E2000法蘭盤，確保配合緊密。

將110～240 V外部電源接到主機側(cè)面的電源盒，使用開關鑰匙打開主機電源開關，此時主機處于上電加載狀態(tài)，等待主機加載完畢后，系統(tǒng)自動進入溫度的測量與顯示。根據(jù)相應的配置自動進入溫度測量工作，默認的主功能界面為溫度曲線功能界面，如圖7所示。

圖7 默認主功能界面

軟件界面主要分為5大功能區(qū)域，分別為標題欄區(qū)域、主功能區(qū)域、功能按鈕區(qū)域、指示燈區(qū)域和信息顯示區(qū)域。

3.2 典型故障處理

按鍵失效：①原因分析。測溫主機內(nèi)部按鍵連接松動； ②處理方法。檢查主板和按鍵電路板連接情況。

蜂鳴器失效：①原因分析。手動設置了靜音；蜂鳴器內(nèi)部接線松動；②處理方法。取消靜音；檢查蜂鳴器內(nèi)部接線。

指示燈失效：①原因分析。物理指示燈內(nèi)部按鍵連接松動；②處理方法。檢查指示燈的內(nèi)部接線。

系統(tǒng)時鐘失效：①原因分析。紐扣電池卡座松動；紐扣電池電量過低；②處理方法。檢查紐扣電池和卡座的接觸；更換紐扣電池。

溫度曲線出現(xiàn)異常：①原因分析。曲線異常處存在熔接點；接頭污染；光纖折彎角度過大；②處理方法。確認曲線異常的地方是否為光纖熔接點；檢查光纖連接頭是否光污染或者受損；查看光纖是否彎折，光纖取直后，曲線仍異常，說明光纖已損壞。

光纖最后一部分沒有測量數(shù)據(jù)：①原因分析。光纖尾端的端面反射比較大，會影響前端的溫度測量，因此扣除尾端7 m左右的溫度測量數(shù)據(jù)；②處理方法。將光纖最后一部分不做實際測量使用。

光纖末段7 m加熱沒有報警：①原因分析。光纖尾端的端面反射比較大，會影響前端的溫度測量，因此扣除尾端7 m左右的溫度測量數(shù)據(jù)；②處理方法。將光纖最后一部分不做實際測量使用。

光纖頭部20 m溫度測量不準確：①原因分析。光纖頭部的反射光比較大，影響頭部20 m范圍內(nèi)的溫度測量值，可能造成誤報；②處理方法。光纜布設時需扣除前段20 m不做實際測量及報警使用，推薦將頭部20 m盤繞在測溫主機內(nèi)部。

插拔光纖時出現(xiàn)誤報警：①原因分析。插拔光纖時由于長度發(fā)生變化，可能造成溫度測量異常以及誤報警；②處理方法。若需插拔光纖，請先停止測量或者斷電后插拔光纖。

光纖斷裂瞬間出現(xiàn)誤報警：①原因分析。由于光纖長度發(fā)生變化，其斷裂瞬間可能造成溫度測量異常，并造成誤報警；②處理方法。忽略光纖瞬間斷裂處的前后2個測量周期的溫度數(shù)據(jù)及溫度報警。

電源開關打開后，測溫主機不能工作：①原因分析。直流供電是否正常；開關損壞；②處理方法。檢查直流供電；檢查開關是否損壞。

4 結(jié)語

針對選煤廠發(fā)生火災的重點隱患區(qū)域，給出了分布式光纖測溫系統(tǒng)在電纜溝、電纜橋架具體的實施方案和典型故障處理方法。分布式光纖測溫系統(tǒng)優(yōu)勢在于不怕電磁干擾、安全性高；走線靈活、美觀；材質(zhì)安全可靠，沒有引起火源等問題；長久耐用；施工周期短，價格便宜，便于推廣。應用結(jié)果表明，該測溫系統(tǒng)能準確、快速地對溫度進行監(jiān)測和預警，系統(tǒng)的測溫誤差為±1 ℃，定位精度為1 m，響應時間為20 s。分布式測溫系統(tǒng)可以實時、連續(xù)、大范圍對礦井火災隱患區(qū)域的溫度進行監(jiān)測，從而達到選煤廠火災預測預警的目的。