張學(xué)斌，王韶偉

（晉能集團(tuán)山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036604）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)煤礦機(jī)電設(shè)備的使用數(shù)量逐步增多，供電系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，線路長(zhǎng)、分支多，電壓等級(jí)高、設(shè)備臺(tái)數(shù)多、功率大，沿線開(kāi)關(guān)、接線盒等節(jié)點(diǎn)多的現(xiàn)實(shí)情況給煤礦供電系統(tǒng)帶來(lái)更大的火災(zāi)隱患。在煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中，很多固定敷設(shè)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(shí)維護(hù)，容易引起漏電打火產(chǎn)生火災(zāi)；另外高壓開(kāi)關(guān)或接線盒腔體內(nèi)觸頭接觸不良，也容易引起電弧打火，設(shè)備內(nèi)部元件過(guò)熱引起電氣火災(zāi)。以上這些都是煤礦電氣火災(zāi)的主要原因。

光纖測(cè)溫系統(tǒng)是近來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)的新技術(shù)，可以連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖沿線十幾公里范圍內(nèi)各點(diǎn)的溫度，溫度采集點(diǎn)達(dá)上萬(wàn)個(gè)，定位精度達(dá)到到1m，測(cè)溫精度可達(dá)±1℃，測(cè)溫范圍：-20℃到+150℃，非常適用于煤礦井下供電系統(tǒng)這樣的大范圍、惡劣環(huán)境、溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)多的場(chǎng)合。

1 工作原理

目前常用的煤礦電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)方法主要有：人工紅外感應(yīng)槍巡檢、熱敏電阻式測(cè)溫系統(tǒng)和熱電偶式測(cè)溫系統(tǒng)。傳統(tǒng)測(cè)溫方法存在無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控、穩(wěn)定性差、絕緣性差、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境危險(xiǎn)、受電磁干擾大、采用模擬量傳輸損耗大、測(cè)溫精度低等缺點(diǎn)。

分布式光纖測(cè)溫是指：綜合利用光纖的拉曼散射效應(yīng)（Raman）和光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（OTDR）來(lái)獲得空間溫度分布信息的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。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(guò)散射可以使石英玻璃纖維中的光發(fā)生衰減，由此可以確定外部物理效應(yīng)的位置，使得光纖可用作線性傳感器。熱效應(yīng)在光纖石英固體中引起晶格振蕩。當(dāng)光落到這些熱激發(fā)的分子振蕩上時(shí)，光粒子和晶體分子的電子之間發(fā)生相互作用時(shí)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(dāng)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(qiáng)的溫度依賴性，而斯托克斯光幾乎與溫度無(wú)關(guān)，光纖受外部溫度影響使光纖中的反斯托克斯光的強(qiáng)度發(fā)生變化，反斯托克斯光強(qiáng)與斯托克斯光強(qiáng)的比值可以用來(lái)標(biāo)定溫度，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)光纖沿途各點(diǎn)溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。

圖1 拉曼散射光譜

光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)即（OTDR），其原理是：向被測(cè)光纖發(fā)出光脈沖，產(chǎn)生拉曼散射效應(yīng)，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(gè)背向傳播的散射光都對(duì)應(yīng)光纖上的一個(gè)散射點(diǎn)，因此根據(jù)其傳播時(shí)間即可判斷出光纖上發(fā)生散射點(diǎn)的位置。

散射點(diǎn)位置的計(jì)算公式為：

式中：c為光速；t為散射光從發(fā)射到接收（雙程）的總時(shí)間；IOR為光纖的折射率。

在光纖長(zhǎng)度L處的斯托克喇曼散射光子數(shù)，根據(jù)下式計(jì)算：

在光纖長(zhǎng)度L處的反斯托克喇曼散射光子數(shù)，根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Ks為斯托克斯光與喇曼散射截面有關(guān)的系數(shù)和Ka為與反斯托克斯光與喇曼散射截面有關(guān)的系數(shù)；S是光纖的背向散射因數(shù)；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(guò)程中的損耗；L為待測(cè)點(diǎn)處的長(zhǎng)度；Rs（T）,Ra（T）為光纖分子低能級(jí)布居數(shù)、高能級(jí)布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，它與光纖待測(cè)點(diǎn)處的溫度有關(guān)。

一般情況下，光纖待測(cè)點(diǎn)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(jù)下式計(jì)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(jì)算得待測(cè)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(lái)解調(diào)反斯托克斯喇曼OTDR曲線,兩者比值的具體公式如下：

在實(shí)際測(cè)量中,可認(rèn)為T=T0，即已知起始溫度來(lái)確定光纖上各測(cè)點(diǎn)的溫度，通常瑞利散射非常少依賴于溫度,即

可認(rèn)為NR(T)=NR(T0),則上式可轉(zhuǎn)化為：

上式中光子數(shù)的比可通過(guò)其對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓的比值在實(shí)驗(yàn)中測(cè)到，另起始溫度為已知，所測(cè)溫度可通過(guò)計(jì)算得到。在實(shí)際應(yīng)用中,與傳統(tǒng)通過(guò)反斯托克斯與斯托克斯OTDR曲線的比值進(jìn)行解調(diào)的方法相比,該方法提高了相對(duì)靈敏度和測(cè)量精度。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)汁

光纖測(cè)溫系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示：在同步控制單元的觸發(fā)下，系統(tǒng)的激光器產(chǎn)生一個(gè)大功率光脈沖，經(jīng)光耦合器后進(jìn)入一段放置在恒溫箱中的光纖，用于系統(tǒng)標(biāo)定。然后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖將攜帶溫度信息的自發(fā)拉曼背向散射光沿原路傳回，通過(guò)分光耦合器分成兩束光，分別進(jìn)入兩個(gè)不同波長(zhǎng)的濾波器，再分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再送入數(shù)據(jù)采集處理單元。在數(shù)據(jù)采集處理單元中，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、去噪、算法，最后輸出溫度值。

圖2 系統(tǒng)原理框架結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的安裝方式

在王家?guī)X煤礦投入使用的DSC-DTSnK-XB型分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)針對(duì)井下幾種不同的測(cè)溫對(duì)象，進(jìn)行了相應(yīng)的光纜敷設(shè)方案設(shè)計(jì)。

3.1 電纜接頭光纜敷設(shè)

煤礦井下的電纜接頭屬于纜線連接的薄弱點(diǎn)，極易發(fā)生短路或漏電過(guò)熱現(xiàn)象，針對(duì)電纜接頭人工制作比較粗大的特點(diǎn)，采用測(cè)溫光纜雙環(huán)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(duì)整個(gè)電纜接頭的溫度監(jiān)測(cè)更密集、更靈敏。

圖3 電纜接頭的測(cè)溫光纖布設(shè)方式

3.2 電纜橋架中探測(cè)光纜的安裝

圖4 電纜槽內(nèi)測(cè)溫光纖布設(shè)方式

煤礦井下各類纜線在實(shí)際敷設(shè)過(guò)程中為了美觀和達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(cè)溫造成極大的不便，針對(duì)此類監(jiān)測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，光纜安裝采用S型曲線方式鋪設(shè)，橋架中電纜的溫度就可以實(shí)時(shí)掌握。

3.3 采用電纜鉤吊掛的電纜的溫度監(jiān)測(cè)方式

煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)各類電纜往往通過(guò)電纜鉤成排吊掛，此時(shí)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(cè)溫光纖布設(shè)方式

3.4 高壓開(kāi)關(guān)柜靜觸頭、母排溫度在線監(jiān)測(cè)

煤礦地面各變配電所高壓開(kāi)關(guān)柜、井下防爆高開(kāi)、移動(dòng)變壓器、組合開(kāi)關(guān)、變頻器等箱體式電氣設(shè)備都可采用光纖繞盤固定的安裝方式，對(duì)特定危險(xiǎn)點(diǎn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

王家?guī)X煤礦在應(yīng)用光纖測(cè)溫系統(tǒng)后，在其井下15.7km巷道范圍內(nèi)，總計(jì)約57260m長(zhǎng)的各類高低壓電纜沿途，共布置了6314個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布之廣、監(jiān)測(cè)信息量之大、傳輸距離之長(zhǎng)是傳統(tǒng)測(cè)溫方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。另外光纖測(cè)溫系統(tǒng)的本安性、耐腐蝕、耐高壓、抗電磁干擾性能特別優(yōu)異，并且能夠自動(dòng)檢測(cè)光纜斷點(diǎn)精確位置，為系統(tǒng)快速修復(fù)提供便利。

圖6 高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)測(cè)溫光纖布設(shè)方式

在安全和經(jīng)濟(jì)效益方面，光纖測(cè)溫系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)煤礦電工因工作量大、疏忽大意、責(zé)任心不足等因素，造成的人工巡查不到位，火災(zāi)隱患發(fā)現(xiàn)不及時(shí)（往往等到冒煙時(shí)才能發(fā)現(xiàn)）的巨大隱患，給煤礦大大節(jié)省了人力成本，提高了煤礦井下供電系統(tǒng)的安全可靠性。