光纤光栅测温系统在民用建筑中的应用

马 宁

(中旭建筑设计有限责任公司， 北京 100037)

1 引言

火灾自动报警系统和漏电火灾报警系统虽然从某种程度上填补了火灾发生时迅速反映和火灾防范的空白，但无法解决开关柜在运行过程中因氧化、松动、污秽造成的内部连接点接触电阻过大而发热，尤其因过负荷造成馈线电缆与母排或开关连接点处温升过高的问题，从而埋下火灾隐患。

2 采用光纤光栅测温系统进行开关柜内电缆接头测温原因分析

2.1 需满足规范要求

《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)第9章第9.3.1～9.3.3条描了该系统应主要设置在电缆接头等重点发热部位，并且对于1kV及以下线路应采用接触式测温，对于1kV以上线路宜采用光纤光栅测温。实际上，光纤光栅测温系统既能满足接触式测温的要求，同时凭借优异的绝缘性能也能够被应用于高压环境。

2.2 传统测温手段无法满足开关柜的测温要求

设计人员最为关注的是开关柜内部连接点的温度，并且希望能够实时了解温度信息，以便第一时间进行故障处置。而常规的测温手段主要采用温度传感器、红外成像仪、感温电缆，这些都不能完全满足这一要求，主要体现在以下几个方面：

1)常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式，由于本身带电或需要金属导线传输信号，绝缘性不能保证，不建议在高低压柜内部使用。

2)手持式红外热成像仪必须与待测物体保持距离，是一种非接触式测温手段，需要人工操作，无法实现不间断在线测量，而且测得的温度数据是物体表面的热辐射值，数据易受环境影响，真实性差。

3)高低压开关柜均为“密闭”型，设备在运行状态下，小室通常关闭，加之柜内带电导体非常多，使人工巡检的难度很大。

4)感温电缆测温是一种线性测温手段，不能定位某点的温度或温度变化，因此不能被应用于开关柜连接点的温度测量。

2.3 光纤光栅测温系统的特点和优势

众所周知，当系统或设备过负荷运行时，断路器需要热量的积累才会动作，这是一个漫长的过程，而断路器拒动作或者动作失败时，会对母线、开关及柜体等设备产生危害，甚至会酿成火灾。光纤光栅测温系统能够满足接触式测温的要求，并且能够在不停电情况下实时对监控对象进行温度测量，从侧面监测设备或配电回路运行情况，使管理人员第一时间得知异常温度信息，第一时间排除火灾隐患，提高了自动化程度和响应速度。

3 光纤光栅测温工作原理简介

光纤光栅测温系统是以光纤作为传输媒介，利用布拉格(Bragg)光栅的温度敏感性和光的反射原理，实时检测电力系统中电力设施易发热部位的温度变化，并进行多点温度数据采集、运算、显示、诊断及报警。

3.1 光纤

该系统的光纤由外径为125μm的包层、直径为9μm的纤芯及涂覆层构成。光纤外表面的涂覆层能够有效保护光纤并能够增强机械性能。光缆结构见图1。

图1 光缆结构示意图

3.2 光纤光栅

在光纤上用紫外光刻写光栅，10mm的光纤光栅包含了10 000个在纤芯中规则分布的微小反射镜面。温度等物理量、光栅反射波长与栅距的变化呈线性变化。光栅的栅距随温度变化情况见图2。

3.3 基于温度测量的光纤光栅传感器工作原理

将宽带光导入光纤后，通过光栅的反射，会反回特定波长的光，通过测量其波长，可以计算出被测物体温度的变化。入射光经光栅反射后反射光谱、透射光谱对比如图3所示。

图2 光栅栅距随温度变化示意图

图3 入射光谱、反射光谱、透射光谱对比图

光纤光栅的原理是在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射镜，对入射的宽带光进行选择性反射，反射出一个受光栅区调制的窄带光，透射光继续沿光纤传递。

反射光的中心波长变化满足布拉格定律。热胀冷缩使光栅条纹的空间周期发生变化，并且折射率也随着温度效应发生变化，这都将导致光纤光栅反射光中心波长变化，从而反向获知光纤光栅处的温度场信息。

用环氧树脂胶将光纤光栅封装在保护罩内，从而形成光纤光栅传感器。每只光纤光栅传感器在制造时只对应一个能够反射固定光信号的波长，该波长被称作反射光中心波长。入射宽带光波长频带为1 525nm～1 565nm，制造时，在0℃条件下每隔3nm定义一个反射光中心波长。入射宽带光的频带范围内第一个被定义的光纤光栅传感器反射光中心波长为1 527nm。如0℃时，1号传感器反射波长λ1为1 527nm，2号传感器反射波长λ2为1 530nm，以此类推，13号传感器反射波长λ13为1 563nm。用数学表达式表达为1 525nm<λ1<λ2<……<λ13<1 565nm。原则上，每根单芯光缆最多只可以传播来自13个光纤光栅传感器的反射光中心波长的窄带光，否则将超出入射宽带光的光谱范围，并无法被光纤光栅分析仪检测到。

利用分析仪解调反射光谱时，温度每变化1℃，反射光波长将相应变化0.01nm。如检测到1号传感器反射光波长为(1 527+0.1)nm时，说明检测点温度为10℃，当监测到1号传感器反射光波长为(1 527-0.1)nm时，说明检测点温度为-10℃。被应用于民用建筑电缆连接点温度测量的光纤光栅传感器的温度监测范围通常是-40℃～260℃(该数据由厂家提供)。因此对应的每个反射光波长变化范围是(λn-0.4)nm～(λn+2.6)nm，其中n≤13。反射光在光纤中传播示意图如图4所示。

图4 反射光在光纤中传播示意图

4 光纤光栅测温系统的工程应用

4.1 工程概况

该工程属于公共文化服务项目，工作部门和服务种类比较多，工作时间人员比较密集，因此设置了光纤光栅测温系统对电气火灾进行监控。该工程建筑面积2万余m2，地上四层，地下一层。变电所设置在地下一层，设置电缆沟，高低压电缆采用下进下出接线方式。变电所内设置值班室，值班室设转角观察窗，一面可直接面对高低压柜操作通道或操作面，一面可直接面对变电所入口。

变电所内设置10kV高压开关柜5面，其中进线柜1面、保护柜1面、计量柜1面、变压器馈线柜2面；变压器2台，接线形式为D,yn11；低压开关柜20面，其中进线柜2面、电容补偿柜4面，母联柜1面、出线柜12面、备用电源接入柜1面。

4.2 光纤光栅测温系统结构

光纤光栅在线测温系统由四层结构构成，分别是现场监测层、信号传输层、站控层和报警与数据显示，分别对应现场温度传感器、信号传输光缆、管理站仪器和报警、显示设备。经与业主协商，系统结构形式暂按Tysenkld系统结构搭建，并按此进行设计工作。

4.2.1 现场监测层的设计

现场监测层主要由光纤光栅温度传感器和柜内光分路盒构成。其中光纤光栅温度传感器接触安装在高、低压开关柜的电缆与开关接线端子或接线端子排的连接点处，对其进行温度测量。现场监控层与系统设计关系最为紧密，设计应根据电缆回路总数量、应用的产品种类、项目资金状况、回路谐波含量状况分析等因素，综合确定设计方案。

对于民用建筑而言，高压回路数量占工程所有电缆回路数量的比重不大，而低压回路数量对系统投资总额起着决定性作用。由于民用建筑低压回路数量多，使得连接点数量多，如果在低压所有电缆连接点处设置光纤光栅温度传感器，系统规模将是巨大的。由于该系统尚没有被民用建筑领域广泛应用，加之产品的市场竞争压力偏小，系统总投资也将随着光纤光栅温度传感器的设置数量明显增长。经与业主协商，适当减小系统规模。

本工程的高、低压电力电缆(除备用回路)进出线回路数量为：高压进线回路1路；高压出线回路2路；低压出线回路66路。由于光纤传感器的工频耐受电压很高，因此可以被直接接触安装在开关柜电缆与接线端子排的连接点处。

本工程高压进出线回路共3路，每路一根三芯电缆，因此一根电缆与高压真空断路器接线端子排的连接点为3个，分别设置在A,B,C三相上，高压回路共出现9个连接点。

由于在低压系统设计时，末端配电已基本做到三相平衡，且谐波含量较高的低压设备末端均设置了滤波器对谐波进行抑制。从宏观上讲，每条低压回路某相发生过负荷、电缆连接点发生氧化、松动、污秽的概率几乎一样。因此，为控制系统的投资，低压每条出线回路可采用测量一相的连接点温度作为该回路温度测量的依据，并未在低压回路N线设置光纤光栅温度传感器。由于PE线不是载流导体，平时无正常电流流过，因此PE线的连接点处不必设置光纤光栅温度传感器。此外，考虑到项目特点，该场所没有出租的可能，且配电干线容量留有一定的裕量，短期内使用备用回路的可能性不大，因此低压备用回路暂未设计测温点。其中66个低压回路，每路一条电缆引出，共66个光纤光栅测温点。

综上所述，本工程变电所高、低压电缆回路的连接点处共设置了75个光纤光栅传感器。光纤光栅传感器需要与光分路盒连接后才能与上层网络进行连接。本工程主要采用2、3、6路光分路盒，其中高压柜采用了3个3路光分路盒，低压柜采用了12个6路光分路盒。光分路盒可以被安装在开关柜内的侧面、后柜门内侧等位置。光分路盒与光纤光栅温度传感器采用FC/APC连接方式，不需要熔融连接，当发生故障时方便更换，利于系统的维护。光纤光栅传感器见图5，光分路盒见图6。

图5 光纤光栅温度传感器

图6 光分路盒

4.2.2 信号传输层的设计

信号传输层即光纤传输网络，该层是将光纤光栅温度传感器的光栅反射光信号进行统一采集并传输至数据处理与控制系统的中间媒介。反射光信号由底层光分路盒通过单模单芯光缆传送至光缆接续盒，即完成了反射光的传输。受宽带入射光波长范围的影响，理论上最多只能有13个窄带反射光的中心波长落到宽带光的光谱内。本工程按照产品使用手册的建议，一根单模单芯光缆对应的光纤光栅温度传感器数量不超过12个。

考虑本工程的实际情况，将每两面相邻低压柜的光纤光栅温度传感器反射光信号通过一个两路光分路盒(二级光分路盒)进行整合，能够使系统结构变得更加清晰，二级光分路盒同样设在了开关柜内的侧面、后柜门内侧等位置。本工程共设置了7个二级光分路盒，其中1个3路光分路盒，6个2路光分路盒，即由7个二级光分路盒向网络上层引出7根单模单芯光缆。

光缆接续盒是信号传输层的另一个设备，但不是系统搭建的必要设备。该设备的作用仅在于将多根单芯光缆转换为一根多芯光缆，方便其在建筑中敷设。由于本工程系统的核心处理设备都设在变电所，由二级光分路盒至上层核心处理设备的传输光缆可以很方便的在电缆沟内敷设，因此未设置光缆接续盒。

4.2.3 站控层的设计

站控层主要由通道扩展模块、光纤光栅信号分析仪、报警控制模块、信息显示装置共同构成，这些设备统一设置在一面标准机柜内。由于本工程变电所值班室面积紧张，因此将机柜设在了变电所，但值班人员可以通过值班室观察窗直接看到机柜上信息显示屏的相关信息，使用起来也比较方便。

1)通道扩展模块

通道扩展模块能够实现多路光通道光纤光栅温度传感器阵列的反射光信号读取，并可以与多台光纤光栅信号分析仪通过RS232通讯接口进行通讯。如果系统只需要一台光纤光栅信号分析仪，则系统搭建不需要通道扩展模块，通道扩展模块见图7。本工程未设置通道扩展模块。

图7 通道扩展模块

2)光纤光栅信号分析仪

光纤光栅信号分析仪是测温系统的核心设备，一方面为探测单元提供宽带光源信号，另一方面对探测单元反射光信号的波长信息进行分析、转换、整理，并输出温度数据和报警信息。由于各厂家的设备产品不尽相同，光纤光栅信号分析仪的光通道数量也不一样。本工程采用一台8通道光纤光栅信号解调仪，每个通道所对应的光纤光栅温度传感器的数量同样不能超过12个。光纤光栅信号解调仪见图8。

图8 光纤光栅信号解调仪

3)报警控制模块和信息显示

报警控制模块可以实现声光报警和消防联动的功能，通过光纤光栅信号分析仪的RS485通讯接口进行控制。当任一传感器的实测温度超过设定阈值，即刻启动声光报警。信息显示是将现场监测层传感器传送的实测温度数据，绘制成温度曲线显示出来，并与预先设定的温度信息进行比较，并显示温差等信息。系统的故障信息和故障解除的历史信息也可以被显示装置调用显示，从而为运营管理和维修决策者提供开关柜的运行状态信息，当然，这离不开系统软件的支持。

软件可以支持该系统与火灾报警系统进行通讯，实时将采集到的温度数据信息通过软件传送到消防控制室的图形显示装置上，满足《火灾自动报警设计规范》(GB 50116-2013)第9.1.5条“集中显示”的要求。

4.3 光纤光栅测温系统平面布线

本工程光纤光栅测温系统平面布线图见图9。

4.4 光纤光栅测温系统

本工程的光纤光栅测温系统框图见图10。

5 结束语

光纤光栅测温系统为电气火灾监控系统的一种，也叫做测温式电气火灾监控系统。供电线路发生过载时，电缆与母排连接处的温度变化最为明显。可以应用光纤光栅测温系统，发现供电线路早期过载等不良状态，并提醒工作人员及时排除火灾隐患。

图9 光纤光栅测温系统平面布线图

图10 光纤光栅测温系统框图

随着《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)的发布与实施，测温式电气火灾监控系统第一次在规范中明确提出，同时也为设计人员的设计实施提供了可靠依据。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.火灾自动报警设计规范(GB 50116-2013)[S].北京：中国计划出版社，2013.