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）

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。

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：

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：

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：

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，αs，αa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：

从公式（4）可以推出：

在式（5）中 T、Na(T0)/Ns(T0)、Na(T)/Ns(T)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：

在实际测量中,可认为T=T0，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NR(T)=NR(T0),则上式可转化为：

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。