分布式光纤测温系统在隧道内的应用

田 丰

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西 太原 030012)

2017-08-29

田 丰(1989- )，男，山西太原人，助理工程师，学士学位，研究方向：高速公路机电工程。

1674- 4578(2017)05- 0031- 03

分布式光纤测温系统在隧道内的应用

田 丰

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西 太原 030012)

随着分布式光纤测温技术的发展，现如今越来越多地应用在隧道的火灾探测中。利用分布式光纤测温系统，可以有效地对隧道内发生的火情进行及时准确的报警，对保护生命和财产安全有很大的作用。本文结合山平高速公路鸳鸯会隧道的实际情况，对分布式光纤测温系统进行了测试，实验结果表明，分布式光纤测温系统可以及时准确地探测出火情。

分布式光纤测温；隧道；火灾探测

1 概述

随着经济的快速发展，我国公路覆盖面积越来越广。我国是一个山区较多的国家，近年来越来越多的高速公路需要穿越山区，长隧道及超长隧道在公路修建过程中数量不断增大，给隧道消防带来了挑战。

隧道作为一种特殊的建筑结构，所处空间狭小，结构封闭，交通流量大，现代化交通系统的迅速发展，大大增加了隧道火灾的潜在危险。一旦发生火灾，产生的浓烟将会沿隧道迅速扩散，产生极大的危害，因此对隧道火灾的实时监测及防范是保障隧道交通安全的必要措施。由于所处的地理位置，隧道内常年阴冷并保持一定的风速，并且随着季节变换环境温度变化较大，再加上汽车尾气排放造成的空气粉尘污染，给准确、可靠、及时的火灾探测带来极大的困难。随着新技术的发展，分布式光纤测温系统越来越多地应用在隧道火灾探测上。

2 分布式光纤测温技术

2.1 系统说明

分布式光纤测温系统DTS(Distributed Temperature Sensing)是近年来发展起来的一种用于实时快速多点测温和测量空间温度场分布的传感系统。它是一种分布式的、连续的、功能型光纤温度测量系统，可对测量距离几十公里的范围进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的场合应用。

分布式光纤测温系统技术是利用感温光纤，在隧道内作为线性温度传感器，可以连续测量整条光纤沿线所在各处的温度。分布式光纤测温系统利用拉曼效应测量温度，光的强度与光纤分布处的温度成正比。一个激光脉冲进入光纤后会和光纤分子互相作用，会产生拉曼散射、瑞丽散射、布里渊散射，如图1所示。其中反斯托克斯拉曼散射(Raman Anti-Stokes)对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射(Raman Stokes)要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。利用光纤背向拉曼散射的温度效应，可以对光纤所在的温度场进行实时的测量，并且通过测量反斯托克斯(Anti-stokes)光强Pa与斯托克斯(Stokes)光强Ps的比值R(T)的变化实现对外部温度变化的监测。

其中，h为普克朗常数，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼频移量，Ω为与波长相关的常数，αa和αs为反斯托克斯散射和斯托克斯散射对应的光纤损耗系数，z为测量距离。

通过光时域反射技术(OTDR)可以对测量点进行精确定位。在时域中利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与反斯托克斯拉曼散射之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。在时域里，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为：

其中，V为光在光纤中的传播速度,C为真空中的光速，n为光纤折射率。在测得时刻t时，就可求得距光源L处的距离。利用OTDR技术可以对感温光纤的断点、异常温度点进行定位。

图1 光纤背向散射光谱

2.2 在隧道内的应用

以山西省山阴至平鲁高速公路鸳鸯会隧道为例，隧道右线长4 787 m，左线长4 728 m，隧道净宽10.75 m，采用单向双车道设置，设计最高车速为70 km/h。在鸳鸯会隧道左右洞顶部分别通长铺设一条感温光纤，感温光纤挂在已经固定在隧道顶部张紧的钢绞线上，距离隧道顶部10 cm。并且对10 kV电缆及油浸地埋式变压器上也设置感温光纤，感温光纤采用缠绕式，将感温光纤缠绕在地埋式变压器上，同时缠绕于隧道强电侧电缆沟内的10 kV电缆上，对地埋式变压器及10 kV电缆进行火灾检测。

所有的感温光纤接入到隧道口变电室内的感温光纤主机上，再由光端机将信号传回鸳鸯会隧道管理站，并将数据传输到专门的火灾报警软件上。感温光纤火灾探测器的报警类型分为火灾报警和故障报警，当感温光纤检测到隧道内有异常的温度变化时将会发出火灾报警，当检测到与感温报警主机通讯中断及光纤有断点时，将会发出故障报警。当隧道内发生火灾报警时，火灾报警主机会将报警信号传回隧道管理站，隧道管理站监控室将会自动发出报警音提醒现场的监控人员。监控人员可用摄像头来判断报警点附近情况，并可以触发事前编辑好的联动预案，监控软件将会自动对隧道内的照明灯、车道指示标志、风机、卷帘门、交通信号灯等设备进行切换，由于隧道内着火时应急人员无法立即进入，所以各项联动措施显得尤为重要。其系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

2.3 现场实验测试

为了验证感温光纤的火灾探测的响应时间，对隧道顶部的感温光纤进行了点火实验。准备1 m2的火盆，将火盆置于90 cm高的支架上，燃料为93#汽油，并使用风速仪记录当时风速，用秒表记录报警时间。

表1 隧道顶部感温光纤点火实验记录表

在电缆沟内的感温光纤是为了探测电缆发热导致的火灾，我们采用浇热水的方式来模拟电缆发热，来测试火灾报警的响应情况。准备一壶开水。到达测试位置后，直接将热水倒在感温光纤上，由于测试不受风速影响并且光纤升温较快，所以反应很迅速。

表2 隧道电缆沟内感温光纤实验记录表

通过上述现场测试，可以看出分布式光纤测温系统可以很好地完成火灾探测的功能。

3 结语

分布式光纤测温系统作为比较新兴的火灾探测手段与传统的火灾探测方式相比有其明显的特点：1) 测温和定位的精度高，检测范围广，可以全面实时地在线检测被检测区域的温度状况。2) 光纤安装方便，耐高压、抗腐蚀、防燃，在恶劣的环境下可正常工作，并且寿命长。3) 现场只敷设感温光纤，没有电子设备，不受电磁干扰，因此系统安全可靠。分布式光纤测温系统在公路、地铁隧道中的应用将会越来越广。

[1] 张在宣,刘红林,王剑锋,等.分布式光纤拉曼散射测温技术的进展.世界仪表与自动化,2005(1):25-27.

涂勤昌,李涉英,顾海涛,等.分布式光纤温度传感系统及在隧道监测中的应用.控制工程,2010(s1):114-116.

李秀琦,侯思祖,苏贵波.分布式光纤测温系统在电力系统中的应用.电力科学与工程,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

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