分布式光栅传感技术在电缆廊道火灾报警领域的应用研究

江 涛 王宇庭 王世琪 何晶鑫

(1.长江三峡通航管理局 宜昌 443002; 2.三峡机电工程技术有限公司 成都 610041； 3.武汉理工光科股份有限公司 武汉 430223; 4.中国石化管道储运有限公司 徐州 221008)

葛洲坝水利枢纽是我国长江干流上的第一座大型水利枢纽工程，其船闸被誉为万里长江第一闸，是世界上最大的内河船闸之一。长江是目前世界上最繁忙的水上运输通道，而葛洲坝船闸正是其关键的“绿色通道”。船闸内的电缆廊道及其供电电缆是用于保障船闸工作的主动脉，其中电缆的密集布设是导致电缆火灾的极大安全隐患[1]。由于电缆火灾前期特征不明显、不易察觉，且电缆廊道内散热条件差、电缆廊道运维管理手段和方式滞后等原因，导致电缆火灾事故管理风险十分突出[2-3]。

现有测温技术包括感温电缆技术和基于拉曼效应的分布式光纤测温技术。前者存在感温电缆长时间使用老化问题，每个探测模块仅支持200 m的监测距离，安装维护十分不方便，且使用金属介质易受绝缘和电磁干扰等因素影响[4-5]。分布式光纤测温技术中的基于多模光纤中散射的拉曼光信号十分微弱，再加之使用较窄的脉冲光进行寻址定位，为了获得足够强的信号光更是需要长时间累加，使得系统的响应时间较慢，不利于实现高精度快速温度监测，无法达到理想的监测效果[6-7]。为了更好地满足电缆廊道内动力电缆的火灾报警监控系统的高等级防护需求，提出了基于分布式光栅阵列传感技术的新一代感温火灾报警系统。该技术可实现厘米量级的空间分辨率，对温度场进行精细感知；监测距离在公里量级，可以进行长距离的监测覆盖；测温精度为±1 ℃，能够响应10 cm空间范围内的小规模火源，并能准确定位温度异常位置。现场测试表明该技术能够满足电缆廊道内温度场监测及动力电缆早期火灾报警的应用需求。

1 分布式光栅传感技术的测温原理

分布式光栅阵列是采用工业拉丝塔在线制备的特种光纤传感器，即在同一根光纤上根据需求连续在线制备成千上万个传感光栅，光栅间距可通过拉丝速度和紫外激光脉冲重复频率进行控制。

光纤光栅是一种典型的波长调制型光纤无源器件，其光纤纤芯内介质折射率呈周期性的变化，可选择性地反射某一波长附近的光，其他光则无损耗地透过。当某一宽带光源的光入射到光纤光栅中时，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，反射光中心波长λB与光栅折射率变化周期Λ和有效折射率neff的关系式为[8]

λB=2neffΛ

(1)

当外界温度发生变化或光栅受到外力时，引起光栅折射率周期Λ和有效折射率neff发生改变，即引起光栅波长发生改变。通过检测光栅波长的变化即可测得外界温度的变化和受力的大小。

当作用在光栅上的应变为ε，温度变量为ΔT，则光栅波长改变量ΔλB与ε和ΔT的关系满足

(2)

式中：Pe为光纤弹光系数；α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤材料的热光系数。

根据葛电缆廊道的实际情况，提出了基于分布式光栅阵列传感技术的新一代感温火灾报警系统，由光栅阵列传感光纤技术实现温度场的分布式测量。信号解调系统基于时分、波分混合复用，时分复用实现不同位置光栅的定位检测，波分复用实现温度变化的精确检测，其原理见图1。系统采用波长全同弱反射率光栅阵列作为传感元件，光栅间距0.1 m，每2.5 m即25个光栅作为1个感温区域，采集该区域内光栅的最大波长并计算出该区域的温度值，该区域内任意1个光栅的波长变化均会影响到该区域温度值计算，从而实现了厘米级的火源感应和长距离的感温测量。

图1 分布式光栅阵列传感原理图

2 船闸廊电缆廊道感温系统设计

2.1 传感光缆感温布置方案

葛洲坝船闸电缆廊道位于船闸两侧，单侧桥架长约280 m，整个闸室电缆桥架长度约650 m，桥架共5层，各层电缆敷设宽度0.5～1.2 m不等。感温火灾传感光缆在桥架内呈正弦波水平布置，固定在线缆桥架内，单层电缆内测温电缆长度约为1 000 m，5层总长5 km。

感温火灾传感光缆安装在电缆桥架时，宜以正弦波方式铺设于被保护的动力电缆或控制电缆的外护套上面，尽可能采用接触安装，具体安装方法参照图2，固定卡具选用阻燃塑料卡具，图3给出了现场布置图。光纤光栅测点与廊道位置对应关系通过正弦曲线关系公式和现场人为升温测试进行定标确定。

图2 感温光缆布置方式示意图(单位：mm)

图3 感温光缆现场布置情况

2.2 感温火灾报警系统结构组成

葛洲坝船闸电缆廊道内桥架的温度分布，通过光栅阵列感温光缆进行检测，检测信号通过光缆传输到廊道仪表间，进入阵列光栅信号处理器，相关数据经过分析处理后通过网络上传到监控中心计算机监控管理系统，产生的火灾控制信号实时上传至消防控制系统，进行消防应急响应。每层电缆桥架使用信号处理器的1个通道, 阵列光栅信号处理器放置于廊道仪表间，数据通过网络传输到船闸监控中心。具体系统结构见图4。

图4 感温火灾报警系统组成结构示意图

2.3 监控处理软件

分布式光栅测温系统软件可实现的功能主要包括：登录及用户权限管理、用户管理、温度曲线、实时曲线、数据分析、报警设置、分区设置、通信管理、系统管理等。

软件可实时掌握电缆廊道运行状况，其中监控主界面见图5，界面显示其中1个片区的所有廊道的温度总体情况，可与报警阈值设置相对应，对不同区间的温度显示不同颜色。也可对各点温度变化趋势和具体温度值进行查看。

图5 分布式光栅测温系统监控软件界面

报警系统可提供7种不同的报警模式，包括高温报警、低温报警、超温报警、快速升温报警、快速降温预警、与周围环境温差过大报警、沿光纤温差过大报警。

3 现场测试结果与数据说明

图6给出了第100个、第200个和第300个测点在2017-10-14 T 00：00-15 T 24：00时间段的温度变化，从图中可以看出这3个测点的温度具有非常好的一致性，整体温度在31～33 ℃之间，凌晨时间段温度稍低，下午时间段温度最高；15日的温度与对应14日温度相比低1～2 ℃，查看当地天气预报发现，14日当地温度为13～19 ℃，15日当地有小雨，温度为12～17 ℃。

图6 不同监测点的温度变化曲线

图7为所有测点(512个)在2017年10月14日0时、6时、12时、18时和24时等5个时刻的温度值，由图7可见，绝大多数测点温度值分布在30～33 ℃之间，第33个测点温度低至27 ℃，第308个测点温度更是低至了21 ℃。通过后期到廊道现场查看发现，这2处附近的光缆安装出现了松动，使光缆与廊道两侧的金属挡板和混凝土墙壁发生了不同程度的接触，导致了所测量温度低于电缆温度，更接近于环境温度。

图7 全部测点在不同时刻的温度曲线

由图6、图7可见，分布式光纤光栅阵列感温技术具有较好的温度响应一致性，电缆温度在30～34 ℃之间，明显高于环境温度。

4 不同探测技术的对比测试

为体现分布式光纤光栅阵列感温技术的优势，进行了如下实验。

1) 将分布式光纤光栅阵列传感光缆、分布式光纤传感光缆和点式光纤光栅传感光缆在电缆廊道内进行正弦曲线形敷设，见图8。

图8 不同探测光缆的敷设

2) 在电缆上敷设1条加热带，加热带和3种传感光缆的接触长度均为10 cm，见图9。

图9 加热带的敷设

3) 对加热带进行升温，同时使用1个热电偶对监测点处的加热带表面的温度进行监测，测量结果见图10。

图10 3种探测技术的升温曲线

由图10可知，分布式光纤光栅阵列在升温前和热电偶温度基本一致，升温后的温度比热电偶低3 ℃左右，这是因为温度由光缆外部传导到内部需要一定时间，且升温越快，该滞后现象越明显，属于正常现象。点式光纤光栅升温前高于热电偶4 ℃，升温后低于热电偶2 ℃，表明该探测技术的测温精度不高，且在光缆敷设时，人为地将金属套管敷设于加热带下方，否则该探测技术无法探测到任何温度变化。分布式光纤的升温曲线在升温前为32.5 ℃，升温后为35.1 ℃，基本无法有效探测到10 cm范围内的温度变化。以上实验结果证明，只有分布式光栅阵列探测技术能够准确、快速地对10 cm空间范围内小规模温度变化进行探测。

5 结语

本文基于分布式光栅感温技术提出了新一代电缆廊道感温火灾报警方案，并在葛洲坝船闸电缆廊道进行了实际测试。现场测试结果表明，该技术可以对电缆温度进行较好感知，平稳环境状态下整体数据一致性较好；现场实际测试表明该技术能够准确、快速地响应10 cm空间范围内的小规模火源，且在动力电缆廊道内能够实现正弦曲经线形敷设，实现7种模式的报警信号输出，能够满足电缆廊道内动力电缆的早期火灾准确快速报警的应用需求，具有较好的市场推广前景。