光纤测温系统在选煤厂中的应用

韩子彬

(神东煤炭集团洗选中心，陕西 神木 719315)

0 引言

选煤厂的电缆一旦发生严重热故障将破坏整个选煤系统。目前，神东选煤厂产量较大，自动化水平越来越高，其电缆需求量也就越来越多。随着电缆长度的增加，热故障事故的发生概率相应增加。造成电缆热故障的原因很多。本质原因都是电缆绝缘内部受热，造成绝缘炭化。外在原因是在电缆密集地区、电缆隧道等处的电缆，会因电缆过负荷或散热不良造成绝缘加速受损。电缆的绝缘在运行中要受到热、化学、机械作用，容易使绝缘介质发生物理、化学变化，导致绝缘水平下降。制造电缆包铅时留下砂眼或裂纹等缺陷，也会使电缆受潮；电缆中间接头、终端头因密封或安装工艺不好而造成绝缘受潮。

光纤测温防灭火系统根据火灾发生发展时期产生的各种迹象，温度、烟雾、气体等，可实现火灾的早期发现，及时扑救。选煤厂火灾的分布式监测及早期识别，可将火灾危害和造成的损失减少到最低程度，是改变选煤厂火灾安全隐患，防止重大火灾事故的重要手段。

1 光纤测温及设计原则

1.1 光纤测温原理

光纤测温技术使用光的拉曼时间域反射技术进行测温和定位。当激光脉冲沿着光纤传输时，它的后向散射光将沿着光纤传回发射端，通过采集、解析后向散射光，提取出拉曼-斯托克顿光与拉曼-反斯托克顿光的强度，从而得到了光纤沿路温度；同时利用测量出的后向散射光到达发射端的时间，就可以计算出测量点在光线沿路的位置。技术原理如图1、图2所示。

图1 温度测量原理图

图2 位置测量原理图

光纤测温系统工作原理如图3所示，嵌入式系统软件通过控制光模块采集测温光缆沿线的原始信号，通过对应的原始数据处理模块将光信号转换成需要的数字信号，通过原始数字信号计算出光缆沿线的温度数据，使用LCD模块进行温度的显示和实现人机交互，通过外部多种接口达到控制和数据上传的目的。

图3 主机系统工作原理框图

1.2 系统设计原则

实用性原则：本系统选用了“够用、好用、实用”的相关设备。选用的设备符合ISO、IEC等技术标准。采用成熟可靠的技术与设备，在性能和价格的矛盾处理中，尽量利用原有系统的相关设备，达到经济、实用和有效的结果。在进行系统结构设计和设备选型时多做比较分析，从而使得系统结构、设备选型、系统整体性能具有高性价比。在保证系统功能的前提下，充分利用现有设施和资源，以减少投资费用，缩短施工周期。

可扩展性原则：监控平台系统软件需将神东集团11个洗煤厂火灾监测系统与分布式光纤测温系统集成在一起，同时可扩展连接扩容多台测温主机。系统采用开放的标准和协议技术，如TCP/IP协议。系统设备组成合理，具有良好的互换性和通用性，有利于系统的扩展与其他系统的互联，易于系统的设备管理和维护。系统软件和硬件配置及系统结构具有前瞻性。一方面，在考虑配置时，为系统今后的扩容、提高留有充裕的扩展容量；另一方面，系统必须具有灵活的网络结构。将来系统的扩展在本期系统的基础上增加部分设备即可实现，无须变更本期系统的软件、硬件，不影响系统的运行。

高可靠性原则：对监控系统来说，系统的可靠性是安全、高效生产的重要保障。对监测系统、计算机系统在可靠性方面作重点考虑。监测系统设备选型经过了多方比较，选择了性价比高的设备和元件，并充分考虑现场电源波动适应性、抗各种电磁干扰能力、感温光缆抗拉伸能力等因素，系统自身具有通讯故障等自诊断功能与工业以太网相结合使本系统可准确诊断系统的各种故障及排除情况，这些都为系统的可靠性、可用性提供了良好的技术与工程保障。

先进性原则：系统采用业界领先技术的设备，系统的组网采用成熟而先进的以太网与广域网相结合的方式，一次设计、分布实施，系统容量易于逐步扩展，符合技术发展的趋势方向。

易用性原则：整个系统易于管理、安装和使用，系统具有良好的可管理性，在充分满足现在的自动化监控应用需求，具有很高的资源利用率。一般设计安装是在不影响平时运行和维护的情况下根据现场情况而定。

实时性原则：由于早期火灾预警监测系统对温度变化趋势实时性要求很高，因此，在设计上应保证系统的处理能力。

标准化原则：系统的硬件设计、图纸设计、软件设计均采用标准化、模块化设计，以便于批量加工、现场安装、调试和维护。系统从设计、加工到实施均严格按照ISO9001质量管理体系和项目管理流程进行，确保产品质量和系统施工的规范。

2 设计方案及主要设备选型

2.1 系统设计方案

动力电缆温度监测系统功能：①运行电缆温度的实时监测；②准确定位电缆事故位置，显示事故时的温度状态；③将光缆敷设在被监测的电缆表面，并对电缆接头和电缆套管重点监测，测温主机能够实时、连续地对电缆进行温度测量，监测由于大电流负载引起的发热。

电缆隧道(包括电缆沟)：这是专门用来铺设各种电缆的集中通道。由于大量的各种电压和电流的电缆铺设在无人值守的长距离的通道中，一旦发生火灾，很难及时发现和扑救，造成严重的损失。将感温光缆沿着被监测电缆铺设在其表面，并对电缆中间头重点监测，自动测量电缆表面的温度的变化，当其温度变化速率或温度值满足报警条件时，监控室的主机部分将发出声光报警和位置指示，通知值班人员采取措施。

电缆桥架：是通过专门加工的构件来集中铺设各种电缆的通道，与电缆隧道的特点很类似。一旦发生火灾，也将造成重大损失。将感温光缆部分沿着电缆铺设的桥架布设在被测电缆及中间头的表面，通过测量其温度的变化，确定出现异常电缆的位置，从而实现火灾早期报警。

2.2 测温光缆布置工艺

隧道内的测温光缆布置：①隧道内沿电缆桥架上方、电缆隧道顶部安装一条测温光缆(图4)，监测电缆隧道内温度，针对电缆隧道内温度的异常变化，设定火灾报警阈值，实现电缆隧道火灾的早期预警；②当电缆隧道中电缆桥架数量较大时，增加测温光缆的数量；每条测温光缆监测区域水平宽度为2 m；测温光缆通过固定装置悬挂于隧道顶部，每隔1 m设置一个固定装置，测温光缆距离隧道顶部10 cm；③测温光缆安装时在重点监测区域加装光纤盘或辐射感温单元，提高测温光缆对温度变化的敏感度。

图4 电缆隧道光缆安装位置示意图

电缆桥架测温光缆布置：①槽式电缆桥架是用整张钢板弯制而成的槽式部件，与托盘架的区别是高、宽比不同，托盘架浅而宽，槽式电缆桥架具有一定的深度和封闭性。因为槽式电缆桥架封闭性的特点，在槽式电缆桥架内部布置测温光缆，具体布置位置为上部侧壁(图5(a))，每间隔1 m采用固定装置固定，这样能有效地监测桥架内温度的变化，配合设定火灾报警阈值，实现电缆桥架火灾的早期预警；②托盘式电缆桥架浅而宽，将测温光缆布置于电缆一侧平行放置(图5(b))，监测金属桥架传导的温度；③梯级式电缆桥架中部镂空，将测温光缆布置于桥架下方(图5(c))，监测电缆下方气流传导的温度。

电缆接头测温光缆布置：电缆接头的制作要求更高，数量大，存在事故隐患的可能性更大，电缆接头是电缆安全运行的薄弱环节，当电缆接头温度超过电缆所能承受的临界温度时，就有可能引起电缆接头着火，造成供电系统的大范围停电。电缆接头的温度是反映其运行状态的重要参数。通过对电缆接头温度进行监测，可以全面了解其绝缘老化情况，及时发现故障隐患，对提高电缆接头运行可靠性具有重要意义。具体安装工艺为制作光纤盘贴装于电缆接头表面。

2.3 主要设备选型

光纤测温主机选型：选煤厂各车间属于重点防火、防水、防爆和防雷区域，厂区、生产厂房及仓库必须严格按照《选煤厂安全规程》要求选择相应防护等级的设备。光纤测温主机主要有室内一般型、户外型和防爆型。选煤厂原煤车间、装车车间属于煤尘比较集中的地点，根据《选煤厂安全规程》相关规定，安装在厂区选择KJ190-F型光纤测温主机与系统进行配套，为方便后续继续扩展使用主机选用4通道，单通道10 km设备。

a-槽式电缆桥架；b-托盘式电缆桥架；c-梯级式电缆桥架图5 电缆桥架光缆安装位置示意图

感温光缆选型：感温光缆是本项目中一个重要组成部分，充当了传感器的作用，探测光缆的选择主要考虑以下几点：①导热性能。能够快速感受出外界温度的变化；②传输性能。在传输很长距离后，衰减要低；③机械性能。由于现场环境十分恶劣，要求光缆具有较高的抗拉、抗压性能；④针对选煤厂设计适当厚度的矿用阻燃材料为阻燃护套，不锈钢松套管为外护套，添加芳纶纱增加光纤抗拉强度；应用紧包光纤的套塑层和阻燃护套一起缓冲测压力对光纤的冲击，能承受高强度，高对抗挤压，纵向及横向均不漏水，卓越的防咬噬等性能；这种光缆配有无卤素的阻燃护套；⑤选择的金属护套测温光纤，感温光缆部分应具有安全标志认证。

3 系统结构及典型故障处理

3．1 系统结构

主机在上电后可以独立使用也可接入综合监控系统使用，主机接入系统使用的典型连接图如图6所示。

图6 系统结构图

监控装置包括监控中心站、监控分站、烟感系统主机、网络交换机等设备。感温光缆连接时将带有E2000跳线接头的感温光缆连接到主机通道的E2000法兰盘，确保配合紧密。

将110～240 V外部电源接到主机侧面的电源盒，使用开关钥匙打开主机电源开关，此时主机处于上电加载状态，等待主机加载完毕后，系统自动进入温度的测量与显示。根据相应的配置自动进入温度测量工作，默认的主功能界面为温度曲线功能界面，如图7所示。

图7 默认主功能界面

软件界面主要分为5大功能区域，分别为标题栏区域、主功能区域、功能按钮区域、指示灯区域和信息显示区域。

3.2 典型故障处理

按键失效：①原因分析。测温主机内部按键连接松动； ②处理方法。检查主板和按键电路板连接情况。

蜂鸣器失效：①原因分析。手动设置了静音；蜂鸣器内部接线松动；②处理方法。取消静音；检查蜂鸣器内部接线。

指示灯失效：①原因分析。物理指示灯内部按键连接松动；②处理方法。检查指示灯的内部接线。

系统时钟失效：①原因分析。纽扣电池卡座松动；纽扣电池电量过低；②处理方法。检查纽扣电池和卡座的接触；更换纽扣电池。

温度曲线出现异常：①原因分析。曲线异常处存在熔接点；接头污染；光纤折弯角度过大；②处理方法。确认曲线异常的地方是否为光纤熔接点；检查光纤连接头是否光污染或者受损；查看光纤是否弯折，光纤取直后，曲线仍异常，说明光纤已损坏。

光纤最后一部分没有测量数据：①原因分析。光纤尾端的端面反射比较大，会影响前端的温度测量，因此扣除尾端7 m左右的温度测量数据；②处理方法。将光纤最后一部分不做实际测量使用。

光纤末段7 m加热没有报警：①原因分析。光纤尾端的端面反射比较大，会影响前端的温度测量，因此扣除尾端7 m左右的温度测量数据；②处理方法。将光纤最后一部分不做实际测量使用。

光纤头部20 m温度测量不准确：①原因分析。光纤头部的反射光比较大，影响头部20 m范围内的温度测量值，可能造成误报；②处理方法。光缆布设时需扣除前段20 m不做实际测量及报警使用，推荐将头部20 m盘绕在测温主机内部。

插拔光纤时出现误报警：①原因分析。插拔光纤时由于长度发生变化，可能造成温度测量异常以及误报警；②处理方法。若需插拔光纤，请先停止测量或者断电后插拔光纤。

光纤断裂瞬间出现误报警：①原因分析。由于光纤长度发生变化，其断裂瞬间可能造成温度测量异常，并造成误报警；②处理方法。忽略光纤瞬间断裂处的前后2个测量周期的温度数据及温度报警。

电源开关打开后，测温主机不能工作：①原因分析。直流供电是否正常；开关损坏；②处理方法。检查直流供电；检查开关是否损坏。

4 结语

针对选煤厂发生火灾的重点隐患区域，给出了分布式光纤测温系统在电缆沟、电缆桥架具体的实施方案和典型故障处理方法。分布式光纤测温系统优势在于不怕电磁干扰、安全性高；走线灵活、美观；材质安全可靠，没有引起火源等问题；长久耐用；施工周期短，价格便宜，便于推广。应用结果表明，该测温系统能准确、快速地对温度进行监测和预警，系统的测温误差为±1 ℃，定位精度为1 m，响应时间为20 s。分布式测温系统可以实时、连续、大范围对矿井火灾隐患区域的温度进行监测，从而达到选煤厂火灾预测预警的目的。