消防領域分布式光纖測溫系統的工程運用

解家澤

（云南省臨滄市鳳慶縣消防大隊，云南 臨滄677000）

引言

由于線型光纖感溫探測系統的技術特點及功能具有特殊性，目前國內尚沒有制定其設計、施工和驗收規范，小灣水電站位于臨滄鳳慶縣與大理南澗縣交界的瀾滄江中游河段，總裝機容量420萬千瓦（70萬×6臺）屬大（1）型一等工程，是國家重點工程和實施西部大開發、“西電東送”戰略的標志性工程，是云南有史以來單項投資最大的工程項目。為確保工程的消防安全，達到“一防、二斷、三滅、四排”的消防技術要求，小灣水電站在電纜橋架、電纜溝、主變電抗器、高壓出線電纜等設備上敷設了光纖測溫裝置。

1 小灣水電站光纖測溫報警系統總體布置方案

按照火災報警分區的具體要求，針對小灣水電站機組建設工程中電力電纜、變壓器、電抗器、高壓出線電纜等部位特點，共采用10套DTS200-240光纖分布式溫度探測報警系統，總長約8萬米的探測光纜，分別對電站各個部位進行有效的在線火情監控。

具體設置情況如下：

DTS1：監測主廠房1#機組段尾水管層、供水設備層、蝸殼層、水輪機層、1#機旁副廠房、1#機旁交通洞橋架內電纜及1#主變。

DTS2:監測 2#、3#、4# 機主廠房各層及母線洞橋架內電纜。

DTS3:監測5#機、6#機主廠房各層、母線洞及安裝場副廠房橋架內電纜；

DTS4: 監測 2#、3#、4#、5# 機主變及主變電纜層橋架內電纜；

DTS5：監測6#機主變及1#機出線洞橋架內電纜；

DTS6：監測所有電抗器共16臺。

DTS7:監測地面開關樓所有橋架及2#出線橋架內電纜；

DTS8:監測1#出線洞所有高壓出線電纜；

DTS9:監測2#出線洞所有高壓出線電纜；

DTS10:監測中控樓、廠壩聯系電纜井所有橋架及中控樓至地面開關樓、柴油發電機房電纜溝內電纜。

2 分布式光纖測溫系統的技術依據

2.1 分布式光纖測溫系統的發展歷程

分布式光纖測溫系統是一種用于實時測量溫度場分布的傳感系統。該技術在1981年由英國南安普頓大學提出,目前國外(主要是英國、日本等國)已研制出了該領域的產品。國內在這方面的研究也取得新的進展,研制出分布式光纖測溫系統系列產品,并在工業、交通、電力等領域得到了應用,效果非常理想。分布式光纖測溫系統具有抗干擾、抗腐蝕、寬信號傳輸帶等特點,它能夠連續測量光纖沿線所在處的溫度,測量距離4000m,測溫范圍-300℃～+900℃,最高測溫可達60000℃,能夠進行不間斷的自動測量,特別適用于需要大范圍多點測量的應用場合。在電力系統中,這種光纖傳感技術在高壓電力電纜、電氣設備因接觸不良引起的發熱部位、電纜夾層、電纜通道、大型變壓器、鍋爐等設施的溫度定點傳感場得到普遍的應用。

2.2 分布式光纖測溫系統的原理及構成

分布式光纖測溫系統是隨著光纖通信技術的迅猛發展而形成的一種新型測溫手段,它是利用一根光導纖維光纖作為溫度的信息傳感媒介和傳導介質,實現在線實時測量整個光纖長度上的溫度信息,在解決大型重要結構的實時監測準確測量、預測報警等方面具有重要價值和應用潛力。

2.2.1 系統的測量原理主要是依據光纖的時域反射理論和光纖的背向拉曼散射溫度效應。利用光纖的時域反射原理可以實現場系統的定位功能,是典型的光纖激光雷達系統,利用光纖背向拉曼散射原理可以實現溫度的感知和測量,是典型的光纖通信系統。

2.2.2 分布光纖測溫系統的構成

分布光纖測溫系統的主要構成:主機、信號采集和處理部分以及傳感光纖三部分。

(1)主機部分由光源、光纖波分復用系統以及光電接收和放大模塊構成。光源采用脈沖激光器;光纖波分復用系統由1×3雙向光纖耦合器和濾波器組成;光電接收、放大模塊由帶尾纖和前置放大器的光雪崩二極管(APD)以及高增益、寬帶、低噪聲的放大器組成。

(2)信號采集和處理部分可分為硬件和軟件兩部分,其中硬件由數據采集累加卡和計算機構成;軟件由數據采集累加卡控制和數據采集程序、保存和管理數據的數據庫管理系統、數據處理和顯示軟件三部分構成。

3 分布式光纖測溫系統的優點

3.1 能對感溫光纖上的溫度報警的位置給與確認，可指示出報警溫度的長度表示等定位信息，報警定位精度高；

3.2 能根據探測區域的現場環境情況設置溫度報警值，而且在同一系統中還可以針對不同的探測區域，結合其環境特點設置不同的溫度報警值；

3.3 可實現沿溫度場的實時、在線監測，實時顯示測量范圍內各點的溫度變化；

3.4 集傳感與傳輸于一體，可實現遠距離測量，系統簡單；

3.5 可以設置溫度的預警值、火災報警值，實現多級、早期報警；

3.6 具有抗干擾能力強、耐腐蝕、耐高溫等特點性，適用于高溫、高熱，強電磁場干擾等復雜環境。

3.7 通過采用不同的外護套材料,分布式光纖溫度傳感系統可以適應各種工作環境。

(1)實時監測高壓電力線路以及隧道(特別是地鐵)的潛在過熱點,并及時發出預警;(2)對建筑物及化工、電子、冶金、制藥等行業進行多點監控;(3)測量大型工業變壓器線圈、鐵芯及其他復雜結構的溫度場;(4)用于煉油廠、文物單位、檔案館、井下等需要無電流監測的場合;(5)強電磁場干擾的場合;(6)爆炸環境。

4 分布式光纖測溫系統的安裝敷設

4.1 分布式光纖測溫系統的安裝

分布光纖測溫系統主要由主機、信號采集和處理部分以及傳感光纖三部分構成。在施工安裝的過程中，應分別使主機、控制臺及機柜、光纖的安裝符合要求。

4.1.1 主機的安裝要求

主機的安裝位置應符合設計和環境條件要求，并應采用螺釘固定安裝在機柜內，當有不可避免的強光直射時，應加遮光罩遮擋。

主電源應明顯標志，主電源引入線，應直接與消防電源連接，嚴禁適用電源插頭。

尾纖、同軸電纜應固定，外露部分應穿金屬軟管，并應在金屬軟管上采取防火保護措施。

線型光纖感溫火災探測器的每一接線端子上都應清晰、牢固地標注上其編號或符號。

4.1.2 感溫光纖的安裝要求

感溫光纖應采用單獨的卡具吊裝或支撐物固定，直線段應每隔1.0-1.5m設置吊點或支點。在感溫光纖走向改變或轉角處應設置吊點或支點。消防控制室內感溫光纖在架空地板下腹設時，主機上的感溫光纖宜留10m長的余量并妥善放置。在盒槽式橋架、電纜豎井、油罐、貯油箱等處敷設感溫光纖時，宜每隔2m左右的用捆扎帶和被測物綁縛。

4.1.3 引入控制臺的感溫光纖及導線的安裝要求

感溫光纖應整齊，避免交叉，拐彎處應電纜曲率半徑的要求，并應固定牢靠；感溫光纖和所配導線的端部，均應標明感溫光纖和導線編號，并與設計圖紙一致；端子板的每個接線端，接線不得超過兩根；感溫光纖和導線長度應留有少小于200mm的余量；感溫光纖應綁扎成束；感溫光纖引入線穿管后，在進線管處應封堵。

4.2 分布式光纖測溫系統的敷設

為保證測溫光纖達到所要求的測溫精度和空間分辨率，實現最準確最有效的測量，就必須遵從以下敷設原則：

4.2.1 對管狀被測溫對象（如電纜、管道、隧道等）：應直接把光纖敷設在被測對象的外表面，并加以固定。

4.2.2 面狀被測溫對象（如油罐、鍋爐等）：可依照其外部形狀和定位要求把光纖緊貼其表面加以固定，或者將光纖裝入套管直接埋入其內部。

4.2.3 立體被測溫對象（如倉庫、發電機定子等）：可把測溫光纖立體地吊裝在倉庫的不同位置，或把光纖嵌入發電機定子的線槽內；

4.2.4 需要大范圍測溫的場合：可選用光線切換模塊，用一臺主機實現多路側溫光纖的巡檢。

4.2.5 需要精確定位的對象（如電纜的接頭、設備易發熱點等重要檢測部位）：可把光纖的一段繞成直徑大于3㎝的繞組，直接固定在需要精確定位的地方。

4.3 光纖線路的敷設

針對電纜的分布情況和相關設備的具體情況采取以下的敷設方法：

4.3.1 電纜架測溫光纖的敷設

光纖沿電纜層平面蛇行繞置以測量該層面電纜的平均溫度。用帶有外絕緣護套的鎧裝多模光纖，以防電纜局部放電時危及設備與人身安全。

4.3.2 電纜中間連接接頭的光纖敷設

對已接好的電纜接頭，光纖沿接頭繞行以提高測溫和定位精度。接頭處光纖用直徑3mm的絕緣護套普通光纖。對電纜間尚未連接處，光纖可直接敷設在其金屬部位。

4.3.3 與高壓柜連接的電纜頭的光纖測溫

用光纖繞盤的形式測量電纜頭溫度，確保發熱點溫度測量和定位的準確性，用直徑0.9mm的絕緣護套普通光纖，以螺絲固定光纖繞盤。

4.4 分布式光纖測溫系統的驗收

4.4.1 審查技術資料和施工記錄

光纖測溫系統目前還沒有國家產品標準，在驗收時更應該嚴格檢查驗收申請報告、設計圖紙及設計說明書、施工記錄及設計變更文字記錄、系統產品的檢驗報告、試驗報告、出廠合格證及使用維護說明書等技術文件。

4.4.2 系統調試

線型光纖感溫火災探測系統調試是保證系統能正常工作的重要步驟。系統調試有利于調試人員確認所采用的設備是否是符合國家有關標準的合格產品，確認系統的安裝質量及發現存在的問題，并且有利于調試人員熟悉系統及組件的結構及性能。系統的調試內容包括：

(1)主機的調試：線型光纖感溫火災探測系統主機應能正常工作，其工作及故障狀態應能在火災報警控制器顯示。(2)模擬故障：模擬線型光纖感溫火災探測器故障時，應輸出故障信號，點亮黃色故障指示燈，多通道線型光纖感溫火災探測器還應指示出故障通道。(3)連接線斷路調試：線型光纖感溫火災探測器連接其他輔助設備時，應模擬輔助設備與系統之間的連接線開路或者斷路，不應影響線型光纖感溫火災探測器的正常工作。(4)達到報警條件：模擬被監視區域溫度參數達到報警條件時，線型光纖感溫火災探測系統應輸出火災報警信號和報警定位信息，點亮紅色報警確認燈，多通道線型光纖感溫火災探測器還應指示出報警通道，并保持至復位。(5)對現行光纖感溫火災探測系統手動進行聲、光信號指示部件功能試驗，聲信號應能手動消除，開關電源操作、手動復位操作、手動屏蔽/解除屏蔽操作，應僅能通過專用工具、密碼等特殊手段實現。(6)線型光纖感溫火災探測系統的電源應具有主、備電源轉換功能，主備電源的轉換不應使線型光纖感溫火災探測系統輸出火災報警信號。

4.4.3 系統驗收

線型光纖感溫火災探測系統是火災報警系統的重要組成部分，應由建設單位組織設計、施工、監理和公安消防機構等單位組成驗收組，與火災自動報警系統一并驗收。應對其設計、施工及產品質量的全面驗收并做出評價，發現問題時各負其責，及時采取補救措施，以保證經驗收后的火災自動報警系統能可靠地投入運行，起到預期的防護作用。

線型光纖感溫火災探測系統的驗收，應現場判斷系統電源、模擬火災響應、故障報警等試驗結果，并現場驗收系統主機、火災探測器、電源、顯示器等裝置的安裝位置、型號、數量、類別、功能及安裝質量。

[1]山西省工程建設地方標準《線型光纖感溫火災探測系統設計、施工及驗收標準》.

[2]GB/T21197-2007.線型光纖感溫火災探測器[M].北京:中國標準出版社，2007.

[3]夏宇聞.從算法設計到硬線邏輯的實現[M].北京:高等教育出版社，2001.