D华魏电力7电缆隧道应用文献灰度正确.docx
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D华魏电力7电缆隧道应用文献灰度正确
DTS
光纤分布式温度监测系统
在电缆隧道火情监测中的应用
上海华魏自动化设备有限公司
二零零四年七月
光纤分布式温度监测系统在电缆隧道消防中的应用
1.概要
自从光纤分布式温度监测系统（DTS）于1986年首次投入商业化运作以来，该项技术被广泛应用于众多需要确保安全、可靠运作的领域，包括高压动力电缆的温度分布监测、加工厂热点探测与定位、低温气体储存罐漏气点的探测，和沿生产油井的温度分布监测等领域。
光纤分布式温度监测系统已成为解决越来越多的温度测量难题和火情监测的最好解决办法，尤其是其在电缆隧道消防方面的应用就是一个典型的例子。
本文描述了此项技术运用在电缆隧道项目中进行火情监测的优点。
2.简介
美国在1965-1975年统计的3285次电气火灾事故调查中发现，电线电缆起火为主要火灾原因，造成的损失也占最大比例。
日本曾对电力，钢铁、石油化学、造纸等工厂企业调查，有78%的单位发生过电缆着火，其中危害程度较大的事故占40%。
我国电力部门对电缆火灾、事故也有统计，在1972年至1982年十年中，我国的发电厂、变电站、供电隧道中，因电缆着火延燃造成的火灾在60次以上，给国民经济带来的各种损失约50余亿元。
根据全国火灾事故的统计分析，因电力电缆着火造成火灾的事故占有很大的比例。
从1986年到1991年全国电力系统因电力电缆着火酿成火灾案例有62起，烧毁电缆、电气设备等直接经济损失达7亿元以上。
石化系统有214起，造成直接经济损失高达数十亿元。
电缆故障引起火灾的过程如下：
电缆局部着火后，火势很猛，蔓延迅速，同时还产生大量含有氯化氢的有毒烟气，对人体构成威胁，致使消防救火人员不能靠近火场及时扑救。
与此同时氯化氨气体与空气中的水份相结合，化合成稀盐酸附着在电气设备、仪器仪表、装置上生成导电薄膜。
严重降低了机电设备和一二项接线回路的绝缘性能，直接影响机电设备和发电机组的安全运行并缩短其寿命。
经过数十年的应用发展，传统的监测手段因其技术的局限性，不能再满足现代工业的要求，于是在上世纪80年代末，光纤测温系统应运而生，逐步地取代了点式测温系统和感温电缆系统，光纤测温系统是“实时在线监测”系统，而非传统的报警系统---在事故发生时才启动，以其0.5℃的敏感级和0.25米的定位精确度并附以多种/多级报警手段，在事故发生前，就能非常直观的找出异常点，并加以排除，真正做到了防患于未燃，是现代工业电缆隧道中最先进、最主流的监控产品，DTS系统已经被广泛应用于世界各地多数的大型工业企业。
在现有的工业运用的火情监测设备中，在隧道中能够提供火灾预警和过热警报的最行之有效的办法就是线型温度监测。
传统的建立在气体力学和电子科技基础上的线型温度监测只能提供非常有限的信息和性能。
而光纤技术通过提供一个健全的、有成本效益和智能的，可以直接连接到电缆隧道管理系统和任何火灾报警设备上的光纤温度传感器，为电缆隧道监测管理引入了一个新特点。
由于不受电磁干扰和电缆隧道内恶劣环境的影响，该系统能按客户要求设置程序，并能进行非常长距离的远程操作。
光纤分布式温度监测技术的主要特征包括能提供电缆隧道的温度实时数据和剖面图，火灾定位及火势蔓延方向判断，多样化的报警点设置，自我诊断能力，断路检测和修复，以及远程监控。
该技术对于火情监测应用的适宜性，尤其是在电缆隧道火情监测应用中，得到多家厂商和用户的一致首肯和推崇。
自使用以来，人们进一步对这项技术作了重大的改进和发展，使它更加可靠和完善。
3.技术原理
图1.DTS系统原理
光纤分布式温度监测系统是两种技术理论的完美结合。
如图1所示，首先通过对光纤注入光脉冲，对其后向散射光携带信号的分析，获取沿探测光缆的温度和位置信息。
由于后向散射光谱中有部分光束对温度十分敏感，特别是拉曼（Raman）和布里渊（Brillouin）散射光，它们相对于入射波长而变化，如图2所示。
图2.后向散射光谱
通过比较拉曼-斯托克斯（Raman-Stokes）及反斯托克斯（anti-Stokes）光波长，并计算出激光发射后的运行时间，我们就可推算出每个测量点的温度和位置。
由这些温度和位置数据，系统就能在监视器（电脑）上产生一条如图3所示的实时温度分布曲线图。
图3DTS温度分布曲线图范例
4.系统构造
DTS系统控制单元能与不同长度的光纤相连，该控制单元包括一个能产生激光脉冲的激光源，和一个能通过分析后向散射光信号来确定光纤温度分布信息的专门跟踪监测系统。
控制单元由一个插入式便携电脑对其进行程序设计和管理。
此外一个专门的电脑可用作显示温度轨迹和其他重要信息。
为促进DTS系统与电缆隧道管理系统的交流，我们还提供两个标准的RS232端口，以便于通过Modbus或其他协议进行区域信息传输。
作为选择，控制单元的输出端口还能与一套现代化火情警报系统相连，一般通过提供一套单独的继电器连接装置，来进行区域和系统报警信息通讯。
这三种输出形式可同时使用，完全取决于灵活的系统配接体系。
图4DTS系统配接体系
配有调制解调器连接的专用电脑扩展，可以允许进行远程分析和以维护为目的的系统问讯。
但必须指出的是，DTS设备的运作是不需要电脑支持的，因为其温度、警报监测和计算，以及继电器运作是DTS控制单元中的一部分。
5.功能特性
5.1系统配置，响应时间和温度精度
使用单模光纤（设计适用于长距离信息传输）可获取长达30公里的温度曲线图；选用多模光纤（设计通常适用于当地区域网络），其适配最大范围为12公里。
但若应用于火情监测，建议将适用范围控制在8公里以内，以保障迅速的响应速度，通常在温度分辨率为2℃时，系统响应时间为35秒。
如果缩短监测长度，或延长响应时间的话，系统就能达到更高的温度分辨率。
比如说，当测量距离为4公里，响应时间为15秒时，能达到的温度精度为1℃；而当响应时间为44秒时，就能达到0.5℃的温度精度。
整个系统的响应时间，是光系统处理时间和光纤传感器对火情的热响应速度的函数。
日本消防局根据气体动力学线性热监测标准，检测并通过了DTS系统认证。
整个响应时间，从一个屏蔽的火源点到报警信号的输出在30秒之内。
5.2温度范围
光纤的工作温度范围与光纤的涂层和外护套材料有关。
标准的丙烯酸盐涂层光纤能在-40℃到+90℃的环境下连续正常工作，也能在+150℃高温范围内工作48小时。
而若使用聚酰亚胺涂层的光纤，就能达到较广（从-180℃到+300℃）的温度范围，但对于一般的火情监测应用是没有必要的。
5.3光缆外护套
一般推荐使用的两种光缆外护套材料包括，低烟零族卤素热塑性材料（LSOH）和无涂层金属管（如316号不锈钢外护套光纤）。
用于电缆隧道时，通常推荐采用直径为5毫米的LSOH外护套传感光缆，这种产品坚固耐用，性能好，对热反应相当灵敏，快速响应温度微小变化而设计的，使用寿命长。
探测光缆的防护等级大于IP65，寿命超过30年。
6．在电缆隧道防火中的应用
DTS系统的发明就是源于世界上的大型电缆制造商，为了解决电缆的实时监测而专门研制的，针对性非常强。
6.1电缆隧道火灾分析
根据分析，电缆火灾的原因有两种，即内部火源和外部火源。
内部火源主要是指电缆传输电流过载，电缆接头处阻抗大,绝缘皮老化或电缆本身局放等问题，致使电缆表面产生温升，电缆绝缘层和保护层产生阴燃，并伴随大量热量、可燃气体的产生，随着温度进一步上升即产生烟雾，从而发展为更严重的火灾。
外部火源是指电缆隧道及电缆夹层内其他火源及隧道外各种火源。
外部火源可使电缆表层着火，同时产生大量的热和烟。
对于普通电缆，电缆的绝缘材料、填充物和覆盖层为主要可燃物，如聚氯乙烯护套、橡胶、绝缘油等。
一般情况下护套材料在温度150度以上即开始释放一定量的可燃气体，此时并不产生烟物；温度在270度以下范围内即会大量释放可燃气体和烟雾，内含大量有毒气体。
温度高于270度时处于极不稳定期，随时可能燃烧，对于自燃来讲可能温度要达到近390度才会燃烧，但对于由于外界点火源造成的灾害，在存在大量可燃气体的情况下即会燃烧。
对于阻燃或难燃电缆，首先要明确的是这一类电缆仍然会发生电缆延燃火灾。
与普通电缆不同的是自燃起火温度值提高到了480度，开始产生一定量可燃气体的温度提高到了190度以上，但此时无烟雾产生；但产生大量可燃气体的温度仍然在270度以下，即由于外部点火源造成的火灾点火温度并不会提高很多。
根据DTS光纤分布式温度监测系统特性，系统监测到的是光缆沿线的长期工作温度情况，以及该系统对于动力电缆的内部和外部引起的火灾或事故所做的长期监测应用和大量的实验证明，该系统在事故发生之前，系统已经进行了长期有效的温度监测，并可利用经验值根据温度情况做出合理判断，在火灾发生之前对事故发展情况进行掌控，真正做到防患于未燃。
经过十数年的发展，光纤分布式温度测量技术已经非常成熟并被广泛应用，在国外已经基本取代传统的线性感温材料而应用在重要工程中，进行开发与推广。
6.2光缆的安装与安全性
光纤是独一无二的即可以作为感温元件也可以作为传输媒介的材质，并可以在危险区域安全的使用，不受电磁干扰。
由于我们采用的是3A级激光产品，即使是在光纤传感器发生破损的情况下，系统对人身不会构成伤害。
对于桥架是敞开形式的电缆隧道，作为火情监测用的光缆探测器通常安装在隧道的顶部，距天花板25mm到150mm，以保证光缆探测器周围良好的空气流动。
对于桥架为封闭槽盒形式的电缆隧道，作为火情监测的光缆探测器通常在需要监测的每个槽盒内安装，可以安装在槽盒内电缆上方的侧壁上。
将光缆依附在动力电缆托盘上，按两层或三层电缆桥架敷设一根探测光缆，对于电缆的温度监测也是可行的。
光缆的安装方便，而且光缆柔韧、纤细，不需要与电缆紧贴敷设，对于电缆的加装和改装不会有任何影响。
图5电缆隧道示意图
6.3可设计性
DTS系统具有完全可设计性。
我们可以根据设计的要求，沿着光纤传感器编辑所需火灾报警分区，在每个区域设定多重固定报警点。
每一个火灾报警分区可以设定不同的报警温升速率，通过调整反复计数的次数来提高或降低系统的灵敏性。
在实践中，可以在现场调整设定值来与现场盛行的环境情况相适应，在现场调试过程中记录隧道内的温度有利于确定适当的报警点。
6.4回路设计
DTS系统控制单元能够自动探测和定位光纤传感器上任意点的破损和断路。
如果传感器的两端没有同时连接到控制单元，就不能对破损点之后的部分加以监测。
系统的设计，使光纤传感器从控制单元出来并回到控制单元形成一个连续的回路，就产生了一个被一些权威人士认可的必不可少的高度完整的系统。
如果采用了“双端处理”，光纤的任何断路都不会影响到DTS控制单元同时从光纤传感器两端进行继续巡检的能力。
回路设计采用双端处理方式，能确保系统在贯穿整个事故发生期间保持完全可操作性。
6.5对火情发展的评估
系统根据对后向散射光的分析进行运做，在火灾情况下，只要有一端仍与DTS控制单元相连接，所有未受影响的光纤都将继续提供温度和位置信息。
随着火势在隧道中的蔓延，将会有更多的光纤受到影响，这种实时信息即可以用温度/距离轨迹来体现，也可以通过显示模拟图例来体现。
与此同时，我们可以在一个安全的地方，通过一台PC机来观察电缆隧道内火情发生位置、所影响的区域、火势蔓延的方向以及现场的温度分布情况；PC机与PC机间的通讯联络技术的使用，意味着可以将这些现场的临界信息传达给远程事故控制中心，这些信息对于救援工作来说是至关重要的。
6.6附件
附1DTS光纤分布式测温系统与传统线性感温电缆的比较
1，模拟量感温电缆系统
2，分布式光纤测温系统
二、技术比较
技术性能
光纤分布式温度监测系统
模拟量感温电缆系统
系统的工作原理
光纤通讯中光时域技术，通过对光纤中后向反射光中拉曼散射光温度敏感的特性准确定温，同时，通过光信号的匀速运动，可以准确定位，温度精度最小到0.5℃，定位精度最小到1米，永远在线的温度监测。
采用的是特殊NTC负温度材料，根据导体的绝缘外护层在某个温度值下导电，致使四芯绞合结构中的两芯导体短路产生报警，每段感温电缆连接在一个微机头上，用来报警定位，通常按200米或300米连接一个微机头，因此，每次报出的是一个区域的报警信号。
报警值在出厂前进行设定，无法根据现场状况进行修定。
系统的独立性
可自成系统，也可作为自动线型探测器融入到整个火灾报警系统，如第一条中图示，作为火灾报警中的一部分时中间环节少，系统简单，可靠性极高。
属于火灾报警系统的一个部分，系统连接没有问题，但必须要与火灾报警控制器、微机头等配接才能工作，如第一条中图示，中间环节多，可靠性较差。
温度变化趋势的实时监视能力
实时在线探测光缆沿线每一点温度值和变化趋势，在PC上显示出温度和距离的对应曲线，准确定位温度异常点且给出异常点的温度值，对于类似电缆局放这样的微小的温度变化状况也可以做出很准确的判断。
由于对于每一个取样间隔（1米）给出的是该间隔的温度平均值，因此，当温度异常点间距小于1米时，系统反映出的温度和真实温度有一定误差，但通过异常点温度的变化趋势可以做出准确的定性判断。
可以获得部分感温电缆随温度变化而变化的模拟量信号，同时可以将该部分信号以当量温度形式予以显示。
不能对温度异常点进行定位和定量，而是按报警分区进行报警的，同时，对于事故点未能达到系统的出厂设定的报警值时，系统不能给出报警信号。
系统的报警方式
有多级定温、差温、温升趋势等三种方式选择，或三种方式结合报警，定、差温报警结合，绝对无误报；
可在任何时间准确显示任何一点的温度状态，在火灾发生前做到早期预警。
出厂时设定三级定温报警，被动等待设定的报警温度，报警时往往已形成火灾
系统的基本设计方式
主机放置在控制室里，探测光缆沿需要监测的位置进行直线敷设，由于温度上升后热空气迅速向上升，探测光缆可以根据现场条件悬吊在被测物的顶部或侧上方，对于电缆桥架可以隔层或每层敷设进行监测；
同时，探测光缆可以按环行方式安装，便于在火灾中出现断点时仍然不影响系统对于火势的发展状况和蔓延方向进行在线监测；
报警分区的区域可以根据现场实际情况在系统上设定，对安装在现场的探测光缆没有任何影响，便于电厂等复杂的环境，标定后的分区准确；
每个报警分区都可以根据现场情况设定不同的报警值，这对于现场复杂多变的环境有非常重要的意义。
由于通常规范要滞后于产品的发展，现在光纤的设计规范正在制定中，因此，现在的设计规范把光纤系统和感温电缆系统均按线型标准规定，很多可以参照或采用厂家的标准。
每个防火分区安装微机头带适当长度的感温电缆，报警时可以知道具体某个分区的信号，感温电缆需要正弦波贴附安装，但对于大空间的监测无法有效安装和监测。
感温电缆作为传统的线型测温产品，对于电厂等场合有较为详细的设计说明。
系统对电缆火灾的适应性
电缆火灾中，无论内部火源还是外部火源，首先都有大量热量产生的过程，系统对于热量敏感，即使类似电缆局放这样的几厘米范围内微小的温度变化也可以做出很准确的判断，准确定位事故点，同时可以给出事故点的准确温度，对于早期预警有很强的作用。
对于感温电缆贴附到的部位在火灾发生时可以及时给出整个分区的报警。
但对于火灾发生前未能达到设定的报警值无法给出警报；
同时，由于正弦波敷设的感温电缆对于绝大多数的电缆面积无法接触，而电缆着火前事故点面积较小，所以不能在火灾前做出预警。
与其他系统的联动控制适应性
给出火灾报警控制器需要的开关量信号，用于系统采取的灭火等联动措施；
通过系统的标准通讯接口和方式可以接入现场和远端的综合控制系统，在除火灾报警系统外或远程同步显示现场的温度和事故状况，便于多部门协作。
可以使报警分区和灭火分区较为准确的一一对应，从而实现准确联动；
系统不能和火灾报警系统外的其他系统连接。
系统使用的安全可靠性
系统的控制主机由于对于温度和湿度有一定要求，一般安装在主控室内；
探测光缆不受电磁干扰，选择适合的外护套，可不受任何环境的影响，本征安全，适用于特殊危险场合；
对于火灾探测而言，光纤本身适用的温度范围就很广（-50℃——300℃），而一旦在光纤外表面涂上不同材料，其工作温度环境范围就能扩大到-90℃——460℃。
微机头和模块等需要就近放置在环境复杂的现场，易受环境的影响，可靠性较差。
因感温电缆的绝缘外皮老化和电磁的干扰等诸多因素的缘故，极易产生误报，并因其带电，故不适用于特殊危险场合。
由于采用有机外护套材料，在潮湿、腐蚀性场合，或经过一段时间后，极易损坏，因此，不适用于电缆隧道、输煤系统等潮湿或有腐蚀性气体等环境较为恶劣的场合
产品标准与国家形式检验情况
国家的形式检验规范；
同时相关部门正在制定关于光纤的国家标准；
国外由于发展的时间较长，有成熟的行业和企业标准。
对于电厂的应用有较为成熟的国家形式检验标准。
探测器的可恢复特性
温度达到报警值，不影响系统的使用，可以无限次数报警；
探测光缆受损后，可以通过简单的光纤熔接。
一次报警后可恢复使用；
报警受损后须更换受损部分。
探测器的安装
采用抗拉伸、抗冲击、外径小、柔韧的光缆，直线悬吊安装，极为方便；
不需要与电缆紧贴敷设，不影响电缆的安装和今后的改装。
较易损坏的线缆必须与电缆以正弦波方式紧贴敷设，相互影响，安装难度大，同时影响今后电缆的改装。
长期使用能力
不超过规定的温度极限，使用寿命超过30年。
外护套材料为易受环境影响的有机材料，一段时间后外护套会老化而造成感温电缆的损坏。
维修维护
长距离监测（可至30公里），一根光缆即可完成探测和信号传输，所有设置在终端完成，整个系统简单可靠，终身免维护。
监测长度有限，多路布线分区，系统相当复杂，故障率高，难以维护
附2光纤分布式温度监测系统在扬子石化热电厂电缆隧道中的应用
扬子石化热电厂的电缆隧道在使用过程中，曾采用过线形感温电缆、感烟式等多种材料，由于误报和电缆改造多等原因，效果均不甚理想。
采用光纤分布式温度监测系统，能将各电缆桥架中的所有电缆任意位置的实时温度显示出来，并连接到火灾报警信息网，做到预防为主。
针对扬子石化热电厂电缆隧道的特点及火灾探测区域的具体要求，上海华魏自动化设备有限公司采用每侧桥架铺设1根探测光缆、隧道顶部悬吊一根的方式， DTS主机通过继电器与火灾报警控制器连接，把每一防火分区的报警信号传输给区域火灾报警控制器。
同时，DTS主机可以通过PC与PC之间的通讯的方式，把相关温度信息传输到远端的控制中心。
DTS控制单元沿整条光缆提供连续线型温度监测。
DTS控制单元连接相应的光缆组成了一个智能的探测器，对报警区域长度及报警点进行整体编程。
根据不同的实际应用，既可以定温度报警、也可以为差温度报警或两种方式的综合。
报警点及区域长度可调整到符合实际状况。
DTS系统提供了一种将电缆额定值同其工作温度相比较的方法。
DTS测量并收集电缆温度数据，通过对所收集的数据的分析，并结合系统负载数据，使用户能够建立并预测沿整个线路电缆的运行状况。
通过进行数据分析，系统就能够在最大负载下运行，从而延长系统的“寿命”，因为电缆温度不会超过限定的极限值，从而防止电缆过热可能造成的损害。
采用DTS系统可以对电缆沿线上的热点位置进行高精度定位。
DTS系统可以显示并记录下温度变化曲线轨迹。
所记录下的温度变化曲线能显示出整条线路上的任何热点的位置。
为了建立沿光纤路线的距离与沿电缆路线的距离之间的关系，可以从DTS系统上下载一条非温度敏感（NTS）曲线。
NTS轨迹基本上就是一个光时域反射定位（OTDR）轨迹，光纤拼接处的位置能够根据电缆线路来确定。
然后通过显示和列出整个系统运行设备的线路图，对热点精确定位。
一旦根据电缆路线确定了热点的位置，就可以确定可能形成热点的原因。
影响此关键性电路超负荷运行的原因可能是某些设备超过了其额定值，或者可能是电缆绝缘外壳老化，或者外部有热源。
在确定了影响电缆温度的设备所在区域后，为确认具体产生影响的设备，可以将这些区域的设备分别关闭一段时间，来确定对电缆产生反作用的设备。
在确定了对电路产生影响的设备后，就可以对该设备采取适当的校正措施，比如重新设定额定值，如果有必要，还可以移动该设备，或者重新部署。
另一个方法是在DTS系统中设定一个区域，如果在该区域的电缆温度超出预先设定的温度界限，就会触发警报。
在DTS系统的使用过程中，由于35kV I、II段几经改造，电缆过密，而其中部分回路负荷较大，造成动力电缆局部发热，在与DTS系统连接的PC上，光纤路线的距离与沿电缆路线的距离之间温度敏感曲线实时精确反映出热点，最近通过负荷调整，电缆重新部署，电缆的运行工况得到改善，从而消除了隐患。
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