光纖光柵測溫系統(tǒng)在民用建筑中的應(yīng)用

馬 寧

(中旭建筑設(shè)計有限責(zé)任公司， 北京 100037)

1 引言

火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)雖然從某種程度上填補了火災(zāi)發(fā)生時迅速反映和火災(zāi)防范的空白，但無法解決開關(guān)柜在運行過程中因氧化、松動、污穢造成的內(nèi)部連接點接觸電阻過大而發(fā)熱，尤其因過負荷造成饋線電纜與母排或開關(guān)連接點處溫升過高的問題，從而埋下火災(zāi)隱患。

2 采用光纖光柵測溫系統(tǒng)進行開關(guān)柜內(nèi)電纜接頭測溫原因分析

2.1 需滿足規(guī)范要求

《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50116-2013)第9章第9.3.1～9.3.3條描了該系統(tǒng)應(yīng)主要設(shè)置在電纜接頭等重點發(fā)熱部位，并且對于1kV及以下線路應(yīng)采用接觸式測溫，對于1kV以上線路宜采用光纖光柵測溫。實際上，光纖光柵測溫系統(tǒng)既能滿足接觸式測溫的要求，同時憑借優(yōu)異的絕緣性能也能夠被應(yīng)用于高壓環(huán)境。

2.2 傳統(tǒng)測溫手段無法滿足開關(guān)柜的測溫要求

設(shè)計人員最為關(guān)注的是開關(guān)柜內(nèi)部連接點的溫度，并且希望能夠?qū)崟r了解溫度信息，以便第一時間進行故障處置。而常規(guī)的測溫手段主要采用溫度傳感器、紅外成像儀、感溫電纜，這些都不能完全滿足這一要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)常規(guī)的熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等測溫方式，由于本身帶電或需要金屬導(dǎo)線傳輸信號，絕緣性不能保證，不建議在高低壓柜內(nèi)部使用。

2)手持式紅外熱成像儀必須與待測物體保持距離，是一種非接觸式測溫手段，需要人工操作，無法實現(xiàn)不間斷在線測量，而且測得的溫度數(shù)據(jù)是物體表面的熱輻射值，數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響，真實性差。

3)高低壓開關(guān)柜均為“密閉”型，設(shè)備在運行狀態(tài)下，小室通常關(guān)閉，加之柜內(nèi)帶電導(dǎo)體非常多，使人工巡檢的難度很大。

4)感溫電纜測溫是一種線性測溫手段，不能定位某點的溫度或溫度變化，因此不能被應(yīng)用于開關(guān)柜連接點的溫度測量。

2.3 光纖光柵測溫系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢

眾所周知，當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備過負荷運行時，斷路器需要熱量的積累才會動作，這是一個漫長的過程，而斷路器拒動作或者動作失敗時，會對母線、開關(guān)及柜體等設(shè)備產(chǎn)生危害，甚至?xí)劤苫馂?zāi)。光纖光柵測溫系統(tǒng)能夠滿足接觸式測溫的要求，并且能夠在不停電情況下實時對監(jiān)控對象進行溫度測量，從側(cè)面監(jiān)測設(shè)備或配電回路運行情況，使管理人員第一時間得知異常溫度信息，第一時間排除火災(zāi)隱患，提高了自動化程度和響應(yīng)速度。

3 光纖光柵測溫工作原理簡介

光纖光柵測溫系統(tǒng)是以光纖作為傳輸媒介，利用布拉格(Bragg)光柵的溫度敏感性和光的反射原理，實時檢測電力系統(tǒng)中電力設(shè)施易發(fā)熱部位的溫度變化，并進行多點溫度數(shù)據(jù)采集、運算、顯示、診斷及報警。

3.1 光纖

該系統(tǒng)的光纖由外徑為125μm的包層、直徑為9μm的纖芯及涂覆層構(gòu)成。光纖外表面的涂覆層能夠有效保護光纖并能夠增強機械性能。光纜結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 光纜結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 光纖光柵

在光纖上用紫外光刻寫光柵，10mm的光纖光柵包含了10 000個在纖芯中規(guī)則分布的微小反射鏡面。溫度等物理量、光柵反射波長與柵距的變化呈線性變化。光柵的柵距隨溫度變化情況見圖2。

3.3 基于溫度測量的光纖光柵傳感器工作原理

將寬帶光導(dǎo)入光纖后，通過光柵的反射，會反回特定波長的光，通過測量其波長，可以計算出被測物體溫度的變化。入射光經(jīng)光柵反射后反射光譜、透射光譜對比如圖3所示。

圖2 光柵柵距隨溫度變化示意圖

圖3 入射光譜、反射光譜、透射光譜對比圖

光纖光柵的原理是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶濾波器或反射鏡，對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射出一個受光柵區(qū)調(diào)制的窄帶光，透射光繼續(xù)沿光纖傳遞。

反射光的中心波長變化滿足布拉格定律。熱脹冷縮使光柵條紋的空間周期發(fā)生變化，并且折射率也隨著溫度效應(yīng)發(fā)生變化，這都將導(dǎo)致光纖光柵反射光中心波長變化，從而反向獲知光纖光柵處的溫度場信息。

用環(huán)氧樹脂膠將光纖光柵封裝在保護罩內(nèi)，從而形成光纖光柵傳感器。每只光纖光柵傳感器在制造時只對應(yīng)一個能夠反射固定光信號的波長，該波長被稱作反射光中心波長。入射寬帶光波長頻帶為1 525nm～1 565nm，制造時，在0℃條件下每隔3nm定義一個反射光中心波長。入射寬帶光的頻帶范圍內(nèi)第一個被定義的光纖光柵傳感器反射光中心波長為1 527nm。如0℃時，1號傳感器反射波長λ1為1 527nm，2號傳感器反射波長λ2為1 530nm，以此類推，13號傳感器反射波長λ13為1 563nm。用數(shù)學(xué)表達式表達為1 525nm<λ1<λ2<……<λ13<1 565nm。原則上，每根單芯光纜最多只可以傳播來自13個光纖光柵傳感器的反射光中心波長的窄帶光，否則將超出入射寬帶光的光譜范圍，并無法被光纖光柵分析儀檢測到。

利用分析儀解調(diào)反射光譜時，溫度每變化1℃，反射光波長將相應(yīng)變化0.01nm。如檢測到1號傳感器反射光波長為(1 527+0.1)nm時，說明檢測點溫度為10℃，當(dāng)監(jiān)測到1號傳感器反射光波長為(1 527-0.1)nm時，說明檢測點溫度為-10℃。被應(yīng)用于民用建筑電纜連接點溫度測量的光纖光柵傳感器的溫度監(jiān)測范圍通常是-40℃～260℃(該數(shù)據(jù)由廠家提供)。因此對應(yīng)的每個反射光波長變化范圍是(λn-0.4)nm～(λn+2.6)nm，其中n≤13。反射光在光纖中傳播示意圖如圖4所示。

圖4 反射光在光纖中傳播示意圖

4 光纖光柵測溫系統(tǒng)的工程應(yīng)用

4.1 工程概況

該工程屬于公共文化服務(wù)項目，工作部門和服務(wù)種類比較多，工作時間人員比較密集，因此設(shè)置了光纖光柵測溫系統(tǒng)對電氣火災(zāi)進行監(jiān)控。該工程建筑面積2萬余m2，地上四層，地下一層。變電所設(shè)置在地下一層，設(shè)置電纜溝，高低壓電纜采用下進下出接線方式。變電所內(nèi)設(shè)置值班室，值班室設(shè)轉(zhuǎn)角觀察窗，一面可直接面對高低壓柜操作通道或操作面，一面可直接面對變電所入口。

變電所內(nèi)設(shè)置10kV高壓開關(guān)柜5面，其中進線柜1面、保護柜1面、計量柜1面、變壓器饋線柜2面；變壓器2臺，接線形式為D,yn11；低壓開關(guān)柜20面，其中進線柜2面、電容補償柜4面，母聯(lián)柜1面、出線柜12面、備用電源接入柜1面。

4.2 光纖光柵測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖光柵在線測溫系統(tǒng)由四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別是現(xiàn)場監(jiān)測層、信號傳輸層、站控層和報警與數(shù)據(jù)顯示，分別對應(yīng)現(xiàn)場溫度傳感器、信號傳輸光纜、管理站儀器和報警、顯示設(shè)備。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式暫按Tysenkld系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建，并按此進行設(shè)計工作。

4.2.1 現(xiàn)場監(jiān)測層的設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測層主要由光纖光柵溫度傳感器和柜內(nèi)光分路盒構(gòu)成。其中光纖光柵溫度傳感器接觸安裝在高、低壓開關(guān)柜的電纜與開關(guān)接線端子或接線端子排的連接點處，對其進行溫度測量?，F(xiàn)場監(jiān)控層與系統(tǒng)設(shè)計關(guān)系最為緊密，設(shè)計應(yīng)根據(jù)電纜回路總數(shù)量、應(yīng)用的產(chǎn)品種類、項目資金狀況、回路諧波含量狀況分析等因素，綜合確定設(shè)計方案。

對于民用建筑而言，高壓回路數(shù)量占工程所有電纜回路數(shù)量的比重不大，而低壓回路數(shù)量對系統(tǒng)投資總額起著決定性作用。由于民用建筑低壓回路數(shù)量多，使得連接點數(shù)量多，如果在低壓所有電纜連接點處設(shè)置光纖光柵溫度傳感器，系統(tǒng)規(guī)模將是巨大的。由于該系統(tǒng)尚沒有被民用建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，加之產(chǎn)品的市場競爭壓力偏小，系統(tǒng)總投資也將隨著光纖光柵溫度傳感器的設(shè)置數(shù)量明顯增長。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，適當(dāng)減小系統(tǒng)規(guī)模。

本工程的高、低壓電力電纜(除備用回路)進出線回路數(shù)量為：高壓進線回路1路；高壓出線回路2路；低壓出線回路66路。由于光纖傳感器的工頻耐受電壓很高，因此可以被直接接觸安裝在開關(guān)柜電纜與接線端子排的連接點處。

本工程高壓進出線回路共3路，每路一根三芯電纜，因此一根電纜與高壓真空斷路器接線端子排的連接點為3個，分別設(shè)置在A,B,C三相上，高壓回路共出現(xiàn)9個連接點。

由于在低壓系統(tǒng)設(shè)計時，末端配電已基本做到三相平衡，且諧波含量較高的低壓設(shè)備末端均設(shè)置了濾波器對諧波進行抑制。從宏觀上講，每條低壓回路某相發(fā)生過負荷、電纜連接點發(fā)生氧化、松動、污穢的概率幾乎一樣。因此，為控制系統(tǒng)的投資，低壓每條出線回路可采用測量一相的連接點溫度作為該回路溫度測量的依據(jù)，并未在低壓回路N線設(shè)置光纖光柵溫度傳感器。由于PE線不是載流導(dǎo)體，平時無正常電流流過，因此PE線的連接點處不必設(shè)置光纖光柵溫度傳感器。此外，考慮到項目特點，該場所沒有出租的可能，且配電干線容量留有一定的裕量，短期內(nèi)使用備用回路的可能性不大，因此低壓備用回路暫未設(shè)計測溫點。其中66個低壓回路，每路一條電纜引出，共66個光纖光柵測溫點。

綜上所述，本工程變電所高、低壓電纜回路的連接點處共設(shè)置了75個光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器需要與光分路盒連接后才能與上層網(wǎng)絡(luò)進行連接。本工程主要采用2、3、6路光分路盒，其中高壓柜采用了3個3路光分路盒，低壓柜采用了12個6路光分路盒。光分路盒可以被安裝在開關(guān)柜內(nèi)的側(cè)面、后柜門內(nèi)側(cè)等位置。光分路盒與光纖光柵溫度傳感器采用FC/APC連接方式，不需要熔融連接，當(dāng)發(fā)生故障時方便更換，利于系統(tǒng)的維護。光纖光柵傳感器見圖5，光分路盒見圖6。

圖5 光纖光柵溫度傳感器

圖6 光分路盒

4.2.2 信號傳輸層的設(shè)計

信號傳輸層即光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，該層是將光纖光柵溫度傳感器的光柵反射光信號進行統(tǒng)一采集并傳輸至數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)的中間媒介。反射光信號由底層光分路盒通過單模單芯光纜傳送至光纜接續(xù)盒，即完成了反射光的傳輸。受寬帶入射光波長范圍的影響，理論上最多只能有13個窄帶反射光的中心波長落到寬帶光的光譜內(nèi)。本工程按照產(chǎn)品使用手冊的建議，一根單模單芯光纜對應(yīng)的光纖光柵溫度傳感器數(shù)量不超過12個。

考慮本工程的實際情況，將每兩面相鄰低壓柜的光纖光柵溫度傳感器反射光信號通過一個兩路光分路盒(二級光分路盒)進行整合，能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更加清晰，二級光分路盒同樣設(shè)在了開關(guān)柜內(nèi)的側(cè)面、后柜門內(nèi)側(cè)等位置。本工程共設(shè)置了7個二級光分路盒，其中1個3路光分路盒，6個2路光分路盒，即由7個二級光分路盒向網(wǎng)絡(luò)上層引出7根單模單芯光纜。

光纜接續(xù)盒是信號傳輸層的另一個設(shè)備，但不是系統(tǒng)搭建的必要設(shè)備。該設(shè)備的作用僅在于將多根單芯光纜轉(zhuǎn)換為一根多芯光纜，方便其在建筑中敷設(shè)。由于本工程系統(tǒng)的核心處理設(shè)備都設(shè)在變電所，由二級光分路盒至上層核心處理設(shè)備的傳輸光纜可以很方便的在電纜溝內(nèi)敷設(shè)，因此未設(shè)置光纜接續(xù)盒。

4.2.3 站控層的設(shè)計

站控層主要由通道擴展模塊、光纖光柵信號分析儀、報警控制模塊、信息顯示裝置共同構(gòu)成，這些設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置在一面標準機柜內(nèi)。由于本工程變電所值班室面積緊張，因此將機柜設(shè)在了變電所，但值班人員可以通過值班室觀察窗直接看到機柜上信息顯示屏的相關(guān)信息，使用起來也比較方便。

1)通道擴展模塊

通道擴展模塊能夠?qū)崿F(xiàn)多路光通道光纖光柵溫度傳感器陣列的反射光信號讀取，并可以與多臺光纖光柵信號分析儀通過RS232通訊接口進行通訊。如果系統(tǒng)只需要一臺光纖光柵信號分析儀，則系統(tǒng)搭建不需要通道擴展模塊，通道擴展模塊見圖7。本工程未設(shè)置通道擴展模塊。

圖7 通道擴展模塊

2)光纖光柵信號分析儀

光纖光柵信號分析儀是測溫系統(tǒng)的核心設(shè)備，一方面為探測單元提供寬帶光源信號，另一方面對探測單元反射光信號的波長信息進行分析、轉(zhuǎn)換、整理，并輸出溫度數(shù)據(jù)和報警信息。由于各廠家的設(shè)備產(chǎn)品不盡相同，光纖光柵信號分析儀的光通道數(shù)量也不一樣。本工程采用一臺8通道光纖光柵信號解調(diào)儀，每個通道所對應(yīng)的光纖光柵溫度傳感器的數(shù)量同樣不能超過12個。光纖光柵信號解調(diào)儀見圖8。

圖8 光纖光柵信號解調(diào)儀

3)報警控制模塊和信息顯示

報警控制模塊可以實現(xiàn)聲光報警和消防聯(lián)動的功能，通過光纖光柵信號分析儀的RS485通訊接口進行控制。當(dāng)任一傳感器的實測溫度超過設(shè)定閾值，即刻啟動聲光報警。信息顯示是將現(xiàn)場監(jiān)測層傳感器傳送的實測溫度數(shù)據(jù)，繪制成溫度曲線顯示出來，并與預(yù)先設(shè)定的溫度信息進行比較，并顯示溫差等信息。系統(tǒng)的故障信息和故障解除的歷史信息也可以被顯示裝置調(diào)用顯示，從而為運營管理和維修決策者提供開關(guān)柜的運行狀態(tài)信息，當(dāng)然，這離不開系統(tǒng)軟件的支持。

軟件可以支持該系統(tǒng)與火災(zāi)報警系統(tǒng)進行通訊，實時將采集到的溫度數(shù)據(jù)信息通過軟件傳送到消防控制室的圖形顯示裝置上，滿足《火災(zāi)自動報警設(shè)計規(guī)范》(GB 50116-2013)第9.1.5條“集中顯示”的要求。

4.3 光纖光柵測溫系統(tǒng)平面布線

本工程光纖光柵測溫系統(tǒng)平面布線圖見圖9。

4.4 光纖光柵測溫系統(tǒng)

本工程的光纖光柵測溫系統(tǒng)框圖見圖10。

5 結(jié)束語

光纖光柵測溫系統(tǒng)為電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的一種，也叫做測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。供電線路發(fā)生過載時，電纜與母排連接處的溫度變化最為明顯?？梢詰?yīng)用光纖光柵測溫系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)供電線路早期過載等不良狀態(tài)，并提醒工作人員及時排除火災(zāi)隱患。

圖9 光纖光柵測溫系統(tǒng)平面布線圖

圖10 光纖光柵測溫系統(tǒng)框圖

隨著《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50116-2013)的發(fā)布與實施，測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)第一次在規(guī)范中明確提出，同時也為設(shè)計人員的設(shè)計實施提供了可靠依據(jù)。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.火災(zāi)自動報警設(shè)計規(guī)范(GB 50116-2013)[S].北京：中國計劃出版社，2013.