分布式光纖測溫系統(tǒng)在隧道內(nèi)的應用

田 豐

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西 太原 030012)

2017-08-29

田 豐(1989- )，男，山西太原人，助理工程師，學士學位，研究方向：高速公路機電工程。

1674- 4578(2017)05- 0031- 03

分布式光纖測溫系統(tǒng)在隧道內(nèi)的應用

田 豐

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西 太原 030012)

隨著分布式光纖測溫技術的發(fā)展，現(xiàn)如今越來越多地應用在隧道的火災探測中。利用分布式光纖測溫系統(tǒng)，可以有效地對隧道內(nèi)發(fā)生的火情進行及時準確的報警，對保護生命和財產(chǎn)安全有很大的作用。本文結合山平高速公路鴛鴦會隧道的實際情況，對分布式光纖測溫系統(tǒng)進行了測試，實驗結果表明，分布式光纖測溫系統(tǒng)可以及時準確地探測出火情。

分布式光纖測溫；隧道；火災探測

1 概述

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國公路覆蓋面積越來越廣。我國是一個山區(qū)較多的國家，近年來越來越多的高速公路需要穿越山區(qū)，長隧道及超長隧道在公路修建過程中數(shù)量不斷增大，給隧道消防帶來了挑戰(zhàn)。

隧道作為一種特殊的建筑結構，所處空間狹小，結構封閉，交通流量大，現(xiàn)代化交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大大增加了隧道火災的潛在危險。一旦發(fā)生火災，產(chǎn)生的濃煙將會沿隧道迅速擴散，產(chǎn)生極大的危害，因此對隧道火災的實時監(jiān)測及防范是保障隧道交通安全的必要措施。由于所處的地理位置，隧道內(nèi)常年陰冷并保持一定的風速，并且隨著季節(jié)變換環(huán)境溫度變化較大，再加上汽車尾氣排放造成的空氣粉塵污染，給準確、可靠、及時的火災探測帶來極大的困難。隨著新技術的發(fā)展，分布式光纖測溫系統(tǒng)越來越多地應用在隧道火災探測上。

2 分布式光纖測溫技術

2.1 系統(tǒng)說明

分布式光纖測溫系統(tǒng)DTS(Distributed Temperature Sensing)是近年來發(fā)展起來的一種用于實時快速多點測溫和測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)。它是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度測量系統(tǒng)，可對測量距離幾十公里的范圍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場合應用。

分布式光纖測溫系統(tǒng)技術是利用感溫光纖，在隧道內(nèi)作為線性溫度傳感器，可以連續(xù)測量整條光纖沿線所在各處的溫度。分布式光纖測溫系統(tǒng)利用拉曼效應測量溫度，光的強度與光纖分布處的溫度成正比。一個激光脈沖進入光纖后會和光纖分子互相作用，會產(chǎn)生拉曼散射、瑞麗散射、布里淵散射，如圖1所示。其中反斯托克斯拉曼散射(Raman Anti-Stokes)對溫度的敏感系數(shù)比斯托克斯拉曼散射(Raman Stokes)要大得多。因此通常都將反斯托克斯拉曼散射用作信號通道，作為計算溫度的主要依據(jù)。利用光纖背向拉曼散射的溫度效應，可以對光纖所在的溫度場進行實時的測量，并且通過測量反斯托克斯(Anti-stokes)光強Pa與斯托克斯(Stokes)光強Ps的比值R(T)的變化實現(xiàn)對外部溫度變化的監(jiān)測。

其中，h為普克朗常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，Δv為拉曼頻移量，Ω為與波長相關的常數(shù)，αa和αs為反斯托克斯散射和斯托克斯散射對應的光纖損耗系數(shù)，z為測量距離。

通過光時域反射技術(OTDR)可以對測量點進行精確定位。在時域中利用OTDR技術，根據(jù)光在光纖中的傳輸速率和入射光與反斯托克斯拉曼散射之間的時間差，可以對不同的溫度點進行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。在時域里，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為：

其中，V為光在光纖中的傳播速度,C為真空中的光速，n為光纖折射率。在測得時刻t時，就可求得距光源L處的距離。利用OTDR技術可以對感溫光纖的斷點、異常溫度點進行定位。

圖1 光纖背向散射光譜

2.2 在隧道內(nèi)的應用

以山西省山陰至平魯高速公路鴛鴦會隧道為例，隧道右線長4 787 m，左線長4 728 m，隧道凈寬10.75 m，采用單向雙車道設置，設計最高車速為70 km/h。在鴛鴦會隧道左右洞頂部分別通長鋪設一條感溫光纖，感溫光纖掛在已經(jīng)固定在隧道頂部張緊的鋼絞線上，距離隧道頂部10 cm。并且對10 kV電纜及油浸地埋式變壓器上也設置感溫光纖，感溫光纖采用纏繞式，將感溫光纖纏繞在地埋式變壓器上，同時纏繞于隧道強電側電纜溝內(nèi)的10 kV電纜上，對地埋式變壓器及10 kV電纜進行火災檢測。

所有的感溫光纖接入到隧道口變電室內(nèi)的感溫光纖主機上，再由光端機將信號傳回鴛鴦會隧道管理站，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄ｉT的火災報警軟件上。感溫光纖火災探測器的報警類型分為火災報警和故障報警，當感溫光纖檢測到隧道內(nèi)有異常的溫度變化時將會發(fā)出火災報警，當檢測到與感溫報警主機通訊中斷及光纖有斷點時，將會發(fā)出故障報警。當隧道內(nèi)發(fā)生火災報警時，火災報警主機會將報警信號傳回隧道管理站，隧道管理站監(jiān)控室將會自動發(fā)出報警音提醒現(xiàn)場的監(jiān)控人員。監(jiān)控人員可用攝像頭來判斷報警點附近情況，并可以觸發(fā)事前編輯好的聯(lián)動預案，監(jiān)控軟件將會自動對隧道內(nèi)的照明燈、車道指示標志、風機、卷簾門、交通信號燈等設備進行切換，由于隧道內(nèi)著火時應急人員無法立即進入，所以各項聯(lián)動措施顯得尤為重要。其系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構圖

2.3 現(xiàn)場實驗測試

為了驗證感溫光纖的火災探測的響應時間，對隧道頂部的感溫光纖進行了點火實驗。準備1 m2的火盆，將火盆置于90 cm高的支架上，燃料為93#汽油，并使用風速儀記錄當時風速，用秒表記錄報警時間。

表1 隧道頂部感溫光纖點火實驗記錄表

在電纜溝內(nèi)的感溫光纖是為了探測電纜發(fā)熱導致的火災，我們采用澆熱水的方式來模擬電纜發(fā)熱，來測試火災報警的響應情況。準備一壺開水。到達測試位置后，直接將熱水倒在感溫光纖上，由于測試不受風速影響并且光纖升溫較快，所以反應很迅速。

表2 隧道電纜溝內(nèi)感溫光纖實驗記錄表

通過上述現(xiàn)場測試，可以看出分布式光纖測溫系統(tǒng)可以很好地完成火災探測的功能。

3 結語

分布式光纖測溫系統(tǒng)作為比較新興的火災探測手段與傳統(tǒng)的火災探測方式相比有其明顯的特點：1) 測溫和定位的精度高，檢測范圍廣，可以全面實時地在線檢測被檢測區(qū)域的溫度狀況。2) 光纖安裝方便，耐高壓、抗腐蝕、防燃，在惡劣的環(huán)境下可正常工作，并且壽命長。3) 現(xiàn)場只敷設感溫光纖，沒有電子設備，不受電磁干擾，因此系統(tǒng)安全可靠。分布式光纖測溫系統(tǒng)在公路、地鐵隧道中的應用將會越來越廣。

[1] 張在宣,劉紅林,王劍鋒,等.分布式光纖拉曼散射測溫技術的進展.世界儀表與自動化,2005(1):25-27.

涂勤昌,李涉英,顧海濤,等.分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)及在隧道監(jiān)測中的應用.控制工程,2010(s1):114-116.

李秀琦,侯思祖,蘇貴波.分布式光纖測溫系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用.電力科學與工程,2008,24(8):37-40.

ApplicationofDistributedTemperatureSensingSysteminTunnel

Tian Feng

(ShanxiXATAutomationEngineeringCo.,Ltd.,TaiyuanShanxi030012,China)

With the development of distributed temperature sensing technology, it is now increasingly used in tunnel fire detection. Using the distributed temperature sensing system, it can effectively and accurately alarm the fire in the tunnel, which has a great effect on the protection of life and property safety. Combined with the actual situation of Yuanyanghui Tunnel which belongs to the Shanping highway, the distributed temperature sensing system is tested and the experimental results show that the distributed temperature sensing system can accurately detect the fire in time.

distributed temperature sensing；tunnel；fire detection

TN247 ；U456.33

A