矿井供电系统光栅温度在线监测技术的研究与应用

摘要：矿井供电系统光栅温度在线监测技术的研究与应用在矿井地面、井下输配电系统等广泛的应用领域具有重要意义。该项目充分显示了在煤矿供电系统中的可行性和应用潜力。在电力系统中，包括环网柜、变压器、高压开关、电缆、发电机等多种大型设备、器材都有必要进行在线温度监测、以避免火灾造成的直接和间接经济损失。典型的中小变电所需要检测12个光纤通道，可以监测140余点，系统成本约30万元。该系统，在化工，油田，交通，军事等许多领域具有极大的需求. 该系统的推广应用，可以避免火灾等带来的直接经济损失和由于事故所造成的停产等间接经济损失。

关键词：矿山供电系统 光栅温度 在线监测

中图分类号：TM595

1、背景：在煤矿供电系统中，机电设备的运行温度已经成为关键因素，矿井供电系统大量的电缆、中高压开关设备、变压器等设施在长期运行过程中由于各种原因出现温度异常。高压电气设备的高压带电体温度监测难度大，监测信号传输容易发生变化和出现故障，造成不能准确、及时的反映高压电器出现的故障。另外，原有的监测技术不能实时监测温度变换，容易烧毁带电体，造成电气事故。一旦发生事故则损失巨大。

目前，光纤光栅温度传感器、光纤激光器及光纤气体、矿压、矿震传感技术在煤矿安全监测中的应用是矿山安全监测研究领域中的前沿课题，它的研究与应用日益活跃。由于其具有与传统的电子及机械式传感器相比有无法比拟的优点，而备受普遍关注，并得到迅速的发展。

2.详细科学技术内容（采用的技术原理；关键技术及创造点；必要的图表）：

1.本项目的主要研究基于光纤光栅温度传感器。

光纤光栅（FBG）是一种反射式光纤滤波器件，通常采用紫外线干涉条纹照射一段10mm长的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，在布拉格波长上，在光波导内传播的前向导模会耦合到后向反射模式，形成布拉格反射。对于特定的空间折射率调制周期（Λ）和纤芯折射率（n），布拉格波长为：

λB=2nΛ （1）

由式（1）可以看出：n与Λ的改变均会引起反射光波长的改变。因此，通过一定的封装设计，使能外界温度、应力和压力的变化导致n与Λ发生改变，即可使FBG达到对其敏感的目的。

FBG中心波长与温度变化的关系为：ΔλB=λB（1+ξ）ΔT （2）

式中，ΔλB是温度变化引起的反射光中心波长的改变；ΔT为温度的变化量；ξ为光纤的热光系数。在1550nm波段，FBG对温度的敏感系数分别为：12pm/oC。

2、光纤多点温度传感监测系统原理

光纤多点温度传感监测系统，包括解调模块、光学扩展模块，传输光缆、终端盒和传感器网络。

该系统由一个宽带光源，一个光纤环行器，多路光开关阵列，在信号很弱时需要用光纤放大器，一个波长检测仪和光纤分路器阵列。由宽带光源发出的光经过光开关阵列分配到不同的光纤。一根光纤上通常连接18个不同波长的光纤光栅温度传感器，从传感器反射的信号经环行器返回到检测仪，通过数字DIO卡把数据读入计算机。通过应用程序，对所有传感器赋予相应的标定系数，然后把波长转换成温度。

3.发现、发明及创新点：

1、国内外首次研究光纤温度传感器在煤矿井下使用的技术条件，建立矿井地面、井下综合监测系统；

2、首次针对煤矿进行使用环境确定矿用光纤产品在煤矿井下使用的封装形式、光功率强度及光连接器件的性能指标；

3、为矿井采空区自然发火、矿井瓦斯、CO、C2H2、C2H4多种气体及矿压矿震、顶板离层等光纤监测技术系统建立研究实施平台，该系统实施后可以随时扩展气体、矿压、矿震监测，建立矿井综合监控平台；

4、光纤光栅温度传感器安装在测温点感知温度，实现了实时在线进行温度监测，克服了原有监测手段缺点；

5、光纤传输温度信号，信号准确、质量高；

6、国内外首次标针对煤矿井下工作环境、贮存环境的生产工艺要求和试验、检验方法；

7、通过系统软件，可以根据设定的报警温度提供报警信息（信息包含设备名称及实时报警温度），给变电站值班人员提供设备实时运行信息；

8、通过系统软件，可以进行多种数据查询，如：点温度查询、报警纪录查询、按区间

4. 创造性贡献情况：

1、研究光纤温度传感器在煤矿井下使用的技术条件，建立矿井地面、井下综合监测系统；

2、针对煤矿使用环境研究使用光纤产品在煤矿井下使用的封装形式、光功率强度及光连接器的性能指标；

3、通过研究与现场实施确保光纤传输信号，信号准确、高质量；

4、针对煤矿井下工作环境、贮存环境研究其生产工艺要求和试验、检验方法；

5、研究系统软件，使其根据设定的报警温度提供报警信息（信息包括设备名称及实时报警温度），给变电站值班人员提供设备实时运行信息；

6、研究系统软件，使其可以进行多种数据查询，如：点温度查询、报警记录查询、按区间查询、历史数据查询。通过软件绘制的温度曲线可以直观的反应设备的运行情况，给设备的检修提供参考。

参考文献：

1、 乔学光；丁锋；贾振安；傅海威；营旭东；周锐；宋娟；；高精度准分布式光纤光栅地震检波解调系统的研究[J]；物理学报；2011年07期

2、 刘炳；厚煤层盘区水仓、水泵房、变电所联合布置优化设计[J]；陕西煤炭；2011年04期

3、 王霞；煤矿井下供电远程自动监测集控系统的应用[J]；中国高新技术企业；2011年19期

4、 赵增玉；陈聚武；光纤光栅测温技术在变电站的应用[A]；煤矿高效集约化开采技术与机电一体化装备论文集[C]；2007年

5、 刘媛；雷涛；王哲；刘统玉；光纤传感技术在矿山安全监测中的应用[A]；第八届全国采矿学术会议论文集[C]；2009年