YWG—127矿用隔爆光纤测温系统的推广与应用

【摘 要】为提高煤炭开发的安全性，国家安监部门提出“科技兴安”，充分发挥科技的支撑和引领作用，加快科技研发与成果的推广应用，不断提升煤矿安全保障能力，在此政策的引领下，我们对矿用隔爆光纤测温系统开展了技术攻关。

【关键词】隔爆；光纤；测温

火灾是我国煤炭安全生产中的五大灾害之一。矿井一旦发生火灾，火势发展的速度快，控制比较复杂，影响的范围也比较广，极易造成人员伤亡和财产损失，甚至引起煤尘、瓦斯爆炸，酿成更大的灾害。煤矿火灾分为内因火灾和外因火灾。外因火灾，又称外源火灾。违章在井下吸烟，在井下拆卸矿灯、放明炮、电焊、气焊等都可能引起井下火灾。内因火灾，又称煤炭自燃。有的煤炭由于自身的物理化学性质具有自燃性，与空气接触后能氧化生热，如果散热条件不好，就会自燃。内因火灾主要发生在采空区、冒顶处和压酥的煤柱中。采空区中，尤其采用回采率低的采煤方法时，采空区中遗留的煤炭多，最容易引起煤的自燃。井下火灾事故仅排在瓦斯、透水和冒顶事故之后，成为煤矿事故的主要原因之一。在2011年12月07日，国家安监总局公布的“煤矿安全生产十二五规划”中，明确提出：进一步加大火灾成因机理分析、火灾预防、监测预警和灾害发生后灭火处理与应急救援的技术装备研究力度；有效防范和及时消除煤矿电缆、皮带、电气、可燃材料支护等存在的外因火灾隐患。

1.光纤测温原理

光纤的温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射OTDR 原理以及光纤的背向拉曼散射温度效应。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时这个光脉冲会沿着光纤向前传播，由于光纤由SIO2 分子组成，如果光照射在这些分子上，光粒子和这些分子的电子之间会发生相互作用。当处于基态 的分子被入射光激发到虚态然后回到激发态 时会产生能量会产生频率 这种光称为斯托克斯（Stokes）光；处于振动基态 的分子被入射光 激发到虚态然后回到振动激发态 产生的频率为 的光，这种光称为反斯托克斯（Anti-Stokes）光。这种现象称为拉曼散射效应；有的光频率不发生变化，这种效应称为瑞利散射。

拉曼散射过程中的能级

拉曼散射光谱示意图

由上图可以看到斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧。反斯托克斯光的强度和温度有关，斯托克斯光和温度无关。使用光纤内一点的反斯托克斯光和斯托克斯光强度的一种关系式，可得到这一点的温度。

2.技术攻关的系列光纤测温产品

2.1光纤测温仪

YWG-127矿用隔爆光纤测温仪通过采用光纤测温这项新技术来作为井下火灾预警的新手段，通过感温光纤在井下火灾易发生区域的敷设，测取易燃点的实时温度来实现火灾预警的目的。产品严格按照GB3836.1、GB3836.2进行防爆设计，防爆型式为矿用隔爆型。测温仪由防爆外壳和光纤测温机芯以及辅助设备组成。防爆外壳由防爆腔和接线腔组成，光纤测温仪放在防爆腔里面，测温光纤通过光纤穿墙端子引入接线腔。

YWG-127矿用隔爆光纤测温仪实现了：（1）矿用隔爆型，适合井下绝大部分场合使用。通常是井下一个采区变电所或者一个工作面变电所放置一台测温仪，实现对一定区域火灾预警；（2）取样间隔0.4米，每0.8米报告一个温度值；（3）温度分辨率0.1℃，测温精度为±1℃，温度测量范围大，可达-40℃-+300℃（取决于感温光纤材质）；（4）运用光的时域反射技术，能对光纤进行精确定位，定位精度可达±0.4米；（5）一台主机可带8个通道的光缆，每通道测量距离远达8公里，单通道最短测量时间2s；（6）传感器由标准的矿用测温光纤构成，成本低，稳定可靠；（7）测温仪整体结构简单，安装费用低，后期维护成本低；（8）抗电磁干扰和各种振动冲击，本征无源，防雷防爆；（9）主机带有丰富通讯接口，能够接入井下工业以太网，实现地面远程监测；主机带有继电器报警输出接口，可外接声光报警装置，实现本地声光报警；（10）有温升报警和阈值报警等多种方式，支持多达500个报警分区，每个分区的报警阈值可独立设置；（11）使用寿命长，可达20年。

2.2测温光缆

测温光缆内部采用普通标准的多模光纤，专门连接高性能的矿用隔爆光纤测温仪实现分布式温度测量。用户可根据需求选择50/125μm和62.5/125μm的两种光纤。探测光缆本身就是传感器，性能稳定可靠、不受各种电磁干扰，具有很好的热传导性，可以在恶劣环境下长期生存和工作。Sensor-Ⅰ探测光纤内部为不锈钢软管，弯曲性能、抗压能力良好，适合机电设备和采空区测温。Sensor-Ⅱ探测光纤内部为无缝不锈钢管护套，防水性能好，适合皮带机、巷道等潮湿环境下使用。

3.光纤测温系统的应用对象

3.1皮带机温度监测

由于机头堆煤、满载启动、防滑胶磨损、滚筒轴承损坏或卡死等原因，输送带会与托辊摩擦产生高温，尤其是下托辊，它与输送带接触面最大、离巷道底板近而易被洒落的煤粉包围，最易产生火灾。可在皮带轮基座上接近轴承部分敷设分布式测温光缆同时加装保护套管，实时测量皮带轮运行状况。

3.2电缆温度测量

由于井下电缆距离长，环境恶劣，尤其是一些老矿井，由于规划不到位，井下电缆多次施工造成接口众多，火灾隐患大，火灾隐蔽性强，随机性大，极易发生电缆着火引起的火灾事故。可将测温光缆与电缆一同敷设来实时监测电缆温度，达到火灾预警的目的。

3.3采空区火灾预警

测温光缆在采空区呈S形敷设于各个火灾隐患点，随着煤层回踩，工作面不断倒退，测温光缆被永久性埋覆到采空区。

3.4电器设备测温

随着煤矿井下采掘机械化程度的提高、生产工作面不断向前延伸、扩大，高压供电电缆及设备不断深入末端，低压系统一直向前延伸，星罗棋布的电网由变压器、高低压开关和磁力起动器相连。这些供电设备和电缆安全与否，直接关系着矿井的生产安全，因此对煤矿供电设备的测温具有重要的意义。

4.光纤测温系统实现的功能

（1）可以对采空区内的温度进行实时监测，发现煤（下转第73页）（上接第70页）炭温度变化的趋势，从而提前进行煤炭自燃预警。改变了只对气体浓度进行监测的这种间接监测方式。

（2）可以实时监测长距离巷道、硐室内的火灾情况，在无人监控的区域发现温度异常升高从而预警。

（3）可以实时在线监测井下高压电缆的温度值，实时反映电缆运行的负荷或过热情况。

（4）数公里的监测长度上，每隔不到0.5米提供一个精确的温度值；在发现温度异常情况时，能在几秒钟时间内迅速定位，定位精度在±1米的范围。

（5）能准确、可靠将实时温度用坐标轴的方式直观动态展现出来，以便监视。

（6）设置温升报警环节（本地声光报警、计算机集中报警等）。便于及时采取措施，减少直接跳闸停电，防范于未然，减少火灾或者是设备故障停电损失。

（7）能将断电前的最高温度记忆储存，接通控制电源时又能再现该温度值，提供事故分析用。

（8）温度作为一个重要参数通过，通信接口和FTU等远传装置与计算机实现通信从而满足计算机室、本地监控站等监测记录。 [科]

【参考文献】

[1]李福勇.KJ607矿用分布式光纤温度监测及火灾预警系统在煤矿中的研究与应用.山东煤炭科技，2013，（01）.

[2]时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用.高电压技术，2007，（08）.