分布式光纤温度监测系统在地铁中的运用分析

分布式光纤温度监测系统在地铁中的运用分析

甘天柱

深圳地铁集团有限公司运营总部518000

摘要：由于光纤测温系统具有测距、可复用、非破坏性报警、报警温度可调,传感器输出为光信号,抗电磁干扰等优点，被广泛运用在地铁中。本文主要分析了地铁火灾诱因及其特点，简介了分布式光纤测温系统，最后就分布式光纤温度监测系统在地铁中的运用进行了探讨。

关键词：分布式；光纤；温度监测；地铁

地铁由于具有运量大、速度快、安全、准时、无污染等一系列优点，对促进城市郊区发展，促进城市由单中心向多中心发展具有非常重要的意义。然而地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所，一旦发生火灾，轻则引起交通秩序和社会秩序的混乱，重则造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，更严重者还会产生不利的政治影响。

1地铁火灾诱因及其特点

地铁火灾的发生具有必然性也具有偶然性。

1.1电缆火灾

电缆是地铁机车运行的动力来源，也是地铁隧道设备系统的重要组成部分。由于电缆易燃，着火后危害大，电缆的防火历来为供电部门所重视。众多事实分析表明，引起电缆火灾的直接原因往往是电缆接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，从而电缆接头过热导致火灾发生。但是，电缆接头的制作质量的好坏，只能在运行中才较易发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。对于电气设备绝缘老化引起的火灾，从电缆接头过热到事故发生有一个过程，其特点是火势产生比较慢，烟雾及热量排放少，但很可能造成部分供电设备断电，照明设施失灵，机车停止运行和通信网络瘫痪的情况。因此，通过对电缆在线过热监测完全可以防止和杜绝此类事故的发生。

1.2隧道火灾

隧道消防安全是目前消防研究的热点领域之一，已取得了许多研究成果，但仍有大量问题需要进一步研究。隧道火灾过程是一种三维非定常包含多相流体流动、传热传质和化学反应及其相互作用的十分复杂的物理化学过程。由于隧道空间小，近似处于密闭状态，不可能自然排烟，同时燃烧产生的热量不易散发，热量聚集，内部温度上升快，可能较早出现轰燃。日本消防研究所进行的模型隧道火灾试验结果表明，隧道内燃料的燃烧速度是敞开空间的3倍，隧道内的温度最高可达到1000℃。因此烟雾大，温度高是隧道火灾的主要特点。

鉴于火灾本身的复杂性以及隧道火灾的特殊性，建立隧道火灾的准确模型是指导人员疏散和减灾救灾的关键，但这仍需通过加强开展火灾试验获取更多真实数据资料。国外的研究机构已经在废弃的隧道内开展了大量全尺寸试验：研究通风对火灾的影响和通风时火灾热释放速率的变化。这些已经完成的研究为隧道内人员的疏散和火灾的扑救提供宝贵的理论依据，但在具体隧道环境的火灾模拟中又应该具体问题具体分析。而依靠采用先进的测量技术测量分析火灾动态特性，如火羽流区的特性，不但能及时反映火灾现场情况，也可为验证数值计算的准确性提供详实的试验资料。

2分布式光纤测温系统分析

分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤后向拉曼(Raman)散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，利用光纤的光时域反射(OTDR)技术对测量点进行定位。

2.1基本原理

激光脉冲由光纤始端处注入，脉冲光大部分能传到光纤末端而消失，但一小部分后向散射光会沿着光纤反射回来。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生拉曼散射。光纤测温的机理是依据后向拉曼散射光谱的温度效应。光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号，再经信号处理、解调后，将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示。

2.2系统特征

全面、连续、实时地监测地铁隧道的实时在线温度，图形界面显示温度，形成实时数据库。

定位功能，对火灾、异常温度进行精确定位，并对灾害区域大小进行定量监测。

多级报警功能，如一级预报警、二级预报警、三级预报警、温度变化率报警等功能。

具有对火情的大小（温度高低和灾难区域），火势的蔓延方向和速度，烟雾漂流的方向和速度进行实时监测和快速分析，及时准确地给救灾指挥部门提高灾害现场依据，以便救灾工作的快速、正确进行。

感温光纤具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射、抗震动、阻燃、防爆、绝缘强度高，能在高温、高湿、淫秽严重、活塞风流动大等各种有毒有害的恶劣环境中长期正常工作。系统具有开放式、网络化、单元化以及组网方便等优点，极易实现信息化管理。

历史数据显示：用户可以通过历史数据查询得到隧道某时刻温度、某日某点的温度、某时刻某点的温度、某日最高温度及某时刻某点的最高温度。

远程监控：通过Internet可对现场设备实施远程监控、诊断和维修等。

3分布式光纤测温系统在地铁中的应用

3.1工程可行性分析

地铁隧道环境复杂，具有隧道距离长、检测点多、火灾检测难度大等特点，对由动力电缆、机电设备等引起的火灾以及其他外因引起的火灾预警较难。在分布式光纤测温系统中，光纤既是传输媒体又是传感媒体，同时由于光纤价格低廉，又可长距离铺设，所以，如在隧道中沿配电电缆、机电设备等易发生火灾的地方铺设光纤，利用能描述井下空间温度场的分布式光纤测温系统，对温度参数进行连续监测、精确定位，设定引起火灾事故的温度阈值及其他相关因子，建立事故预警预测数学模型，根据空间温度场变化的具体情况，确定是否有火灾隐患存在并及时预报，为地铁安全运行提供先进可靠、经济实用的火灾预警检测系统。这样，可以实现全线车站联网监控和信息化管理，预防为主，全面提升运行安全，社会综合效益显著。

3.2工程实施方案

分步式光纤测温系统构成比较简单。在实际工程应用中，可根据地铁线路的长短来设计，温度测量主机设置在沿途地铁站机房，每间隔8—10km设置一台温度测量主机，测温光缆沿地铁隧道电缆走向敷设，对重点设备和场所用测温光缆进行重点环绕和布局。各分站主机能够显示和记录测量结果，同时可以将温度监测数据通过局域网传输到中心控制站进行集中监控，为调度值班人员提供依据。另外，在各地铁站和中心站可考虑配备UPS后备电源和声光报警装置。在分布式光纤测温系统检测到的温度发生异常变化时，对其温度曲线进行局部画面放大，发现在光纤长度为3867—3873m之间温度测量值达到了82℃左右，其余区间温度只有10℃左右，说明此区间的温度发生了显著变化。在实际应用中如检测到这种情形，则表明在该区域出现了温度异常，出现了火灾隐患，或已经有局部的火灾发生。当然，温度的变化有一个过程，温度的测量曲线也有一个变化过程，如果部分区间的温度在一定时间内不断升高，就应该引起足够重视。

当然，由于分布式光纤测温系统具有光纤前端的测量肓区，盲区长度大约为200m左右，所以在工程实际应用时应注意光纤铺设的合理性。

总之，光纤测温作为一种新兴的技术有非常广阔的市场前景，经过对分布式光纤系统的研究，以及电路结构进行的测试,给出了整条线路温度分布图。探测的可靠性和抗干扰性都优于以往的方法,系统在实际应用中效果良好。

参考文献：

[1]刘媛，张勇，雷涛等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J].山东科学，2008，21（6）：50-54.

[2]张在宣，王剑锋，刘红林等.30km远程分布式光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光，2004，31（5）：613-616.

[3]张在宣，张步新，陈阳.光纤背向激光自发啦曼散射的温度效应研究[J].光子学报，1996，25（3）：273-278.

[4]陈军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感技术[J].电力系统及自动化学报，2005，17（3）：47-49.