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准分布式光纤温度传感器在煤矿火灾预防中的应用研究(图文)

时间:2011-04-26  作者:秩名

论文导读:光纤光栅温度在线监测系统是一种全新的在线温度监测报警系统,具有防爆、防燃、抗腐蚀、抗电磁干扰,在有害环境中使用安全,实现实时快速准分布式测温并定位,具有程控报警电平等特点。光纤传感器感知温度和位置信息,完全不带电,本质安全。5.总结随着我国煤矿采掘机械化和电气化程度的提高,电气火灾成为煤矿火灾的一个重要原因。通过对煤矿机电设备引起火灾的原因的分析,认为实时检测机电设备的温度可以有效预测预报火灾事故的发生。
关键词:煤矿火灾,光纤光栅,预测预报,本质安全,准分布式测温
 

1.引言随着我国煤矿采掘机械化和电气化程度的提高,外因火灾发生的比例也逐年增高。低压电缆着火、矿用变压器着火、架线电车电弧引燃木支护棚着火等电气火灾事故也时有发生,而且矿井中环境复杂,电气设备众多,一旦发生火灾,后果将不堪设想,具有很大的危险性。今年以来,全国煤矿已发生4起重大以上事故,其中3起为火灾事故。除“3.15”事故外,湖南省湘潭市湘潭县立胜煤矿“1.5”特别重大火灾事故,造成34人死亡和下落不明;江西省新余市庙上煤矿“1.8”重大火灾事故,造成12人死亡。论文大全。这3起火灾事故,都是因电缆及设备(移动空压机)着火引燃木支护而发生的火灾事故。

目前,矿井内采用的火灾检测设备还很少,而且大部分还是采用基于电信号传感器的测温系统。其中红外测温为非接触测量,易受环境及周围电磁场干扰,且需人工操作,无法实现在线测量,效率低下;电子温度传感器易受电磁干扰,机械的温度传感器受环境的影响也比较大,以上几种检测方法的测量效果都不是很理想。因此开发一种大容量分布式在线实时温度监测系统,来监测煤矿高耗能大型机电设备和电缆运行温度已成为当务之急。

光纤光栅温度在线监测系统是一种全新的在线温度监测报警系统,具有防爆、防燃、抗腐蚀、抗电磁干扰,在有害环境中使用安全,实现实时快速准分布式测温并定位,具有程控报警电平等特点。系统本身具有自检测、自标定和自校正功能,是光机电、计算机一体化技术。采用光纤光栅温度检测技术进行煤矿各种设备的温度实时在线检测,充分利用光纤光栅传感系统的大容量、分布式特性将是一种十分可行的方案。

2.煤矿机电设备引起火灾的原因分析煤矿机电设备引起火灾的原因是多种多样的,主要火灾是电器设备引起的火灾和电缆火灾,原因是:过载、短路、接触不良、电弧火花、漏电等原因。这些火灾起初可能致使电气设备中的绝缘材料燃烧,接着火焰传到巷道的支架、煤尘、瓦斯及矿内其它可燃材料上,这就发生矿井电气火灾。 煤矿机电设备火灾主要是由于设备负荷过大引起的。大量高耗能的设备在煤矿中长期使用,不可避免引起设备负荷过大,将使设备达到使自己失去绝缘性能的危险温度,随着温度的不断积累,最后就常常引起电气设备发火。如综掘机、采煤机、刮板输送机、皮带机、绞车、主扇以及各类大功率设备等是煤矿企业广泛使用的大型高档设备,由于长期处于满负荷工作状态,因轴承损坏造成设备相应部位逐渐发热而导致设备损坏,影响正常生产的事频繁发生。

电缆火灾主要是由于电缆接触不良,或接地不好引起的。线路中个别部分接触电阻的增加,主要是接触不良的结果。实践证明,井下电缆与电缆或者电缆与设备的连接部分(接头)做得不好,往往是矿井巷道内因电流以产生火灾最常见的原因。电缆工作尤其是过流、过载时,由于导体发热会导致电缆温度升高,如果电缆不具备良好的阻燃性能,极易引起电缆着火,在燃烧的同时可产生大量有毒有害气体,造成矿工中毒窒息,还可能引起瓦斯煤尘爆炸。因此,电缆的阻燃性能对煤矿安全生产具有重要影响。

通过对机电设备引起火灾原因的分析,可以看出机电设备等电气火灾大部分都伴随着设备,电缆局部温度的逐渐升高,是一个积累的过程,完全可以通过对易发生火灾部位进行温度检测,根据温度上升的趋势来预测电气设备和电缆的运行状态,从而在故障点及时采取措施,防止火灾的发生。

3.矿用准分布式光纤光栅温度监测系统 3.1测温原理光纤传感技术是上世纪70年代末兴起一种先进的多学科交叉技术。经过三十多年,特别是过去十几年的发展,目前已经研制出两千多种基于光纤的传感器。光纤传感器与常规的电子类传感器相比有许多独特之处[7],主要优点包括:

1)以光作为传感信号基本不受外界电磁场干扰,长期漂移小,测量精度高,因而可用来作长期可靠的连续在线检测;

2)由于不带电,因而适于在电力,煤矿,石油,天然气及其它化工行业进行安全和生产状态参数的监测;

3)由于采用光纤传输,可以超远程监测;复用能力强,可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连续监测;

光纤传感器上述独特优点,特别是一根光纤可以对多个点做多变量测量的能力,是电子类传感器很难实现的。在具有强电干扰、高压、易燃易爆等恶劣环境下,传统的电子传感器受到很多局限性。光纤光栅温度监测仪所用温度传感器采用一种叫光纤布拉格光栅(FBG)的光学无源器件,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,光波导内传播的前向导模会与后向反射模式进行耦合,形成布拉格反射,即产生了一个窄带的反射峰。论文大全。窄带反射峰的中心波长称为布拉格波长,研究表明:光纤光栅的空间折射率调制周期和纤芯的有效折射率均可引起光栅布拉格中心波长的改变。因此,通过一定的封装设计,使外界温度、应力和压力的变化导致光栅中心波长发生改变,即可使FBG达到对其敏感的目的[3]。如图2所示,光纤光栅中心波长和温度有着非常好的线性关系。

图1 光纤光栅结构图

图2 光纤光栅中心波长随温度变化曲线

3.2系统组成煤矿光纤机电设备状态检测系统主要包括信号解调模块、光学扩展模块,传输光缆和传感器网络。温度传感器由光纤光栅和连接光缆组成,温度传感器安装在现场;信号解调模块和计算机安装在控制室内,温度传感器和控制室由传输光缆进行信号传输。光纤信号解调控制器通过标准通讯接口与计算机通讯,由计算机完成温度的监控。

图3光纤多点温度传感监测系统框图

由信号解调模块中光源发出的高能量光束通过光缆注入光纤光是那传感器阵列,每个光纤光栅将反射特定的波长,这些波长与各个传感器所测温度成线性关系;这些波峰将由光纤信号解调模块进行波长解调,然后根据设定的参数计算出每个传感器的测量温度值,所测温度值和各种相关信息通过标准的通讯接口实时上传给监控上位机,进行信号的显示,故障诊断、事件记录、报警控制等。

3.3 系统技术特征和主要技术参数1.系统的技术特征

光纤传感器感知温度和位置信息,完全不带电,本质安全。传感器分辨率高,测温精确,响应时间短。传感器可靠耐用,使用寿命长。

阵列复用,大容量,多点分布式测温系统;一台解调仪可带几百个传感器,大范围覆盖测温现场;节省费用。论文大全。

由于全光信号传输,不受传感器距离限制,最大传感距离达10Km,是超远程温度检测系统。

2.系统的主要技术参数:

测温范围:-10℃~+110℃;测温精度:±1℃;温度分辨率:0.1℃;温度探测器响应时间:<5s;空间分辨率:根据现场情况;每通道最大传感器点数:18个/通道;测量时间:<30s/16通道。

4.系统的应用为了解决大规模的煤矿机电设备安全监测问题,在某煤矿的地面110Kv变电所,-312水平中央变电所,地面洗煤厂配电室,井下高压电缆中间接头及地面110Kv变电所电缆间(电缆密集处)等位置,共安装了近800个矿用光纤温度传感器。系统由一个监测仪和一个监控主机组成,所有传感器通过一条多芯的光缆连接起来,结构非常简洁。通过软件我们可以方便观测所监测位置的温度状态,对预防煤矿电气火灾提供了有力的技术基础。

5.总结随着我国煤矿采掘机械化和电气化程度的提高,电气火灾成为煤矿火灾的一个重要原因。通过对煤矿机电设备引起火灾的原因的分析,认为实时检测机电设备的温度可以有效预测预报火灾事故的发生。基于光纤温度传感器建立了一套煤矿火灾实时在线监测系统,通过安装煤矿光纤机电设备状态检测系统,对煤矿供电设备及高压线路接点的温度进行了实时在线监测,有效实现了煤矿供电设备安全状态的监控和火灾的预测预报,为煤矿安全生产提供了有力保障。这种方法的研究和应用对矿井火灾监测预报具有重大的实用价值。


参考文献[1] 绕云江,王义平,朱涛,光纤光栅原理及应用[M]。北京:科学出版社,2006
[2] 郭碧红,杨晓洪,我国电力设备在线监测技术的开发应用状况分析,电网技术,23(8):65-68,1999
[3] 赵勇,光纤光栅及其传感技术[M],北京:国防工业出版社,2007
[4]林全德,浅谈煤矿井下电气火灾原因及其预防,能源与环境, 2006(04)
[5] 时训先,蒋仲安,何理,矿井电气火灾原因分析及其预防[J],矿业安全与环保,2005(01)
[6] 苏国利,等.浅谈综采工作面电缆故障的防护措施[J],煤炭技术,2002(6)
[7] 李艳秋, 曹钟中, 靳 涛. 电力电缆火灾监测及防火预警系统的研制[ J ]. 华北电力技术, 2001 (2) .
 

 

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