CQUTS-2000井下输电线路超温监测系统

CQUTS-2000井下输电线路超温监测系统

CQUTS-2000井下输电线路超温监测系统简介

井下输电线路超温监测系统（Underground transmission line temperature monitoring system）（CQUTS）技术最早示范成功是在1981年，Southampton大学在通讯光纤上测试成功。CQUTS系统于1986年正式投入商业化运作，在随后的时间里，伴随着光纤通讯的飞速发展，半导体激光器等一系列新技术、新产品的使用使得光纤传感行业也经历了***的发展，光纤的本征特性和越来越多成功的案例充分证明光纤分布式测温系统已成为解决越来越多温度监测难题、火情预警与探测方面解决方案。

1.1         CQUTS系统的优点

Cakj  CQUTS 系统主要由两部分构成：分布式光纤测温主机和线性多模感温光缆。分布式光纤测温主机内部封装光器件、激光器、数据处理等部分组成，主要用于整个系统的参数配置、信号采集、信号分析和分析结果输出等功能。多模感温光缆作为线型传感器，光缆内含2根光纤，一根光缆可以长至数公里，甚至数十公里，通过分析光缆内不同位置上的光散射信号得到相应的温度信息。CQUTS 系统可以准确地测量整根光纤上成千上万位置点温度信息，光纤固有的优良特性使得CQUTS系统具有如下优点：

n         在分布式光纤测温系统中，光缆既是温度传感器又是信号传输通道，不再需要其它的测量或传输装置；

n         一根光缆能够提供上万个测量点的信息，安装快捷简便且成本低廉，安装后长期使用且免维护；

n         光纤具有耐高温（能够承受超过1000℃的高温）、抗腐蚀、抗雷击和长寿命的特质，适用于各种复杂、有害或恶劣环境；

n         光纤具有抗射频和抗电磁干扰的特质，适用于高压场合；

n         光纤具有无静电、***的特质，不会产生电火花，适用于易燃易爆环境；

n         光纤本身轻细纤柔，体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设等。

1.2         CQUTS系统应用

n         高压电缆温度监测；

n         大型变压器的温度监测；

n         油田和天然气竖井的温度检测；

n         各种管道（天然气、石油等）泄漏监测；

n         建筑物防火监测；

n         大型工厂（化工厂电厂）重点设备（炼炉、煤炭传送）温度监测，或生产过程的温度监测；

n         各种遂道（高速公路、地铁、铁路等）防火监测；

n         大坝的泄漏和温度检测； 

2          CQUTS系统的工作原理

CQUTS系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应（Raman scattering）和光时域反射测量技术（Optical Time-Domain Reflectometry，简称OTDR）来获取空间温度分布信息。

其中光纤拉曼散射效应（Raman scattering）用于实现温度测量，光时域反射测量技术（Optical Time Domain Reflectometer）用于实现温度定位，是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高科技技术，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离在可达30公里，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。

2.1         CQUTS测温原理—拉曼散射

激光光脉冲射入传感用的光纤之中，在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象，有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括：

n         瑞利（RayLeigh）散射，由光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；

n         拉曼（Raman）散射，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹；

n         布里渊（Brillouin）散射，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起。其频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹；

针对温度检测需求，Rayleigh 散射信号对温度变化不敏感；Brillouin 散射信号的变化与温度和应力有关，但信号剥离难度大；Raman 散射信号的变化与

温度有关，而且 Raman 散射信号相对容易获取和分析，因此工业应用主要采集Raman 散射信号进行温度分析。Raman散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯(Stokes)光（比光源波长长的光）和反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波长短的光），光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

2.2         CQUTS定位原理—光时域反射

光学时域反射技术（OTDR）最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗、光纤故障的手段。一般将CQDTS测温原理和定位原理称为ROTDR，其工作机理是向被测光纤发射光脉冲，发生拉曼散射现象，在光纤中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后传播至光纤的起始端（也就是光脉冲的注入端），由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。

d=(c×t) / 2 × (IOR)

其中，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号（双程）的总时间，IOR是光纤折射率。

通过采集和分析入射光脉冲从光纤的一端（注入端）注入后在光纤内传播时产生的 Raman 背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，在得知每一点的温度和位置信息后，就可以得到一个关于整根光纤的不同位置的温度曲线。

3           CQUTS系统

CQUTS具有自主知识产权，是国内一家能实现30Km长距离监测的高科技企业，可以实现30Km无中继的连续式温度监测和火灾报警，打破了国外光纤拉曼技术在长距离监测领域的长期技术垄断。

有别于国内其他厂商的设计水平， CQUTS沿用国际设计理念，根据不同的测量距离定制不同的产品，在充分考虑到可扩展性、设备间的互换性、性价比等基础上，为不同的客户量身定制不同的解决方案。

3.1         组成及主要功能

CQUTS提供了一个实时、多对象、多监测点、高精度、高可靠性、费用低廉的解决方案。将光缆直接敷设在待测物表面，在不影响待测物温度场的情况下，使光缆能直接感触待测物温度信息。

标准的分布式光纤测温系统包括如下组件：

n         多模感温光缆 ：与分布式光纤测温主机采用E2000或者FC/APC相连，根据测温要求和测温环境具体定制光缆长度、规格；

n         分布式光纤测温主机：2U标准机箱，机柜式；

n         多路转换开关：多路转换开关的型号以通道数目来划分，最少2个通道，最多16个通道，每个通道接1根光缆；

n         测温软件 

n         继电器输出模块

n         液晶显示器

3.2         软件功能

光纤多点测温应用软件提供以下主要功能：

n         报警模式：异常温度变化报警。触发报警的事件分为以下三种类型：

A)     定温报警：设定报警阈值，当实测温度值超过阈值启动报警；

B)     温差报警：某个区域温度与***温度之间的温度差值，阈值可设定；

C)    温差速率报警(基于时间)：报警阈值可设定；

n         报警功能和设置：用户可以定制报警参数和报警模式，三种报警模式可以单独或组合使用；

n         系统故障报警：系统自行监视激光强度、检测光纤健康状态，实现自我诊断和测试，并及时提示系统故障事件；

n         报警与确认：当报警发生时，系统默认软件报警，可外接声光报警器，软件报警和声光报警均支持人工复位，报警信息将被自动存作历史资料。报警信息将按顺序显示，不会被覆盖或取消，并记录警报是否已被确认，报警音响可定制。

n         周期性报表：系统将提供自动和手动报表（日/周/月），并允许使用者按具体日期生成报表。具体功能如下：

A)     系统将按照所设定的参数收集和储存数据。报表将由软件编辑工具（诸如Excel）生成并自动存档，使用者还可透过该软件来定义报表格式；

B)     报表自动生成并自动存档。报表也可以在***时段的***时间自动生成；

C)    所有的报表可自动做成备份至硬盘；

D)    日期和修改将被记录在所有报表上。

n         2D/3D 曲线图：系统具有温度曲线图显示功能，可以显示实时数据或历史数据。趋势图将提供以下功能：

A)           某时段监测对象不同位置的温度分布曲线；

B)           某天监测对象某点的温度变化曲线；

C)          某时段监测对象某点的温度变化曲线；

D)           某天温度变化曲线。

3.3         系统参数介绍

4.     主要设备介绍

4.1.1        光纤测温主机CQUTS

光纤测温主机是光纤分布式温度监测系统的核心设备，一方面为现场多模感温光缆提供激光脉冲信号，另一方面采集散射光信号进行分析，输出光缆沿线的温度数据和位置信息。与感温光缆通过E2000，8°倾角法兰或者FC/APC法兰相连，AC 220V供电。

产品特点

n         1M激光等级，光源符合人眼安全标准，避免给操作人员在操作过程中带来安全隐患；

n         光学器件集成在一个高度集成的光学构件中，该光学构件全面密封，有效防止光学器件出现凝结和灰尘现象，避免光器件出现过早老化，延长系统寿命；

n         温度测量精度可达到±0.5℃，定位精度可达到1米，温度分辨率可达到0.1℃；

n         光学通道数固定为1通道，可通过多路转换开关扩展到16通道；

n         使用国际互联网通信接口，实现远程诊断和系统维护升级，使得维护方便，节约维护成本；

n         适应各种传感光纤，对光纤的适应性较强；

n         火灾报警、系统故障报警具有声、光及图文界面报警功能，且火灾报警信息和故障信息有明显区别，报警时能明确指示出报警或故障区域，并保持至复位；

n         采用继电器输出模块进行分区报警设置，可根据工程要求实现***个继电器报警输出；

4.1.2        多路转换开关 SWT

多路转换开关内部封装光开关器件，是分布式光纤测温系统中实现光通道数量扩展主要设备，可扩展至16通道，与光纤测温主机通过RS232通讯。多路转换开关为2U机箱设计，可方便地嵌入到机柜中。

4.1.3        继电器输出模块Relay

继电器输出模块为分布式光纤测温系统提供多组无源常开干结点继电器输出端子，当系统监测到告警信息时，可以立即通过继电器向通用报警控制器等其他系统输出闭合信号，通告火灾区间，实现系统集成。

4.1.4        多模测温光缆

为分布式温度实时监测与信号传输载体，外护套上带长度计米标志，通过E2000，8°倾角法兰与光纤测温主机相连，可实现油罐、油管、油井、隧道、电缆等温度监测，根据测温需求定制不同长度和不同型号的光缆。

外置式测温光缆采用2芯多模50/125μm光缆，光缆外护套为高性能的低烟无卤素阻燃热塑型材料，测温光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性。

               电缆及电缆中间接头、终端头过热如不能及时发现和处理，会引发爆炸与火灾等恶性事故，是严重影响安全生产的因素之一，如果能对电缆运行温度进行实时的监控，就能提前避免这些事故的发生，将电缆运行的安全隐患消除于萌芽状态。

此外，环境温度往往是外力性火灾及故障性火灾的前兆，可靠的环境温度监测和及时报警很有意义，可以减少运行中的巡查次数。

CQUTS 系统是一个优秀的线性实时温度监测技术，可以准确定位（2米以内）发热点，同时提供预警。为用户及时排除事故隐患提供了可靠的依据，并为分析原因，提供了可靠的参考。

该系统可以实时显示并存储所有监测对象的温度曲线数据，根据不同区域进行分区管理，管理方式十分灵活，在分区基础上可以根据实际情况灵活定制报警。

5        系统功能简介

n         电缆运行温度监测功能：通过实时监测并记录电缆的运行温度，积累数据，寻找电缆运行温度在不同季节和每天不同时段的变化规律，监视电缆的运行状况，为实行状态检修提供依据。

n         电缆运行温度异常报警功能：通过电缆表面温度、环境温度的监测，及时发现电缆运行过程中出现的问题以及运行电缆周围环境的突变，以便及早采取措施，预防乃至避免电缆故障和其他损失。

感温光缆安装在桥架上的，采用pvc或金属卡箍的方式安装到传输电缆上。桥架内传输光纤最小弯曲半径大于3厘米。桥架内可移动部分的光纤套装金属软管进行保护。缆与缆之间的可移动距离大于0.5米，层间光纤的可移动距离大于1米。系统采用手动光纤回路功能，每光缆采用FC/APC连接器，系统良好时两端口都可得到正确的测试数值，异常时可以在一定程度上提高系统的可靠性。如需对截面感温光缆进行维修时可整串拆卸后进行。

6.       设备清单

 7.安装环境

 7.1、安装地点：    井下输电线路；

7.2、海拔高度：    0～+1350m；

7.3、环境温度：    +35℃ ；***2℃；

贮存环境温度： +41.4℃；***-28℃；

7.4、湿度：        40～95%（+25℃）；

2.5、瓦斯等级：    高瓦斯矿井。