分布式光纤线型感温火灾探测系统电缆监测预警方案之欧阳家百创编

分布式光纤线型感温火灾探测系统

欧阳家百（2021.03.07）

电缆监测预警方案

北京诺可电子科技发展有限公司

2016年6月

目录

一、应用分析2

二、分布式光纤线型感温火灾监测系统的特点3

三、分布式光纤线型感温火灾监测系统的技术原理5

3.1技术原理5

3.2模块组成5

3.3系统构成6

3.4技术性能7

四、系统方案设计8

4.1感温光缆8

4.2系统设计9

4.3监测方案11

4.4传感光纤的铺设安装12

4.5系统功能指标错误!未定义书签。

4.6设备清单15

五、系统验收16

5.1系统性能验收16

5.2现场模拟火灾报警性能验收16

六、售后服务17

6.1技术支持17

6.2培训内容17

6.3售后服务17

一、应用分析

判断电缆运行是否正常，温度是最重要也是最基本的物理量。通过对电缆、电缆接头、电缆终端等进行温度监测，可以预测或及时发现电缆可能或正在发生的故障，有效地防止电缆事故的发生。

电缆的火灾通常有两种，即内部火源和外部火源。

内部火源主要是指电缆传输电流过载、电缆接头处阻抗大、绝缘皮老化或电缆本身局放等原因，致使电缆表面产生温升，电缆绝缘层和保护层产生阴燃，并伴随大热量、可燃气体的产生，随着温度进一步上升即产生烟雾，从而发展为火灾。

外部火源是指电缆所处环境或电缆夹层内其他火源及外部各种火源。外部火源可使电缆表层着火，同时产生大量的热和烟。

对于普通电缆，一般情况下护套材料在温度150℃以上开始释放一定量的可燃气体，此时并不产生烟雾；温度在270℃范围内会大量释放可燃气体和烟雾，内含有毒气体。温度高于270℃时处于极不稳定期，随时可能燃烧，对于自燃来讲可能温度要达到近390℃才会燃烧，但对于由于外界火源造成的灾害，在存在大量可燃气体的情况下即会燃烧。

对于阻燃或难燃这一类电缆仍然会发生电缆延燃火灾。与普通电缆不同的是自燃起火温度值提高到了480℃，190℃以上开始产生一定量可燃气体，但无烟雾产生；到270℃产生大量可燃气体。

因此，电缆故障首先会产生大量的热量，而分布式光纤线型感温火灾探测系统就是通过实时监测周围环境热量的变化，从而在事故发生的初期就可以准确判断是否电缆有异常，做到防患于未然。

二、分布式光纤线型感温火灾监测系统的特点

①对温度实时，分布式监测

整根光纤既是信号传输的载体，又是温度探测器，连续分布式的实时测量沿光缆的所有温度信息，无测量盲区，误报和漏报率大大降低。

完全沿着光纤的测量: 10km 光纤= 20,000 传感器

②报警方式灵活

分布式光纤线型感温火灾监测系统可以实现多通道的定温和差温报警，并可配置图形化监控软件，实时显示各分区的定温，差温等检测数据，并可设定各种探测数据的报警阈值、温升速率，保证实现早期可靠的报警。

③精确定位、测量可靠

提供精确的火灾报警位置，可显示全部监测范围或局部的温度，并可显示全部的温度分布曲线，灵敏度高，动态测量范围宽。

④安装简单、便于维护

系统安装非常简便，信号传输和探测用一根光缆，安装至现场仅需将探测光缆固定即可完成安装工作。在光缆损伤的地方可以熔接修复。光缆可有余长保留，也可不受限制的切割成工程所需长度。

⑤长期安全特性

光缆具有较高的耐用性，寿命可达30年，适合在恶劣环境中工作，光纤采用无点传输信号，光信号工作，本质防燃防爆，不受雷击和电磁干扰影响。

⑥良好的兼容性

系统集成方便，可通过标准接口与外部其他设备进行通讯，可以方便得与消防控制系统联网。

⑦自检功能

设备具有自检测功能，可以实时监测自身运行状况，当光缆发生故障时，可以在系统中清晰指示出断电的具体位置，有利于系统的故障监测与迅速维修。

⑧远程监控管理

能够进行历史温度数据对比，可以显示任意区间段内历史温度数据变化趋势，并且能够将测量数据实时上传到云端服务器，用户通过网络可查看光缆温度的实时数据和历史数据，实现远程管理。

三、分布式光纤线型感温火灾监测系统的技术原理

3.1技术原理

分布式光纤线型感温火灾监测系统原理图如下图所示。分布式温度测量基于自发拉曼（Raman）散射效应。大功率窄脉宽激光脉冲LD入射到传感光纤后，激光与光纤分子相互作用，产生极其微弱的背向散射光，散射光有三个波长，分别是瑞利（Rayleigh）、反斯托克斯（Anti-stokes）和斯托克斯（Stokes）光；其中反斯托克斯温度敏感，为信号光；斯托克斯温度不敏感，为参考光。从传感光纤背向散射的信号光经再次经过波分复用模块WF，隔离瑞利散射光，透过温度敏感的反斯托克斯信号光和温度不敏感的斯托克斯参考光，并且由探测器（APD）接收，根据两者的光强比值可计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射OTDR 技术，利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。

图3.1 分布式测温系统原理图

3.2模块组成

如图3.2所示，分布式光纤线型感温火灾监测系统主要包括：脉冲光源、拉曼波分复用模块、探测模块、数据采集与处理模块。

探测模块

数据采集

数据处理

测量光纤拉曼波分

复用模块

斯托克斯光反斯托

克斯光

散射光

脉冲光源放大器

图3.2分布式测温系统功能结构图

系统软件对输入信号进行精确解调，测量结果与高精度的pt100精密温度传感器进行对比，温度精度小于1℃。软件对测量光纤上所有位置的温度进行快速的图形化显示，支持多种格式的输出数据。对任意点的温度超过报警阈值或温升速率过高都可以进行火灾报警，并可以显示指定时间段内的温度变化趋势。

图3.3温度分布曲线

3.3系统构成

测温光缆直接连接至分布式光纤线型感温火灾监测系统主机，主机可通过标准接口与外部其他火灾报警设备进行通讯，也可与其他消防控制系统联网。多台设备可以通过网络交换机进行灵活组网。

火灾报警点

图3.4 分布式光纤线型感温火灾监测系统结构图

3.4技术性能

目前市场上常见的电缆在线监测手段主要是光纤分布式测温系统。分布式光纤线型感温火灾监测系统用于解调电缆上铺设的光缆传输至主机的光信号，将光信号解调为实际的温度值，得到电缆的温度分布曲线。可以实时监测电缆的温度，获得温度的实际变化，对于温度异常的高点和温升速率过高的区域能够及时报警。

根据《线型感温火灾探测器GB/16280-2014》,由于感温电缆等探测器技术是一种电信号检测技术，电信号本身存在，有可能成为外部火源，故不适用于易燃易爆的特殊危险场合。

分布式光纤测温DTS是近几年迅速发展起来的新一代光纤测温技术，属于连续分布式无电检测技术，技术成熟、先进，并且成本逐渐下降，目前已广泛应用于交通隧道、地铁、电力电缆、输煤皮带、油气井等领域。

相对于其他测温系统，具备如下主要优点：

（1）光缆即为传感器，可靠性高，定位精度高：光缆本身就是温度传感器，光缆既发挥了感温探测器的作用又充当着信号传输的重要角色，“传”、“感”合一；由于无需安装额外的的传感元件，传感光缆中间没有熔接点，光纤本征安全防爆防雷，并可以完全杜绝电磁干扰影响，可靠性高；事故定位精度高，其探测区域最小可达1m。

（2）连续分布式测量，自由设置探测区域，可实现差/定温报警：DTS属于连续分布式测量，可以获得传感光缆沿线每一个点的温度，温度信息丰富，无测量盲区；监测区域的设置可以通过软件在光缆全长内自由设置，并且基于连续温度分析，可以实现区域报警方式；对每个分区都可以设置不同的定温、差温报警参数，保证实现早期和可靠的报警。

（3）系统集成方便：系统配置图形化监控软件，所有设置都可以通过软件进行，直观易用；系统集成方便，控制器提供干接点输入输出至火灾报警系统，支持开放的通讯接口，易于实现控制器一级的系统集成。

（4）系统安装简便，后期运维工作量小：信号传输和探测用一根光缆，安装至现场仅需将探测光缆固定即可轻松完成安装工作；光缆耐用性设计优异，探测光缆的寿命可长达30年，对环境影响如温度，压力和湿度波动有抵抗力，同样也适用于较多灰尘和含有腐蚀性物质的空气中；测量主机的核心器件（如光源、分光器等）均采用通信级器件，设计寿命10万个小时（大于10年），并且主机内置温度标定单元以及故障自检模块，测温稳定、可靠。

四、系统方案设计

本方案采用分布式光纤线型感温火灾监测系统，利用感温光纤对电缆进行火灾安全检测。本系统具有实时显示电缆任意检测点温度，并能进行差/定温两级声光报警，自检功能可以实时监测自身运行情况并输出故障报警声光信号，测温主机可将温度信号和声光报警信号传入消防报警控制系统，并与消防报警控制系统计算机联网进行电缆监控。

4.1感温光缆

光纤由石英玻璃拉制而成，通过各种封装形成各种特性的光缆。光缆既是信号传输介质，又是温度感测元件。考虑到现场的恶劣环境，感温光缆可使用铠装、耐高温，采用最高等级的多模/单模光纤纤芯。根据实际应用场合配置相应光纤紧套包层，并增加不锈钢保护管和抗拉钢丝网等铠装层保护光纤不受损害，具备良好的抗啮咬、抗震特性。外护套提供良好的温度传导性能，以保证快速的火灾探测，并为高性能的阻燃材料，可以适应恶劣的施工条件和工作环境。

图4.1探测光缆结构示意图

探测光缆技术指标：

?光纤纤芯直径：62.5μm

?光纤包层直径：125μm

?金属护套材料：不锈钢丝绞合不锈钢管，使其在安装时操作更为简便并且提

高机械稳定性和热辐射的灵敏性，防水防潮性能良好。

?最小弯曲半径：80mm

?防护等级级别：≥IP67

?拉伸强度：安装过程中最大200N；使用过程中最大150N

?工作温度范围：-40℃到+90℃（根据测量温度可选不同光缆）

?光缆工作寿命：大于30年

?防冲击、反复弯曲、扭转、曲绕、弯折、卷绕、渗水性能等均符合IEC794-1标准。

通用铠装感温光缆

防静电铠装感温光缆

高温铠装测温光缆

4.2系统设计

1.系统设计宗旨

根据国家标准《线型光纤感温火灾探测器GB/T21197-2009》，本方案设计遵循如下宗旨：（1）新增分布式光纤线型感温火灾监测系统，提高火灾探测系统的可靠性；

（2）分布式光纤线型感温火灾监测系统的安装设计需要考虑多重备份，包括传感光缆

的备份、测量主机的备份，这样一旦光缆以及测量主机出现故障时，不会影响任何电缆的实时监测；

（3）分布式光纤线型感温火灾监测系统的用户软件应操作简便、简单明了，所有电缆的温度（火情）能在一个软件界面上显示出来，具有形象直观的可视化界面。

2.系统设计目标

分布式光纤线型感温火灾监测系统能将电缆的实时温度显示出来，及时发现过热点，一旦检测到所测量环境温度值或温升速率超过设定阈值时，系统自动报警，并通过以太网或者继电器将实时报警信号送到监控室以及火灾报警主机，便于值班人员处理以及消防联动。设计目标包括：

?实时在线的温度检测；

?准确定位电缆事故位置，显示事故时的温度状态；

?通过辅助软件将分布式光纤线型感温火灾系统所探测到电缆实时在线的表面温度转换成电缆运行的载流量，为客户确定电缆的载流量提供历史依据，并最大限度的提高电缆的使用寿命；

?对电缆的老化状态进行检测；

?将报警信号传送至监控室，供值班人员处理或者火灾报警控制系统应急、联动控制。

3.系统设计规范

系统依据国家相关规范进行设计，所选用设备满足国家相关产品标准。本技术方案参考的国家标准和行业规范包括：

●《中华人民共和国消防法》

●《建筑设计防火规范》GB50016-2006

●《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-98

●《火灾自动报警系统施工及验收规范》GB50166-2007

●《低压开关和控制设备的外壳防护等级》IEC 144

●《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50059-92

●《火灾自动报警控制器通用技术条件》GBJ4717-93

●《线型光纤感温火灾探测器》GB/T21197-2007

●《线性光纤感温火灾探测系统设计、施工及验收规范》DB43/T480-2009

●《分布式光纤温度探测火灾报警系统应用技术规范》DB29-149-2005

●《火灾报警探测器》GB4717-2005

●《消防联动控制系统》GB16806-2006

4.3监测方案

本方案采用1套分布式光纤线型感温火灾监测系统，系统可以连接4通道测量距离为10Km的测温光缆，主机与主机间的通信联络技术的使用，意味着可以在远距离控制中心重现现场信息，这种信息对于实现无人化值守的控制室是有极大帮助的。在此项目中，我们可以通过使用局域网，实现数据交互和远程管理。

图4.2 分布式光纤线型感温火灾监测系统布设示意图分布式光纤线型感温火灾监测系统及其附属设备设置在设备间，当运行中电缆某个区域出现异常时，显示画面及事故音响同时发出报警信号，可通过计算机的软件界面直接查看，并能迅速准确地判断出发生故障的实际位置，当某个监测点温度超过设定值时，分布式光纤线型感温火灾监测系统输出干节点报警信号或通过网络，接入火灾报警及联动控制系统中心主机，由中心主机进行下一步处理，从而提高电缆运行的可靠性及技术管理水平。

铺设方案除了采用单根单向的方式外也可采用环路的方式，如下图所示。测量主机一共具有4个测量通道，其中通道1和通道2构成测量环路：从通道1引出的感温光缆，从电缆首段铺设至末端，再将末端返回至通道2。

环路的工作模式如下（由监控软件控制）：

?正常工作模式：测量主机只有通道1进行测量，另外通道不开启，此时能保证以最

快的测量时间完成电缆的实时测量；

?断纤故障模式：一旦测量主机自动检测到感温光缆出现断纤故障，则测量主机自动

开启通道2，此时通道1和通道2轮流切换工作，仍能保证电缆的实时测量，即传

感光缆的断纤故障不会造成监控出现缺失；

环路方式的优点是，如果传感光缆单点出现断纤故障，不会造成监控出现缺失，监测仍能覆盖所铺设光缆，提高系统可靠性。

图4.3光缆环路铺设示意图

图4.4 分布式光纤线型感温火灾监测系统机柜

4.4传感光纤的铺设安装

每路感温光缆通过尾纤接入DTS测量主机（尾纤在供货时随主机一并提供），尾纤的一

端为与测量主机连接，另一端需通过接续盒与探测光缆相熔接。

图4.5 光纤接续及其保护

感温光缆从设备间经接续盒接出，与每条电缆以捆绑的形式进行安装，如下图所示，在探测光缆上每隔0.5m～1m用光纤线卡将光缆和电缆卡紧。

图4.6光缆与电缆捆绑示意图

图4.7光缆与电缆捆绑现场图

电缆夹层的火情监测，探测光缆可以采用安装在被测顶部或接触式布置，探测光缆无法安装在被测电缆的侧上方、顶层电缆的顶部桥架上、竖井的侧壁上，应安装在被测电缆的表面，电缆隧道探测光缆应设置在隧道的顶部中央。探测区域宜按照电缆隧道的防火隔断设置或按照防火隔断中的每层电缆桥架、夹层设置，电缆竖井宜单独设置探测区域。如下图所示：

图4.8电缆桥架和电缆竖井安装示意图安装、调试内容：

序号安装、调试内容

1 测温光缆安

装

第一步，将测温光缆布置到要安装的位置；

第二步，用线卡或金属扎带固定测温光缆，每间隔1米固定1点；

2 传输光缆布

线

第一步，传输光缆接入分布式光纤线型感温火灾监测系统；

第二步，与测温光缆熔接；

第三步，测试无异常，完成光缆布线步骤。

3 光缆连接

第一步，将传输光缆通过光纤终端盒和光纤尾纤熔接；

第二步，将尾纤插头接入分布式光纤线型感温火灾监测系统，测试无异常后完成该步骤。

4 系统（含机

柜）安装

第一步，将系统（含机柜）安装到控制室；

第二步，分布式光纤线型感温火灾监测系统的组网，安装电源；

第三步，报警输出信号与火灾报警模块的连接；

第四步，测试无异常后完成该步骤。

5 控制室硬件

测试：

将每一通道连接，测试光谱图效果，如正常则完成该步骤。

6 软件调试：第一步，数据库建立；

第二步，图形建立；

第三步，数据与图形对应成功，测试完成后准备验收。

4.5系统功能指标

?测量距离：10km

?测量通道：4通道

?测量时间：5s/通道

?测温精度：±1℃

?温度分辨率：≤0.5 ℃

?定位精度：< 0.25m

?空间分辨率：≤1m

?温度测量范围：-40℃～+350℃；(使用特种光纤可扩展到+700℃) ?测温主机工作温度：-20℃～45℃

?报警温度设定范围：用户可自主设置

?报警功能：定温、差温（温升）、区域温差报警

?报警输出：无源干接点继电器，总线

4.6设备清单

五、系统验收

系统经安装调试合格后，由国储组织设计、施工、监理等单位对系统进行验收。验收包括系统性能验收和现场模拟火灾报警性能验收。

5.1系统性能验收

系统性能验收标准可参考系统指标，主要进行如下功能/性能验收：

5.2现场模拟火灾报警性能验收

现场采用加热探测光缆的方式模拟电缆局部受热，验证系统火情报警性能，根据加热光缆的方式不同，有以下两种验证方案供选择。

方案一：将预留的一段长度不小于1米的探测光缆放入热水瓶中，从放入光缆时开始计时，记录系统报警所需的时间。

方案二：将热水不断的往电缆上的探测光缆浇灌，探测光缆的浇灌区域不小于1米，记录系统报警所需的时间。

自动报警系统验收合格后，方可投入使用。

六、售后服务

6.1技术支持

公司具有多年的光纤系统集成经验，拥有非常完善的售后服务措施和服务管理体制。针对该项目，由专人负责，确保了与客户快速而准确的交流。

我们将派本公司的现场工程师或技术工人和应用工程师现场指导光纤火灾系统的组建，安装与调试。同时也将协助用户应用开发。

6.2培训内容

培训时间一般在产品安装调试的时期（与用户协调确定），为买方3名人员在买方所在地进行现场培训或者到我们公司培训。培训内容包括：

光纤传感的基本知识：光纤介绍、光纤传感技术的发展、简介。

系统介绍：分布式光纤线型感温火灾探测系统的原理和技术的介绍，以及相关的行业应用。

光纤火灾探测系统系列产品介绍，产品原理、安装、调试、操作及维护保养等。

6.3售后服务

按照购买合同约定的时间交付货物后，派专业技术人员按照买方确定的时间在买方所在地现场免费安装调试（探测光缆指导安装），系统试运行合格后，出具验收报告。

用户使用设备过程中，出现由于设备引起的技术故障，可以拨打服务热线，提供故障的详细情况、服务请求时间、联系人和联系电话，我们将在1个工作日内给予答复。同时我们对于每个项目都有专门的负责人，所有的问题都可以直接联系该负责人。

公司在接到客户的技术服务请求后，如果电话支持服务不能解决问题，我们将委派技术工程师赴现场协助用户排除故障。

公司根据对用户造成的影响，将故障划分为三种级别，具有不同的响应时间。具体如下：一级故障：设备完全瘫痪，基本功能不能实现。响应时间：6个小时

二级故障：设备运行过程中，部分功能散失。响应时间：12个小时

三级故障：设备功能完好，但是系统不稳定。响应时间：2天

所供设备自交货验收合格后质保期通常为一年（以项目合同上质保期为准）。