安紫娟，李明宇，郭海平，趙軍，李紅巖，毛軍

（北京奔馳汽車有限公司，北京，100176）

1 光纖測(cè)溫技術(shù)原理

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)[4]。DTS(Distributed Temperature Sensor)分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，采用光纖傳感技術(shù)，以光纖作為傳感器和傳輸介質(zhì)，具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、本質(zhì)安全、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高、傳輸距離長(zhǎng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[5]。分布式光纖測(cè)溫技術(shù)采用先進(jìn)的光電結(jié)合技術(shù)，利用光纖傳感，其測(cè)溫定位原理如下：

1）測(cè)溫原理：通過(guò)激光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)拉曼（Raman）散射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)溫，激光在光纖中傳輸時(shí)一部分拉曼散射光（后向拉曼散射光）沿光纖原路返回，被光纖測(cè)溫主機(jī)接收，拉曼散射光強(qiáng)度與散射位置處溫度存在一定關(guān)系，通過(guò)解析散射回來(lái)的反射拉曼散射光信號(hào)，獲取不同散射位置的溫度分布[6]。

2）定位原理：通過(guò)光時(shí)域反射（OTDR）原理進(jìn)行空間定位，利用激光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的后向散射光行進(jìn)時(shí)間與激光在光纖中傳播速度之間的物理關(guān)系，可得到光纖上發(fā)生散射的位置，從而進(jìn)行定位[7]。

2 DTS分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用

2.1 工程應(yīng)用

將DTS(Distributed Temperature Sensor)光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于北京奔馳MRA（前驅(qū)車工廠）焊裝車間、MFA（后驅(qū)車工廠）焊裝車間封閉母線的溫度在線監(jiān)測(cè)。具體實(shí)施方法為：沿車間封閉母線接頭外殼表面上方敷設(shè)感溫光纜，每個(gè)封閉母線接頭處為1個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)處根據(jù)工藝要求盤(pán)繞2米感溫光纜并進(jìn)行固定安裝、記錄溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)光纖敷設(shè)米標(biāo)，同時(shí)每根電力封閉母線首尾預(yù)留20—30米光纖并記錄米標(biāo)，生成光纖敷設(shè)記錄表，以便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分區(qū)以及監(jiān)測(cè)位置校準(zhǔn)。

北京奔馳MRA廠區(qū)焊裝車間共10根電力封閉母線，每隔6米為1個(gè)封閉母線接頭進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，10根電力封閉母線分3個(gè)測(cè)溫通道進(jìn)行感溫光纜敷設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)148個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度在線監(jiān)測(cè)，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 MRA廠區(qū)焊裝車間封閉母線溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

北京奔馳MFA廠區(qū)焊裝車間共7根電力封閉母線，每隔3米為1個(gè)封閉母線接頭進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，7根電力封閉母線分4個(gè)測(cè)溫通道進(jìn)行感溫光纜敷設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)315個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度在線監(jiān)測(cè)，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 MFA廠區(qū)焊裝車間封閉母線溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 系統(tǒng)組成

DTS光纖測(cè)溫系統(tǒng)適合范圍較大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多的測(cè)溫需求，是一種實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)[1]，主要由感溫光纜、光纖測(cè)溫主機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖1所示：感溫光纜是系統(tǒng)最底層設(shè)備，采用多模光纖，敷設(shè)于封閉母線表面，直接與被測(cè)對(duì)象接觸，是一種傳播傳感一體化傳感器，每一段光纖都是傳感單元，一方面進(jìn)行溫度檢測(cè)，另一方面進(jìn)行信號(hào)傳輸[8]；光纖測(cè)溫主機(jī)是系統(tǒng)的核心設(shè)備，安裝于10KV配電室內(nèi)，采集、處理返回的信號(hào)，對(duì)溫度進(jìn)行解析，識(shí)別判斷火警信號(hào)[9]；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是系統(tǒng)功能顯示與配置的重要組成部分，接入北京奔馳BMS（樓宇管理控制系統(tǒng)）系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)母線溫度、實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警等功能。

圖1 DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 火災(zāi)報(bào)警、溫度數(shù)值、定位功能測(cè)試與驗(yàn)證

每根封閉母線檢測(cè)首尾兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再根據(jù)封閉母線溫度檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量隨機(jī)抽取合適數(shù)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法如下：將測(cè)試部位感溫光纜放入恒溫水槽，保持一段時(shí)間至溫度穩(wěn)定，以此來(lái)模擬封閉母線異常溫升，當(dāng)測(cè)試部位的溫度超過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上限設(shè)定值之后，10KV配電室內(nèi)的DTS分布式光纖測(cè)溫主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示屏發(fā)出火警聲光報(bào)警；觀察顯示屏頁(yè)面報(bào)警溫度與現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)顯示值一致，觀察顯示屏頁(yè)面報(bào)警米標(biāo)、軸柱號(hào)位置信息與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試部位對(duì)應(yīng)一致。

經(jīng)上述實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證火災(zāi)報(bào)警可實(shí)現(xiàn)，溫度數(shù)值、定位功能精確，滿足封閉母線溫度在線監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。

2.4 系統(tǒng)主要功能

DTS分布式光纖溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含以下功能：

(1)查看每個(gè)光纖通道的“實(shí)時(shí)溫度分布曲線”，曲線上顯示每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的米標(biāo)位置信息和溫度值。

(2)根據(jù)每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的光纖敷設(shè)米標(biāo)信息進(jìn)行分區(qū)設(shè)置，查看每個(gè)分區(qū)，即溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的“實(shí)時(shí)溫度”，包含溫度數(shù)值、封閉母線名稱、溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在生產(chǎn)車間的位置坐標(biāo)信息。其中，每個(gè)分區(qū)所顯示的溫度數(shù)值為封閉母線接頭處盤(pán)繞的2米感溫光纜所測(cè)得的最高溫度值。

(3)查看每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的“實(shí)時(shí)溫度曲線”，可精確到感溫光纜指定米標(biāo)處的溫度信息。

(4)查看每個(gè)光纖通道的“OTDR曲線”，通過(guò)查看分析OTDR曲線是否存在突變判斷是否存在斷纖故障，通過(guò)查看曲線突變位置精確定位斷纖位置。

(5)生成每個(gè)分區(qū)（溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的圖形報(bào)警信息，利用不同顏色標(biāo)記不同故障報(bào)警狀態(tài)信號(hào)，紅色表示分區(qū)處于火災(zāi)報(bào)警狀態(tài)，表示當(dāng)前分區(qū)溫度數(shù)值超過(guò)設(shè)定報(bào)警值，可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)隱患；黃色表示分區(qū)處于故障狀態(tài)，表示當(dāng)前分區(qū)存在斷纖故障；綠色表示分區(qū)狀態(tài)正常。

(6)同時(shí)，該套系統(tǒng)還可以查看歷史溫度曲線、報(bào)警日志（溫度異常報(bào)警）、故障日志（硬件故障、網(wǎng)絡(luò)故障和斷纖故障）、操作日志等。

2.5 溫度在線監(jiān)測(cè)分析

圖2截取自DTS分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，展示了2021年11月16日11：19分MRA廠區(qū)21#封閉母線、22#封閉母線的整根母線上連續(xù)的溫度分布曲線。圖中可以看出，該時(shí)刻母線溫度數(shù)值相差不大，溫度分布比較均勻，未出現(xiàn)任何報(bào)警信息，說(shuō)明封閉母線運(yùn)行狀況良好；同時(shí)也可以看出，250米標(biāo)附近溫度最高，說(shuō)明此處設(shè)備用電負(fù)荷大，但最高溫度低于30℃，小于自定義的報(bào)警溫度（預(yù)警40℃，火災(zāi)報(bào)警50℃），所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。

圖2 封閉母線溫度分布曲線

圖3展示了分區(qū)之后的母線測(cè)溫點(diǎn)（即母線接頭）溫度，根據(jù)記錄、校準(zhǔn)之后的光纖敷設(shè)米標(biāo)，對(duì)各個(gè)母線測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)設(shè)置，從而顯示每個(gè)母線接頭處的實(shí)時(shí)溫度，從圖中可以看出，分區(qū)設(shè)置之后，可以直接在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讀取測(cè)溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)和測(cè)溫點(diǎn)坐標(biāo)，如圖中紅色標(biāo)記的測(cè)溫點(diǎn)，可直接讀取該測(cè)溫點(diǎn)當(dāng)前溫度：28.5℃，坐標(biāo)：MRA廠區(qū)焊裝車間內(nèi)12#封閉母線、軸柱號(hào)2G7G-1、光纖米標(biāo)681-699。若出現(xiàn)溫度異常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，異常的測(cè)溫點(diǎn)分區(qū)會(huì)由綠色變?yōu)榧t色，運(yùn)維人員可以很清晰的查看異常溫度數(shù)值，并根據(jù)坐標(biāo)信息快速、準(zhǔn)確定位母線在車間內(nèi)的異常位置，從而及時(shí)采取措施。

圖3 封閉母線溫度分區(qū)圖

2.6 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

北京奔馳封閉母線主要分布在生產(chǎn)車間高空鋼結(jié)構(gòu)區(qū)域，以往通過(guò)工作人員手持紅外測(cè)溫槍點(diǎn)檢封閉母線溫度，這種方式測(cè)量困難、耗時(shí)耗力、準(zhǔn)確性無(wú)法保證，DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了這種被動(dòng)檢測(cè)封閉母線溫度的方式，利用光纖傳感測(cè)溫，監(jiān)控系統(tǒng)主動(dòng)獲取封閉母線的實(shí)時(shí)在線溫度，感溫光纜全覆蓋封閉母線，消除了封閉母線溫度測(cè)量盲區(qū)，從而解決了以往封閉母線測(cè)溫困難問(wèn)題。該技術(shù)要比傳統(tǒng)人工手持紅外測(cè)溫槍測(cè)溫先進(jìn)，采用光纖傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)封閉母線溫度，提供有效的火災(zāi)事故判斷依據(jù)[10]。該系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：

(1)技術(shù)先進(jìn)性：采用光纖傳感技術(shù)，整根感溫光纜作為溫度傳感器敷設(shè)于封閉母線表面，可以實(shí)現(xiàn)整根母線的溫度在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)分布式連續(xù)測(cè)溫，100%覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域，無(wú)測(cè)溫盲區(qū)，這是點(diǎn)式溫度傳感器不容易實(shí)現(xiàn)的。

(2)運(yùn)維實(shí)用性：對(duì)封閉母線全年24小時(shí)不間斷在線溫度監(jiān)測(cè)，減少運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢，加速無(wú)人值守及智能電網(wǎng)發(fā)展；光纖核心部位為石英玻璃，耐惡劣環(huán)境且壽命長(zhǎng)，若光纖不受外力破壞，可做到免維護(hù)。

(3)BMS數(shù)字信息化管理：實(shí)現(xiàn)了封閉母線溫度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，測(cè)溫系統(tǒng)接入BMS能源管理平臺(tái)，是一項(xiàng)數(shù)字信息化管理的實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。

(4)高準(zhǔn)確性：能準(zhǔn)確、快速地對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并且可準(zhǔn)確定位故障位置，系統(tǒng)的測(cè)溫誤差為±1℃，定位精度為±0.5m，溫度分辨率0.1℃。

(5)高穩(wěn)定性：光纖核心材料為石英玻璃，測(cè)溫系統(tǒng)秉承光纖特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)電絕緣，抗電磁干擾，不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)或者信號(hào)屏蔽現(xiàn)象。

(6)高安全性：采用光纖作為溫度傳感器，光為信號(hào)，無(wú)需供電，本體安全。

(7)優(yōu)異的擴(kuò)展性：若需改建、擴(kuò)建項(xiàng)目，只需延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)的感溫光纜或者新增通道、重新設(shè)置分區(qū)即可實(shí)現(xiàn)。

(8)豐富的自定義性：可根據(jù)生產(chǎn)車間實(shí)際負(fù)荷變化情況，修改每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的火災(zāi)報(bào)警溫度閾值；可根據(jù)實(shí)際測(cè)溫需求，依據(jù)光纖敷設(shè)米標(biāo)，重新修改溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分區(qū)。

3 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了封閉母線的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，代替了人工依靠紅外測(cè)溫點(diǎn)檢母線溫度的被動(dòng)測(cè)溫方式，可以減少運(yùn)維人員的巡檢次數(shù)，節(jié)約人力成本。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)δ妇€溫度異常及時(shí)報(bào)警并準(zhǔn)確定位，使得運(yùn)維人員可以對(duì)故障部位進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，提高了設(shè)施運(yùn)維效率，節(jié)約了設(shè)備故障維修成本，提高了供電質(zhì)量。

3.2 社會(huì)效益

DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的社會(huì)效益主要體現(xiàn)在能源管理和安全生產(chǎn)方面。首先，該套系統(tǒng)接入北京奔馳BMS系統(tǒng)，通過(guò)BMS系統(tǒng)可查看各母線測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，溫度是電能消耗量的反饋，溫度高的區(qū)域用電量大，運(yùn)用光纖測(cè)溫的精確定位，可以準(zhǔn)確查出車間內(nèi)耗電量大的設(shè)備，從而針對(duì)性地進(jìn)行能源管理。其次，DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)車間封閉母線溫度異常報(bào)警，并對(duì)故障部位精確定位，提醒運(yùn)維人員及早發(fā)現(xiàn)母線異常并采取措施，有效規(guī)避電力火災(zāi)等惡性事故的發(fā)生，從而保障安全生產(chǎn)[11]。

4 結(jié)論

DTS分布式光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于北京奔馳生產(chǎn)車間封閉母線，能通過(guò)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)使運(yùn)維人員及時(shí)掌握母線螺栓松動(dòng)、線路老化等引起的溫升信息，預(yù)知母線異常并進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，從而規(guī)避電力火災(zāi)隱患，不僅可以減少由于停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，還可以有效保障電能的持續(xù)供應(yīng)與安全生產(chǎn)。