分布式光纖測溫技術在生產車間封閉母線在線監測中的應用

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 光纖測溫技術原理

光纖傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發展起來的一種新型傳感技術[4]。DTS(Distributed Temperature Sensor)分布式光纖測溫技術，采用光纖傳感技術，以光纖作為傳感器和傳輸介質，具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、本質安全、重量輕、壽命長、可靠性高、傳輸距離長、維護方便等優點[5]。分布式光纖測溫技術采用先進的光電結合技術，利用光纖傳感，其測溫定位原理如下：

1）測溫原理：通過激光在光纖中傳輸時產生的自發拉曼（Raman）散射效應進行測溫，激光在光纖中傳輸時一部分拉曼散射光（后向拉曼散射光）沿光纖原路返回，被光纖測溫主機接收，拉曼散射光強度與散射位置處溫度存在一定關系，通過解析散射回來的反射拉曼散射光信號，獲取不同散射位置的溫度分布[6]。

2）定位原理：通過光時域反射（OTDR）原理進行空間定位，利用激光在光纖中傳輸時產生的后向散射光行進時間與激光在光纖中傳播速度之間的物理關系，可得到光纖上發生散射的位置，從而進行定位[7]。

2 DTS分布式光纖測溫技術的應用

2.1 工程應用

將DTS(Distributed Temperature Sensor)光纖測溫技術應用于北京奔馳MRA（前驅車工廠）焊裝車間、MFA（后驅車工廠）焊裝車間封閉母線的溫度在線監測。具體實施方法為：沿車間封閉母線接頭外殼表面上方敷設感溫光纜，每個封閉母線接頭處為1個溫度監測點，每個溫度監測點處根據工藝要求盤繞2米感溫光纜并進行固定安裝、記錄溫度監測點光纖敷設米標，同時每根電力封閉母線首尾預留20—30米光纖并記錄米標，生成光纖敷設記錄表，以便后續進行數據錄入、溫度監測點分區以及監測位置校準。

北京奔馳MRA廠區焊裝車間共10根電力封閉母線，每隔6米為1個封閉母線接頭進行溫度在線監測，10根電力封閉母線分3個測溫通道進行感溫光纜敷設，最終實現148個監測點的溫度在線監測，溫度監測點統計如表1所示。

表1 MRA廠區焊裝車間封閉母線溫度監測點數統計

北京奔馳MFA廠區焊裝車間共7根電力封閉母線，每隔3米為1個封閉母線接頭進行溫度在線監測，7根電力封閉母線分4個測溫通道進行感溫光纜敷設，最終實現315個監測點的溫度在線監測，溫度監測點統計如表2所示。

表2 MFA廠區焊裝車間封閉母線溫度監測點數統計

2.2 系統組成

DTS光纖測溫系統適合范圍較大、監測點較多的測溫需求，是一種實時、在線、連續的分布式光纖溫度傳感系統[1]，主要由感溫光纜、光纖測溫主機、監控系統等組成，如圖1所示：感溫光纜是系統最底層設備，采用多模光纖，敷設于封閉母線表面，直接與被測對象接觸，是一種傳播傳感一體化傳感器，每一段光纖都是傳感單元，一方面進行溫度檢測，另一方面進行信號傳輸[8]；光纖測溫主機是系統的核心設備，安裝于10KV配電室內，采集、處理返回的信號，對溫度進行解析，識別判斷火警信號[9]；監測系統是系統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）系統，可監測母線溫度、實現超溫報警等功能。

圖1 DTS分布式光纖測溫系統結構示意圖

2.3 火災報警、溫度數值、定位功能測試與驗證

每根封閉母線檢測首尾兩個溫度監測點，再根據封閉母線溫度檢測點數量隨機抽取合適數量的監測點進行測試。測試方法如下：將測試部位感溫光纜放入恒溫水槽，保持一段時間至溫度穩定，以此來模擬封閉母線異常溫升，當測試部位的溫度超過監測系統上限設定值之后，10KV配電室內的DTS分布式光纖測溫主機發出報警信號，同時監測系統顯示屏發出火警聲光報警；觀察顯示屏頁面報警溫度與現場溫度計顯示值一致，觀察顯示屏頁面報警米標、軸柱號位置信息與現場測試部位對應一致。

經上述實際測試，驗證火災報警可實現，溫度數值、定位功能精確，滿足封閉母線溫度在線監測的實際需求。

2.4 系統主要功能

DTS分布式光纖溫度在線監測系統主要包含以下功能：

(1)查看每個光纖通道的“實時溫度分布曲線”，曲線上顯示每個溫度監測點的米標位置信息和溫度值。

(2)根據每個溫度監測點的光纖敷設米標信息進行分區設置，查看每個分區，即溫度監測點的“實時溫度”，包含溫度數值、封閉母線名稱、溫度監測點在生產車間的位置坐標信息。其中，每個分區所顯示的溫度數值為封閉母線接頭處盤繞的2米感溫光纜所測得的最高溫度值。

(3)查看每個溫度監測點的“實時溫度曲線”，可精確到感溫光纜指定米標處的溫度信息。

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

(5)生成每個分區（溫度監測點）的圖形報警信息，利用不同顏色標記不同故障報警狀態信號，紅色表示分區處于火災報警狀態，表示當前分區溫度數值超過設定報警值，可能會發生火災隱患；黃色表示分區處于故障狀態，表示當前分區存在斷纖故障；綠色表示分區狀態正常。

(6)同時，該套系統還可以查看歷史溫度曲線、報警日志（溫度異常報警）、故障日志（硬件故障、網絡故障和斷纖故障）、操作日志等。

2.5 溫度在線監測分析

圖2截取自DTS分布式光纖監測系統，展示了2021年11月16日11：19分MRA廠區21#封閉母線、22#封閉母線的整根母線上連續的溫度分布曲線。圖中可以看出，該時刻母線溫度數值相差不大，溫度分布比較均勻，未出現任何報警信息，說明封閉母線運行狀況良好；同時也可以看出，250米標附近溫度最高，說明此處設備用電負荷大，但最高溫度低于30℃，小于自定義的報警溫度（預警40℃，火災報警50℃），所以監測系統未出現報警現象。

圖2 封閉母線溫度分布曲線

圖3展示了分區之后的母線測溫點（即母線接頭）溫度，根據記錄、校準之后的光纖敷設米標，對各個母線測溫點進行分區設置，從而顯示每個母線接頭處的實時溫度，從圖中可以看出，分區設置之后，可以直接在監測系統讀取測溫點溫度數據和測溫點坐標，如圖中紅色標記的測溫點，可直接讀取該測溫點當前溫度：28.5℃，坐標：MRA廠區焊裝車間內12#封閉母線、軸柱號2G7G-1、光纖米標681-699。若出現溫度異常，監測系統會進行聲光報警，異常的測溫點分區會由綠色變為紅色，運維人員可以很清晰的查看異常溫度數值，并根據坐標信息快速、準確定位母線在車間內的異常位置，從而及時采取措施。

圖3 封閉母線溫度分區圖

2.6 系統主要特點

北京奔馳封閉母線主要分布在生產車間高空鋼結構區域，以往通過工作人員手持紅外測溫槍點檢封閉母線溫度，這種方式測量困難、耗時耗力、準確性無法保證，DTS分布式光纖測溫系統的應用，改變了這種被動檢測封閉母線溫度的方式，利用光纖傳感測溫，監控系統主動獲取封閉母線的實時在線溫度，感溫光纜全覆蓋封閉母線，消除了封閉母線溫度測量盲區，從而解決了以往封閉母線測溫困難問題。該技術要比傳統人工手持紅外測溫槍測溫先進，采用光纖傳感技術，實時、在線監測封閉母線溫度，提供有效的火災事故判斷依據[10]。該系統主要具有以下特點：

(1)技術先進性：采用光纖傳感技術，整根感溫光纜作為溫度傳感器敷設于封閉母線表面，可以實現整根母線的溫度在線監測，實現分布式連續測溫，100%覆蓋監測區域，無測溫盲區，這是點式溫度傳感器不容易實現的。

(2)運維實用性：對封閉母線全年24小時不間斷在線溫度監測，減少運維人員現場巡檢，加速無人值守及智能電網發展；光纖核心部位為石英玻璃，耐惡劣環境且壽命長，若光纖不受外力破壞，可做到免維護。

(3)BMS數字信息化管理：實現了封閉母線溫度的遠程實時在線監測，測溫系統接入BMS能源管理平臺，是一項數字信息化管理的實質性應用。

(4)高準確性：能準確、快速地對溫度進行監測和報警，并且可準確定位故障位置，系統的測溫誤差為±1℃，定位精度為±0.5m，溫度分辨率0.1℃。

(5)高穩定性：光纖核心材料為石英玻璃，測溫系統秉承光纖特點，整個系統電絕緣，抗電磁干擾，不會出現誤報或者信號屏蔽現象。

(6)高安全性：采用光纖作為溫度傳感器，光為信號，無需供電，本體安全。

(7)優異的擴展性：若需改建、擴建項目，只需延長現場敷設的感溫光纜或者新增通道、重新設置分區即可實現。

(8)豐富的自定義性：可根據生產車間實際負荷變化情況，修改每個溫度監測點的火災報警溫度閾值；可根據實際測溫需求，依據光纖敷設米標，重新修改溫度監測點分區。

3 經濟效益與社會效益

3.1 經濟效益

DTS分布式光纖測溫系統實現了封閉母線的遠程在線監測，代替了人工依靠紅外測溫點檢母線溫度的被動測溫方式，可以減少運維人員的巡檢次數，節約人力成本。同時，在線監測系統能夠對母線溫度異常及時報警并準確定位，使得運維人員可以對故障部位進行預測性維護，提高了設施運維效率，節約了設備故障維修成本，提高了供電質量。

3.2 社會效益

DTS分布式光纖測溫系統的社會效益主要體現在能源管理和安全生產方面。首先，該套系統接入北京奔馳BMS系統，通過BMS系統可查看各母線測溫點的實時溫度，溫度是電能消耗量的反饋，溫度高的區域用電量大，運用光纖測溫的精確定位，可以準確查出車間內耗電量大的設備，從而針對性地進行能源管理。其次，DTS分布式光纖測溫系統能夠及時對車間封閉母線溫度異常報警，并對故障部位精確定位，提醒運維人員及早發現母線異常并采取措施，有效規避電力火災等惡性事故的發生，從而保障安全生產[11]。

4 結論

DTS分布式光纖測溫技術應用于北京奔馳生產車間封閉母線，能通過遠程在線監測使運維人員及時掌握母線螺栓松動、線路老化等引起的溫升信息，預知母線異常并進行預測性維護，從而規避電力火災隱患，不僅可以減少由于停電造成的經濟損失，還可以有效保障電能的持續供應與安全生產。