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基于線型感溫火災探測器的電纜隧道火災實驗

文檔作者：丁宏軍范典姚浩偉文檔來源： 1．武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室 2．中山大學廣東省消防科學技術重點實驗室		點擊數：	更新時間： 2025年10月02日
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第21卷第9期
2013年9月 Optics
光學
and P
精密工程
recision Engineering
VoI_2l No．9
Sep．2O13
文章編號1004—924X(2013)09—2225—06
基于線型感溫火災探測器的電纜隧道火災實驗
丁宏軍 ，范 典 ，姚浩偉
(1．武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室，湖北武漢430070；
2．中山大學廣東省消防科學技術重點實驗室，廣東廣州510006)
摘要：研究了線型感溫火災探測器應用于電纜隧道場所電纜火災早期探測的工程適用性。以電纜隧道為應用環境，基于
現有的線型感溫火災元件：感溫電纜、光纖拉曼感溫探測器和光纖光柵感溫探測器，建立了實驗平臺，設定了不同火災的
實驗場景，記錄了火災模擬試驗中的溫度變化和探測器響應時間。實驗顯示，對于初起無明火的小規模火災，其熱輻射
量小，除了與其直接接觸的感溫火災探測器能做出報警響應外，其余非接觸式的探測器均無法響應。對大規模火災，光
纖拉曼感溫探測器和光纖光柵感溫探測器的報警反應時間均在30 S左右，熱電偶記錄的火災發生上方60 S以內的溫度
都在35℃ 以下，而±3 1TI內的溫升都超過5℃ ／min。根據3種探測器的技術特點，分析了典型線型感溫火災探測器應
用于電纜隧道場所火災早期探測的工程適用性，為規范編寫《火災報警設計規范》的相關條款提供了技術支持。
關鍵詞：光纖感溫；火災實驗；火災探測器；電纜隧道；響應時間；溫度變化
中圖分類號：X932：TP212．11 文獻標識碼：A doi：i0．3788／OPE．20132109．2225
Cable tunnel fire experiments based on linear
tem perature sensing fire detectors
DING Hong—jun ，FAN Dian¨ ，YAO Hao—wei
(1．National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology，
Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；
2．Guangdong Provincial Key Laboratory of Fire Science and Technology，
Sun Yat—sen University，Guangzhou 1510006，China)
*C0rr s 0 g author，E-mail：fandian@whut．edu．cn
Abstract：The engineering suitability of typical linear heat detectors for early fire detection in cable
tunnels was explored．In cable tunnel environments，an experimental platform was established based
on exiting linear temperature fire detectors，including temperature sensing cables，fiber Raman detec—
tors and fiber grating detectors，then two different fire experimental scenes were set up，and the tem—
perature variation and fire detector response time were recorded in the processing of fire simulation．
The experiments show that only directly contacting heat detectors can give an alarm response and oth—
er non—-contact detectors are unable to respond the small·—scale fire because a small amount of thermal
radiation has no flame for the beginning of the fire．Furthermore，for massive fire，the alarm response
time of both fiber Raman sensing heat fire detector and fiber grating sensing fire detector is about
收稿日期：2013-03—11：修訂日期：2013—04—11．
基金項目：國家自然科學基金資助項目(No．51275373)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(No．2012一IV-19)
光學精密工程 第2 l簽
30 S，the temperature over the fire recorded by a thermocouple is less than 35℃ in 60 S，while the
temperature rising is more than 5℃ ／min within the range of-+3 m．According to the technical char—
acteristics of the three detectors，the engineering suitability of the typical linear heat detectors in cable
tunnels early fire detection is analyzed，which can provide technical support for establishing the design
specifications of fire alarm．
Key words： optical fiber heat sensing； fire experiment； fire detector；cable tunnel；response I ime；
tem perature variation
l 引 言
近幾年，火災探測技術不斷進步，新技術層出
不窮，特別是以光纖傳感技術_l 為基礎的光纖拉
曼火災探測技術l2 和光纖光柵感溫火災探測技
術[3]。它們以其突出的技術優勢，已在很多領域
取代了傳統的感溫電纜，成為主流的火災探測技
術。但是，現有的防火規范 。]沒有隨之更新，新
技術的工程適用性缺少依據。對于大規模火災，
光纖火災探測器可借鑒公路隧道防火規范安裝在
隧道頂部，但是對于電纜架上出現的電纜過熱火
災等小規模火災卻沒有相應的參考。有些廠家提
出將纜式火災探測器沿電纜表面正弦敷設，但該
方法是否有效，這樣敷設探測器是否能對火災做
出及時準確的報警則需要探討和實驗驗證。由于
火災的產生會影響其周邊環境溫度場的分布變
化；通常情況下，分布式溫度傳感點的空間分布情
況會影響其報警的響應時間，但是過于密集的傳
感點分布會提高系統成本，故需要找到空間分布
和響應時間的最優平衡。另外，對于用空間積分
的方法探測拉曼散射信號的光纖拉曼感溫火災探
測器，分辨率過高還會增大計算量，延后報警響應
時間。所以從原理和機理上分析各種新型的火災
探測技術，并有針對性地制定使用規范十分必要。
我國的火災探測器檢驗規范多參考歐洲和美國的
標準[8 ；但是電纜隧道火災的情況復雜，如電纜過
熱火災或其它原因引起的小規模火災，因此沒有
現成適用的火災模擬規范。
線型感溫火災探測器在電纜火災早期探測上
的工程適用性研究，是在消防產業技術飛速進步、
新機理的火災探測類產品不斷更新，而電纜隧道
火災報警系統工程設計依據不足的現狀下開展
的。目前，國內尚未開展過此項研究，在消防行業
屬于難點問題。本文以電纜隧道為應用環境建立
了實驗平臺，設定了初起小規模火災和大規模火
災的實驗場景，記錄了火災模擬試驗中的溫度變
化和探測器響應時問，并根據溫度場的變化特點
和感溫電纜、光纖喇曼和光纖光柵3種探測器的
技術特點，分析了典型線型感溫火災探測器用于
早期探測電纜隧道場所火災的工程適用性，為編
寫防火規范提供技術支持。
2 實驗系統平臺
實驗系統平臺如圖l所示，設置在實體電纜隧
道中，兩側有電纜橋架，實驗將使用火盤和加熱硅碳
棒分別模擬大規模火災和初起小規模火災。線型感
溫火災探測器在電纜隧道頂部正中按直線懸掛方式
布置，然后分別接人對應的火災探測報警控制器。
實驗選用了3種火災探測器：差／定溫感溫電纜、分
布式光纖拉曼感溫探測器和光纖光柵感溫探測器。
實驗平臺還設置了環境數據采集模塊，用于記錄實
驗中的風速、溫／濕度、大氣壓力和C()氣體濃度。
所有數據要集中到數據采集控制系統平臺。
： 篷
系統、P臺
洲器：
電纜
扎·
光柵
電纜
橋架
～
～ 火災探洲
報警 制器
罔1 實驗系統平臺示意陶
Fig．1 Schematic diagram of experimental platform
2．1 火災場景模擬
通過對冶金、電力等工礦企業電纜火災案例
第9期 丁宏軍，等：基于線型感溫火災探測器的電纜隧道火災實驗
的統計分析[4 ]，電纜火災按規模可分為：由嚙齒
類動物咬損電纜，施工或檢修中因焊接、氣割等動
火操作時火花落人地下空洞引燃地下電纜的初起
小規模火災；鋼渣滴落到電纜上引燃電纜、鋼包水
泄漏等生產事故導致高溫鋼水流入電纜溝、電纜
隧道引燃電纜、熱鋼料頭落地、地面油污起火、油
浸電氣設備故障噴油流人電纜隧道等引起的大規
模火災。電纜小規模火災模擬裝置，即加熱用硅
碳棒溫度的設定，主要依據實際測量導致電纜外
表皮融化、燃燒的溫度。小規模火災模擬裝置由
加熱用硅碳棒，大功率DC24V 開關電源及溫控
表和S鉑銠熱電偶構成，設定恒定的溫度為8OO
℃ 。由于我國現行的產品標準_6。 對線型感溫火
災探測器的火災靈敏度試驗尚無相關的規定，而
歐洲標準EN54—22：2007(E)中規定了線型感溫
火災探測器的火災靈敏度試驗采用TF6S酒精火
(90 的乙醇和10 的甲醇配置的甲基化酒精)
進行，因此，大規模火災模擬試驗參照歐洲標準
EN 54—22：2007(E)的相關規定，采用330 mm×
330 mm×50 mm規模的酒精火。
2．2 感溫線型火災探測器
感溫電纜[g 分為數字型和模擬型。數字型是
一種“開關”型電纜。當溫度升高到一定值，電纜
內部發生變化，在導體間會產生短路或“熱碰撞”，
這種“變化”被電氣裝置檢測出來后，作為報警信
號；模擬型是一種多根導體芯線絞合的電纜，其中
兩根導線外皮是負溫度系數的高聚化合物，另兩
根外皮是PVC材料。當溫度變化時，高聚化合物
內會產生不斷變化的電阻，通過檢測電路來檢測
電纜阻抗這種隨溫度變化的特性，作為報警信號。
光纖拉曼溫度傳感器口()]系統是近年來發展
起來，用于實時測量空間溫度場的系統。該系統中
光纖即是傳輸媒體又是傳感媒體，利用光纖背向拉
曼散射的溫度效應，反斯托克斯光強與斯托克斯光
強之比和溫度之間的定量關系可表示為：
丁一 1n( )+4-n( ) ]
式中：h為普朗克系數；尼為波爾茲曼常數；J 為
斯托克斯光強度；J 為反斯托克斯光強度；fo為
人射光頻率；△， 為喇曼光頻率增量。斯托克斯
光頻率為fo一△廠，反斯托克斯光頻率為 +△廠。
光纖所處的空間溫度場調制了光纖是背向喇曼散
射的強度(反斯托克斯背向喇曼散射光的強度)，
經波分復用器和光電檢測器采集帶有溫度信息的
背向喇曼散射光信號，經信號處理可以解調出實
時的溫度信息。在時域中，利用光時域反射技術
(Optical Time Domain Refleetion，DTDR)，根據
光在光纖中的傳輸速率和背向拉曼散射光的回波
時間，對溫度點進行定位。
光纖布拉格光柵傳感器口 是國內外剛興起
的新一代傳感器。以準分子紫外激光在光纖纖芯
中寫入具有一定中心波長的光纖布拉格光柵，布
拉格波長決定了折射率調制的空間周期以和調
制的幅度大小，它們滿足模式耦合理論的一級近
似相位匹配條件，即：
B一2n ffA， (2)
其中： 為光柵的布拉格波長， 為光柵的有效
折射率(折射率調制幅度的平均效應)，A為光柵
條紋周期(折射率調制的空間周期)。光柵的溫度
發生變化時，由于熱脹冷縮效應，光柵的條紋周期
會發生變化；由于熱光效應，光柵的有效折射率也
會發生變化。所以有：
△ B一2 f f +A Jn ef 1 AT． (3)
、 口』 0 』 ，
通過一種光纖光柵解調裝置對波長移動進行
監測，即可知道溫度的變化情況。
2．3 實驗隧道
試驗電纜隧道的內部尺寸為：2．6 m×2．2 m
×15 m(W×H×L)。隧道內設置雙側雙排電纜
橋架各8層，每層橋架長15 m，寬0．6 m，層間距
為0．2 m，如圖2所示。隧道內為自然通風，試驗
中產生的煙霧通過安裝在電纜橋架終端的風機系
統收集和排放。參照某工程電纜隧道的實際情
況，電纜橋架上鋪設有動力電纜和信號電纜。
圖2 火災模擬試驗電纜隧道內部圖片
Fig．2 Photo of cable tunnels in fire simulation experiment
光學精密工程 第21卷
通過對冶金企業實體電纜隧道的環境參數采
集可知，實際電纜隧道的溫度一般為2O～29℃ ，
濕度一般為49％～85 。當排風機不啟動時，實
測風速一般在0．1～0．4 m／s。
3 實驗結果與分析
探測器布置按照廠家的安裝說明或工程應用
慣例，將差定溫線型感溫電纜火災探測器D
(DS000A)、定溫線型感溫電纜火災探測器D
(1000A )、光纖拉曼感溫火災探測器D。
(DTS400)、光纖光柵感溫火災探測器
(FBGT112410)4種探測器分別采用正弦波(S
型)接觸方式及直線懸掛方式同時敷設在電纜橋
架上的第三、四、五層，同時在第四層橋架布設熱
電偶，如圖3所示。另外對于大規模火災，D ～
D 探測器和熱電偶C ～C (間隔1 m)平行直線
懸掛在隧道頂部。報警控制器的定溫報警溫度為
85℃ ，差溫報警溫升速率為10℃／rain。
圖3 電纜架上探測器和熱電偶布設方案示意圖
Fig．3 Layout of detectors and thermoeouples in ca
ble rack
3．1 初起小規模火災實驗
按照初起小規模火災模擬試驗火災場景的建
立要求，將硅碳棒加熱到8OO℃ 時將硅碳棒放置
到第4層橋架，總共進行了2次模擬試驗。其中
一次試驗中熱電偶記錄的溫度變化情況如圖4所
示，兩次試驗各探測器的響應報警時間如圖5所
示。實驗環境溫度為14℃ 、濕度為39 、大氣壓
力為101．325 kPa、風速為0．14 m／s，火災模擬中
CO濃度超過170×10一。
圖4中只有靠近硅碳棒位置的A。號熱電偶
的溫度變化，而其它位置的溫度無明顯變化。A。
熱電偶的溫度在一分鐘內上升超過100℃ ，達到
120℃后逐步下降。硅碳棒雖然溫度較高，但是
由于其尺寸小(加熱長度小于10 cm)、熱量小、沒
圖4 小規模火災溫度變化曲線圖
Fig．4 Temperature variation of small—scale fire
— First time l
—一second 6m日
■ 一 一■ L
D1 D2 D3 D4
Detection system
圖5 初起小規模火災模擬實驗探測器響應時間比較罔
Fig．5 Comparsion of detector response time at be
ginning of small—‘scale fire simulation experi—L
Inent
有熱量的持續供應，其本身的溫度會迅速下降，岡
此影響范圍小(距離10 cm 以外的熱電偶溫度無
變化)。
對于初起無明火的小規模火災，其熱輻射量
小，除了與其直接接觸的感溫火災探測器能做出
報警響應外，其余非接觸式的探測器均無法響應。
由于感溫電纜火災探測器的最小報警長度要求較
短；小規模火災的火源同感溫電纜火災探測器的
直接接觸長度雖然較短，但已經滿足了最小報警
長度的要求，因此，在小規模火災的火源溫度達到
報警溫度的情況下，探測器會迅速做出報警響應。
光纖拉曼感溫火災探測器的探測單元長度要求較
長(一般為不大于3 m)，即使在小規模火災的火
源直接接觸到光纖拉曼感溫火災探測器，火源溫
0 O 拗 O MO 0 0m O 6O 4O 2O 0
∞ g 囂∽II_uJ 一《
第9期 丁宏軍，等：基于線型感溫火災探測器的電纜隧道火災實驗
度達到火災報警條件的情況下，探測器也因接觸
長度達不到探測單元的要求，而無法做出報警響
應。光纖光柵感溫火災探測器在敷設過程中，其
探測單元不一定能和初起小規模的火源相接觸，
在接觸不到火源的條件下，探測器報警響應較慢；
若探測單元與初起小規模的火源完全接觸，并且
其溫度達到火災報警條件的情況下，才能正常做
出報警響應。
3．2 大規模火災實驗
實驗按照大規模火災模擬試驗火災場景的建
立要求，將酒精火火源放置于電纜隧道地面中間，
共進行了2次模擬試驗。其中一次試驗熱電偶記
錄的溫度變化如圖6所示，兩次試驗各探測器的
響應報警時間如圖7所示。實驗環境溫度為15
℃ 、濕度為43 、大氣壓力為i01．325 kPa、風速
為0．13 m／s，火災模擬中CO 濃度超過l10
× 10—
p
晨
矗
g
r
C
JS Cn
· ” — ■ ● -f l t ^ t
r r l i 、
|％ }
＼
R 。C／min
圖6 大規模火災初起溫度變化曲線圖
Fig．6 Temperature variation at beginning of massive fire
火災響應報警時間是衡量火災報警探測器性
能的重要指標，所以研究重點為火災初期階段的
溫度變化。熱電偶在開始i00 s的溫度變化曲線
如圖6所示，為方便分析，系統記錄了酒精火點燃
前20 s的初始溫度。火災開始60 s內所有熱電
偶的測量值都不超過35℃ ，該溫度為電纜隧道日
常情況下可能達到的正常值，一般感溫火災探測
器設定的定溫報警閾值要遠高于該值。假設感溫
火災探測器的差溫報警閾值設置在溫升速度為5
℃／rain處，如圖6中粗虛線所示，C。～C 。號熱電
偶的溫度變化曲線均在該閾值虛線的上方。假設
感溫火災探測器測量的溫度值和熱電偶一致，則
分布在C ～C ——6 m范圍內的感溫火災探測
器都應該在60 s以內產生報警信號。6 m 的間隔
值或成為感溫火災探測器設計規范的重要參
考值。
350
300
250
200
l5O
l0O
5O
O
1 First time
圜Second time
置 -豳 -圜
Dl D2 D3 D4
Detection system
圖7 大規模火災模擬實驗探測器響應時間比較圖
Fig．7 Com parison of detector response time in mas
sive fire simulation experiment
大規模火災的熱輻射量較大，位于火源上方
的非直接接觸方式安裝的線型感溫火災探測器仍
然能對火災情況做出報警響應；對于大規模的外
部火災，其著火點附近的環境溫度變化迅速，因
此，具有差溫報警功能的纜式差定溫線型感溫火
災探測器和分布式光纖感溫火災探測器對火災的
響應迅速，而只有定溫報警功能的纜式定溫感溫
火災探測器的報警響應時間較為滯后。
4 結 論
動力電纜層上由于內部及外部因素引發的初
起小規模火災的位置具有一定的不確定性，無論
采用何種方式安裝線型感溫火災探測器均存在探
測盲點。由于初起小規模火災的熱釋放速率及熱
輻射規模均較低，只有當起火位置靠近感溫電纜
火災探測器及光纖光柵感溫火災探測器的光柵探
測單元時報警響應較快，而光纖拉曼感溫火災探
測器受最小探測單元長度的限制，對初起小規模
火災不能做出有效的報警響應。對于大規模火
災，光纖拉曼感溫火災探測器和光纖光柵感溫火
災探測器的報警反應時間均在30 s左右，而且根
據熱電偶的記錄火災發生上方60 s以內的溫度
都在35℃ 以下，而±3 m 內的溫升都超過5
∞ 暑 II_ _巨一《
223O 光學精密工程 第2l卷
℃ ／min。本文通過開展線型感溫火災探測器應
用于電纜隧道場所電纜火災早期探測的工程適用
性研究，得出了不同種類線型感溫火災探測器的
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作者簡介
丁宏軍(1965一)，男，遼寧沈陽人，博士
研究生，研究員，1988年于東南大學獲
得碩士學位，主要從事消防電子技術
及其應用技術的研究和標準化T作。
E—mail：dinghongjun@ efire．cn
范典(1979一)，女，湖北武漢人，博
士，副教授，2009年～2O1O年赴美訪問
學習，2011年于武漢理T大學獲得博
士學位，主要從事光纖傳感技術和光
信號處理方面的研究。E—mail：fandian
@ whut．edu．cn
工程適用性，包括評價、確定具體的設計參數及安
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的制修訂提供了技術支持。
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