综合管廊内火灾自动报警探测器实验研究

顾广悦工程师 李 磊教授级高工 相 坤高级工程师 端木祥玲高级工程师 刘海静高级工程师

(中国建筑科学研究院 建筑防火研究所，北京 100013)

0 引言

综合管廊电缆舱室的火灾具有独特性，因电缆在未完全燃烧时，其阴燃释放的热量，就足以让电缆桥架空间的温度达到150℃，并产生有毒气体，理想的自动报警装置应在电缆温度达到150℃之前就开始报警[1]。

对于综合管廊电缆舱室火灾自动报警探测器的选用，目前国内一般的做法是设置探测温度的火灾自动报警探测器[2]。监控的技术原则是对沿线电缆温度变化进行有效数据分析，确保事故发生时探测器可快速的响应与报警。监控线路的稳定性和监控设备的可靠性非常重要，应以预防为主，做到万无一失[3]。

对于电力电缆管廊火灾自动报警探测器的设置方式，一般使用接触式的感温电缆敷设在中间几层电缆桥架上，监测火灾初期的温度异常情况[4]，由于电缆舱室的底层容易积累灰尘，成为火灾易发生的部位，为保证安全性，在电缆桥架的底层也需要设置一根感温电缆。在电缆桥架位置的最上层，由于电缆燃烧时对上部空间释放热量，因此往往也在电缆桥架顶部和管廊顶部之间设置一根感温电缆。除感温电缆外，分布式光纤感温探测器是一种新型的温度探测装置，具有对温度的高灵敏性，可取代感温电缆设置在电力舱的顶部，监测电力舱室内空间的温度。目前国内的规范要求同时触发温感和烟感报警信号后，才能联动自动灭火系统，因此烟感信号可通过设置点型感烟探测器或者图像型火灾探测器进行触发[5]。

《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)、《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)、《城市综合管廊工程设计规范》(DB 11/1505-2017)、《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术规范》(GB/T 51274-2017)与《钢铁冶金企业设计防火规范》(GB 50414-2007)均对电力电缆管廊或类似管廊结构的建筑提出了设置火灾自动报警系统的要求，经过对比，规范对于自动报警探测器的设置要求，见表1。

表1 不同规范的报警设置要求

通过对国内管廊电力舱室的现状总结，以及对规范条例的整理，可发现当前关于电力电缆管廊内有关自动报警探测器的选取存在以下问题：

(1)由于综合管廊电力舱室结构与传统建筑、隧道不同，传统探测器(如点式)分布较散，无法满足探测区域的长度。

(2)目前规范对于管廊内的火灾自动报警探测器的设置要求不统一，部分规范要求点型与线型组合设置，部分规范要求点型即可。

(3)应用于综合管廊电力舱室内的火灾报警探测器性能研究较少，探测器的精度是否能满足报警需求尚未可知。

根据上述问题，结合综合管廊实际工程技术要求，本文进行了实体综合管廊电力舱的电缆燃烧试验，测试了各类型探测器的响应时间，分析了探测性能。

1 材料与方法

1.1 实验装置

综合管廊试验平台位于首安工业消防有限公司研发基地，试验管廊的形状为“L”型，分为两段，总长度32.88m，宽2.7m，高3.5m。第一段长度为12.79m，第二段长度为20.09m。管廊内两侧设置电缆桥架，每侧8层，每层桥架长30m，宽0.6m，层间距0.2m，最底层桥架距地面0.4m。试验管廊剖面图，如图1，“L”型模型可分为两个试验段，根据火灾发展规律，第一段着重用于分析火灾温度特性，第二段着重用于分析烟气蔓延特性。

图1 试验管廊现场布置示意图

1.2 火灾自动报警探测器布置

1.2.1 缆式线型感温火灾探测器

根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)的设置要求，缆式线型感温火灾探测器采用“S”形的方式布置在每层电缆的上表面；同时，将差定感温电缆用吊装的方式安装在每层电缆夹层上方，如图2，3。

图2 缆式线型感温火灾探测器布置示意图

1.2.2 分布式光纤线型感温火灾探测器

《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术规范》(GB/T 51274-2017)第7.2.3条：选择分布式光纤感温火灾探测器，在每层或每两层电缆桥架上方以吊装方式布置，对电力电缆桥架区域的温度探测报警。《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)第7.5.7条：应在电力电缆表层设置线型感温火灾探测器，并应在舱室顶部设置线型光纤感温火灾探测器或感烟探测器；根据规范要求，在电力舱室顶部和每层电缆夹层上方设置分布式光纤线型感温火灾探测器。分布式光纤线型感温火灾探测器的设置，如图3。

图3 分布式光纤线型感温探测器布置示意图

1.2.3 点型感烟火灾探测器

《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-2013)：在宽度小于3m的内走道顶棚设置点型探测器时，宜居中布置，感温火灾探测器的安装间距不应超过10m，感烟火灾探测器的安装间距不应超过15m；探测器至端墙距离，不应大于探测安装间距的1/2。根据规范要求，在电力舱室顶部设置感烟探测器，且在电力舱室顶部两端布置点型两个感烟火灾探测器，如图4。

图4 点型感烟探测器布置示意图

1.2.4 图像型火灾探测器

视频火灾图像探测器按照规范安装在电力舱室顶部，《城市综合管廊工程技术规范》(GB/T 51274-2017)条文说明：目前，适用于综合管廊舱室烟雾探测的感烟火灾探测器主要由点型感烟火灾探测器和图像型感烟火灾探测器。试验中，将图像型火灾探测器布置在试验管廊“L”型拐角处，安装在管廊顶部，如图5。

图5 图像型探测器布置点示意图

1.3 电缆布置

管廊两侧布置电缆桥架，各有8层，桥架的宽度为0.8m，相邻桥架层的间距为0.2m，最底层桥架距地面距离为0.4m；两侧桥架均布置电缆，见表2。

表2 各层电缆数量及规格

1.4 火源、热电偶布置及测试指标

管廊内电缆发生火灾时，火灾规模不相同，因此在各种火灾下，应对多种火灾探测器的报警时间进行研究。

根据火灾类型的不同，试验考虑2种不同的火源。

(1)电缆阴燃：采用陶瓷管电加热，由热处理温度控制箱和线型陶瓷电加热器组成，其额定功率为10 kW，最高调节温度为600℃，试验中设定最高温度为150℃，每分钟上升10℃。模拟电缆自身短路导致电缆护套引发火灾，既产生烟又产生热量的情况。

(2)外部火源：采用酒精火，火源功率参照欧洲标准EN 54-22:2007(E)的相关规定，中规模火釆用330mm，油盘的酒精火进行模拟，总计倒入1.5L酒精。火源功率根据计算为241kW。模拟在外部火源影响下，电缆燃烧引发火灾。

火源位置选取3个，分别于电缆夹层最低层(桥架编号⑧)、中间层(桥架编号④)以及电缆夹层最高层(桥架编号①)，距试验管廊入口大约5m处，如图6。

图6 火源位置示意图

本次试验一共使用16个热电偶，编号为A1-A16，其中A1-A5接触式敷设在加热电缆上，具体位置为自顶部向下第4层(电缆桥架④号)中央，A6-A10布置在加热电缆上方桥架探测，A11-A15布置在空间中央吊顶下150mm处，一个断面共设置3个热电偶，一共布置5个断面，每个断面间隔2.5m，剩余1个热电偶随着工况变化变动位置，如图7。

图7 热电偶布置示意图

根据NFPA 262-2002《电线和电缆的着火烟雾特征》试验要求，隧道初始风速设置为73m/min，即1.22m/s。根据典型电缆隧道中的实际分数，按照弗洛德相似性准则运算，并且参考NFPA 262-2002标准进行调整，考虑到设备调整的风速精度，隧道中的风速值设置为0.5m/s和1.5m/s。

1.5 测试程序

试验探测点的选取，考虑了试验管廊内最不利位置，采用阴燃和明火两种火源，以及0.5m/s和1.5m/s两种风速，记录每一种工况下不同类型火灾探测器的报警时间。4种工况的设置，见表3。

表3 试验工况

2 实验结果分析

2.1 工况1

试验时间：(11:26～11:53)；总时长27min。

试验风速：经阵列型风速仪测定，管廊内风速约为0.42m/s，接近工况设定风速0.5m/s。补风口(管廊入口处)平均风速约为0.82m/s。

火源类型：陶瓷管电加热。

(1)各类型火灾探测器报警时间，见表4。在试验时间内，电缆在阴燃状态下，敷设在电缆表面的缆式差定温探测器最先报警，报警时间为12min01s，报警时陶瓷管加热温度为126℃，电缆表皮温度约为100℃。随后接触式的缆式线型定温探测器报警，报警时间为15min43s。经过2min后，探测空间的悬挂式缆式线型差定温探测器也发出了报警信号。随着试验时间增加，电缆外皮经加热开始产生烟雾，在24min02s被顶部点型感烟探测器捕捉到。进行到27min时，试验结束。试验过程中，分布式光纤线型感温火灾探测器和图像型火灾探测器并未报警。

(2)温场分布。通过热电偶数据可以得出，在试验时间内，电缆外皮在阴燃状态下，温度在0～9min时变化不大，缓慢增长；在9～19min时增长幅度提高；大约20min时开始飞速增长，最高可达到92℃。探测桥架空间的热电偶温升为10℃，从4℃升到了14℃，变化较小，而顶部热电偶的温度几乎没有变化，电缆在阴燃时，顶部的温度探测器很难动作，温场变化曲线，如图8。

表4 工况1的火灾探测器报警时间表

图8 工况1温场示意图

根据对探测器报警时间、热电偶温度数据的汇总。接触式差定温型缆式线型感温探测器的报警时间最快，定温型稍微慢一些。在阴燃状态下，空间温度变化不大，因此试验管廊顶部的感温探测器并未动作。当电缆外皮经阴燃分解气体后，经过一段时间，烟气浓度达到报警阈值，顶部的点型感烟探测器动作。试验过程中，分布式光纤线型感温火灾探测器和图像型火灾探测器并未报警。

2.2 工况2

试验时间：(13:41～14:08)；总时长27min。

试验风速：经阵列型风速仪测定，管廊内风速约为1.3m/s，接近工况设定风速1.5m/s。补风口(管廊入口处)平均风速约为3.13m/s。

火源类型：陶瓷管电加热。

(1)各类型火灾探测器报警时间，见表5。

表5 工况2的各类型火灾探测器报警时间汇总表

在试验时间内，管廊内平均风速达到1.3m/s的情况下，敷设在电缆表面的缆式线型差定温探测器最先报警，报警时间为23min26s，报警时陶瓷管加热温度为150℃，电缆表皮温度约为77℃。1min后，在24min13s时，顶部的点型感烟探测器发出了报警信号。进行到27min时，试验结束。试验过程中，缆式线型定温探测器、分布式光纤线型感温火灾探测器和图像型火灾探测器并未报警。

(2)温场分布。通过热电偶数据可以得出，在试验时间内，电缆外皮在阴燃状态下，温度在0～4min时变化不大，缓慢增长，在5min后，温度增长曲线开始稳定，随着试验时间增加，电缆外皮的温度最高可达到116℃。探测桥架空间的热电偶温升8℃，从2℃升到了10℃，变化较小。顶部热电偶的数据记录了电力舱室顶部产生一定温升，从2.5℃升到了12.5℃，温场变化曲线，如图9。

图9 工况2温场示意图

根据对探测器报警时间、热电偶温度数据的汇总。由于本次试验风速较大，各个探测器的报警时间较工况1有所延后，其中接触式的差定温型缆式线型感温探测器报警时间为试验开始后23min26s，点型火灾探测器为24min13s。风速越大，与外界热交换速率越快，越不利于对火灾的初期探测。试验过程中，定温式缆式线型火灾探测器、分布式光纤线型感温火灾探测器和图像型火灾探测器并未报警。

2.3 工况3

试验时间：(15:22～11:44)；总时长22min。

试验风速：经阵列型风速仪测定，管廊内风速约为0.432m/s，接近工况设定风速0.5m/s。补风口(管廊入口处)平均风速约为0.82m/s。

火源类型：陶瓷管电加热。

(1)各类型火灾探测器报警时间，见表6。

表6 工况3的火灾探测器报警时间表

在试验时间内，电缆在阴燃状态下，敷设在电缆表面的缆式差定温探测器最先报警，报警时间为9min01s，报警时陶瓷管加热温度为98℃，电缆表皮温度约为85℃。随后接触式的缆式线型定温探测器报警，报警时间为11min50s。随着试验时间增加，电缆外皮经加热开始产生烟雾，在15min02s被顶部点型感烟探测器探测到。进行到22min时，试验结束。试验过程中，悬挂敷设的缆式线型差定温探测器、分布式光纤线型感温火灾探测器和图像型火灾探测器并未报警。

(2)温场分布。由于发热源位置在桥架底部，本工况热电偶主要探测桥架间温度与管廊顶部空间温度。通过热电偶数据可以得出，在试验时间内，探测桥架空间的热电偶温升较小，在4～5℃之间波动，变化较小。顶部的热电偶温度波动在3.6～4.6℃之间。数据显示，电缆在底层桥架阴燃，对空间温场影响不大，温场变化曲线，如图10。

图10 工况3的温场示意图

根据对探测器报警时间、热电偶温度数据的汇总。接触式差定温型缆式线型感温探测器的报警时间最快，为试验开始后9min01s。随后定温型缆式线型感温探测器在11min50s时发出报警信号，点型感烟火灾探测器的报警时间为15min02s。试验过程中，分布式光纤线型感温火灾探测器和图像型火灾探测器并未报警。

2.4 工况4

试验时间：(17:13～17:20)；总时长7min。

试验风速：经阵列型风速仪测定，管廊内风速约为0.447m/s，接近工况设定风速0.5m/s。补风口(管廊入口处)平均风速约为0.76m/s。

火源类型、功率：酒精点火，241kW。

各类型火灾探测器报警时间，见表7。

表7 工况4火灾探测器报警时间表

在试验时间内，底层桥架明火燃烧情况下，敷设在电缆表面的缆式差定温探测器最先报警，报警时间为试验开始后24s，接触式和悬挂式的探测器均报警。随后接触式的缆式线型定温探测器报警，报警时间为1min15s。在最底层探测空间温度的分布式光纤线型感温探测器在5min04s发出报警信号。随着试验时间增加，电缆外皮经加热开始产生烟雾，在5min44s被顶部点型感烟探测器捕捉到。进行到7min时，试验结束，温场变化曲线，如图11。

通过热电偶数据可以得出，在试验时间内，电缆层间的温升从5℃到了接近22℃，升温曲线平稳，在达到一定温度后不再上升而是产生了波动。顶部热电偶监测的空间温度较高，最高温达到了35℃，在试验后期，温度曲线在30～35℃之间波动。而正对火源上方的热电偶，最高温达到了232℃，随着火源燃料减少，温度有稳定下降的趋势。

图11 工况4温场示意图

根据探测器报警时间与热电偶温度数据的汇总。桥架底层明火燃烧情况下，敷设在电缆表面的缆式线型差定温探测器最先报警，报警时间为试验开始后24s，接触式和悬挂式均报警。随后接触式的缆式线型定温探测器报警，报警时间为1min15s。在最底层探测空间温度的分布式光纤线型感温探测器在5min04s发出报警信号。随着试验时间增加，电缆外皮经加热开始产生烟雾，在5min44s被顶部点型感烟探测器捕捉到。明火试验时温度上升速率较快，故温感探测器报警时间较阴燃时刻提前很多。

本次试验4组工况下，图像型火灾探测器均未动作，故不分析。将以上4组工况之间的报警时间对比情况统计成表格，见表8。

表8 各工况报警时间对比表

3 结论

(1)对比工况2与其他工况的报警时间，管廊内通风风速增大时，报警时间也随之延长，即各类型探测器的灵敏度均会受到风速影响。

(2)对比所有工况的报警时间，接触式的缆式线型感温探测器报警时间最快，其中，定温式与差定温式相比，差定温缆式线型感温探测器报警时间稳定且更加快速。缆式线型感温火灾探测器采用接触敷设电缆的方式，可以较早地发现电缆桥架上电缆因过载发热引起温度异常升高现象。

(3)对比所有工况的报警时间，点型感烟探测器对烟粒子浓度较为敏感，试验中在阴燃状态下的报警时间在20min左右，较为稳定。点型感烟探测器对电缆燃烧或热解产生的固体或液化微粒能够予以响应，性能稳定可靠。

(4)对比工况1、2、3的报警时间，在阴燃工况下，对空间温度进行监控的火灾探测器，由于管廊温场整体不高，当环境温度达到报警阈值的情况下才发出报警信号，空间型的火灾探测器在阴燃初期难以探测到火灾发生。

(5)分布式光纤型感温火灾探测器对管廊内发生明火时产生的温度能够予以响应，发出报警信号，可作为空间型的火灾探测器。