顧廣悅工程師 李 磊教授級高工 相 坤高級工程師 端木祥玲高級工程師 劉海靜高級工程師

(中國建筑科學研究院 建筑防火研究所，北京 100013)

0 引言

綜合管廊電纜艙室的火災具有獨特性，因電纜在未完全燃燒時，其陰燃釋放的熱量，就足以讓電纜橋架空間的溫度達到150℃，并產生有毒氣體，理想的自動報警裝置應在電纜溫度達到150℃之前就開始報警[1]。

對于綜合管廊電纜艙室火災自動報警探測器的選用，目前國內一般的做法是設置探測溫度的火災自動報警探測器[2]。監(jiān)控的技術原則是對沿線電纜溫度變化進行有效數(shù)據(jù)分析，確保事故發(fā)生時探測器可快速的響應與報警。監(jiān)控線路的穩(wěn)定性和監(jiān)控設備的可靠性非常重要，應以預防為主，做到萬無一失[3]。

對于電力電纜管廊火災自動報警探測器的設置方式，一般使用接觸式的感溫電纜敷設在中間幾層電纜橋架上，監(jiān)測火災初期的溫度異常情況[4]，由于電纜艙室的底層容易積累灰塵，成為火災易發(fā)生的部位，為保證安全性，在電纜橋架的底層也需要設置一根感溫電纜。在電纜橋架位置的最上層，由于電纜燃燒時對上部空間釋放熱量，因此往往也在電纜橋架頂部和管廊頂部之間設置一根感溫電纜。除感溫電纜外，分布式光纖感溫探測器是一種新型的溫度探測裝置，具有對溫度的高靈敏性，可取代感溫電纜設置在電力艙的頂部，監(jiān)測電力艙室內空間的溫度。目前國內的規(guī)范要求同時觸發(fā)溫感和煙感報警信號后，才能聯(lián)動自動滅火系統(tǒng)，因此煙感信號可通過設置點型感煙探測器或者圖像型火災探測器進行觸發(fā)[5]。

《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838-2015)、《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50116-2013)、《城市綜合管廊工程設計規(guī)范》(DB 11/1505-2017)、《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(GB/T 51274-2017)與《鋼鐵冶金企業(yè)設計防火規(guī)范》(GB 50414-2007)均對電力電纜管廊或類似管廊結構的建筑提出了設置火災自動報警系統(tǒng)的要求，經(jīng)過對比，規(guī)范對于自動報警探測器的設置要求，見表1。

表1 不同規(guī)范的報警設置要求

通過對國內管廊電力艙室的現(xiàn)狀總結，以及對規(guī)范條例的整理，可發(fā)現(xiàn)當前關于電力電纜管廊內有關自動報警探測器的選取存在以下問題：

(1)由于綜合管廊電力艙室結構與傳統(tǒng)建筑、隧道不同，傳統(tǒng)探測器(如點式)分布較散，無法滿足探測區(qū)域的長度。

(2)目前規(guī)范對于管廊內的火災自動報警探測器的設置要求不統(tǒng)一，部分規(guī)范要求點型與線型組合設置，部分規(guī)范要求點型即可。

(3)應用于綜合管廊電力艙室內的火災報警探測器性能研究較少，探測器的精度是否能滿足報警需求尚未可知。

根據(jù)上述問題，結合綜合管廊實際工程技術要求，本文進行了實體綜合管廊電力艙的電纜燃燒試驗，測試了各類型探測器的響應時間，分析了探測性能。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

綜合管廊試驗平臺位于首安工業(yè)消防有限公司研發(fā)基地，試驗管廊的形狀為“L”型，分為兩段，總長度32.88m，寬2.7m，高3.5m。第一段長度為12.79m，第二段長度為20.09m。管廊內兩側設置電纜橋架，每側8層，每層橋架長30m，寬0.6m，層間距0.2m，最底層橋架距地面0.4m。試驗管廊剖面圖，如圖1，“L”型模型可分為兩個試驗段，根據(jù)火災發(fā)展規(guī)律，第一段著重用于分析火災溫度特性，第二段著重用于分析煙氣蔓延特性。

圖1 試驗管廊現(xiàn)場布置示意圖

1.2 火災自動報警探測器布置

1.2.1 纜式線型感溫火災探測器

根據(jù)《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50116-2013)的設置要求，纜式線型感溫火災探測器采用“S”形的方式布置在每層電纜的上表面；同時，將差定感溫電纜用吊裝的方式安裝在每層電纜夾層上方，如圖2，3。

圖2 纜式線型感溫火災探測器布置示意圖

1.2.2 分布式光纖線型感溫火災探測器

《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(GB/T 51274-2017)第7.2.3條：選擇分布式光纖感溫火災探測器，在每層或每兩層電纜橋架上方以吊裝方式布置，對電力電纜橋架區(qū)域的溫度探測報警?！冻鞘芯C合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838-2015)第7.5.7條：應在電力電纜表層設置線型感溫火災探測器，并應在艙室頂部設置線型光纖感溫火災探測器或感煙探測器；根據(jù)規(guī)范要求，在電力艙室頂部和每層電纜夾層上方設置分布式光纖線型感溫火災探測器。分布式光纖線型感溫火災探測器的設置，如圖3。

圖3 分布式光纖線型感溫探測器布置示意圖

1.2.3 點型感煙火災探測器

《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50116-2013)：在寬度小于3m的內走道頂棚設置點型探測器時，宜居中布置，感溫火災探測器的安裝間距不應超過10m，感煙火災探測器的安裝間距不應超過15m；探測器至端墻距離，不應大于探測安裝間距的1/2。根據(jù)規(guī)范要求，在電力艙室頂部設置感煙探測器，且在電力艙室頂部兩端布置點型兩個感煙火災探測器，如圖4。

圖4 點型感煙探測器布置示意圖

1.2.4 圖像型火災探測器

視頻火災圖像探測器按照規(guī)范安裝在電力艙室頂部，《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB/T 51274-2017)條文說明：目前，適用于綜合管廊艙室煙霧探測的感煙火災探測器主要由點型感煙火災探測器和圖像型感煙火災探測器。試驗中，將圖像型火災探測器布置在試驗管廊“L”型拐角處，安裝在管廊頂部，如圖5。

圖5 圖像型探測器布置點示意圖

1.3 電纜布置

管廊兩側布置電纜橋架，各有8層，橋架的寬度為0.8m，相鄰橋架層的間距為0.2m，最底層橋架距地面距離為0.4m；兩側橋架均布置電纜，見表2。

表2 各層電纜數(shù)量及規(guī)格

1.4 火源、熱電偶布置及測試指標

管廊內電纜發(fā)生火災時，火災規(guī)模不相同，因此在各種火災下，應對多種火災探測器的報警時間進行研究。

根據(jù)火災類型的不同，試驗考慮2種不同的火源。

(1)電纜陰燃：采用陶瓷管電加熱，由熱處理溫度控制箱和線型陶瓷電加熱器組成，其額定功率為10 kW，最高調節(jié)溫度為600℃，試驗中設定最高溫度為150℃，每分鐘上升10℃。模擬電纜自身短路導致電纜護套引發(fā)火災，既產生煙又產生熱量的情況。

(2)外部火源：采用酒精火，火源功率參照歐洲標準EN 54-22:2007(E)的相關規(guī)定，中規(guī)模火釆用330mm，油盤的酒精火進行模擬，總計倒入1.5L酒精。火源功率根據(jù)計算為241kW。模擬在外部火源影響下，電纜燃燒引發(fā)火災。

火源位置選取3個，分別于電纜夾層最低層(橋架編號⑧)、中間層(橋架編號④)以及電纜夾層最高層(橋架編號①)，距試驗管廊入口大約5m處，如圖6。

圖6 火源位置示意圖

本次試驗一共使用16個熱電偶，編號為A1-A16，其中A1-A5接觸式敷設在加熱電纜上，具體位置為自頂部向下第4層(電纜橋架④號)中央，A6-A10布置在加熱電纜上方橋架探測，A11-A15布置在空間中央吊頂下150mm處，一個斷面共設置3個熱電偶，一共布置5個斷面，每個斷面間隔2.5m，剩余1個熱電偶隨著工況變化變動位置，如圖7。

圖7 熱電偶布置示意圖

根據(jù)NFPA 262-2002《電線和電纜的著火煙霧特征》試驗要求，隧道初始風速設置為73m/min，即1.22m/s。根據(jù)典型電纜隧道中的實際分數(shù)，按照弗洛德相似性準則運算，并且參考NFPA 262-2002標準進行調整，考慮到設備調整的風速精度，隧道中的風速值設置為0.5m/s和1.5m/s。

1.5 測試程序

試驗探測點的選取，考慮了試驗管廊內最不利位置，采用陰燃和明火兩種火源，以及0.5m/s和1.5m/s兩種風速，記錄每一種工況下不同類型火災探測器的報警時間。4種工況的設置，見表3。

表3 試驗工況

2 實驗結果分析

2.1 工況1

試驗時間：(11:26～11:53)；總時長27min。

試驗風速：經(jīng)陣列型風速儀測定，管廊內風速約為0.42m/s，接近工況設定風速0.5m/s。補風口(管廊入口處)平均風速約為0.82m/s。

火源類型：陶瓷管電加熱。

(1)各類型火災探測器報警時間，見表4。在試驗時間內，電纜在陰燃狀態(tài)下，敷設在電纜表面的纜式差定溫探測器最先報警，報警時間為12min01s，報警時陶瓷管加熱溫度為126℃，電纜表皮溫度約為100℃。隨后接觸式的纜式線型定溫探測器報警，報警時間為15min43s。經(jīng)過2min后，探測空間的懸掛式纜式線型差定溫探測器也發(fā)出了報警信號。隨著試驗時間增加，電纜外皮經(jīng)加熱開始產生煙霧，在24min02s被頂部點型感煙探測器捕捉到。進行到27min時，試驗結束。試驗過程中，分布式光纖線型感溫火災探測器和圖像型火災探測器并未報警。

(2)溫場分布。通過熱電偶數(shù)據(jù)可以得出，在試驗時間內，電纜外皮在陰燃狀態(tài)下，溫度在0～9min時變化不大，緩慢增長；在9～19min時增長幅度提高；大約20min時開始飛速增長，最高可達到92℃。探測橋架空間的熱電偶溫升為10℃，從4℃升到了14℃，變化較小，而頂部熱電偶的溫度幾乎沒有變化，電纜在陰燃時，頂部的溫度探測器很難動作，溫場變化曲線，如圖8。

表4 工況1的火災探測器報警時間表

圖8 工況1溫場示意圖

根據(jù)對探測器報警時間、熱電偶溫度數(shù)據(jù)的匯總。接觸式差定溫型纜式線型感溫探測器的報警時間最快，定溫型稍微慢一些。在陰燃狀態(tài)下，空間溫度變化不大，因此試驗管廊頂部的感溫探測器并未動作。當電纜外皮經(jīng)陰燃分解氣體后，經(jīng)過一段時間，煙氣濃度達到報警閾值，頂部的點型感煙探測器動作。試驗過程中，分布式光纖線型感溫火災探測器和圖像型火災探測器并未報警。

2.2 工況2

試驗時間：(13:41～14:08)；總時長27min。

試驗風速：經(jīng)陣列型風速儀測定，管廊內風速約為1.3m/s，接近工況設定風速1.5m/s。補風口(管廊入口處)平均風速約為3.13m/s。

火源類型：陶瓷管電加熱。

(1)各類型火災探測器報警時間，見表5。

表5 工況2的各類型火災探測器報警時間匯總表

在試驗時間內，管廊內平均風速達到1.3m/s的情況下，敷設在電纜表面的纜式線型差定溫探測器最先報警，報警時間為23min26s，報警時陶瓷管加熱溫度為150℃，電纜表皮溫度約為77℃。1min后，在24min13s時，頂部的點型感煙探測器發(fā)出了報警信號。進行到27min時，試驗結束。試驗過程中，纜式線型定溫探測器、分布式光纖線型感溫火災探測器和圖像型火災探測器并未報警。

(2)溫場分布。通過熱電偶數(shù)據(jù)可以得出，在試驗時間內，電纜外皮在陰燃狀態(tài)下，溫度在0～4min時變化不大，緩慢增長，在5min后，溫度增長曲線開始穩(wěn)定，隨著試驗時間增加，電纜外皮的溫度最高可達到116℃。探測橋架空間的熱電偶溫升8℃，從2℃升到了10℃，變化較小。頂部熱電偶的數(shù)據(jù)記錄了電力艙室頂部產生一定溫升，從2.5℃升到了12.5℃，溫場變化曲線，如圖9。

圖9 工況2溫場示意圖

根據(jù)對探測器報警時間、熱電偶溫度數(shù)據(jù)的匯總。由于本次試驗風速較大，各個探測器的報警時間較工況1有所延后，其中接觸式的差定溫型纜式線型感溫探測器報警時間為試驗開始后23min26s，點型火災探測器為24min13s。風速越大，與外界熱交換速率越快，越不利于對火災的初期探測。試驗過程中，定溫式纜式線型火災探測器、分布式光纖線型感溫火災探測器和圖像型火災探測器并未報警。

2.3 工況3

試驗時間：(15:22～11:44)；總時長22min。

試驗風速：經(jīng)陣列型風速儀測定，管廊內風速約為0.432m/s，接近工況設定風速0.5m/s。補風口(管廊入口處)平均風速約為0.82m/s。

火源類型：陶瓷管電加熱。

(1)各類型火災探測器報警時間，見表6。

表6 工況3的火災探測器報警時間表

在試驗時間內，電纜在陰燃狀態(tài)下，敷設在電纜表面的纜式差定溫探測器最先報警，報警時間為9min01s，報警時陶瓷管加熱溫度為98℃，電纜表皮溫度約為85℃。隨后接觸式的纜式線型定溫探測器報警，報警時間為11min50s。隨著試驗時間增加，電纜外皮經(jīng)加熱開始產生煙霧，在15min02s被頂部點型感煙探測器探測到。進行到22min時，試驗結束。試驗過程中，懸掛敷設的纜式線型差定溫探測器、分布式光纖線型感溫火災探測器和圖像型火災探測器并未報警。

(2)溫場分布。由于發(fā)熱源位置在橋架底部，本工況熱電偶主要探測橋架間溫度與管廊頂部空間溫度。通過熱電偶數(shù)據(jù)可以得出，在試驗時間內，探測橋架空間的熱電偶溫升較小，在4～5℃之間波動，變化較小。頂部的熱電偶溫度波動在3.6～4.6℃之間。數(shù)據(jù)顯示，電纜在底層橋架陰燃，對空間溫場影響不大，溫場變化曲線，如圖10。

圖10 工況3的溫場示意圖

根據(jù)對探測器報警時間、熱電偶溫度數(shù)據(jù)的匯總。接觸式差定溫型纜式線型感溫探測器的報警時間最快，為試驗開始后9min01s。隨后定溫型纜式線型感溫探測器在11min50s時發(fā)出報警信號，點型感煙火災探測器的報警時間為15min02s。試驗過程中，分布式光纖線型感溫火災探測器和圖像型火災探測器并未報警。

2.4 工況4

試驗時間：(17:13～17:20)；總時長7min。

試驗風速：經(jīng)陣列型風速儀測定，管廊內風速約為0.447m/s，接近工況設定風速0.5m/s。補風口(管廊入口處)平均風速約為0.76m/s。

火源類型、功率：酒精點火，241kW。

各類型火災探測器報警時間，見表7。

表7 工況4火災探測器報警時間表

在試驗時間內，底層橋架明火燃燒情況下，敷設在電纜表面的纜式差定溫探測器最先報警，報警時間為試驗開始后24s，接觸式和懸掛式的探測器均報警。隨后接觸式的纜式線型定溫探測器報警，報警時間為1min15s。在最底層探測空間溫度的分布式光纖線型感溫探測器在5min04s發(fā)出報警信號。隨著試驗時間增加，電纜外皮經(jīng)加熱開始產生煙霧，在5min44s被頂部點型感煙探測器捕捉到。進行到7min時，試驗結束，溫場變化曲線，如圖11。

通過熱電偶數(shù)據(jù)可以得出，在試驗時間內，電纜層間的溫升從5℃到了接近22℃，升溫曲線平穩(wěn)，在達到一定溫度后不再上升而是產生了波動。頂部熱電偶監(jiān)測的空間溫度較高，最高溫達到了35℃，在試驗后期，溫度曲線在30～35℃之間波動。而正對火源上方的熱電偶，最高溫達到了232℃，隨著火源燃料減少，溫度有穩(wěn)定下降的趨勢。

圖11 工況4溫場示意圖

根據(jù)探測器報警時間與熱電偶溫度數(shù)據(jù)的匯總。橋架底層明火燃燒情況下，敷設在電纜表面的纜式線型差定溫探測器最先報警，報警時間為試驗開始后24s，接觸式和懸掛式均報警。隨后接觸式的纜式線型定溫探測器報警，報警時間為1min15s。在最底層探測空間溫度的分布式光纖線型感溫探測器在5min04s發(fā)出報警信號。隨著試驗時間增加，電纜外皮經(jīng)加熱開始產生煙霧，在5min44s被頂部點型感煙探測器捕捉到。明火試驗時溫度上升速率較快，故溫感探測器報警時間較陰燃時刻提前很多。

本次試驗4組工況下，圖像型火災探測器均未動作，故不分析。將以上4組工況之間的報警時間對比情況統(tǒng)計成表格，見表8。

表8 各工況報警時間對比表

3 結論

(1)對比工況2與其他工況的報警時間，管廊內通風風速增大時，報警時間也隨之延長，即各類型探測器的靈敏度均會受到風速影響。

(2)對比所有工況的報警時間，接觸式的纜式線型感溫探測器報警時間最快，其中，定溫式與差定溫式相比，差定溫纜式線型感溫探測器報警時間穩(wěn)定且更加快速。纜式線型感溫火災探測器采用接觸敷設電纜的方式，可以較早地發(fā)現(xiàn)電纜橋架上電纜因過載發(fā)熱引起溫度異常升高現(xiàn)象。

(3)對比所有工況的報警時間，點型感煙探測器對煙粒子濃度較為敏感，試驗中在陰燃狀態(tài)下的報警時間在20min左右，較為穩(wěn)定。點型感煙探測器對電纜燃燒或熱解產生的固體或液化微粒能夠予以響應，性能穩(wěn)定可靠。

(4)對比工況1、2、3的報警時間，在陰燃工況下，對空間溫度進行監(jiān)控的火災探測器，由于管廊溫場整體不高，當環(huán)境溫度達到報警閾值的情況下才發(fā)出報警信號，空間型的火災探測器在陰燃初期難以探測到火災發(fā)生。

(5)分布式光纖型感溫火災探測器對管廊內發(fā)生明火時產生的溫度能夠予以響應，發(fā)出報警信號，可作為空間型的火災探測器。