淺談非接觸式感溫電纜和圖像感煙技術(shù)在綜合管廊的應(yīng)用

龔凱

（平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)城市投資建設(shè)集團(tuán)有限公司）

1 引言

綜合管廊作為城市重要“生命線”，匯集了電力、通信、燃?xì)?、給排水等電纜或管線，其狹長(zhǎng)型構(gòu)筑空間、繁雜的附屬機(jī)電設(shè)備、入廊管線具有一定危險(xiǎn)性，使得管廊的消防與安全問題尤為突出。因此，火災(zāi)事件的早期識(shí)別和精準(zhǔn)定位顯得至關(guān)重要。

目前，綜合管廊常用的火災(zāi)探測(cè)器有點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器、圖像型感煙火災(zāi)探測(cè)器、纜式線型感溫火災(zāi)探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱：“感溫電纜”）和分布式光纖線型感溫火災(zāi)探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱：“感溫光纖”）。由于各種探測(cè)技術(shù)的手段和優(yōu)缺點(diǎn)不同，為快速響應(yīng)和處置綜合管廊火災(zāi)事故，新型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的適用性研究已成為亟需解決的關(guān)鍵問題。

本文以平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)環(huán)島路綜合管廊項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱本項(xiàng)目）為例，針對(duì)綜合管廊特殊構(gòu)造下的電氣火災(zāi)特點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)模擬火災(zāi)試驗(yàn)，檢驗(yàn)并分析非接觸式纜式線型感溫火災(zāi)探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱：“非接觸式感溫電纜”）和光束復(fù)合圖像感煙火災(zāi)探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱：“智能圖像火災(zāi)探測(cè)器”）的性能特性，以為綜合管廊的建設(shè)和運(yùn)維提供參考依據(jù)。

2 目前綜合管廊火災(zāi)探測(cè)方法及存在問題

根據(jù)《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51247-2017）的規(guī)定，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的艙室應(yīng)設(shè)置感煙火災(zāi)探測(cè)器，需要聯(lián)動(dòng)觸發(fā)自動(dòng)火災(zāi)滅火系統(tǒng)的艙室應(yīng)設(shè)置感溫火災(zāi)探測(cè)器[2]，即干線、支線綜合管廊含電力電纜的艙室必須同時(shí)設(shè)置感溫和感煙火災(zāi)探測(cè)器。

感溫火災(zāi)探測(cè)器主要有感溫電纜和感溫光纖。感溫電纜靈敏度高，誤報(bào)率低，但在強(qiáng)電磁場(chǎng)的環(huán)境下，易受電磁干擾，且感溫電纜無溫度顯示功能也無法對(duì)火災(zāi)精確定位。感溫光纖具有高可靠性、高安全性、抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性能高等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)小尺寸火焰不響應(yīng)，不適用在局部發(fā)熱或局部起火就需要快速響應(yīng)的場(chǎng)所。為了保證線型感溫火災(zāi)探測(cè)器的探測(cè)有效性，《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50116-2013）規(guī)定，感溫電纜應(yīng)采用“S”形布置在每層電纜的上表面，感溫光纖應(yīng)采用一根感溫光纖保護(hù)一根動(dòng)力電纜的方式，沿動(dòng)力電纜敷設(shè)[1]。然而，這種接觸式的安裝方式存在諸多缺點(diǎn)。首先高壓動(dòng)力電纜接頭由于制作工藝或外部損傷，發(fā)生漏電或爆炸時(shí)，感溫電纜可能被擊穿并將高壓串到低壓供電系統(tǒng)中，存在重大安全隱患；其次，該安裝方式對(duì)于后期動(dòng)力電纜的入廊施工，易造成探測(cè)器損傷，尤其是感溫光纖，一旦受力擠壓易引起誤報(bào)甚至折斷損壞。

感煙火災(zāi)探測(cè)器主要有點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器和圖像型感煙火災(zāi)探測(cè)器[2]，根據(jù)GB/T51247-2017 的規(guī)定，上述兩種火災(zāi)探測(cè)器均可用于綜合管廊，但在工程實(shí)際中，點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器因管廊地下環(huán)境潮濕、多塵、凝露易引起誤報(bào)和故障。

3 非接觸式感溫電纜與智能圖像感煙火災(zāi)探測(cè)技術(shù)

3.1 非接觸式感溫電纜探測(cè)技術(shù)

隨著新型傳感技術(shù)的快速發(fā)展，目前非接觸式感溫電纜正廣泛用于國(guó)內(nèi)綜合管廊建設(shè)。非接觸式感溫電纜由信號(hào)處理單元和敏感部件組成，敏感部件包括傳感電纜和中繼單元，中繼單元均布在傳感電纜上。工作原理為中繼單元中的高靈敏度復(fù)合式傳感器實(shí)時(shí)采集空間溫度，上傳至信號(hào)處理單元。當(dāng)探測(cè)器所在的任一防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)，信號(hào)處理單元輸出火警信號(hào)，信號(hào)通過總線傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制器實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警，同時(shí)遠(yuǎn)程傳送至火災(zāi)報(bào)警上位機(jī)發(fā)出警報(bào)并顯示溫度信息、位置信息、歷史記錄等。

非接觸式感溫電纜，其傳感原理可將熱源精確定位，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜溫度。通過架空安裝，便于動(dòng)力電纜的施工及維護(hù)，且有較避免了電磁干擾，減低了誤報(bào)率。

3.2 智能圖像感煙探測(cè)技術(shù)

圖像感煙識(shí)別系統(tǒng)由彩色/黑白攝像機(jī)、圖像采集與預(yù)處理、DSP 處理器、紅/紫外背景光源和輸入/輸出界面組成。工作原理是通過CCD 獲取圖像中煙、火的顏色、形狀、輪廓、紋理、運(yùn)動(dòng)特征以及光譜特征、空間幾何特征等多種因素，利用并行數(shù)字處理器DSP 進(jìn)行量化分析、火災(zāi)特性參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)融合以及報(bào)警決策來實(shí)現(xiàn)高效的火災(zāi)探測(cè)。

智能圖像火災(zāi)探測(cè)器較傳統(tǒng)的圖像型感煙火災(zāi)探測(cè)器（VID）僅配置紅外光源，設(shè)備采用兩個(gè)波長(zhǎng)（紅外、紫外）的光束光源，可有效避免水蒸汽、揚(yáng)塵及環(huán)境光線變化引起誤報(bào)的不利影響，確保了火災(zāi)探測(cè)器在遠(yuǎn)距離、低照度條件下煙霧或火焰的探測(cè)能力。探測(cè)器輸出兩類信號(hào)。一類是繼電器報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)與非接觸式感溫電纜報(bào)警信號(hào)聯(lián)動(dòng)觸發(fā)自動(dòng)滅火系統(tǒng)。另一類是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，主要傳輸探測(cè)器的監(jiān)控視頻，通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

4 綜合管廊火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警實(shí)踐

4.1 工程項(xiàng)目應(yīng)用情況

本項(xiàng)目采用的可恢復(fù)式非接觸式感溫電纜，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警長(zhǎng)度為1m，10℃～30℃/min 的差溫動(dòng)作速率響應(yīng)時(shí)間為15s ～180s，定溫動(dòng)作溫度為85℃。安裝敷設(shè)方式如圖1 所示，敏感部件通過固定卡具沿電纜托架下表面的中心線架空吊裝敷設(shè)在動(dòng)力電纜上方。

采用的智能圖像火災(zāi)探測(cè)器，分辨率為1080P；像素500 萬；照度等級(jí)：彩色≤0.01Lux，黑色≤0.001Lux；火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間：火焰5s ～30s，煙霧10s ～60s。智能圖像火災(zāi)探測(cè)器沿電力艙艙頂縱向中心線每100m 布置一套（與視頻監(jiān)控系統(tǒng)合用）。兩種火災(zāi)探測(cè)器在綜合管廊的安裝布置如圖2 所示。

圖1 直線吊裝示意圖

圖2 綜合管廊電力艙剖面布置圖

4.2 火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)針對(duì)綜合管廊可能出現(xiàn)的電氣火災(zāi)，開展火災(zāi)探測(cè)有效性檢驗(yàn)。

1）試驗(yàn)工況設(shè)置

將非接觸式感溫電纜的架空高度分別置于試驗(yàn)電纜上方300mm 和550mm，智能圖像火災(zāi)探測(cè)器與試驗(yàn)電纜位置的直線距離為50m。

①用丙烷氣體引燃試驗(yàn)電纜模擬電纜接頭的閃爍和火焰；

②設(shè)置電纜短路模擬裝置使試驗(yàn)電纜因表面溫度逐漸均勻上升直至燃燒，以5℃/min 的升溫速率測(cè)試探測(cè)器的定溫動(dòng)作性能，以10℃/min 的升溫速率測(cè)試探測(cè)器的差溫動(dòng)作性能，并利用熱電偶測(cè)量試驗(yàn)電纜表面溫度。經(jīng)實(shí)測(cè)兩種升溫速率分別為（4℃～6℃）/min(以下簡(jiǎn)稱“慢速升溫速率”)和（12℃～15℃）/min(以下簡(jiǎn)稱“快速升溫速率”)。

2）試驗(yàn)結(jié)果分析

①電纜接頭火焰模擬試驗(yàn)

電纜引燃后計(jì)時(shí)，300mm 架空高度，非接觸式感溫電纜在第7s 報(bào)警，智能圖像火災(zāi)探測(cè)器在第21s 火焰報(bào)警；550 mm 架空高度，非接觸式感溫電纜在第10s 報(bào)警，智能圖像火災(zāi)探測(cè)器在第17s 火焰報(bào)警。試驗(yàn)結(jié)果表明：非接觸式感溫電纜對(duì)小尺寸高溫響應(yīng)很快。智能圖像火災(zāi)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間受動(dòng)力電纜、電纜支架和托架等遮擋物的影響，當(dāng)試驗(yàn)電纜燃燒的火焰較大時(shí)，探測(cè)器才能捕捉到火焰視頻圖像并發(fā)出警報(bào)。

②電纜短路溫升模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。數(shù)據(jù)表明：非接觸式感溫電纜的報(bào)警速度主要受升溫速率的影響，若起火初期溫度低，其報(bào)警時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)，針對(duì)試驗(yàn)電纜因短路產(chǎn)生的緩慢升溫，智能圖像火災(zāi)探測(cè)器能夠及時(shí)探測(cè)可燃物產(chǎn)生的煙，彌補(bǔ)非接觸式感溫電纜對(duì)初期火災(zāi)探測(cè)的不足。

表1 300mm 和550mm 架空高度快慢速升溫?cái)?shù)據(jù)

上述兩項(xiàng)試驗(yàn)證明，兩種火災(zāi)探測(cè)器取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互配合下可快速觸發(fā)自動(dòng)滅火系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)信號(hào)，使火情得到及時(shí)控制。由于本試驗(yàn)條件有限，未將感溫電纜和感溫光纖納入試驗(yàn)與非接觸感溫電纜進(jìn)行性能的橫向?qū)Ρ?，但?guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)非接觸式感溫探測(cè)技術(shù)取得的研究成果驗(yàn)證了非接觸式感溫電纜比接觸式安裝的感溫電纜和感溫光纖火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間快得多[3-4]。

5 結(jié)語

非接觸式感溫電纜解決了感溫電纜和感溫光纖探測(cè)性能上的局限性，通過與智能圖像火災(zāi)探測(cè)器的組合應(yīng)用，發(fā)揮了兩類火災(zāi)探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的整體可靠性。同時(shí)非接觸感溫電纜先進(jìn)的安裝方式擴(kuò)大了保護(hù)面積，減少了設(shè)備材料的用量，降低了工程造價(jià)。該組合在平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)環(huán)島路綜合管廊項(xiàng)目的火災(zāi)監(jiān)測(cè)中效果良好，具有很好的推廣意義。