点型和线型火灾探测器在隧道使用中的优缺点分析

陈茜

【摘要】目前在隧道火灾探测领域，针对隧道用的火灾探测器主要分为感温型（线型）和感光型（点型）两大类。线型火灾探测器以分布式感温光纤为主，点型火灾探测器以双波长火焰探测器居多，本文通过对双波长火焰探测器和感温光纤的原理分析及在隧道内使用的优缺点的比较，得出隧道火灾探测的实施方案的结论。

【关键词】隧道；火灾；分布式感温光纤；双波长火焰探测器

The analysis for merits and drawbacks of Point type and

line type of detectors applyed in tunnel

Chen Qian

（China Railway Tunnel Survey& Design Institute Co.，

Ltd，Tianjin 300133，China ）

Abstract：At present， in the field of tunnel fire detection， fire detector used for the tunnel is divided into two categories which are temperature type （linear） and sensitive （point）. Line type fire detector is distributed temperature sensing fiber， point type fire detector mainly is dual wavelength flame detectors， based on principle of the dual wavelength flame detector and thetemperature sensing fiber and advantages and disadvantages of the analysis that used in the tunnel， reaching the conclusion of the tunnel fire detections implementation scheme .

Key words：tunnel；fire； distributed temperature sensing fiber； dual wavelength flame detector

0 引言

近几年来，随着高速公路的不断发展，世界各地隧道火灾事故频发，已广泛引起人们的高度重视。从1996年的英吉利海峡隧道火灾、2000年的奥地利萨尔茨堡州基茨施坦霍县山隧道火灾、2003年韩国的地铁隧道火灾到2004年的中国的渝黔高速真武山隧道火灾，都造成了巨大的人员伤亡和财产损失。可以说，隧道火灾事故救援与高层建筑火灾一样，已经成为当今世界各国面临的一大难题，同时，也是消防部门的重要研究课题。火灾早期的探测是隧道消防的最重要部分，只有尽早发现，才能及时扑灭火情并减少人员伤亡和财产损失。火灾探测器的合理设计和运用，是关系到灾情能否及时被发现的重要环节。

1 隧道的火灾成因

隧道中火灾发生的原因有多种，而其中较主要的原因是汽车碰撞及自身因素导致的火灾以及电气线路及电器设备短路引发的火灾，根据实际案例统计，又以汽车原因导致的火灾为主。因隧道结构狭长、封闭且空间小，因此隧道火灾有发生后燃烧物产生的大量浓烟难以排出，火灾蔓延速度快的特点。汽车起火到成灾一般只需要5-10分钟，同时隧道内燃烧产生的热量不易散发，汽车携带的燃料还会爆炸，给救援和逃生都带来了极大的困难；隧道一旦发生火灾，内部基础设施设备都会遭到损坏，交通中断，甚至导致隧道结构的损坏，给国家和人民带来极大的经济损失。

2 两种火灾探测器的原理及特点

目前在隧道用火灾探测领域，针对隧道用的火灾探测器主要分为感温型（线型）和感光型（点型）两大类。线型火灾探测器以分布式感温光纤为主，点型火灾探测器以双波长火焰探测器居多。下面分别简要分析下这两类探测装置的原理和特点。

分布式感温光纤探测器（DTS）系统使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。如瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等。其中拉曼散射是對温度最为敏感的一种。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的。DTS通过测量背向拉曼散射光中反斯托克光（Anti-Stokes）与斯托克光（Stokes）光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用光时域反射（OTDR），根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位，简单来说就是利用光在光纤中传输会有反射光反射回光源入射端，该反射光中含有光强会随温度变化而变化的反斯托克光和与温度变化无关的斯托克光，两者的比值与温度变化呈函数关系的原理。因此通过测量上述两种光的光强并进行软件应用处理与标定，可以得出温度及其变化的情况，通过计算光从入射端发出到入射端接收到反射光的时间，以及光在光纤内传输的光速，可以得出具体反射点的位置。利用上述原理探测光纤上任意位置的温度变化情况，将光纤沿隧道方向放置，就可以将光纤上各点与隧道内各实际位置一一对应，进行该处温度变化检测，从而制成线缆式传感器。其工作原理如“图1”所示：

图1DTS系统工作原理

结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。由于感温光纤是沿隧道方向敷设，因此行业上将这类探测系统定义为线型火灾探测系统。

火焰探测器（flame detector）是探测在物质燃烧时，产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见的或大气中没有的不可见的光辐射。

图2 火焰燃烧辐射光波段

火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。

根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有三种：一种是对火焰中波长较短的紫外光辐射敏感的紫外探测器；另一种是对火焰中波长较长的红外光辐射敏感的红外探测器；第三种是同时探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线的紫外/红外混合探测器。

火焰探测器的传感器主要分为如下几类：

1）对于火焰燃烧中产生的0.185～0.260微米波长的紫外线，可采用一种固态物质作为敏感元件，如碳化硅或硝酸铝，也可使用一种充气管作为敏感元件，如盖革一弥勒管。

2）对于火焰中产生的2.5～3微米波长的红外线，可采用硫化铝材料的传感器。

3）对于火焰产生的4.4～4.6微米波长的红外线可采用硒化铅材料或钽酸铝材料的传感器。

根据不同燃料燃烧发射的光谱可选择不同的传感器，而结合三种传感器特点，将其集成使用的三重红外传感器（IR3）是目前应用最为广泛的产品。由于火焰探测器是按照固定间距分布以只为单位分布在隧道内，因此火焰探测器报警系统又是属于“点型”火灾报警设施范畴。整体设备应用方面，火焰探测器现在主流采用双波长火焰探测装置（即紫外线、红外线同时监测），因此下面的特点分析，我们采用双波长火焰探测器。

图3 实际火焰探测器外观图

3 两种探测器的系统结构差异

以下将对两种报警系统在隧道中的系统结构图进行比较，为突出差异，图中对其他设备不做显示。

图4 应用于2公里以下双洞隧道的分布式光纤火灾报警系统

图4中采用2km长的感温光纤探测器。探测器的一端直接接分布式光纤检测主机，另一端接光纤终端盒处理。

图5 DTS安装示意图

图5为分布式光纤火灾报警系统现场安装敷设示意图，光纤沿着隧道顶部纵向敷设，并用角钢固定。

图6 双波长火焰探测器火灾报警系统图

图6中采用双波长火焰探测器。探测器直接接入火灾报警主机的总线回路。

图7 双波长火焰探测器安装示意图

图7中为双波长火焰探测器现场安装示意图，探头按50米间距安装在隧道侧壁。

4两种火灾探测器在以下几方面的优缺点分析

1） 系统性能

按两者的原理差异分析，分布式感温光纤检测主机的相应时间随所支持的探测距离增加而变长。对特长隧道，若采用分布式光纤火灾探测系统，必定1台以上是长距离通道的，而且是由2个以上的分布式光纤火灾探测器系统异地联网，会出线报警相应时间较慢的现象。线性感温探测器敷设于隧道顶部，由于隧道内风速大，离检测源远。从应用情况看，有以下缺陷：

1.测温反应时间长且不稳定，报警慢。

2.风会使火灾产生的温度移位，发生飘移，使得火灾报警定位发生严重飘移和偏差，监测到的火灾的地方和实际发生火灾的地方相差很远。

3.环境温度较低或风速较大的情况下，会有不报警的情况发生。

对于超过4KM探测距离的隧道，分布式光纤感温系统的以下特点会影响系统可靠性：

1. 其设备放置位置不集中，对于隧道变电所规划不同步的情况下，其设备需要放置在隧道设备机箱内，环境恶劣。

2. 构建多个异地火灾报警系统的联网，增加故障点。

双波长火焰探测器不受隧道内风速影响，响应速度快。但也有以下缺陷：

1. 容易受干扰波源影响，如日光，车头疝气大灯光等，日光含有红外光及紫外光线，疝气大灯光也含有紫外光线，都容易让双波长探测器误报。

2. 因为安装在隧道侧壁，容易受来往车辆遮挡产生漏保或报警时间延长。

2） 投资

分布式感温光纤探测系统价格主要集中在主机上，而双波长火焰探测器是按单位个数统计价格，也就是说隧道越长，双波长火焰探测器的总价会更多高于分布式感温光纤探测系统。随着科技进步，DTS主机的技术越来越成熟，价格也渐渐回落，在一次性投资考虑，分布式感温光纤探测系统价格优势明显。

3） 施工

从应用结构看，感温光纤现场布线簡单方便，不需要在现场预留槽（盒），但是光纤不能打断的特点，导致敷设不灵活，对于多匝道或者隧道工法导致的个别位置无法一条光纤敷设到位，则光纤需要迂回敷设。

双波长火焰探测器为独立安装，每个探测器的安装不相互制约，但在安装前需要预留（埋）好槽（盒），增加了施工的工作量。

4） 维护

采用分布式光纤感温系统，对于4km以下的隧道，其结构简单，设备数量少，方便维护。对于4km以上的隧道（或要采用多台检测主机时），由于设备数量增加，且放置位置不集中，增加故障排查为巡检等工作难度，由于感温光纤较长，一旦探测光纤发生故障需要更换，都会大范围影响。

采用双波长火焰探测器，设备数量相对多，一旦探测器发生故障需要更换，在更换期间，隧道内大部分区域还有其他探测器在正常工作，更换耗时少，较好保障了更换期间的隧道火灾报警功能。但基于双波长火焰探测器的工作原理，探测器镜头外罩需要定期清理，否则隧道环境中粉尘污染较重，灰尘等污染物容易覆盖外罩，导致探测器“变盲”，严重影响探测效果。

5 总结

从笔者个人的分析得出如下结论：城市道路隧道、特长双向公路隧道和道路中的水底隧道，应同时采用线性光纤感温火灾探测器和点型红外火焰探测器，其他公路隧道，首选采用线性光纤感温火灾探测器。不过，无论是双波长火焰探测器还是分布式感温光纤探测系统，都有各自的优势和不足。在工程设计中，本着生命至上原则，需要结合隧道本身的特点及资金情况，选取适合本工程项目的探测器，做到性价比的最优配置。

参考文献（References）

[1] 中华人民共和国交通部. JT/T 610-2004. 公路隧道火灾报警系统技术条件[S]. 北京.人民交通出版社，2004：148-150.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50116-2013. 火灾自动报警系统设计规范[S].北京. 中国计划出版社，2014：45-46.