常用隧道火灾探测器：原理、应用及研究动态

大直径隧道与城市轨道交通工程技术

预警设施在火灾发生早期发现火情并将其及时熄灭，情况将会有很大的改观。在隧道火灾预警设施中，探测器是非常重要的部件。在火灾防护中，它是先行部件，它能否准确报警将对后续的工作（如联动系统喷淋灭火、逃身通道的开放等）起决定性作用。具有高灵敏度、能够快速准确报警的隧道火灾探测器研制是一个有重大意义的课题。

本文阐述了曾使用过的和现在正在使用的各种类型的隧道火灾探测器原理，详细研究了在隧道这一特殊的环境中各种探测器的使用情况，归纳了各种火灾探测器使用的隧道。对目前最流行的两种主流探测器（线型光纤火灾探测器和点型双波长火焰探测器）的性能进行分析比较。提出了实现火灾早期预警方案的一种设想。

２隧道火灾探测器

火灾发生时，会产生多种明显的火灾信号，如：温度、烟雾、火焰、气体等。隧道火灾和一般情况下发生的火灾一样，也会产生这些信息。根据探测的火灾信号不同，火灾探测器可分为温度探测器、烟雾探测器、火焰探测器、气体探测器等口】。烟雾探测器和气体探测器都不适宜用于隧道。感烟探测器对潮湿、灰尘多、烟雾多、水蒸气高、化学气体浓密等场合容易引起误报；大多烟雾和气体探测器都带有一个气体采样舱，大量的气体和烟雾常年积在舱内，大大减短了探测器的使用寿命、降低了探测器的灵敏度。副【４Ｊ。

隧道内常用的探测器有温度探测器和火焰探测器两种。火灾探测器按探测范围分为线型和点型。点型只能对警戒范围中某一点周围的温度、烟等参数进行控制。线型则可以对警戒范围中某一线路周围的参数进行探测¨ｊ。

２．１线型温度探测器原理

普遍使用的隧道温度探测器都为线型，有紫铜管、热敏合金线、线缆式感温电缆、光纤及测温电缆ＦＴＬＤ、ＣＴＴＣ５种形式。

（１）紫铜管探测器

原理如图１所示，火灾发生时，紫铜管内空气膨胀，从而管内压力升高，紫铜管探测器利用该压力值进行探测。气体从泄漏孔２排出使得内外气压平衡。当环境温度速率超过某一值，紫铜管内迅速膨胀的气体来不及从泄漏孔排出，从而使空气管内气压急剧升高，导致膜盒２内膜片膨胀，电气触点闭合，产生一个短路信号，送到控制器发出报警。它是一种以铜管、膜盒为基本部件的差温式探测器（即温度变化达到或超过所规定的某一升温速率时，才开始动作），又称为空气差温管探测器［２］［６｜。

１～泄漏孔；２一传感元件：膜盒

３一探测器；４一紫铜管Ｉ

５一控制器；６一报警信号；

７一电源

图１紫铜管差温探测器原理图

紫铜管探测器曾是高速公路隧道中应用较多的产品。但是由于该种探测器中的部件紫６２０

隧道监测、控制技术

铜管、膜盒都存在老化现象，易引起电路接通的膜片时间过长而受干扰；灵敏度调节难以稳定，容易产生误报警、延迟或超报警；传输线路长时，更是容易引起误报ｍ。

（２）热敏合金线探测器

热敏Ｄ合金线探测器利用了热敏元件阻值随温差发生变化的原理，将温度信号转变成电信号，并进行报警处理后发出报警。它能较准确地测出隧道中每一段的实际温度，从而既能实现差温报警，也能实现定温报警，可用于温度监测［－８，９３。热敏合金线探测器为线型可恢复探测器，发生火灾报警后，只要探测器未被烧断（熔断温度大于９００℃），仍可继续使用，不必更换，降低了使用成本口］。

（３）线缆式感温电缆

目前隧道内采用的感温电缆主要为双绞线形式。电缆从外到里总共有四层，外层护套、第二层护套、热敏绝缘聚合体护套（感温电缆的温度敏感部件）和铁双绞线。整个线型温度探测器只需常规电路监测：正常情况下只有很小的电流通过探测器和终端电阻（ＥＬＲ）；当某一点的环境温度超过了设定温度时，热敏绝缘聚合体护套损坏并且在该点出现短路情况如图２所示。这样，电流流动时不再经过终端电阻，直接从过热短路点流回控制器，使得电流变大。检测电路根据该电流来确定报警情况；控制板可根据电流值得出报警点位置‘１０：］。

ｌ一终端电阻２～控制器端３一取绞线电缆

图２不可恢复式感温电缆工作原理图

不可恢复式感温电缆探测灵敏度高，反应速度快。采用定温原理，故环境温度改变时易引起误报和漏报。回路长度受欧姆定律及距离限制对覆盖区域有影响，在这种情况下，附加的控制设备需要被置于指定的位置，通常是在隧道里，这是不安全的；不可恢复式感温电缆报警原理决定了它报警后电缆必须更换，增加了使用成本，给隧道运营带来不便口］。

（４）测温电缆ＦＴＬＤ、ＣＴＴＣ

测温电缆ＦＴＬＤ、ＣＴＴＣ又称“连续”热电偶或“寻热”热电偶，它的热接点不固定，始终与线缆上的最高温度点相对应，当ＦＴＬＤ、ＣＴＴＣ线缆上任何一点的温度高于其它部分的温度时，该处的热电偶导线之间的绝缘电阻降低，导致出现“临时”热电偶接头，其作用与常规单接点热电偶接头相同（图３［１２１）。

１一控制器；

２，３－－材料不同的两根导体；

４一温度过热形成的临时热电偶接头｝

５一高阻抗部分（一般环境下）；

６一过热导致的低阻抗部分；

７～补偿电缆

图３测温电缆探测原理图

（５）光纤火灾探测器

向光纤注入激光，光纤探测器依据光纤光时域反射原理以及光纤的背向拉曼散射温度效应分析向后散射的斯托克斯和反斯托克斯信号来实现每一个测量点的温度探测。原理如图４［１４］所示。

６２ｌ

隧道监测、控制技术

１一带状过滤器；

２长波检测，波长５—６ｐｔｍ；

３－－短波检测，波长４．１—４．７ｐｒｏ；

４一放大器；

５数据处理（比较器＋延时回路＋整流回路）

图６双波长火焰探测器原理图

２．３探测器在隧道中使用的案例

前面章节中提到的隧道火灾探测器都曾在隧道中使用过，表１总结了实际应用的案例。

表ｌ各种隧道火灾探测器使用隧道列表

探测器种类隧道案例

重庆的中梁山隧道、缙云山隧道、广东清远一连县高速公路的焦冲隧道、石仓岭隧道、浙江甬紫铜管探测器

台温高速公路的大溪岭一湖雾岭隧道（４．１２ｋｉｎ）、京珠粤境南段大宝山和靠椅山隧道

上海地铁ｌ号线，四川Ｉ省的二郎山隧道、华蓥山隧道、老山梁子隧道，云南省的杨武隧道、小甸热敏合金线探测器

中隧道，重庆市的小泉隧道、吉庆隧道，长江三峡宜昌东山隧道、南京鼓楼地下立交隧道

上海延安东路隧道；美国的ＡＦＣ隧道、Ｐａｒｋｗａｙ隧道、ＭｃＣａｒｒｏｎ机场隧道、Ｄｅｎｖｅｒ国际机场不可恢复式感温电隧遘Ｍｕｎｉ—Ｍｅｔｒｏ隧道；西班牙Ｎｅｇｒｏｎ隧道、Ｃａｄｉ隧道、Ｂａｌａｄｉｎｏ隧道；墨西哥Ａｃａｐｕｌｃｏ隧缆道；以色列ＭＡＩＮａｆｔｕｈ隧道；土耳其Ｓｅｌａｔｉｎ隧道、Ａｌａｎｙａ隧道；挪威Ｈａｎｎｅｋｌｅｉｖ隧道、Ｋｉｒｋｅ—ｈｅｉａ隧道；俄罗斯Ｇａｇａｒｉｎｓｋｉ隧道

上海复兴东路隧道、上海翔殷路隧道、大连路隧道，浙江高速公司新岭隧道，福建漳诏高速公光纤探测器路隧道，东京海底高速公路隧道，希腊Ｔｅｍｐｉ铁路隧道，伦敦泰晤士河公路隧道，英法海底隧道

上海外环隧道、宁波台州温州高速公路三门铺里至Ｉ临海青岭段、京珠高速公路粤北段隧道群、双波长火焰探测器

南京市玄武湖隧道

３光纤探测器和双波长火焰探测器比较

光纤探测器和双波长火焰探测器是目前隧道内的主流探测器，两种探测器探测的特征信号不同，应用在隧道中时表现的性能也不一样，针对不同的情况各有优缺点（表２）。

表２光纤探测器和双波长火焰探测器在隧道中应用的性能比较表

光纤探测器双波长火焰探测器类型线型感温探测器点型火焰探测器

安装位置沿隧道敷设于隧道顶部中间间隔３０～５０ｍ安装于隧道一侧

时间较长，原因：置于隧道顶部，远离监测源，隧

道内风速大（２～１０ｍ／ｓ）；强烈的风易将竖直向上时间短，原因：双波长火焰探测器依靠火焰光谱探测反应时

扩散的热流方向变得倾斜，延长了探测器的反应和频率报警，通过探测器中的部件，可以有效避间

时间；当环境温度较低时，火灾已发展到一定规免环境对这两个参数的干扰

模，但隧道顶部的温度仍很低（图７）

较高，原因：由于探测器之安装在一侧墙壁，必然漏报率较低

存在盲区ｆ隧道中有物体遮住火焰（图８）

６２３