預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 陳偉雄 羅其鋒 劉文平 肖 星 梁景明

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)以及社會(huì)用電需求的高速增長(zhǎng)，常規(guī)變電站在占地面積大、建設(shè)周期長(zhǎng)、施工效率低、資金投入成本高等問(wèn)題尤為突出，時(shí)刻制約著電網(wǎng)的高質(zhì)量發(fā)展。在國(guó)家新型電力系統(tǒng)、綠色碳達(dá)峰等重大戰(zhàn)略部署下，變電站預(yù)制艙應(yīng)運(yùn)而生，其具有模塊集成、整裝調(diào)試、快速拼接、即插即用等特點(diǎn)，很好解決當(dāng)下變電站占地面積大、施工周期長(zhǎng)、以及成本資金高等困境，提高變電站建設(shè)效率與施工質(zhì)量。同時(shí)，預(yù)制艙具有良好的防塵防潮防震、保溫隔熱、阻燃抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，大大提升變電站的運(yùn)維效率。

基于預(yù)制艙結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)，使得艙體內(nèi)各功能室的設(shè)備均處于一種相對(duì)狹小的密閉空間。在相對(duì)密閉空間內(nèi)作業(yè)時(shí)，客觀物理環(huán)境的實(shí)際動(dòng)態(tài)情況對(duì)運(yùn)維檢修人員以及設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。一旦發(fā)生諸如SF6氣體泄漏、設(shè)備火災(zāi)、照明故障、氧氣濃度劇降、通道阻塞、門禁失效等惡劣環(huán)境情況下，影響到人身安全以及艙體設(shè)備壽命，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致人員傷亡以及設(shè)備損壞，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，給密閉空間作業(yè)帶來(lái)沉重的負(fù)面后果[1]。

目前，變電站設(shè)備室安裝有消防應(yīng)急照明、事故照明以及安全出口指示牌。作為設(shè)備發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)急照明所對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度以及光照通量相對(duì)較弱，照射方向相對(duì)散漫，光照面對(duì)人員的視野缺少有效疊加和覆蓋，沒(méi)有形成強(qiáng)力效的光照面指引，且現(xiàn)有的安全出口指示牌在相對(duì)密閉空間中濃煙霧的惡劣環(huán)境下，其光照度以及照明通量較差，無(wú)法起到有效指示的作用，并缺乏事故告警疏散的語(yǔ)音指示等智能聯(lián)動(dòng)功能。在設(shè)備故障所伴隨而來(lái)的濃煙霧的惡劣環(huán)境，現(xiàn)有的應(yīng)急照明的光照度、光照通量在狹小有限空間無(wú)法起到高效指引逃離現(xiàn)場(chǎng)的安全應(yīng)急要求，并且容易引起現(xiàn)場(chǎng)人員在黑暗環(huán)境擁擠擠壓以及碰撞逃生通道的附近設(shè)備，造成更大的人身傷亡。

本文提出一種預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)，在濃煙霧的惡劣環(huán)境下，能在逃生通道上投影清晰、高效、高強(qiáng)度、全覆蓋的照明安全指引畫面，現(xiàn)場(chǎng)人員可根據(jù)地面光照指引的文字以及指示箭頭往某一安全出口方向逃生，同時(shí)伴隨大分貝的告警語(yǔ)音提示，降低了現(xiàn)場(chǎng)人員相互擠壓、碰撞逃生通道附近設(shè)備的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

1 預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)主要由運(yùn)算處置模塊、指示燈模塊、距離傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、煙霧探測(cè)模塊等5大模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 運(yùn)算處置模塊

運(yùn)算處置模塊由信號(hào)處理單元、逃生指示單元、指示燈控制單元組成。信號(hào)處理單元能實(shí)時(shí)接收來(lái)源于煙霧溫度探測(cè)模塊的煙霧濃度、溫度數(shù)據(jù)，生成逃生應(yīng)急的信號(hào)，并動(dòng)態(tài)獲取艙體逃生人員的當(dāng)前第一位置；逃生指示啟動(dòng)單元能夠基于逃生人員的第一位置信號(hào)，邏輯判定對(duì)應(yīng)的緊急出口，并及時(shí)聯(lián)動(dòng)指示燈模塊開啟緊急出口所在位置的指示燈。

指示燈控制單元能夠?qū)崟r(shí)獲取逃生人員的第二位置，同時(shí)基于本單元所預(yù)置的投射角度算法、煙霧濃度與投射功率算法，根據(jù)逃生人員所在的第二位置，實(shí)時(shí)運(yùn)算得出指示燈照射逃生的最佳角度以及投射功率，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及指示燈，實(shí)現(xiàn)最佳指示燈投射的角度調(diào)整以及功率調(diào)整，便于變電站艙體內(nèi)人員的合理逃生。

1.1.2 指示燈模塊

指示燈模塊主能作為能夠發(fā)射高光束、高照明強(qiáng)度、功率焦距可控的燈具，在艙體地面形成二維文字以及指示符號(hào)[2]。當(dāng)艙體內(nèi)發(fā)生設(shè)備緊急事故時(shí)，運(yùn)算處置模塊根據(jù)信號(hào)處理單元、逃生指示單元、指示燈控制單元的綜合運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)與距離傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、煙霧溫度探測(cè)模塊的聯(lián)動(dòng)，根據(jù)人員相對(duì)于應(yīng)急出口的位置信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距、動(dòng)態(tài)調(diào)整投射輸出光功率、動(dòng)態(tài)調(diào)整投射角度位置等功能；投射畫面帶有“安全出口”文字以及朝著出口方向指引的虛擬箭頭符號(hào)，并播放大分貝的告警語(yǔ)音提示，使得處于狹小漆黑密封空間的人員能夠根據(jù)投射畫面的導(dǎo)航、語(yǔ)音告警提示及時(shí)逃離。

1.1.3 距離傳感器模塊

距離傳感器模塊安裝在艙體應(yīng)急出口底部的兩側(cè)，通過(guò)與運(yùn)算處置模塊實(shí)現(xiàn)信息融合聯(lián)動(dòng)，用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)艙體人員相對(duì)于應(yīng)急出口的位置信息，并將站內(nèi)人員位置信息傳送到指示燈模塊，實(shí)現(xiàn)指示燈的最佳指示路徑以及光照度，提高逃生效率[3]。

1.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與指示燈模塊連接，作為指示燈模塊的動(dòng)力來(lái)源；根據(jù)運(yùn)算處置模塊的運(yùn)算結(jié)果，實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，驅(qū)動(dòng)指示燈模塊；根據(jù)人員動(dòng)態(tài)逃離艙體現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程位置，改變指示燈模塊的角度，實(shí)時(shí)投射艙體內(nèi)部的最佳位置急指示畫面。

1.1.5 煙霧溫度探測(cè)模塊

煙霧溫度探測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)探測(cè)艙體內(nèi)部煙霧濃度、溫度數(shù)據(jù)變化，并設(shè)定對(duì)應(yīng)的定值進(jìn)行應(yīng)急信號(hào)發(fā)送[4]。當(dāng)艙體內(nèi)發(fā)生設(shè)備緊急事故時(shí)，煙霧溫度探測(cè)模塊檢測(cè)對(duì)應(yīng)煙霧濃度以及溫度數(shù)據(jù)變化超過(guò)設(shè)定定值，運(yùn)算處置模塊動(dòng)態(tài)運(yùn)算并生成應(yīng)急逃生信號(hào)傳送距離傳感器模塊、指示燈模塊，確定艙體人員的位置信息以及動(dòng)態(tài)調(diào)整指示燈投射角度、光照功率、焦距，提高艙體內(nèi)部人員的逃生效率。

2 預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)逃生策略及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)逃生策略

當(dāng)系統(tǒng)接收緊急逃離信號(hào)時(shí)，獲取艙體內(nèi)部人員第一位置定位信息，假如第一位置與系統(tǒng)設(shè)定的艙體墻壁定位信息匹配，則系統(tǒng)判斷艙體內(nèi)部實(shí)際無(wú)作業(yè)人員；根據(jù)艙體內(nèi)部人員第一位置確定逃離方向的緊急出口，同時(shí)開啟緊急出口位置的指示燈；動(dòng)態(tài)收集艙體內(nèi)部人員的第二位置定位信息；根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的角度算法確定緊急出口指示燈的投射方向、角度；根據(jù)投射方向、角度、指示燈的位置高度運(yùn)算指示燈的投射距離；根據(jù)投射距離動(dòng)態(tài)調(diào)整指示燈的焦距，確保投射在地面的畫面清晰可見(jiàn)；艙體內(nèi)部煙霧濃度以及溫度數(shù)據(jù)高于預(yù)設(shè)定值時(shí)動(dòng)態(tài)增大指示燈的輸出光功率；低于預(yù)設(shè)定值的煙霧濃度以及溫度值時(shí)，則降低指示燈的輸出光功率。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 應(yīng)急定位技術(shù)

當(dāng)系統(tǒng)接收緊急逃離信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的應(yīng)急定位技術(shù)能夠快速有效動(dòng)態(tài)獲取艙體內(nèi)部作業(yè)人員第一位置、第二位置定位信息，并及時(shí)上送到運(yùn)算處置模塊，配合對(duì)應(yīng)的指示燈模塊，實(shí)現(xiàn)最佳逃生路徑。

其中應(yīng)急定位技術(shù)對(duì)作業(yè)人員的第一位置信息收集基于安裝在應(yīng)急出口底部的兩側(cè)距離傳感器模塊，該模塊運(yùn)用紅外感應(yīng)、人體熱成像等原理，實(shí)現(xiàn)人員在艙體內(nèi)部位置的信息確認(rèn)，開啟離作業(yè)人員最近應(yīng)急出口的指示燈；應(yīng)急定位技術(shù)對(duì)作業(yè)人員的第二位置信息收集基于設(shè)定的角度算法。該算法根據(jù)人員在動(dòng)態(tài)撤離時(shí)，通過(guò)第一位置的基準(zhǔn)值、離作業(yè)人員最近的應(yīng)急出口的距離變化動(dòng)態(tài)確定第二位置信息，實(shí)時(shí)上送到運(yùn)算處置模塊，動(dòng)態(tài)調(diào)整人員實(shí)時(shí)位置的指示燈，提高動(dòng)態(tài)逃生的安全系數(shù)。

2.2.2 應(yīng)急警示指引技術(shù)

應(yīng)急警示指引技術(shù)根據(jù)指示燈安裝位置的坐標(biāo)定位信息、安裝位置的高度信息，通過(guò)與作業(yè)人員第二位置定位信息的相差值，運(yùn)算得到實(shí)時(shí)艙體內(nèi)部作業(yè)人員的水平方向，再與指示燈的安裝位置、指示燈的往人員的投射方向構(gòu)成直角三角形，并基于勾股定理可得到指示等需要在艙體內(nèi)部作業(yè)人員第二位置的投射角度信息，并將對(duì)應(yīng)的角度信息上傳到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，隨作業(yè)人員軌跡的變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整指示燈功率、光照度、角度、焦距等功能。即使在濃霧環(huán)境下，艙體作業(yè)人員在動(dòng)態(tài)撤離時(shí)，具備高光束、高穿透、高清晰地面指引、大分貝的語(yǔ)音告警功能能的應(yīng)急警示指引技術(shù)能夠提高作業(yè)員在有限空間的逃生效果[5]。

2.2.3 應(yīng)急探測(cè)技術(shù)

預(yù)制艙變電站與傳統(tǒng)變電站相比，作業(yè)空間更為狹小封閉，內(nèi)部環(huán)境變化的探測(cè)對(duì)作業(yè)人員的應(yīng)急逃生起到重要作用。預(yù)制艙變電站的艙體內(nèi)包括開關(guān)柜、GIS 等高壓設(shè)備，對(duì)應(yīng)的組成部分包括SF6氣體、絕緣航空油、絕緣電纜絕皮以及對(duì)應(yīng)的絕緣漆。當(dāng)高壓設(shè)備發(fā)生故障短路、故障爆炸時(shí)，短路電流產(chǎn)的高溫效應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備自身、周圍附件等引起火災(zāi)燃燒，引得艙體內(nèi)部溫度的變化、多種雜質(zhì)的煙霧生產(chǎn)，降低了人員逃生的可見(jiàn)度[6]。

2.3 項(xiàng)目應(yīng)用

本項(xiàng)目的應(yīng)急探測(cè)技術(shù)主要能夠探測(cè)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)變化、設(shè)備故障時(shí)濃霧伴隨產(chǎn)生的硫化物、氫化物、氟化物和氯化物等組成部分。當(dāng)煙霧濃度、溫度值不超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的定值時(shí)，邏輯判定煙霧濃度較低、溫度正常，在事故應(yīng)急情況下指示燈動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出大功率工作，滿足對(duì)應(yīng)逃生的光照度要求。

預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)在110kV 同福預(yù)制艙變電站GIS 室進(jìn)行了安裝測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試以及模擬火災(zāi)失電、照明失效等情況下，該系統(tǒng)能夠在逃生通道上投影清晰、高效、高強(qiáng)度、全覆蓋的照明安全指引畫面，現(xiàn)場(chǎng)人員可根據(jù)地面光照指引的文字以及指示箭頭往某一安全出口方向逃生，效果良好，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

同時(shí)，系統(tǒng)在緊急情況下發(fā)出大分貝的告警語(yǔ)音提示，降低了現(xiàn)場(chǎng)人員相互擠壓、碰撞逃生通道附近設(shè)備的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，滿足多維度高效安全快速逃離狹小有限作業(yè)空間的相關(guān)要求。該系統(tǒng)可適用變電站其它功能室，尤其是一次設(shè)備室，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員在濃煙霧環(huán)境下快速逃離現(xiàn)場(chǎng)，成果轉(zhuǎn)化后能夠在全國(guó)電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用，具有較大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研制的預(yù)制艙變電站應(yīng)急逃生系統(tǒng)集成應(yīng)急定位、應(yīng)急警示指引、應(yīng)急探測(cè)等逃生技術(shù)，具有高清高強(qiáng)度二維圖指引、事故語(yǔ)音告警提示、動(dòng)態(tài)智能安全的判斷逃生方向等創(chuàng)新功能。在事故黑暗濃霧以及高溫等惡劣環(huán)境下，系統(tǒng)起到了清晰有效的畫面指引作用，保障預(yù)制艙作業(yè)人員的安全應(yīng)急視野，降低人員的恐慌心理，延長(zhǎng)有效應(yīng)急逃生時(shí)限，實(shí)現(xiàn)在事故嚴(yán)重環(huán)境下的高效安全智能快速疏散，提高艙體密閉作業(yè)有限空間人員的逃生安全系數(shù)。