預制艙變電站應急逃生系統的研究與應用

廣東電網有限責任公司中山供電局 陳偉雄 羅其鋒 劉文平 肖 星 梁景明

隨著城鎮化的推進以及社會用電需求的高速增長，常規變電站在占地面積大、建設周期長、施工效率低、資金投入成本高等問題尤為突出，時刻制約著電網的高質量發展。在國家新型電力系統、綠色碳達峰等重大戰略部署下，變電站預制艙應運而生，其具有模塊集成、整裝調試、快速拼接、即插即用等特點，很好解決當下變電站占地面積大、施工周期長、以及成本資金高等困境，提高變電站建設效率與施工質量。同時，預制艙具有良好的防塵防潮防震、保溫隔熱、阻燃抗沖擊等優點，大大提升變電站的運維效率。

基于預制艙結構布局特點，使得艙體內各功能室的設備均處于一種相對狹小的密閉空間。在相對密閉空間內作業時，客觀物理環境的實際動態情況對運維檢修人員以及設備穩定運行尤為重要。一旦發生諸如SF6氣體泄漏、設備火災、照明故障、氧氣濃度劇降、通道阻塞、門禁失效等惡劣環境情況下，影響到人身安全以及艙體設備壽命，嚴重時導致人員傷亡以及設備損壞，造成較大的經濟損失，給密閉空間作業帶來沉重的負面后果[1]。

目前，變電站設備室安裝有消防應急照明、事故照明以及安全出口指示牌。作為設備發生事故時的應急照明所對應的光照強度以及光照通量相對較弱，照射方向相對散漫，光照面對人員的視野缺少有效疊加和覆蓋，沒有形成強力效的光照面指引，且現有的安全出口指示牌在相對密閉空間中濃煙霧的惡劣環境下，其光照度以及照明通量較差，無法起到有效指示的作用，并缺乏事故告警疏散的語音指示等智能聯動功能。在設備故障所伴隨而來的濃煙霧的惡劣環境，現有的應急照明的光照度、光照通量在狹小有限空間無法起到高效指引逃離現場的安全應急要求，并且容易引起現場人員在黑暗環境擁擠擠壓以及碰撞逃生通道的附近設備，造成更大的人身傷亡。

本文提出一種預制艙變電站應急逃生系統，在濃煙霧的惡劣環境下，能在逃生通道上投影清晰、高效、高強度、全覆蓋的照明安全指引畫面，現場人員可根據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，同時伴隨大分貝的告警語音提示，降低了現場人員相互擠壓、碰撞逃生通道附近設備的人身傷害風險。

1 預制艙變電站應急逃生系統結構設計

1.1 系統結構設計

預制艙變電站應急逃生系統主要由運算處置模塊、指示燈模塊、距離傳感器模塊、電機驅動模塊、煙霧探測模塊等5大模塊構成，如圖1所示。

圖1 預制艙變電站應急逃生系統結構

1.1.1 運算處置模塊

運算處置模塊由信號處理單元、逃生指示單元、指示燈控制單元組成。信號處理單元能實時接收來源于煙霧溫度探測模塊的煙霧濃度、溫度數據，生成逃生應急的信號，并動態獲取艙體逃生人員的當前第一位置；逃生指示啟動單元能夠基于逃生人員的第一位置信號，邏輯判定對應的緊急出口，并及時聯動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實時獲取逃生人員的第二位置，同時基于本單元所預置的投射角度算法、煙霧濃度與投射功率算法，根據逃生人員所在的第二位置，實時運算得出指示燈照射逃生的最佳角度以及投射功率，并將運算結果轉化為電信號，傳輸到電機驅動模塊以及指示燈，實現最佳指示燈投射的角度調整以及功率調整，便于變電站艙體內人員的合理逃生。

1.1.2 指示燈模塊

指示燈模塊主能作為能夠發射高光束、高照明強度、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[2]。當艙體內發生設備緊急事故時，運算處置模塊根據信號處理單元、逃生指示單元、指示燈控制單元的綜合運算結果，通過與距離傳感器模塊、電機驅動模塊、煙霧溫度探測模塊的聯動，根據人員相對于應急出口的位置信息，實現動態調整焦距、動態調整投射輸出光功率、動態調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，并播放大分貝的告警語音提示，使得處于狹小漆黑密封空間的人員能夠根據投射畫面的導航、語音告警提示及時逃離。

1.1.3 距離傳感器模塊

距離傳感器模塊安裝在艙體應急出口底部的兩側，通過與運算處置模塊實現信息融合聯動，用于動態監測艙體人員相對于應急出口的位置信息，并將站內人員位置信息傳送到指示燈模塊，實現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 電機驅動模塊

電機驅動模塊與指示燈模塊連接，作為指示燈模塊的動力來源；根據運算處置模塊的運算結果，實時改變轉軸轉動角度，驅動指示燈模塊；根據人員動態逃離艙體現場的過程位置，改變指示燈模塊的角度，實時投射艙體內部的最佳位置急指示畫面。

1.1.5 煙霧溫度探測模塊

煙霧溫度探測模塊用于實時探測艙體內部煙霧濃度、溫度數據變化，并設定對應的定值進行應急信號發送[4]。當艙體內發生設備緊急事故時，煙霧溫度探測模塊檢測對應煙霧濃度以及溫度數據變化超過設定定值，運算處置模塊動態運算并生成應急逃生信號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態調整指示燈投射角度、光照功率、焦距，提高艙體內部人員的逃生效率。

2 預制艙變電站應急逃生系統逃生策略及關鍵技術

2.1 系統逃生策略

當系統接收緊急逃離信號時，獲取艙體內部人員第一位置定位信息，假如第一位置與系統設定的艙體墻壁定位信息匹配，則系統判斷艙體內部實際無作業人員；根據艙體內部人員第一位置確定逃離方向的緊急出口，同時開啟緊急出口位置的指示燈；動態收集艙體內部人員的第二位置定位信息；根據系統設定的角度算法確定緊急出口指示燈的投射方向、角度；根據投射方向、角度、指示燈的位置高度運算指示燈的投射距離；根據投射距離動態調整指示燈的焦距，確保投射在地面的畫面清晰可見；艙體內部煙霧濃度以及溫度數據高于預設定值時動態增大指示燈的輸出光功率；低于預設定值的煙霧濃度以及溫度值時，則降低指示燈的輸出光功率。

2.2 關鍵技術

2.2.1 應急定位技術

當系統接收緊急逃離信號時，系統的應急定位技術能夠快速有效動態獲取艙體內部作業人員第一位置、第二位置定位信息，并及時上送到運算處置模塊，配合對應的指示燈模塊，實現最佳逃生路徑。

其中應急定位技術對作業人員的第一位置信息收集基于安裝在應急出口底部的兩側距離傳感器模塊，該模塊運用紅外感應、人體熱成像等原理，實現人員在艙體內部位置的信息確認，開啟離作業人員最近應急出口的指示燈；應急定位技術對作業人員的第二位置信息收集基于設定的角度算法。該算法根據人員在動態撤離時，通過第一位置的基準值、離作業人員最近的應急出口的距離變化動態確定第二位置信息，實時上送到運算處置模塊，動態調整人員實時位置的指示燈，提高動態逃生的安全系數。

2.2.2 應急警示指引技術

應急警示指引技術根據指示燈安裝位置的坐標定位信息、安裝位置的高度信息，通過與作業人員第二位置定位信息的相差值，運算得到實時艙體內部作業人員的水平方向，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部作業人員第二位置的投射角度信息，并將對應的角度信息上傳到電機驅動模塊，隨作業人員軌跡的變化，實現動態調整指示燈功率、光照度、角度、焦距等功能。即使在濃霧環境下，艙體作業人員在動態撤離時，具備高光束、高穿透、高清晰地面指引、大分貝的語音告警功能能的應急警示指引技術能夠提高作業員在有限空間的逃生效果[5]。

2.2.3 應急探測技術

預制艙變電站與傳統變電站相比，作業空間更為狹小封閉，內部環境變化的探測對作業人員的應急逃生起到重要作用。預制艙變電站的艙體內包括開關柜、GIS 等高壓設備，對應的組成部分包括SF6氣體、絕緣航空油、絕緣電纜絕皮以及對應的絕緣漆。當高壓設備發生故障短路、故障爆炸時，短路電流產的高溫效應導致設備自身、周圍附件等引起火災燃燒，引得艙體內部溫度的變化、多種雜質的煙霧生產，降低了人員逃生的可見度[6]。

2.3 項目應用

本項目的應急探測技術主要能夠探測環境溫度的實時變化、設備故障時濃霧伴隨產生的硫化物、氫化物、氟化物和氯化物等組成部分。當煙霧濃度、溫度值不超過系統預設的定值時，邏輯判定煙霧濃度較低、溫度正常，在事故應急情況下指示燈動態調整輸出大功率工作，滿足對應逃生的光照度要求。

預制艙變電站應急逃生系統在110kV 同福預制艙變電站GIS 室進行了安裝測試。經過測試以及模擬火災失電、照明失效等情況下，該系統能夠在逃生通道上投影清晰、高效、高強度、全覆蓋的照明安全指引畫面，現場人員可根據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 現場應用效果

同時，系統在緊急情況下發出大分貝的告警語音提示，降低了現場人員相互擠壓、碰撞逃生通道附近設備的人身傷害風險，滿足多維度高效安全快速逃離狹小有限作業空間的相關要求。該系統可適用變電站其它功能室，尤其是一次設備室，實現現場人員在濃煙霧環境下快速逃離現場，成果轉化后能夠在全國電力系統推廣應用，具有較大的市場推廣價值。

3 結語

本文研制的預制艙變電站應急逃生系統集成應急定位、應急警示指引、應急探測等逃生技術，具有高清高強度二維圖指引、事故語音告警提示、動態智能安全的判斷逃生方向等創新功能。在事故黑暗濃霧以及高溫等惡劣環境下，系統起到了清晰有效的畫面指引作用，保障預制艙作業人員的安全應急視野，降低人員的恐慌心理，延長有效應急逃生時限，實現在事故嚴重環境下的高效安全智能快速疏散，提高艙體密閉作業有限空間人員的逃生安全系數。