预制舱变电站应急逃生系统的研究与应用

广东电网有限责任公司中山供电局 陈伟雄 罗其锋 刘文平 肖 星 梁景明

随着城镇化的推进以及社会用电需求的高速增长，常规变电站在占地面积大、建设周期长、施工效率低、资金投入成本高等问题尤为突出，时刻制约着电网的高质量发展。在国家新型电力系统、绿色碳达峰等重大战略部署下，变电站预制舱应运而生，其具有模块集成、整装调试、快速拼接、即插即用等特点，很好解决当下变电站占地面积大、施工周期长、以及成本资金高等困境，提高变电站建设效率与施工质量。同时，预制舱具有良好的防尘防潮防震、保温隔热、阻燃抗冲击等优点，大大提升变电站的运维效率。

基于预制舱结构布局特点，使得舱体内各功能室的设备均处于一种相对狭小的密闭空间。在相对密闭空间内作业时，客观物理环境的实际动态情况对运维检修人员以及设备稳定运行尤为重要。一旦发生诸如SF6气体泄漏、设备火灾、照明故障、氧气浓度剧降、通道阻塞、门禁失效等恶劣环境情况下，影响到人身安全以及舱体设备寿命，严重时导致人员伤亡以及设备损坏，造成较大的经济损失，给密闭空间作业带来沉重的负面后果[1]。

目前，变电站设备室安装有消防应急照明、事故照明以及安全出口指示牌。作为设备发生事故时的应急照明所对应的光照强度以及光照通量相对较弱，照射方向相对散漫，光照面对人员的视野缺少有效叠加和覆盖，没有形成强力效的光照面指引，且现有的安全出口指示牌在相对密闭空间中浓烟雾的恶劣环境下，其光照度以及照明通量较差，无法起到有效指示的作用，并缺乏事故告警疏散的语音指示等智能联动功能。在设备故障所伴随而来的浓烟雾的恶劣环境，现有的应急照明的光照度、光照通量在狭小有限空间无法起到高效指引逃离现场的安全应急要求，并且容易引起现场人员在黑暗环境拥挤挤压以及碰撞逃生通道的附近设备，造成更大的人身伤亡。

本文提出一种预制舱变电站应急逃生系统，在浓烟雾的恶劣环境下，能在逃生通道上投影清晰、高效、高强度、全覆盖的照明安全指引画面，现场人员可根据地面光照指引的文字以及指示箭头往某一安全出口方向逃生，同时伴随大分贝的告警语音提示，降低了现场人员相互挤压、碰撞逃生通道附近设备的人身伤害风险。

1 预制舱变电站应急逃生系统结构设计

1.1 系统结构设计

预制舱变电站应急逃生系统主要由运算处置模块、指示灯模块、距离传感器模块、电机驱动模块、烟雾探测模块等5大模块构成，如图1所示。

图1 预制舱变电站应急逃生系统结构

1.1.1 运算处置模块

运算处置模块由信号处理单元、逃生指示单元、指示灯控制单元组成。信号处理单元能实时接收来源于烟雾温度探测模块的烟雾浓度、温度数据，生成逃生应急的信号，并动态获取舱体逃生人员的当前第一位置；逃生指示启动单元能够基于逃生人员的第一位置信号，逻辑判定对应的紧急出口，并及时联动指示灯模块开启紧急出口所在位置的指示灯。

指示灯控制单元能够实时获取逃生人员的第二位置，同时基于本单元所预置的投射角度算法、烟雾浓度与投射功率算法，根据逃生人员所在的第二位置，实时运算得出指示灯照射逃生的最佳角度以及投射功率，并将运算结果转化为电信号，传输到电机驱动模块以及指示灯，实现最佳指示灯投射的角度调整以及功率调整，便于变电站舱体内人员的合理逃生。

1.1.2 指示灯模块

指示灯模块主能作为能够发射高光束、高照明强度、功率焦距可控的灯具，在舱体地面形成二维文字以及指示符号[2]。当舱体内发生设备紧急事故时，运算处置模块根据信号处理单元、逃生指示单元、指示灯控制单元的综合运算结果，通过与距离传感器模块、电机驱动模块、烟雾温度探测模块的联动，根据人员相对于应急出口的位置信息，实现动态调整焦距、动态调整投射输出光功率、动态调整投射角度位置等功能；投射画面带有“安全出口”文字以及朝着出口方向指引的虚拟箭头符号，并播放大分贝的告警语音提示，使得处于狭小漆黑密封空间的人员能够根据投射画面的导航、语音告警提示及时逃离。

1.1.3 距离传感器模块

距离传感器模块安装在舱体应急出口底部的两侧，通过与运算处置模块实现信息融合联动，用于动态监测舱体人员相对于应急出口的位置信息，并将站内人员位置信息传送到指示灯模块，实现指示灯的最佳指示路径以及光照度，提高逃生效率[3]。

1.1.4 电机驱动模块

电机驱动模块与指示灯模块连接，作为指示灯模块的动力来源；根据运算处置模块的运算结果，实时改变转轴转动角度，驱动指示灯模块；根据人员动态逃离舱体现场的过程位置，改变指示灯模块的角度，实时投射舱体内部的最佳位置急指示画面。

1.1.5 烟雾温度探测模块

烟雾温度探测模块用于实时探测舱体内部烟雾浓度、温度数据变化，并设定对应的定值进行应急信号发送[4]。当舱体内发生设备紧急事故时，烟雾温度探测模块检测对应烟雾浓度以及温度数据变化超过设定定值，运算处置模块动态运算并生成应急逃生信号传送距离传感器模块、指示灯模块，确定舱体人员的位置信息以及动态调整指示灯投射角度、光照功率、焦距，提高舱体内部人员的逃生效率。

2 预制舱变电站应急逃生系统逃生策略及关键技术

2.1 系统逃生策略

当系统接收紧急逃离信号时，获取舱体内部人员第一位置定位信息，假如第一位置与系统设定的舱体墙壁定位信息匹配，则系统判断舱体内部实际无作业人员；根据舱体内部人员第一位置确定逃离方向的紧急出口，同时开启紧急出口位置的指示灯；动态收集舱体内部人员的第二位置定位信息；根据系统设定的角度算法确定紧急出口指示灯的投射方向、角度；根据投射方向、角度、指示灯的位置高度运算指示灯的投射距离；根据投射距离动态调整指示灯的焦距，确保投射在地面的画面清晰可见；舱体内部烟雾浓度以及温度数据高于预设定值时动态增大指示灯的输出光功率；低于预设定值的烟雾浓度以及温度值时，则降低指示灯的输出光功率。

2.2 关键技术

2.2.1 应急定位技术

当系统接收紧急逃离信号时，系统的应急定位技术能够快速有效动态获取舱体内部作业人员第一位置、第二位置定位信息，并及时上送到运算处置模块，配合对应的指示灯模块，实现最佳逃生路径。

其中应急定位技术对作业人员的第一位置信息收集基于安装在应急出口底部的两侧距离传感器模块，该模块运用红外感应、人体热成像等原理，实现人员在舱体内部位置的信息确认，开启离作业人员最近应急出口的指示灯；应急定位技术对作业人员的第二位置信息收集基于设定的角度算法。该算法根据人员在动态撤离时，通过第一位置的基准值、离作业人员最近的应急出口的距离变化动态确定第二位置信息，实时上送到运算处置模块，动态调整人员实时位置的指示灯，提高动态逃生的安全系数。

2.2.2 应急警示指引技术

应急警示指引技术根据指示灯安装位置的坐标定位信息、安装位置的高度信息，通过与作业人员第二位置定位信息的相差值，运算得到实时舱体内部作业人员的水平方向，再与指示灯的安装位置、指示灯的往人员的投射方向构成直角三角形，并基于勾股定理可得到指示等需要在舱体内部作业人员第二位置的投射角度信息，并将对应的角度信息上传到电机驱动模块，随作业人员轨迹的变化，实现动态调整指示灯功率、光照度、角度、焦距等功能。即使在浓雾环境下，舱体作业人员在动态撤离时，具备高光束、高穿透、高清晰地面指引、大分贝的语音告警功能能的应急警示指引技术能够提高作业员在有限空间的逃生效果[5]。

2.2.3 应急探测技术

预制舱变电站与传统变电站相比，作业空间更为狭小封闭，内部环境变化的探测对作业人员的应急逃生起到重要作用。预制舱变电站的舱体内包括开关柜、GIS 等高压设备，对应的组成部分包括SF6气体、绝缘航空油、绝缘电缆绝皮以及对应的绝缘漆。当高压设备发生故障短路、故障爆炸时，短路电流产的高温效应导致设备自身、周围附件等引起火灾燃烧，引得舱体内部温度的变化、多种杂质的烟雾生产，降低了人员逃生的可见度[6]。

2.3 项目应用

本项目的应急探测技术主要能够探测环境温度的实时变化、设备故障时浓雾伴随产生的硫化物、氢化物、氟化物和氯化物等组成部分。当烟雾浓度、温度值不超过系统预设的定值时，逻辑判定烟雾浓度较低、温度正常，在事故应急情况下指示灯动态调整输出大功率工作，满足对应逃生的光照度要求。

预制舱变电站应急逃生系统在110kV 同福预制舱变电站GIS 室进行了安装测试。经过测试以及模拟火灾失电、照明失效等情况下，该系统能够在逃生通道上投影清晰、高效、高强度、全覆盖的照明安全指引画面，现场人员可根据地面光照指引的文字以及指示箭头往某一安全出口方向逃生，效果良好，如图2所示。

图2 现场应用效果

同时，系统在紧急情况下发出大分贝的告警语音提示，降低了现场人员相互挤压、碰撞逃生通道附近设备的人身伤害风险，满足多维度高效安全快速逃离狭小有限作业空间的相关要求。该系统可适用变电站其它功能室，尤其是一次设备室，实现现场人员在浓烟雾环境下快速逃离现场，成果转化后能够在全国电力系统推广应用，具有较大的市场推广价值。

3 结语

本文研制的预制舱变电站应急逃生系统集成应急定位、应急警示指引、应急探测等逃生技术，具有高清高强度二维图指引、事故语音告警提示、动态智能安全的判断逃生方向等创新功能。在事故黑暗浓雾以及高温等恶劣环境下，系统起到了清晰有效的画面指引作用，保障预制舱作业人员的安全应急视野，降低人员的恐慌心理，延长有效应急逃生时限，实现在事故严重环境下的高效安全智能快速疏散，提高舱体密闭作业有限空间人员的逃生安全系数。