用于地下配電站單向防汛的自動排水擋板設計

唐瑩瑩, 季 晨, 周儒暢, 沈昭君, 沈 洋, 曹家君

(國網上海奉賢供電公司,上海 201499)

部分地下場所因瞬時大暴雨或遇地下水管故障等,會使配電站內出現內澇風險。地下街坊站內,電纜穿入的孔洞可能存在封閉瑕疵,此種封閉瑕疵在現場驗收時難以察覺,但是當封堵材料經過一段時間的老化,也會在惡劣天氣下出現滲漏風險,導致地下站站內積水[1]。如未及時處理會造成嚴重的后果。并且這種可能性存在案例支撐:觀邸丙地下街坊站由于投運時間較久,加之當時正逢暴雨季,雨水從電纜孔洞進入站內造成約50 cm的深的積水,該站配備的防汛擋板也無法排除內澇。最終導致設備進水,干式變壓器分接頭燒毀,全站停電。對于地下配電站經常遇到的水患問題,傳統的防汛擋板或者能夠防止水患從外部侵襲配電站,但是無助于配電站內澇的排出,甚至會造成積水滯留在地下站內損害設備[2]。因此需要對防汛擋板進行改進,使其擁有應對站內積水的能力。國內目前的前沿技術是采用預制構件的裝配式金屬防水圍欄,在地面埋入預制的金屬底座,當有需要時可以進行分塊快速裝配用以阻擋外部水患,但是不適用于地下街坊站可能出現內澇的應用場景。國外最先進的自動閉合防洪堤,平時收藏在地下,當洪水來時,不需要任何人控制,自動閉合防洪堤能自動從地下鉆出并抵擋洪水。由于結構復雜、價格昂貴、維護不易,在推廣應用方面仍存在較大的局限性[3],為此提出用于地下配電站單向防汛的自動排水擋板設計。

1 自動排水擋板結構設計與選材

本文設計自動排水擋板結構結合了機械、電子和信息科技等多種技術手段,能夠實現地下配電站的自動排水。其主要由浮板、內/外側支撐、加固桿以及90°鉸鏈組成。浮板下側為鋁合金擋水板,上側為橫條紋木頭,由鋁合金板起到擋水的作用,橫條紋木頭可供行走踐踏和支撐力。在遇到洪澇災害時,經常采用鋁制的擋水板,用于地下空間緊急情況下的防汛,所以鋁制的擋水板也可以用來做這種擋水設備的擋板[4]。安裝拆卸迅速,抗壓性能好,美觀耐用[5]。上層使用的是橫條紋的木頭,從材料的選擇上來講,應該是一種結實、耐用、耐腐蝕的材料,因此可以使用的材料是花旗松的碳化木板材,這一板材的重量為3 kg左右。

90°鉸鏈的功能是提供擋板側向支撐力,平衡洪水對擋水板造成的側向載荷,并對擋板發揮固定的功能,以鉸鏈為轉軸,浮板與地面的角度必須保持在90°～180°?？蛇x用承載力較高的鋅合金制成的鉸鏈,鉸鏈直徑為150 mm[6]。內/外支撐均采用圓形鋼管,鋼管直徑為200 mm,中央用斜向相交的方式進行支撐。支撐的作用是為浮板提供支撐力,外部用防腐蝕涂料保護[7]。鉸鏈內部的加強筋采用一種新的梁端固定螺栓來加強鉸鏈抗壓力,每隔10 mm布設一條加強筋,利于加強筋來消除排水擋板所受到的縱向力,發揮出其擋水功能。

2 自動排水擋板功能模塊設計

針對地下配電站實際運行中存在的安全隱患,同時結合配電站單相防汛功能需求,對自動排水擋板功能模塊進行設計。自動排水擋板主要包含地下水環境監測模塊、地下水環境當時最大值模塊、地下水環境實時數據模塊、報警統計模塊、防汛實時狀態模塊、自動排水及擋水模塊,具體如圖1所示。

圖1 自動排水擋板功能模塊示意圖

環境監測功能模塊主要是計算當日配電站環境溫濕度監測點采樣時平均溫度、濕度、水位等水環境數據信息,以曲線方式展示,通過環境濕度、環境濕度、水位曲線判斷環境溫度、濕度、水位等變化趨勢,從而判斷配電站環境溫度、濕度以及水位是否處于異常狀態[8]。水環境當時最大值模塊主要是將監測到的環境根據不同類型進行數據比較,只顯示當日最大數據值[9]。地下水環境實時數據模塊主要是對監測采集到的環境數據自動展示以及動態刷新[10]。報警統計模塊主要是統計環境監測報警及在線監測報警各自合計數據,數據實時動態刷新,對當前存在的環境異常情況進行實時報警。防汛實時狀態模塊主要是展示各種安防設備及傳感器實時狀態,狀態為根據設備類型分為正常、報警;打開、關閉等不同狀態,以及對閘門設計控制,單擊“閘門”,在彈出的提示窗口點擊確定,完成閘門控制指令發送,現場設備運作[11]。自動排水與擋水模塊主要是根據報警信息,對擋板開關進行控制,發出報警分為兩種情況,一是有水從外部涌入,涌入量達到設定閾值,擋板閘門自動開啟,阻擋外部水涌入;二是地下配電站存水量達到最大限值,擋板閘門自動關閉,令地下積水從排水管道排出,排水通道是單向的,在排除內部積水的同時不會造成外部流水的侵入。

3 自動排水擋水程序設計

采用自動化技術對自動排水擋水程序設計,擋板自動排水擋水程序主要包括環境信息采集、數據分析以及擋板自動控制三個部分,利用多種傳感器采集到地下配電站水環境數據信息,其中包括水位傳感器、溫度傳感器以及濕度傳感器[12],考慮到采集到的信息種類比較多,對采集的地下配電站環境數據信息進行標準化處理,其用公式表示為

(1)

k=(z-z1)+(x-x1)+(m-m1)

(2)

式中:k為地下配電站狀態值;z、z1分別為當前地下配電站水位值和最大水位限值;x、x1分別為地下配電站溫度和最大溫度限值;m、m1分別為地下配電站濕度和最大濕度限值。如果計算到配電站環境狀態值為正數,則表示配電站環境異常,外部水涌入到配電站內部,導致內部積水增多[15],利用控制器控制自動排水開關開啟,自動排水擋板開關開啟,其控制指令用公式表示為

(3)

式中:b為自動排水擋板開關控制指令;0為自動排水擋板開關開啟;1為自動排水擋板開關關閉。利用控制器對擋板開關自動控制,以此實現擋板的自動排水擋水程序設計。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設計

本文設計的用于地下配電站單相防汛的自動排水擋板在實際中應用效果并未得知,以下將采用對比實驗的方式將設計檔案應用到實際中,對本文設計的自動排水擋板的可靠性與適用性進行檢驗,選擇目前最為常用的兩種地下配電站單相防汛的自動排水擋板作為參照對象,為了方便后續實驗表述,以下分別用傳統檔案A與傳統擋板B表示。選擇某地下配電站為實驗環境,與配電站相距10 m處,存在一個地下商場,此地下商場屬于大型的地下設施,通常具有較高的地下水位和復雜的地下水流動情況,并且配電站所在區域降雨量比較大,在雨季時期雨水經常從電纜孔洞流入到站內,給配電站的正常運行帶來安全隱患。在該配電站排水系統中安裝自動排水擋板,利用排水擋板對配電站進行單向防汛,對具體效果進行評定。

具體實驗過程如下:

(1)安裝自動排水擋板:在配電站的電纜孔洞處安裝設計的自動排水擋板,同時在距離配電站10 m處的地下商場的電纜孔洞處分別安裝傳統檔案A和傳統擋板B。

(2)數據收集:以水泵噴水的方式模擬出自然降雨,收集配電站內的降雨量數據,記錄三種自動排水擋板在相同降雨量下的排水效果。同時,觀察三種自動排水擋板的故障發生情況。

(3)數據分析:對比三種自動排水擋板的排水效果、故障發生情況以及配電站內的降雨量數據,分析設計的自動排水擋板的可靠性和適用性。

4.2 實驗結果與討論

地下配電站積水量可以反映用于地下配電站單向防汛的自動排水擋板性能,故本次實驗將其作為三種排水擋板性能評價指標,以水泵噴水的方式模擬出自然降雨,在地下配電站所在區域使用水泵噴水,水量范圍在100～170 mm,將100 mm水量作為初始工況,每隔60 min增加水量10 mm,使用IFAFH-5557測量儀測量不同水量情況下地下配電站積水量,使用電子表格對測量數據記錄,具體數據如表1所示。

由表1可知,三種排水擋板在配電站積水量方面表現出明顯的差異,在設計自動排水擋板的應用下配電站積水量雖然會隨著水量的增加而增長,但是地下配電站積水量始終未超過2 mm,正常情況下該配電站所在區域歷史最大降雨量未超過170 mm,并且配電站積水量不超過30 mm情況下,是不會對配電站內電氣設備造成影響,因此可以看出在設計排水擋板應用下,配電站不會存在嚴重的積水問題。而相比之下,在傳統排水擋板A應用下配電站積水量比設計排水擋板高將近63 mm,傳統排水擋板B積水量比設計排水擋板高將近67 mm,因此證明了在擋水效果方面設計擋板優于兩種傳統擋板。排水也是擋板的功能之一,因此對三種擋板排水率進行對比分析。針對該指標檢驗共設計八組實驗,每組實驗中地下配電站受地下水影響積水厚度均超過30 mm,在該情況下對積水自動排出,根據排出水量與存水量確定排水率,使用電子表格對實驗數據記錄,具體數據如表2所示。

表1 三種自動排水擋板應用下配電站積水量對比

由表2可知,三種排水擋板在排水率方面也表現出明顯的差異,設計擋板排水率范圍為95.86%～98.46%,平均排水率為97.48%,而傳統擋板A排水率范圍為72.46%～76.52%,平均排水率為75.49%,比設計擋板低將近22%,傳統擋板B排水率范圍為65.34%～68.52%,平均排水率為66.47%,比設計擋板低將近31%。因此通過以上實驗數據證明了,無論是在擋水效果方面還是在排水效果方面,設計擋板均表現出明顯的優勢,相比較兩種傳統自動排水擋板更適用于地下配電站單向防汛的自動排水。

表2 三種排水擋板排水率對比

5 結語

能源革命與數字革命正在深度融合。從技術特征和功能形態上看,作為能源革命中心環節的電網正向能源互聯網演進。深入推進數字技術與電網技術融合發展,在電網全環節推進數字化轉型,在堅決執行數字化轉型發展戰略的同時,針對目前箱變存在的痛點問題,按照產品統一、模塊組合、不停電安裝模式,研究設計了用于地下配電站單向防汛的自動排水擋板,以配電管理的在線化、透明化、移動化、智能化為主線,以數字化管控平臺為依托,實現地下配電站單向防汛與數字化技術的有機融合,全面提升了地下配電站單向防汛水平和優質服務能力。