500 kV刀閘開關共用機構的問題分析與預控研究

葉甲寅

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

漳州核電一期工程裝機容量為2×1212 MW，網(wǎng)控樓開關站設計以500 kV一級電壓接入系統(tǒng)。為提高電廠送出負荷的可靠性，開關站采用一個半(3/2)斷路器的接線方式，本期工程500 kV系統(tǒng)建設2回進線，4回出線，其中2回接入東林變，2回接入五峰變，共2個完整串和2個不完整串，并預留擴建接口和位置。遠期預留4回主變壓器進線、分段斷路器和高抗回路,前期的2個完整串交叉進出線與兩母線形成雙環(huán)路供電的運行方式，當單母線或斷路器發(fā)生故障時，任何一路出線和進線都不會停電。該接線方式的開關站調(diào)度靈活，倒閘操作、檢修隔離方便，是大型發(fā)電廠機組和電網(wǎng)公司變電所超高壓配電系統(tǒng)較為廣泛應用的一種接線。

本文介紹了500 kV開關站的主要設備及操作系統(tǒng)，對同行核電站發(fā)生的案例進行剖析，針對刀閘開關共用機構存在的安全隱患從設計源頭提出改進方法，詳細介紹運行操作與檢修維護時的注意事項、巡視檢修內(nèi)容。并將設計優(yōu)化落實到漳州核電“華龍一號”，同時也希望能夠給后期運行維護和倒閘操作提供理論上的指導，避免和減少故障的發(fā)生。

1 設備介紹

1.1 斷路器

500 kV斷路器初步設計采用SF6氣體絕緣，單壓式雙斷口，碟簧儲能、液壓操作機構，用于跳閘出口和開斷大電流工作，具有良好的滅弧能力。進線電源回路和分段回路采用三相操作，出線回路單相操作，具備三相和單相快速自動重合閘的功能。每個斷路器都有3副獨立的合閘反饋接點和3副獨立的跳閘反饋接點送至對應的測控裝置，經(jīng)過測控裝置的邏輯組合后在NCS系統(tǒng)后臺顯示該斷路器的真實狀態(tài)位置，邏輯關系為 “三相合為合，單相分為分”。斷路器具備遠方或就地操作功能，合閘操作與其兩側的隔離開關有五防邏輯關系。

1.2 刀閘開關

在開關站設備中，隔離開關和接地開關具有相類似的刀閘機構，都是采用三相機械聯(lián)動，兩者在功能作用方面不一樣，其他的區(qū)別就是機構箱內(nèi)的齒輪傳動比有差異。通常會把隔離開關和接地開關統(tǒng)稱為刀閘開關(見圖1)。

圖1 刀閘開關共用傳動機構Fig.1 Common transmission mechanism of the knife switch

1.2.1 隔離開關

隔離開關最主要作用有兩點：一是檢修工作時，將待檢修設備與電網(wǎng)隔斷，并且保持一定的距離，保障檢修人員與設備的安全。二是運行期間，與斷路器配合，靈活地倒閘操作，根據(jù)運行需求而提供不同的運行方式。隔離開關的滅弧能力非常小，僅能開斷小電流，不能斷開正常工作電流和故障電流，但應該具備熱和動穩(wěn)定性，確保合閘運行時能通過故障時的短路電流(見圖2)。

圖2 隔離開關設備Fig.2 Isolation switchgear

1.2.2 接地開關

系統(tǒng)正常運行時接地開關都是處于分閘狀態(tài)，檢修時將待檢設備與接地系統(tǒng)連接。檢修人員在檢修工作開始之前就得檢查確認接地開關是否可靠接地，確認無誤后才開展下一步檢修工作。運行人員在恢復送電的時候，首先必須保證所有的接地開關都屬于分閘狀態(tài)，確認無誤后才進行下一步倒閘送電操作。對于全封閉的GIS設備，判斷接地開關是否可靠接地或者完全分開，不僅要檢查傳動機構的實際動作情況，還需要通過檢查窗口去確認接地開關的實際位置。

1.3 NCS系統(tǒng)

網(wǎng)絡控制監(jiān)控系統(tǒng)(NCS)是開關站的操控系統(tǒng)，系統(tǒng)按分層分布式開放系統(tǒng)配置設計，一套采集數(shù)據(jù)的測控裝置，通過交換機、管理機進行雙網(wǎng)以太網(wǎng)組態(tài)，對開關站內(nèi)的所有設備進行管理和監(jiān)控。站控層具備工程編輯維護、運行操作監(jiān)控、五防邏輯判據(jù)等功能。間隔控制層包括兩臺通信管理裝置、兩臺交換機及若干測控單元。站控層和間控層之間采用雙以太網(wǎng)相連，實現(xiàn)信息交換，滿足運行操作人員能有效管理和監(jiān)控開關站的所有設備。運行人員可以通過“操作員工作站”的后臺電腦對現(xiàn)場設備進行管控操作。

NCS系統(tǒng)具備遙信、遙測、遙控、遙調(diào)的“四遙”功能。遙信包括斷路器、隔離開關、接地開關的狀態(tài)、變壓器分接頭信號、開關站一次設備的告警信號、各種保護跳閘信號、告警信號，大部分采用光電隔離方式輸入系統(tǒng)，有部分也可通過通信方式獲得。遙控是指運行或調(diào)度人員能根據(jù)實際工況對開關站或廠站的設備進行管控，為保證可靠，NCS系統(tǒng)具有返送校核功能，將遙控操作分為兩步來完成，簡稱“遙控返校”。

1.4 五防系統(tǒng)

五防系統(tǒng)是防止電氣設備誤操作的重要系統(tǒng)，對于中壓、高壓系統(tǒng)，不僅設計有機械五防關系，還有電氣二次控制回路五防和邏輯五防。為確保電氣設備的安全運行，開關站設備在正常操作前，都必須通過五防系統(tǒng)的模擬預演和邏輯判據(jù)，在五防邏輯正確的情況下才能進行真實的設備操作。一防止誤分、誤合斷路器；二防止帶負荷拉隔離開關；三防止帶電掛(合)接地線(刀閘)；四防止帶地線(刀閘)合斷路器或隔離開關送電；五防止誤入間隔。

在五防系統(tǒng)，斷路器、隔離開關和接地開關的分合閘反饋接點是組成所有邏輯條件的信號來源。如果分合閘反饋接點不可靠或與現(xiàn)場實際情況不符，五防系統(tǒng)就形同虛設，模擬預演和邏輯判據(jù)都將失去真實性，容易發(fā)生帶著接地開關送電、帶電合分隔離開關的重大錯誤操作，最終導致傷害設備安全和人身安全。

2 事故案例

某核電站500 kV開關站，當時500 kV 1號、2號母線正常運行，1號、2號、3號機主變正常運行，4號主變壓器A級檢修。嶺深乙線路按計劃轉檢修，檢修工作結束后，按上報省調(diào)的啟動方案進行啟動操作，當電站在執(zhí)行操作合上50511隔離開關命令后，1號母線母差保護保護動作，跳開母線側的斷路器，導致1號母線失電(見圖3)。

圖3 某核電站開關站接線圖Fig.3 Wiring of a switch station in a nuclear power plant

事故發(fā)生后，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生的直接原因是隔離開關50511與斷路器5051之間的接地開關505117操作時，因傳動桿脫落只有A相打開，B、C相還處于接地狀態(tài)。由于刀閘的位置指示器在共用操作機構箱，現(xiàn)場505117機構操作箱顯示該地刀已分閘，NCS系統(tǒng)后臺也收到505117接地開關的分閘到位反饋信號，五防邏輯判斷可進行下一步操作。操作員在后臺發(fā)出遙控指令合上隔離開關50511，直接帶地線合隔離開關送電，導致母線直接接地，母線差動保護動作。

3 事故分析

經(jīng)了解，事故案例中的隔離開關、接地開關、快速接地開關都是采用三相機械聯(lián)動，機構箱內(nèi)有一副合閘接點和一副分閘觸點，合分閘反饋觸點從機構箱內(nèi)部送到設備對應的測控裝置，再由測控裝置送給網(wǎng)控系統(tǒng)后臺，以單副接點的開合狀態(tài)來反饋開關的合分閘位置。

結合現(xiàn)場事故發(fā)生的情況及調(diào)查，從設備因素和人為因素對該事故進行分析與總結：

一是事故案例中的刀閘開關采用三相共用操作機構，該型號的機構設計存在安全隱患。刀閘開關在恢復送電操作過程，接地開關的驅動電機傳動A相，然后通過傳動桿傳動B/C相動作，三相機械聯(lián)動共用機構的位置指示器設置在A相位置，無法真實反映B、C相的操作情況，送給NCS系統(tǒng)的接點僅采集了控制箱內(nèi)的輔助接點作為三相位置接點，接地開關的分、合位并非通過三相位置接點進行判斷，無法真實顯示接地開關的三相實際位置。在操作機構傳動桿脫落導致三相不一致的情況，判斷該接地開關為分閘狀態(tài)，使NCS系統(tǒng)的返校功能和五防系統(tǒng)模擬預演、邏輯判據(jù)功能失效，誤導系統(tǒng)允許下一步操作，直接導致故障發(fā)生。

二是操作人員對于刀閘開關的專業(yè)知識不夠，不熟悉或疏忽了開關操作時的巡視檢查內(nèi)容。操作過程中，僅通過共用機構的位置指示器去判斷接地開關的狀態(tài)位置，沒有仔細檢查傳動機構和接地開關的動觸頭實際位置，直接導致事故發(fā)生。

三是檢修平臺設計也存在缺陷。電氣設備正常操作時，都需要有現(xiàn)場操作檢查人員確認現(xiàn)場的電氣設備、開關的實際狀態(tài)，但由于GIS開關站的部分刀閘開關位置較高，檢修平臺設計不合理，現(xiàn)場巡視的操作人員無法通過開關的內(nèi)窺鏡或觀察孔去確認開關的實際位置，給事故埋下伏筆。

4 預控及解決方法

針對500 kV開關站刀閘開關共用機構的安全隱患問題，從優(yōu)化設備設計和提高人員的專業(yè)技能進行預控，提出傳動機構和檢修平臺設備的優(yōu)化方法，列出運行維護時的注意事項、巡視檢修維護內(nèi)容，能更好地避免和減少故障的發(fā)生。

4.1 優(yōu)化傳動機構

從運行和維護經(jīng)驗反饋發(fā)現(xiàn)，隔離開關和接地開關采用三相共用操作機構，由傳動桿帶動三相同時動作，正常情況下能滿足運行使用要求，但存在一定概率的安全隱患。通過設計源頭對設備進行優(yōu)化整改，刀閘開關取消三相共用一個反饋觸點，修改為三相連桿傳動，采用每相獨立設置分合閘反饋指示，其動觸頭分別到達合閘或分閘位置后才能發(fā)出合閘或分閘位置反饋信號，NCS系統(tǒng)收到刀閘開關三相都是合或分閘信號反饋后，在畫面才能顯示該刀閘開關處于合閘或分閘狀態(tài)，保證系統(tǒng)返校功能的正確性、真實性。

為確保設備的可靠性，根據(jù)隔離開關的主要作用和操作條件，在技術規(guī)格書上要求設備廠家滿足以下基本要求：

1)隔離開關分閘后必須有明顯的斷開距離，且能讓運維人員判斷檢修設備是否和帶電設備分離。

2)隔離開關的動、靜觸頭根據(jù)電壓等級不同有不同的絕緣距離，能保證在過壓的異常或故障下，能保證絕緣距離在安全范圍以內(nèi)，從而保障檢修人員的安全。

3)隔離開關不具備開斷正常工作電流和故障電流的能力，需要保障其動、熱穩(wěn)定性，要防止正常運行時因故障或異常情況時自動分開。

4)隔離開關能開斷的電流較小，應具備開斷較小電容電、電感電流和環(huán)流的能力，且觸電不被損壞。

5)隔離開關在運行操作分、合閘時，同期后能以迅速合分，降低動觸頭進入靜觸頭的時間，且力度合適，能有效降低操作時的過電壓、觸頭燃弧次數(shù)。

6)隔離開關的操作和傳動機構不能過于復雜，動作過程得穩(wěn)定可靠，具備適當?shù)臋C械強度，其材料具備一定的抗氧化和抗腐蝕能力，在異常天氣的環(huán)境下也能保證穩(wěn)定操作。

7)部分附帶接地開關的隔離開關，應具備防誤操作功能，滿足五防要求。

8)隔離開關和斷路器的操作應滿足防誤操作的電氣閉鎖和軟件閉鎖，具備防止帶負荷誤分、合隔離開關。

4.2 優(yōu)化檢修平臺

優(yōu)化檢修平臺設計或者設定固定的檢修平臺，能讓現(xiàn)場檢查人員通過內(nèi)窺鏡或檢查窗口去確認刀閘開關的實際位置。檢查窗口位于靜觸頭側。該窗口寬大約20 mm，也可用于連接內(nèi)窺鏡。通過內(nèi)窺鏡和動觸頭上的兩個標記，就可檢查絕緣子是否正確位于“I”或者“C”位置，即動觸頭插入到靜觸頭內(nèi)是否有足夠的深度。如果只能看到其中一個標識，則說明觸頭接觸充分；如果兩個標記都能看見，則說明觸頭接觸不足。在觀察位置指示器后，現(xiàn)場實際情況和NCS后臺顯示一致后方可最終認定刀閘開關的實際位置，并進行匯報和下一步操作。

4.3 注意事項

刀閘開關在五防系統(tǒng)中的邏輯關系較為復雜，在回路接線閉鎖和五防邏輯判斷中，都需要防止帶電合分隔離開關和防止帶接地開關合隔離開關。例如，出線線路的隔離開關操作時，其相鄰的斷路器都必須在分閘位置、相鄰的接地開關都在分閘位置且無手動操作、線路側無電壓等所有條件都全部滿足的情況下，五防系統(tǒng)和控制操作系統(tǒng)才允許運行操作人員將線路的隔離開關合閘，任何一點條件不滿足的話，線路隔離開關將無法合閘。因此，對于操作和檢修人員，在日常操作、巡視維護時需要注意以下幾個事項：

1)確認檢修范圍內(nèi)的斷路器、隔離開關均處于分閘狀態(tài)，并確定待送電設備的接地開關和臨時接地措施已經(jīng)全部打開和解除。

2)確認斷路器、隔離開關、接地開關的操作機構電源電壓在合格范圍之內(nèi)。

3)對于手動合分的隔離開關、接地開關，在操作過程中，合閘時，要迅速、果斷且注意控制力度，防止用力過大，合閘操作結束后檢查刀閘的靜、動觸頭是否到位，接觸情況是否牢靠。分閘時開始時要穩(wěn)妥操作，刀閘的動觸頭離開觸頭時要迅速拉開，并且操作完檢查靜、動觸頭的分閘情況。

4)隔離開關、接地開關在日常操作時，若遇到卡澀無法操控、動靜觸頭偏離導致無法插入、動觸頭無法到位等異常現(xiàn)象時，應立即停止操作，待檢修人員將異常現(xiàn)象或設備缺陷消除，設備恢復正常后才可繼續(xù)下一步操作。

5)對于室外的隔離開關、接地開關，手動操作過程時，需要留意絕緣子的情況，如發(fā)現(xiàn)絕緣子有異常情況，應立即停止操作并離開現(xiàn)場，防止人員受傷害。

6)在NCS后臺對隔離開關、接地開關進行操控時，值班巡檢人員在每操作完一次步驟后，應對其開關逐相檢查，確認被操作的開關的分、合閘位置、動觸頭是否到位等現(xiàn)場情況，確認開關動作正常，分合閘位置正確后上報給后臺操控人員。對目前三相共用機構型號的隔離開關，合閘操作完畢后，應仔細檢查三相的動觸頭是否真正到位。

7)對于NCS后臺操控隔離開關、接地開關時，若發(fā)生遠方系統(tǒng)無法操控的情況，需要通知檢修人員及時處理。若在緊急情況下，需要轉就地手動操作，需要由值長或站長向上級申請，同意后由監(jiān)護人員一同進行倒閘操作。

8)所有操作結束后，保留斷路器的控制電源和動力電源，對于隔離開關、接地開關的直流控制電源和交流動力電源可選擇斷開，防止運行期間誤操作。

9)所有隔離開關、接地開關的操作，都需要遵循電氣五防和軟件五防的步驟進行，不能人為干預或跳步操作。在特殊情況下，需要用解鎖鑰匙跳步操作時，應向上匯報情況，確認操作步驟無誤后才能進行。

4.4 巡視內(nèi)容

對于運行人員在GIS開關站日常巡視檢查，建議注意以下幾點：

1)確認室外的避雷器、均壓環(huán)、進出線支撐絕緣子干凈無積灰、無破損、沒有放電狀況和異常拉弧的聲音。重點檢查并記錄避雷器的泄漏電流和動作次數(shù)。

2)處于室外的刀閘開關，應檢查其觸頭接觸情況，確認接觸良好，機械結構牢靠無松動，沒有出現(xiàn)變形的異常現(xiàn)象。引線、均壓環(huán)沒有松動、擺動、偏斜、斷股等異常現(xiàn)象。定期用紅外成像儀檢查其溫度均正常，無發(fā)熱現(xiàn)象，在額定電流運行的情況下，其溫度應在合格范圍之內(nèi)，并記錄。

3)進入開關站前，確認站內(nèi)的SF6濃度處于正常范圍，氣體告警裝置無告警，風機運行正常且通風良好，方可進入開關站進行巡視。

4)檢查就地匯控柜無報警、電氣指示正確、空開無跳閘，閘刀、斷路器轉換開關指向遠方，NCS、硬接線轉換開關都指向聯(lián)鎖。

5)檢查記錄斷路器各相合閘次數(shù)，記錄斷路器各相儲能電機啟動次數(shù)，檢查開關各相的儲能、液位正常、在驅動機構殼內(nèi)底部檢查無漏油，三相驅動無異常，無破損，并抄錄各氣室壓力。

6)對于三相共用一個操作機構的刀閘開關，巡檢時應注意傳動機構、連桿、齒輪、轉軸等所有的機械沒有出現(xiàn)開裂、變形、生銹、松動、脫落，各部件連接良好，三相位置一致并且能到達對應的分合閘位置。

7)對于刀閘開關的帶電部分，應確認無夾帶其他雜質，其操作機構、與外部連接的端子箱、接線盒應處于密封狀態(tài)，具備防塵、防水、防潮等功能。內(nèi)部的空氣開關、二次回路、接線端子、加熱器等電氣元件應正常運行。

8)五防閉鎖裝置應正常，電磁和機械鎖的元器件都能正常工作。

9)當系統(tǒng)發(fā)生過短路故障，有短路故障電流流過隔離開關時，需要對其動、靜觸頭進行檢查，確認其觸頭無熔化、燒弧的現(xiàn)象，絕緣子無破損和放電的痕跡。

4.5 檢修維護

檢修工作人員需經(jīng)過安全教育和技術培訓，達到上崗條件，人員資質符合要求，負責人應能勝任此項工作，組織得當，分工明確。在檢修維護前應根據(jù)工作票的工作內(nèi)容確認停電技術措施是否正確。對于刀閘開關設備的檢修維護時應注意以下幾點：

1)檢修維護期間，檢修人員應對刀閘開關的外部雜質、灰塵進行清掃，并對機構箱、接線盒、端子箱、傳動機構等進行維護。

2)對檢修范圍內(nèi)的設備，對其控制電源回路、動力回路、傳動機構進行檢查，確保內(nèi)部加熱除濕器能正確投退，端子接線牢固。

3)定期用熱成像儀對開關設備進行巡檢，并形成巡檢報表，根據(jù)其溫度變化判斷設備是否正常。

4)若發(fā)生短路故障、或者雷電天氣時，檢修維護人員要重點檢查隔離開關的觸頭，檢查是否存在過熱或受損。

5)按檢修周期對其進行試驗，確保設備傳動正常、觸點接觸緊固、五防邏輯正確。

5 實際應用

漳州核電一期工程500 kV開關站的初步設計，設計院延續(xù)了常規(guī)廠站的設計思路，在《500 kV GIS技術規(guī)格書》和《500 kV升壓站監(jiān)控裝置NCS技術規(guī)格書》A版文件上都是采用共用操作機構箱。經(jīng)過對刀閘開關共用機構的問題的分析和溝通，設計院最終同意我方提出的審查意見，并進行設計變更，取消開關站22個隔離開關，36個接地開關三相共用一個反饋觸點的設計模式，采用每相獨立設置分合閘反饋指示。每相分合閘位置反饋接點送到測控裝置，由NCS系統(tǒng)根據(jù)三相的接點反饋組成邏輯，所有設計變更要求在技術協(xié)議上體現(xiàn)。最終將落實到漳州核電項目中。

6 總結

500 kV級的開關站在電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要性不言而喻，開關站設備的穩(wěn)定運行直接關系到電廠送出負荷的可靠性、電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，直接影響電站的安全穩(wěn)定高效運行。因此，當設備設計存在缺陷或存在安全隱患的時候，就應該及時優(yōu)化改正。運行操作和檢修維護人員要提升專業(yè)技術能力，根據(jù)設備實際情況進行專業(yè)培訓，確保每一次倒閘操作，運行人員都能正確操作和按要求檢查，每次一檢修項目，檢修人員都能按規(guī)范要求進行全面維護，降低或避免事故的發(fā)生。