變電站中10kV開關柜的機械聯(lián)鎖分析

李宇輝

（ABB（中國）有限公司，福建廈門，361000）

1 五防裝置及機械聯(lián)鎖的內涵

“五防”是對電力系統(tǒng)高壓電氣設備必須具備的五種防誤功能的簡稱，是確保高壓電氣設備電力安全及使用過程中操作人員人身安全的重要措施。五防裝置的基本功能為：

（1）防止帶負荷分、合隔離開關。（斷路器、負荷開關、接觸器合閘狀態(tài)不能操作隔離開關），即防出現(xiàn)斷路器止誤分誤合現(xiàn)象，只有操作設備與操作指令完全對應，才能對電氣設備進行操作。以10kv中壓開關柜為例，其內部的斷路器處于非工作/試驗位時，斷路器無法合閘。只有操作指令（斷路器合閘）與操作設備（手車位置）對應才能對被操作設備操作（如圖1-3所示）。

圖1 10kV中壓開關柜防止誤分誤合示意圖

圖2 斷路器處于非工作/試驗位置

圖3 手車位置指示器熄滅，斷路器無法合閘

（2）防止誤分、誤合斷路器、負荷開關、接觸器。（只有操作指令與操作設備對應才能對被操作設備操作）。即防止操作人員在電氣設備處于帶荷狀態(tài)時進行隔離開關分合操作，確保接觸器、負荷開關、斷路器處于合閘狀態(tài)時無法對隔離開關急性操作。以10kV中壓開關柜為例，其柜體門板上通常標有如下操作說明（見圖4），當柜內斷路器處于合閘狀態(tài)時，搖把插入操作口后，僅能搖入（順時針）或搖出（逆時針）1/2圈，手車無法從試驗位搖出，（見圖5）。

圖4 10kV中壓開關柜柜體門板操作說明

圖5 10kV中壓開關柜防止負荷分合示意圖

（3）防止接地開關處于閉合位置時關合斷路器、負荷開關。（只有當接地開關處于分閘狀態(tài)，才能合隔離開關或手車才能進至工作位置，才能操作斷路器、分荷開關閉合）。即防止在設備帶電狀態(tài)下進行掛接地線或閉合接地開關操作，確保相關操作只能在斷路器分閘狀態(tài)下才能完成。以采用機械聯(lián)鎖的10kV中壓開關柜為例，當其斷路器處于非試驗位時，接地開關舌片無法摁下（見圖6），操作手柄無法插入操作口，接地開關無法合閘，當斷路器處于分閘狀態(tài)，才允許手車從工作位搖出至試驗位，此時，才允許接地開關合閘。

圖6 10kV中壓開關柜防止帶電接地

（4）隔離開關或手車才能從工作位置退至試驗位置，才能合上接地開關。即防止在帶地線情況下，進行閉合斷路器或隔離開關操作，避免發(fā)生帶地送電安全事故。以10kV中壓開關柜為例，當其接地開關處于合閘狀態(tài)時，斷路器手車無法由試驗位搖入工作位。此時，若搖把插入操作口，僅能順時針搖動7/4圈。

（5）防止誤入帶電室。（只有隔室不帶電時，才能開門進入隔室）即防止誤入帶電間隔，確保在隔室處于不帶電狀態(tài)時，操作人員才能順利開門進入隔室。以10kV中壓開關柜為例，其斷路器小車操作口與斷路器室門有聯(lián)鎖，僅當斷路器室門關閉后，搖把才能插入操作口進行操作。保證對斷路器進行操作時，操作者與帶電小室隔離。10kV中壓開關柜的斷路器室右側裝有聯(lián)鎖鉤，在斷路器從試驗位搖入工作位的過程中，連鎖鉤將向下移動，與斷路器室門上的裝置相扣，保證小室的門無法打開。（見圖7）

圖7 10kV中壓開關柜防止誤入帶電

10kV中壓開關柜的電纜室門與接地開關具有聯(lián)鎖。當接地開關合閘時，柜門才能被打開；當柜門關閉后，接地開關允許分閘。當接地開關合閘時，電纜室門可以打開，此時操作口處的聯(lián)鎖插銷彈出。當電纜室門關閉，隔離操作者與電纜室后，插銷縮回，接地開關才可分閘。接地開關由合閘狀態(tài)變?yōu)榉珠l狀態(tài)時，電纜室門右側的閉鎖鉤動作，緊扣電纜室門，使之無法開啟，保證帶電室與人員隔離。

機械聯(lián)鎖是高壓電氣設備五防裝置四種常規(guī)防誤閉鎖方式中的一種。根據字面意思可知，該閉鎖方式是通過機械裝置或機構的機械作用，來實現(xiàn)設備啟動或操作過程中的防誤聯(lián)鎖。在五防裝置四種常規(guī)防誤閉鎖方式中，機械聯(lián)鎖裝置雖然只能實現(xiàn)簡單的聯(lián)鎖功能，但最具可靠性，對于變電站高壓開關柜，尤其是手車式開關柜而言，其聯(lián)鎖方式應首選機械聯(lián)鎖，只有在機械聯(lián)鎖無法實現(xiàn)時，才會考慮使用電氣聯(lián)鎖[1]。

2 聯(lián)鎖類型和優(yōu)缺點分析

現(xiàn)階段，用于電力高壓設備上的聯(lián)鎖類型主要有機械聯(lián)鎖、機械程序鎖、電磁閉鎖、微機防誤閉鎖四種。不同類型的聯(lián)鎖方式，其應用優(yōu)點和缺點也存在一定的區(qū)別。

機械聯(lián)鎖是利用開關柜或戶外閘刀操作機構間的機械聯(lián)動或約束來實現(xiàn)閉鎖功能。從實際應用情況來看，該聯(lián)鎖方式的優(yōu)點在于：操作簡便、使用可靠性高，若解鎖過程中出現(xiàn)誤操作，可自動閉鎖阻止錯誤操作行為繼續(xù)進行，同時，還能夠滿足正向和反向閉鎖要求，具有閉鎖直觀、檢修壓力小的特點。其應用缺點有：（1）受距離因素限制，其只能在開關柜內部機械動作相關部位之間使用，無法實現(xiàn)電器元件動作間或兩個開關柜間的聯(lián)鎖，因此在實際應用過程中，需要與其它聯(lián)鎖方式整合運用才能滿足“五防”要求；（2）裝置結構和部件較為復雜，部分環(huán)境條件下無法有效應用。

機械程序鎖是一種通過鑰匙隨操作程序傳遞或置換而實現(xiàn)聯(lián)鎖控制的聯(lián)鎖類型。從實際應用情況來看，該聯(lián)鎖方式的優(yōu)點在于：結構簡單、易于維護、性能可靠、使用不受距離限制。其應用缺點有：（1）因不具備橫向閉鎖功能，所以在復雜聯(lián)鎖機制下，多組程序鎖與鑰匙難以配對操作，導致開鎖困難：（2）程序鎖與鑰匙相互獨立，在使用過程中容易發(fā)生程序鑰匙遺失問題；（3）開鎖過程必須從頭開始，中間不能間斷；（4）程序鎖需要眾多程序鑰匙，受材質、生產工藝、安裝技術等因素的影響，程序鎖易發(fā)生卡澀、銹蝕等問題，從而影響聯(lián)鎖功能。

圖8

電磁閉鎖是將帶電顯示器、隔離開關、接地開刀、斷路器等電氣設備的輔助接點與電磁閉鎖回路相連接，利用電磁線圈的電磁機構動作來實現(xiàn)聯(lián)鎖功能。該聯(lián)鎖類型是防止誤入帶電聯(lián)鎖環(huán)節(jié)必不可少的聯(lián)鎖裝置。從實際應用情況來看，該聯(lián)鎖方式的優(yōu)點在于：安裝簡單、操作方便、適用性強。其應用缺點有：（1）需要外部電源持續(xù)供電；（2）易被腐蝕、銹蝕，導致直流系統(tǒng)故障、線圈損壞、卡澀等故障的發(fā)生幾率較高，維護工作量較大；（3）單獨使用時只具備解鎖功能，只有與電氣聯(lián)鎖電路整合使用，才會具備正反向閉鎖功能；（4）強制解鎖鑰匙易發(fā)生濫用情況，使用安全性較低。

微機防誤閉鎖是在傳統(tǒng)聯(lián)鎖形式上融合現(xiàn)代計算機技術而形成的新型聯(lián)鎖形式。其產生于20世紀90年代，隨著電子信息技術的不斷發(fā)展，如今微機防誤閉鎖裝置已趨于成熟，并在電力工程中得到推廣使用。在實際應用過程中，技術人員會通過專業(yè)軟件將裝置安裝現(xiàn)場所有的二次閉鎖回路轉化、集成為微機防誤閉鎖能夠識別的五防閉鎖規(guī)則庫，以及實現(xiàn)防誤閉鎖的數字化、智能化控制。從實際情況來看其應用優(yōu)點在于：技術先進、智能化水平高、功能強大、能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)聯(lián)鎖方式難以實現(xiàn)的防誤功能。應用缺點在于：成本投入較大、技術要求高、技術完善性有待提高[2]。

3 斷路器及隔離開關的聯(lián)鎖方式和操作順序

3.1 斷路器及隔離開關的聯(lián)鎖方式

因缺少滅弧裝置，隔離開關無法直接用于負荷電流的接通與切斷。在固定柜中，隔離開關與斷路器之間具有十分明確的聯(lián)鎖關系，即只有當斷路器處于斷開狀態(tài)時，才能對隔離開關進行有效操作。具體而言：當電力系統(tǒng)處于分段閉鎖狀態(tài)時，斷路器無法正常合閘，此時固定柜柜門會處于閉合狀態(tài)，這種情況下，技術人員能夠對隔離開關和接地開關進行操作；當電力系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，斷路器可以正常合閘，此時固定柜柜門會處于關閉狀態(tài)，這種情況下，技術人員無法對隔離開關和接地開關進行操作；當處于電力系統(tǒng)處于檢修狀態(tài)時，斷路器能夠正常進行分合操作，固定柜柜門能夠打開，但技術人員無法對隔離開關和接地開關進行操作。

手車柜與固定柜存在一定的差異性，手車柜中手車的進出相當于固定柜中隔離開關的分合，因此，上述隔離開關聯(lián)鎖要求對于手車同樣適用。

3.2 斷路器及隔離開關的操作順序

變電站對高壓開關柜斷路器及其兩側隔離開關的操作順序具有以下要求：在線路斷電時，應先斷開分線側隔離開關；而在線路恢復送電時，應先閉合母線側隔離開關。該操作順序的作用在于：若技術人員在操作過程中出現(xiàn)人為失誤，則能夠利用斷路器的功能作用最大限度縮小事故影響范圍和效果，以此避免造成更大的損失。然而從實際情況來看，想要嚴格按照上述操作順序對斷路器及其兩側隔離開關進行有效控制具有較高的難度，具體而言：從母聯(lián)和環(huán)網開關的角度看，想要明確區(qū)分母線和線路側具有一定的難度。對于手車柜而言，斷路器兩側的觸頭又具有同進同出的關系，如果隔離開關外側安裝有電流互感器，則情況還會隨之變化。基于此，想要從根本上解決上述問題，確保技術人員能夠嚴格按照既定操作順序對斷路器及其兩側隔離開關進行規(guī)范化控制，就必須要保證斷路器與隔離開關件聯(lián)鎖機制的可靠性。由此可見，開關柜的聯(lián)鎖設計具有極為重要的作用和意義。

4 基本聯(lián)鎖形式和斷路器聯(lián)鎖形式

4.1 基本聯(lián)鎖形式分析

對基本聯(lián)鎖形式進行全面分析是變電站10kV開關柜聯(lián)鎖設計的重要環(huán)節(jié)，作為設計人員必須要熟悉現(xiàn)階段主要的高壓電氣設備聯(lián)鎖類型及每個聯(lián)鎖類型的工作原理、結構形式、應用優(yōu)缺點以及適用條件，并在此基礎上，結合開關柜類型、五防要求、實際使用需求及客戶設計要求進行科學選擇，以此最大限度保障10kV開關柜聯(lián)鎖設計的科學性與實用性。具體而言，現(xiàn)階段高壓電氣設備常見的聯(lián)鎖方式有：機械聯(lián)鎖、機械程序鎖、電磁閉鎖、微機防誤閉鎖。開關柜設計人員首先應通過專業(yè)知識學習熟悉掌握上述聯(lián)鎖方式的技術原理及基本結構形式和應用方法；然后，對各聯(lián)鎖類型的實際應用效果進行全面而深入的調查分析，總結出每個聯(lián)鎖類型主要的優(yōu)缺點，例如：機械聯(lián)鎖可靠性高但結構復雜、功能單一且在使用功能和使用距離方面存在一定的不足之處；機械程序鎖結構簡單、易于維護、使用范圍廣但程序鑰匙易丟失、在復雜聯(lián)鎖機制開鎖困難；電磁閉鎖安裝簡單、適用性強但需持續(xù)供電且維護工作量大等；最后，結合實際情況，靈活選擇并運用不同的聯(lián)鎖形式，確保開光柜聯(lián)鎖設計滿足“五防”需求。

4.2 開關設備管理方法

明確開關設備管理方法，在變電站10kV開關柜聯(lián)鎖設計中具有重要的作用，能夠有效保障斷路器和隔離開關按照相關規(guī)范標準的要求進行設計和使用，從而確保開關柜中各類聯(lián)鎖裝置的功能性。具體而言，包含以下內容：（1）在進行分段閉鎖設備操作管理時，應對操作手柄的狀態(tài)進行科學分析，積極探討開關狀態(tài)與柜門狀態(tài)間的內在聯(lián)系，以此確保操作手柄的功能穩(wěn)定性。與此同時，需要確保線路狀態(tài)和柜門狀態(tài)的功能協(xié)調方法和操作技術形成統(tǒng)一的管理目的，以此促使開關設備和饋電開關的合閘操作具有統(tǒng)一的操作要求，最大限度降低送電失誤問題的發(fā)生幾率。另外，還應根據實際需求采用科學的聯(lián)鎖功能，確保開關柜柜門能夠始終處于關閉狀態(tài)，以此減少送電故障的發(fā)生幾率；（2）在對處于工作狀態(tài)的開關進行操作管理時，應確保斷路器處于合閘狀態(tài)，從而有效避免感應電流對操作人員的生命健康造成危害。與此同時，在操作前，技術人員需要對開關柜柜門閘口進行確認，確保柜門運行狀態(tài)與開關過程相統(tǒng)一，以此達到開關定位的效果。另外，對于處于工作狀態(tài)的開關柜，需要通過合閘聯(lián)鎖的方式進行固定，并分析操作手柄位置，以此確保定位鎖位置和定位操作之間形成統(tǒng)一的管理形式。

4.3 主動與被動聯(lián)鎖的分析

10kV開關柜機械聯(lián)鎖分為“主動聯(lián)鎖”和“被動聯(lián)鎖”兩種類型，前者指的是正常聯(lián)鎖狀態(tài)下，若沒有正常開鎖條件，則開關柜無法實現(xiàn)開鎖，從而有效避免誤操作的發(fā)生。當斷路器處于合閘狀態(tài)時，應保證機械鏈的隔離插頭或開關能夠互鎖，以此確保發(fā)生錯誤時不會產生嚴重的不良后果；而后者指的是在該種聯(lián)鎖狀態(tài)下，可能由于非正常原因，出現(xiàn)解鎖條件，使閉鎖解鎖，從而增大誤操作的發(fā)生幾率。基于此，在進行10kV開關柜設計時，應盡可能采用主動式機械聯(lián)鎖，避免使用被動機械聯(lián)鎖方式，從而進一步提升開關柜機械聯(lián)鎖的安全性和有效性。

4.4 聯(lián)鎖完整功能

變電站10kV開關柜聯(lián)鎖功能的順利實現(xiàn)，需要確保開關柜始終處于一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)和運行體制中，并能夠針對具體的操作行為給予科學的技術管理。因此需要對開關柜聯(lián)鎖功能的完整性進行深入分析，具體而言包含兩方面工作：首先，以《電業(yè)安全工作規(guī)程》為標準，對開關柜裝置的五防功能進行檢驗，確保防止帶負荷分合隔離開關、防止帶電掛接地線（接地線合閘）、防止誤入帶電隔間、防止帶地線送電、防止誤分誤合“五防”功能的有效性和完整性，確保每項聯(lián)鎖要求都能在特定的開關柜操作中有所體現(xiàn)，確保開關柜結構中具有完整的聯(lián)鎖關系，以此最大限度保證開關柜操作的安全性。其次，若開關柜采用一體化智能五防聯(lián)鎖系統(tǒng)，則需要對重點驗收內容進行明確。所謂“一體化智能五防聯(lián)鎖系統(tǒng)”，指的是在傳統(tǒng)五防聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎上，將獨立的五防主機取消并利用智能一體化技術將變電站實時監(jiān)控系統(tǒng)、故障信息系統(tǒng)、日常管理系統(tǒng)以及五防聯(lián)鎖系統(tǒng)有機整合為一體，以此全面提升五防系統(tǒng)智能化、自動化水平，增強聯(lián)鎖功能。通常情況下，智能五防聯(lián)鎖系統(tǒng)包含站控層、間隔層、電氣閉鎖層三級防誤措施，因此，在檢驗開關柜聯(lián)鎖功能完整性時，應重點驗收以下內容：（1）對間隔層進行驗收。首先，對其五防聯(lián)鎖邏輯的正確性進行驗收，確保其能夠滿足各類運行方式和運行狀態(tài)下的安全防誤需求；其次，對其操作功能進行驗收，確保其遇到違反操作邏輯的行為時，能夠自動閉鎖遙控操作、及時發(fā)出警告信息并在測控裝置故障、檢修或通信中斷時始終具備閉鎖功能；（2）對站控層進行驗收。首先，對其遠程操控功能、報警功能進行驗收；其次，對其操作票生成功能進行驗收；（3）對五防鎖具和電腦鑰匙進行驗收。確保五防鎖具具有良好的防銹死能力；電腦鑰匙能夠準確接收、記憶、執(zhí)行操作票且具備電池電量顯示、口令設置、鎖編碼檢查、跳步等功能，從而最大限度保證智能五防聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能性和可靠性[3]。