特高壓與超高壓變電站防誤閉鎖研究

馬 凱， 尹建軍， 彭翔天， 萬禮嵩， 丁學飛， 張曉明， 蘇圓圓

國家電網安徽省電力有限公司 檢修分公司 合肥 230009

1 研究背景

如何避免錯誤倒閘操作一直是電力行業的大問題，也是電力系統一直研究的課題[1-5]。文獻[6]將誤操作分為三類： 運行值班人員誤操作、檢修人員誤操作、其他人員誤操作，闡述了變電站對防誤閉鎖裝置的基本要求，重點介紹了利用綜合自動化裝置實現變電站防誤閉鎖系統的實時方案。文獻[7]構建的防誤閉鎖系統由監控閉鎖邏輯、微機五防閉鎖、電氣閉鎖和機械閉鎖四部分組成，同時給出不同層次的操作命令所對應的閉鎖條件。文獻[8]將紫蜂技術應用于變電站五防，搭建新型防誤閉鎖系統。隨著國網系統“三集五大”政策的實施，目前特高壓與超高壓工程建設持續推進，新一代智能變電站要求實現設備實時遙測、遙信、遙控，對設備的防誤閉鎖提出了更高的要求[9]，因此有必要對特高壓與超高壓變電站典型防誤閉鎖進行總結與分析，為新擴建變電站設計合理的防誤閉鎖邏輯提供參考與借鑒。

2 防誤閉鎖概述

2.1 內容

文獻[10-11]規定，凡是有可能引起誤操作的高壓電氣設備均應裝設防誤閉鎖裝置和相應的防誤閉鎖電氣操作回路。從這個角度出發，提出防誤閉鎖的內容，俗稱五防： 防止誤分合斷路器，防止帶負荷分合隔離開關，防止帶電掛接地線或合接地閘刀，防止帶接地閘刀或接地線合隔離開關，防止誤入帶電間隔。

2.2 原則

防誤閉鎖的具體原則如下。

(1) 防誤閉鎖裝置的結構應簡單、可靠，操作維護方便，盡可能不增加正常操作的復雜性。

(2) 電磁鎖采用間隙式原理，鎖栓能自動復位。

(3) 成套的高壓開關設備應優先選用機械鎖。

(4) 防誤裝置應設有解鎖工具，如鑰匙。

(5) 防誤裝置應不影響開關設備的主要技術性能。

(6) 防誤裝置應做到防塵、防異物、防銹、不卡澀。戶外的防誤裝置還應有防水、防潮、防霉的措施。

(7) 五防中除防誤分合斷路器可采用提示性設施外，其它均應采用強制性措施。

2.3 實現方式

目前特高壓與超高壓變電站一般采用分層控制結構實現防誤閉鎖，即站控層防誤閉鎖、間隔層防誤閉鎖、本間隔電氣閉鎖、同一構架閘刀和接地閘刀之間機械閉鎖等，如圖1所示。

圖1 防誤閉鎖分層控制結構

在站控層進行操作時，系統會對庫內實時遙信信息進行邏輯計算,當滿足五防條件時，相應的遙控命令才能下達，否則將拒絕下達命令，并彈出不滿足五防條件的信息，這樣所實現的閉鎖邏輯是完整、獨立的。在間隔層進行操作時，測控單元對采集的遙信信息也進行邏輯計算，當五防條件滿足時，控制的閉鎖觸點閉合，操作才可進行。當閉鎖條件中涉及其它測控單元的信息時，該測控單元可以從站控層主控單元上調用，這樣所實現的閉鎖邏輯也是完全的。電氣閉鎖只接入了本間隔開關、閘刀的輔助觸點，機械閉鎖只存在于同一架構的閘刀和接地閘刀之間，所以實現的閉鎖是不完全的。如果操作命令發自主控室后臺，則該操作命令收到的閉鎖邏輯為S+J+E+M。如果操作命令發自保護室測控，則該操作命令收到的閉鎖邏輯為J+E+M。如果操作命令來自閘刀的操動機構，則該操作命令收到的閉鎖邏輯為E+M。

3 防誤閉鎖邏輯

目前特高壓與超高壓變電站的主變壓器三側電壓等級一般分別為1000kV、500kV、110kV和500kV、220kV、35kV，高壓側部分一般采用二分之三接線方式，中壓側部分一般采用雙母雙分段接線方式，低壓側部分一般采用單母線接線方式。某500kV變電站電氣主接線如圖2所示，該電氣主接線包含上述三種接線方式。

3.1 二分之三接線

目前電網系統內主變壓器高壓側的主接線方式為二分之三接線，這種接線方式具有很高的可靠性，任何一組母線或者斷路器退出工作時都不影響機組或出線運行。圖2中500kV第一串由5011開關、流變及兩側閘刀和接地閘刀，5012開關、流變及兩側閘刀和接地閘刀，5013開關、流變及兩側閘刀和接地閘刀組成，其典型的防誤閉鎖邏輯如圖3、圖4所示。

以2號主變50131閘刀為例，分析50131閘刀防誤閉鎖邏輯的內容和實現方式。501317接地閘刀或501367接地閘刀在合閘位置時，閉鎖50131閘刀，禁止對50131閘刀進行操作，這是防止帶接地閘刀合隔離開關。由于上述兩接地閘刀與50131閘刀屬于同一架構的電氣設備，它們之間的防誤閉鎖通過機械閉鎖的方式實現。

當5013開關在合位時，禁止操作50131閘刀，這是防止帶負荷分合隔離開關。由于5013開關、501317接地閘刀、501327接地閘刀和50131閘刀屬于同一間隔設備，因此將5013開關、501317接地閘刀、501327接地閘刀的輔助開關觸點串入50131閘刀的控制回路，構成對50131閘刀的本間隔電氣防誤閉鎖。

2號主變壓器三側的接地閘刀分別為501367、48020、3217，為了防止帶接地閘刀合隔離開關，當上述三組接地閘刀中任意一組在合閘位置時，禁止對50131閘刀進行操作。當操作命令來自主控室后臺時，站控層和間隔層防誤閉鎖系統會對501367、48020、3217、501317、501327接地閘刀和5013開關的位置信息進行判斷，當滿足防誤閉鎖邏輯時，允許50131閘刀進行操作。當操作命令來自保護室測控裝置時，間隔層防誤閉鎖系統會對501367、48020、3217、501317、501327接地閘刀和5013開關的位置信息進行判斷，當滿足防誤閉鎖邏輯時，允許50131閘刀進行操作。站控層和間隔層的防誤閉鎖邏輯完全一致，當滿足閉鎖邏輯時，串入50131閘刀控制回路的觸點閉合，允許操作。當不滿足閉鎖邏輯時，串入50131閘刀控制回路的觸點斷開，禁止操作。

綜上所述，電氣閉鎖只接入了本間隔的開關、閘刀的輔助觸點，機械閉鎖只存在于同一架構中的閘刀和接地閘刀之間，所以實現的閉鎖是不完全的。站控層閉鎖和間隔層閉鎖會對系統內所有相關的設備信息進行采集和判斷，所實現的閉鎖邏輯是完整的。

圖2 500kV變電站電氣主接線

圖3 500kV第一串閘刀防誤閉鎖邏輯

圖4 500kV第一串接地閘刀防誤閉鎖邏輯

3.2 雙母雙分段接線

目前電網系統內變壓器中壓側的主接線主要采用雙母雙分段接線，這種接線方式的優點是任意一段母線發生故障時，可以將跳閘范圍縮小到 220kV 區域的1/4，另外3/4區域沒有故障的母線可以保持正常運行，其典型防誤閉鎖邏輯如圖5～圖10所示。

圖5 220kV出線間隔防誤閉鎖邏輯

圖6 220kV同一母線分段間隔防誤閉鎖邏輯

圖7 220kV主變間隔防誤閉鎖邏輯

圖8 220kV不同母線間母聯間隔防誤閉鎖邏輯

圖9 220kV壓變間隔防誤閉鎖邏輯

圖10 220kV母線接地閘刀防誤閉鎖邏輯

(1) 4893間隔4893開關分位，48932、48933閘刀分位，489320、489330接地閘刀分位，220kV ⅠB母線20120、20140接地閘刀分位，允許48931閘刀操作，否則禁止操作。通過以上防誤閉鎖邏輯可以防止帶負荷拉合閘刀，防止帶接地閘刀合閘刀送電。這種模式一般應用于4893開關轉檢修或恢復送電時的操作過程。

(2) 4893間隔48932閘刀合位，220kV B段母聯開關4600及其兩側閘刀46001、46002合位，489320、489330接地閘刀分位，220kV ⅠB母線20120、20140接地閘刀分位，允許48931閘刀操作，否則禁止操作。通過以上防誤閉鎖邏輯可以防止帶負荷拉合閘刀，防止帶接地閘刀合閘刀送電。這種模式通過B段母聯4600間隔對220kV敬鳳4893線進行倒母線操作。

(3) 4893間隔48932閘刀合位，220kV分段4100開關及其兩側閘刀41001、41002合位，220kV分段4200開關及其兩側閘刀42001、42002合位，220kV A段母聯開關4800及其兩側閘刀48001、48002合位，489320、489330接地閘刀分位，220kV Ⅰ B 母線20120、20140接地閘刀分位，允許48931閘刀操作，否則禁止操作。通過以上防誤閉鎖邏輯可以防止帶負荷拉合閘刀，防止帶接地閘刀合閘刀送電。這種模式通過A段母聯4800間隔對220kV敬鳳4893線進行倒母線操作。

以上防誤閉鎖邏輯中，由于沒有相關設備與48931閘刀屬于同一構架，因此沒有機械閉鎖。4893開關，48932、48933閘刀，489320、489330接地閘刀與48931閘刀位于同一間隔，因此其輔助開關觸點串入48931閘刀控制回路，構成本間隔電氣閉鎖。站控層和間隔層防誤閉鎖對所有影響48931閘刀操作的電氣設備位置進行采集，進而判斷48931閘刀是否允許操作。

3.3 單母線接線方式

目前電網系統內變壓器低壓側一般采用單母線接線方式。該接線方式接線簡單，設備少，操作方便，造價便宜，母線可以向兩端延伸，具有良好的可擴展性，其典型防誤閉鎖邏輯如圖11、圖12所示。

圖11 35kV站用變間隔防誤閉鎖邏輯

圖12 35kV母線接地閘刀防誤閉鎖邏輯

以上各電壓等級電氣設備的防誤閉鎖邏輯均為目前特高壓與超高壓變電站的典型設計，不同變電站的具體閉鎖邏輯可以在典型設計的基礎上予以適當調整。

4 防誤閉鎖邏輯錯誤案例

4.1 系統接線方式

2016年3月7日，安徽省某500kV新建變電站220kV封閉式組合電器進入設備驗收階段。該 220kV 封閉式組合電器采用雙母雙分段接線方式，由于本期投運主變壓器一臺， 220kV ⅠA母線和ⅠB母線、200kV ⅡA母線和ⅡB母線之間的分段開關全部作為死開關運行，即儲能電源與操作電源均斷開，220kV A段母線母聯間隔F5本期已安裝，而220kV B段母線母聯間隔F19未安裝，其電氣主接線如圖13所示，圖中虛線部分本期未安裝。該封閉式組合電器型號為ZF11-252(L)，由于為成套設備，其電氣閉鎖范圍擴大至整個220kV封閉式組合電器所有間隔。

圖13 500kV新建變電站220kV封閉式組合電器主接線

4.2 閘刀電氣閉鎖設計原則

由于本期投運主變壓器一臺，該主變間隔F7位于220kV ⅠA母線，220kV ⅠA母線和ⅠB母線、220kV ⅡA母線和ⅡB母線之間的分段開關全部作為死開關運行，220kV A段母線母聯間隔F5本期已安裝，220kV B段母線母聯間隔F19未安裝。位于220kV A段母線上榴城變電站1間隔F3、榴城變電站2間隔F4、1號主變間隔F7、榴城變電站3間隔F10、高湖變電站間隔F12等五個間隔的閘刀，其電氣閉鎖邏輯的設計思路是一致的，現以榴城變電站1間隔F3的閘刀為例加以說明，其閉鎖邏輯見表1。

由于學生之間存在差異性和多樣性，在學習過程中，每個學生具有其特有的意義構建過程。所以，教師不僅要對學生的學習進行管理，更重要的是必須對不同學生進行不同的學習引導，啟發每位學生的創新思維。作為學生學習的引導者，教師在執行角色時的行為特征表現在：在審閱每位學生介紹材料的基礎上，提出問題，組織學生進行思考和討論，在討論中引導學生，啟發誘導他們自己去發現規律，同時對自身錯誤或片面的認識進行糾正或補充，從而加深學生對教學內容的理解；盡量給每位學生同等參與討論的機會，經常了解學生的意見，隨時修正自己在期望值上的偏差。最重要的是，相信每位學生都有學習的潛力，給每位學生創新的機會，引導學生不斷地向目標邁進。

表1中QF為開關；QSF、QS為閘刀；QE、QEF為接地閘刀；F5為A段母聯間隔；F9為ⅠA母線設備間隔；F11為ⅡA母線設備間隔；F13為ⅠA母和ⅠB母之間的分段間隔，本期視為死開關；F14為ⅡA母和ⅡB母之間的分段間隔，本期視為死開關；F19為B段母聯間隔，本期未安裝。

根據上述設計原則，榴城變電站1間隔F3閘刀QSF1與閘刀QSF2的設計思路一致，根據設計圖紙，閘刀QSF1可以在多種模式下進行分合閘操作。

第一種模式為F3本間隔的開關QF、閘刀QSF2、開關兩側接地閘刀QE1和QE2、ⅠA母線接地閘刀QEF=F9斷開時，閘刀QSF1可以操作，這是為了防止帶負荷拉合閘刀，防止帶接地閘刀合閘刀送電。

按照《安徽省電力系統調度規程》第14-23條，運行中的雙母線，當一組母線上的部分或全部開關倒至另一組母線時，應確保母聯開關及其閘刀在合閘狀態，現場應短時將母聯開關改為非自動，再進行倒至另一組母線的操作。第二種模式是本間隔的閘刀QSF2在合位、A段母聯間隔F5開關及兩側閘刀在合位，此時通過A段母線的母聯間隔執行倒閘操作。

表1 榴城變電站1間隔F3閘刀閉鎖邏輯

按照圖紙原有的設計，第三種模式是F3間隔的閘刀QSF2在合位、B段母聯間隔F19開關及兩側閘刀在合位、ⅠA母和ⅠB母之間的分段間隔F13開關及兩側閘刀在合位、ⅡA母和ⅡB母之間的分段間隔F14開關及兩側閘刀在合位，此時可以保證A段母聯間隔F5開關及閘刀檢修時，通過B段母聯間隔F19執行倒閘操作。但是根據現場的實際情況,即由于本期B段母聯間隔F19沒有安裝，導致無法通過B段母聯間隔F19進行倒閘操作，因此虛線部分應該斷開，即取消第三種操作模式。

綜上所述，220kV A段母線上榴城變電站1間隔F3、榴城變電站2間隔F4、1號主變間隔F7、榴城變電站3間隔F10、高湖變電站間隔F12等五個間隔的閘刀只能在第一種、第二種模式下進行操作。

4.3 閉鎖邏輯錯誤分析

按照設計圖紙，現場驗收人員逐一開展閘刀電氣閉鎖驗收，現以榴城變電站1間隔F3的閘刀QSF1為例加以說明。該閘刀可在兩種模式下進行操作，對每一種模式進行驗證。

在第一種模式下，首先斷開間隔F3開關QF、閘刀QSF2、接地閘刀QE1和QE2，以及ⅠA母線接地閘刀QEF=F9，閘刀QSF1可以進行分合閘的操作。然后依次單獨合上開關QF、閘刀QSF2、接地閘刀QE1、接地閘刀QE2和ⅠA母線接地閘刀QEF=F9，閘刀QSF1均不可進行操作。符合設計原則。

在第二種模式下，將間隔F3閘刀QSF2置于合位，A段母聯間隔F5開關QF2=F5及兩側閘刀QS1=F5、QS2=F5在合位，此時閘刀QSF1可以通過A段母線的母聯間隔執行倒閘操作。然后依次單獨改變本間隔的閘刀QSF2、A段母聯的開關QF2=F5及兩側閘刀QS1=F5、QS2=F5的狀態，閘刀QSF1均不可進行操作。符合設計原則。

在完成以上兩種操作模式的驗收后，現場驗收人員考慮到圖紙設計原有的第三種模式和本期B段母聯間隔沒有安裝，為了驗證施工單位取消第三種操作模式，驗收人員將本間隔閘刀QSF2置于合位，ⅠA母和ⅠB母之間的分段間隔F13開關QF=F13及兩側閘刀QS1=F13、QS2=F13置于合位，ⅡA母和ⅡB母之間的分段間隔F14開關QF=F14及兩側閘刀QS1=F14、QS2=F14置于合位，間隔F3閘刀QSF1仍然可以進行操作，明顯違背了設計原則，存在電氣閉鎖邏輯錯誤。

正確的閘刀聯鎖邏輯可以保證在任何情況下閘刀都不會發生惡性誤操作事故，而根據現場的實際聯鎖邏輯，可能發生以下誤操作： 本期Ⅰ母分段間隔F13、Ⅱ母分段間隔F14作為死開關，一條線路轉檢修，一條母線配合停電，另外一條母線處在運行狀態，當調試需要合上配合停電的母線上閘刀QSF1時，運行母線上的閘刀QSF2就可以操作。而一旦運行母線上的閘刀QSF2合上，就會造成檢修設備帶電，具有極大的安全隱患。

在發現以上缺陷后，驗收人員及時與施工單位、設計院溝通，詳細告知該缺陷情況及由此造成的安全隱患，經過三方討論和施工單位的自查發現，本期B段母聯間隔F19未投運，施工單位未對閘刀的電氣閉鎖邏輯進行調整，現場施工人員錯誤地將設計圖紙本期未投運的部分，即表1中虛線部分進行短接，如圖14所示，造成A段母線上的閘刀電氣閉鎖邏輯明顯錯誤，存在極大的誤操作隱患。施工單位隨即將錯誤短接的部分斷開，使所有閘刀的電氣閉鎖邏輯恢復正確。

圖14 錯誤短接情況

5 結束語

對于部分新建變電站，除了近期投運規模，還有遠景規劃，而其主間隔設備的電氣閉鎖邏輯是按照遠景規劃設計的，施工單位需要在此基礎上進行調整。鑒于此，建議在對上述類型的新建變電站主間隔設備電氣閉鎖驗收時采取以下措施。

(1) 督促設計單位、施工單位提供明確的主間隔設備電氣閉鎖邏輯及其設計原則、實際施工方案。

(2) 審查現場實際的電氣閉鎖邏輯是否符合相關規程，是否按照近期實際投運規模作出正確調整。

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