機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)在惠南莊泵站的應(yīng)用

唐文富

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局北京分局，北京 100038）

1 引言

惠南莊泵站是南水北調(diào)中線總干渠上唯一一座大型加壓泵站，擔(dān)負著首都供水的重要任務(wù)。泵站自加壓運行以來，曾發(fā)生運行人員走錯設(shè)備間隔誤斷10 kV母線進線斷路器導(dǎo)致該段母線所帶機組全部停機的事故。惠南莊泵站運行工況復(fù)雜，電氣主接線復(fù)雜，電氣設(shè)備交叉關(guān)聯(lián)多、運行相關(guān)性強，運行人員操作范圍大、操作設(shè)備多，作為首都供水的關(guān)鍵控制性工程，如何從技術(shù)措施上保證機組設(shè)備安全穩(wěn)定運行，如何杜絕由于人為誤操作原因造成機組停機導(dǎo)致供水中斷、設(shè)備損壞和人員傷亡等是惠南莊泵站運行管理必須考慮的問題。通過比較幾種常用防誤操作閉鎖裝置，提出了增加一套電氣設(shè)備機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)，可從技術(shù)措施上嚴(yán)格保證設(shè)備正確操作的先后順序，避免由于運行人員的跳項、漏項操作或誤入設(shè)備間隔等造成重大安全事故。

2 工程概況

惠南莊泵站設(shè)計流量60 m3/s，揚程58.2 m，總裝機容量58.4 MW，共安裝8臺臥式單級雙吸離心泵，6工2備，單泵流量10 m3/s，配套電動機功率7 300 kW，每臺電動機均配有一臺變頻器，用以驅(qū)動機組作變速運行，以滿足不同輸水流量要求。

泵站建有110 kV變電站，110 kV進線采用同塔雙回架空線路，站內(nèi)安裝110/10 kV-40 MVA主變2臺，110 kV側(cè)采用內(nèi)橋式接線，10 kV側(cè)采用單母線雙分段接線，設(shè)母聯(lián)斷路器，正常分段運行，每段母線分別帶4臺機組，一臺主變故障或檢修退出運行時，母聯(lián)斷路器關(guān)合運行。

3 原設(shè)計“五防”措施缺陷分析

3.1 原設(shè)計“五防”措施

惠南莊泵站110 kV GIS設(shè)備在二次操作回路上采用繼電器互鎖實現(xiàn)電氣“五防”功能。10 kV高壓柜采用MVnex手車柜，0.4 kV低壓盤柜采用MCS2000抽屜型或固定分隔型，其斷路器為插入式，柜體本身均按設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)采用機械和電氣“五防”，并在上位機通過邏輯實現(xiàn)閉鎖功能，如：斷路器手車在試驗或工作位置時斷路器才能進行合分操作，而且在斷路器合閘后手車無法移動，防止帶負荷誤推拉斷路器；僅當(dāng)斷路器手車處于試驗/斷開位置時接地開關(guān)才能合閘，防止帶電誤合接地刀；僅當(dāng)接地開關(guān)處在分閘位置時斷路器才能從試驗/斷開位置移到工作位置，防止帶接地刀閉合時合分?jǐn)嗦菲鳎唤拥亻_關(guān)處在分閘位置時，開關(guān)柜下門及后門都無法打開，防止誤入帶電間隔等。

3.2 原設(shè)計“五防”措施存在的缺陷

雖然惠南莊泵站110 kV、10 kV和0.4 kV的設(shè)備均已采用了電氣“五防”措施，但只能實現(xiàn)同電壓等級設(shè)備的閉鎖，而110 kV、10 kV和0.4 kV各電壓等級設(shè)備之間并沒有閉鎖。另外，也存在因二次回路故障導(dǎo)致電氣閉鎖失效、操作人員走錯間隔或誤操作設(shè)備導(dǎo)致停電停機事故等問題。

4 防誤閉鎖裝置的比較分析

目前，常規(guī)防誤閉鎖方式除了電氣聯(lián)鎖（包括電磁鎖）外，還有機械閉鎖、機械鑰匙閉鎖（或機械程序鎖）和微機防誤閉鎖等3種[1]，其中：

機械閉鎖只能應(yīng)用在開關(guān)柜內(nèi)部及戶外閘刀等的機械動作相關(guān)部位之間，無法實現(xiàn)與電氣元件動作間的聯(lián)系。

機械鑰匙閉鎖是用鑰匙隨操作程序傳遞或置換而達到先后開鎖操作的要求，沒有任何接線連接和電氣觸點，全部是通過機械硬連接來實現(xiàn)防誤閉鎖。它可確保嚴(yán)格按邏輯順序操作設(shè)備，并能實現(xiàn)各電壓等級設(shè)備之間的防誤閉鎖和“五防”的所有功能，具有“零誤操作”的特點。其主要缺點是不能任意改變邏輯順序，只能按照最初的邏輯設(shè)計進行線性操作，偶然的非正常操作要用萬能鑰匙來完成。

微機防誤閉鎖是一種采用計算機技術(shù)，通過軟件將現(xiàn)場大量的二次閉鎖回路變?yōu)殡娔X中的“五防”閉鎖規(guī)則庫，并和現(xiàn)場鎖具實現(xiàn)防誤閉鎖。微機防誤閉鎖實現(xiàn)了防誤閉鎖的數(shù)字化，可以實現(xiàn)各電壓等級設(shè)備之間的防誤閉鎖，但是也存在以下主要問題：微機“五防”功能以操作邏輯為核心，是虛擬的，對于無票操作和誤碰則有可能功能失效；微機“五防”還存在“走空程”的問題，在用電腦鑰匙解鎖過程中發(fā)生鎖沒有打開而電腦鑰匙的程序已經(jīng)走到了下一步，此時只能靠強制解鎖；微機“五防”在非正常運行方式下無法用電腦鑰匙進行解鎖，也只能靠強制解鎖；在系統(tǒng)運作過程中，任何一個接點或者傳感裝置故障都會造成事故隱患，在微機系統(tǒng)故障而解除閉鎖時，“五防”功能將完全失效。

綜上，機械閉鎖不能解決惠南莊泵站原設(shè)計“五防”措施的缺陷問題，機械鑰匙閉鎖和微機防誤閉鎖雖可實現(xiàn)各電壓等級設(shè)備之間的防誤閉鎖以解決惠南莊泵站原設(shè)計“五防”措施的缺陷問題，但機械鑰匙閉鎖是一種物理閉鎖裝置，結(jié)構(gòu)簡單，邏輯明了，出現(xiàn)故障的可能性極小，基本可以免維護，具有安全可靠、零誤操作等特點。因此，選擇采取增設(shè)一套機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)防誤操作，作為原有電氣“五防”的有益補充，增加一道安全防線，以解決惠南莊泵站電氣聯(lián)鎖存在的誤操作問題。

5 機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)增設(shè)方案

5.1 機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)設(shè)置范圍

在惠南莊泵站3臺110 kV進線開關(guān)斷路器及母線、2臺110 kV/10.5 kV主變壓器、3段10 kV母線、4臺10 kV/0.4 kV站用變、2臺柴油發(fā)電機等電氣設(shè)備上加裝機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)，其中110 kV及10 kV配電設(shè)備機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)加裝方案分別見圖1、圖2。

圖1 惠南莊泵站110 kV配電設(shè)備機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)鎖具安裝配置圖

圖2 惠南莊泵站10kV配電設(shè)備機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)鎖具安裝配置圖

5.2 機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)工作原理

通過鑰匙的轉(zhuǎn)移和交換，將設(shè)備的操作順序程序化、固定化，確保電氣設(shè)備只能在預(yù)先設(shè)定好的邏輯順序下工作，在預(yù)先設(shè)定程序的每一步驟中，都必須滿足安全要求所規(guī)定的條件，才可以進行下一步操作，即只有當(dāng)前一步操作正確無誤且按正常順序的條件下才能取出解除閉鎖的鑰匙進行下一步操作，從而保障工作人員只能按照正確的操作順序進行操作，達到有效防止人為誤操作事故的發(fā)生。

5.3 機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)的構(gòu)成

機械鑰匙閉鎖裝置主要包括桿栓鎖具、門鎖、置換板（或稱鑰匙交換盒）。其中：機械式桿栓鎖、門鎖為加裝在斷路器、柜門上的執(zhí)行閉鎖的固定鎖具，全部為法國STI原裝進口，材料為不銹鋼，可達50年以上的使用壽命，鎖具能夠保證100萬次的鑰匙旋轉(zhuǎn)插拔操作；置換板為一體化的鏡框式結(jié)構(gòu)，是用于一把或幾把鑰匙來交換一把或多把鑰匙實現(xiàn)互鎖的聯(lián)鎖機構(gòu)，置換板鏡框上嵌著標(biāo)有鎖具編號及其安裝位置的接線圖和詳細的隔離步驟和操作順序。

6 機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)工作流程

以惠南莊泵站1號主變運行態(tài)轉(zhuǎn)檢修態(tài)為例說明機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)工作流程（閉鎖邏輯見圖3）。

圖3 惠南莊泵站1號主變檢修機械鑰匙閉鎖邏輯圖

主變機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)是通過對變壓器兩端的斷路器（刀閘）進行分閘鎖定及接地刀閘合閘鎖定，從而防止變壓器在檢修狀態(tài)下，檢修人員誤合開關(guān)或在變壓器沒有做好安全隔離措施的情況下進行變壓器檢修，而引起檢修人員觸電事故的發(fā)生。變壓器運行態(tài)轉(zhuǎn)檢修態(tài)操作流程如下：

（1）斷開10 kVⅠ段母線進線斷路器201，并將其退出至檢修位置，得到一把鑰匙K201；

（2）將鑰匙K201插入鑰匙置換板KIS8-3，置換出兩把鑰匙K201A、K201B（用于10 kVⅠ段母線檢修）；

（3）斷開110 kV系統(tǒng)1號主變間隔101-4隔離開關(guān)，得到鑰匙K631A；

（4）將鑰匙K631A、K201A插入鑰匙置換板KIS6-1，置換出鑰匙K411；

（5）用鑰匙K411解鎖110 kV系統(tǒng)1號主變間隔101-47接地刀閘并合上地刀，得到鑰匙K413（臨時接地線鑰匙）/K201C（10 kVⅠ段母線進線開關(guān)柜201后柜門鑰匙）；

（6）用鑰匙K201C解鎖10 kVⅠ段母線進線開關(guān)柜201后柜門；

（7）用鑰匙K413解鎖臨時接地線，取得臨時接地線和鑰匙K414，在1號主變低壓側(cè)（10 kVⅠ段母線進線開關(guān)柜201處）掛接一組臨時接地線；

（8）用鑰匙K414解鎖1號主變7-1中性點刀閘，得到鑰匙K415并合上中性點刀閘，1號主變轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)。

7 機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)特點

（1）以杜絕誤操作為原則，按照正確的操作程序設(shè)計設(shè)備間的機械鑰匙閉鎖關(guān)系，尤其注重開關(guān)與地刀之間的防誤操作功能。

（2）操作復(fù)雜的電氣隔離單元，都設(shè)置了鑰匙聯(lián)鎖裝置，該裝置布置在靠近設(shè)備的墻壁上。正常運行時，有關(guān)閉鎖鑰匙被集中保持在鑰匙聯(lián)鎖裝置上。

（3）在進行隔離操作時，必須解除設(shè)備的機械閉鎖。只有當(dāng)前一步操作正確無誤且按正常順序的條件下，才能取出解除閉鎖的鑰匙，進行下一步操作。

（4）在作為安全隔離點的開關(guān)與其地刀之間設(shè)置了機械聯(lián)鎖，開關(guān)未斷開或者雖已斷開但未拉出至隔離位置，機械聯(lián)鎖不脫開，即使已獲得解除閉鎖的鑰匙，也不能解除地刀閉鎖，地刀因而不能投合，同理，地刀不拉開，開關(guān)亦不能操作。

（5）全封閉結(jié)構(gòu)電氣設(shè)備的柜門亦設(shè)有機械閉鎖，必須待所有相關(guān)的隔離工作完成，取齊柜門鑰匙，才能打開觸及到設(shè)備本體。

（6）所有參與隔離操作的設(shè)備，正常情況下被鑰匙閉鎖在運行位置，檢修工作期間被鑰匙閉鎖在隔離位置。

（7）配有備用鑰匙一套，用于局部調(diào)試等。

8 結(jié)語

惠南莊泵站加裝的電氣設(shè)備機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)在國內(nèi)調(diào)水工程中屬于首創(chuàng)，費用不高但經(jīng)濟和安全效果顯著，大大提高了惠南莊泵站電氣設(shè)備運行、檢修的安全標(biāo)準(zhǔn)，為惠南莊泵站電氣設(shè)備操作、檢修提供了可靠的硬件安全保障，可以最大限度地減少或杜絕誤操作、走錯間隔等現(xiàn)象的發(fā)生，較好地解決了惠南莊泵站電氣聯(lián)鎖存在的誤操作問題，提高了惠南莊泵站運行維護安全管理水平。

“五防”閉鎖裝置已成為國內(nèi)外發(fā)電廠和變電站建設(shè)和改造中不可缺少的設(shè)備[2]，在保障電力生產(chǎn)的安全運行中起著越來越重要的作用。其中機械鑰匙閉鎖裝置機構(gòu)技術(shù)成熟、安全實用，使用維護簡單方便，可在泵站、水電站、變電站等的防誤操作措施中單獨使用或與電氣聯(lián)鎖等其它防誤閉鎖裝置組合使用。惠南莊泵站加裝電氣設(shè)備機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)措施可供類似工程借鑒和參考。