變電站中10kV開關(guān)柜的機(jī)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(jī)械聯(lián)鎖的內(nèi)涵

“五防”是對(duì)電力系統(tǒng)高壓電氣設(shè)備必須具備的五種防誤功能的簡稱，是確保高壓電氣設(shè)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(fù)荷分、合隔離開關(guān)。（斷路器、負(fù)荷開關(guān)、接觸器合閘狀態(tài)不能操作隔離開關(guān)），即防出現(xiàn)斷路器止誤分誤合現(xiàn)象，只有操作設(shè)備與操作指令完全對(duì)應(yīng)，才能對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行操作。以10kv中壓開關(guān)柜為例，其內(nèi)部的斷路器處于非工作/試驗(yàn)位時(shí)，斷路器無法合閘。只有操作指令（斷路器合閘）與操作設(shè)備（手車位置）對(duì)應(yīng)才能對(duì)被操作設(shè)備操作（如圖1-3所示）。

圖1 10kV中壓開關(guān)柜防止誤分誤合示意圖

圖2 斷路器處于非工作/試驗(yàn)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(fù)荷開關(guān)、接觸器。（只有操作指令與操作設(shè)備對(duì)應(yīng)才能對(duì)被操作設(shè)備操作）。即防止操作人員在電氣設(shè)備處于帶荷狀態(tài)時(shí)進(jìn)行隔離開關(guān)分合操作，確保接觸器、負(fù)荷開關(guān)、斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)無法對(duì)隔離開關(guān)急性操作。以10kV中壓開關(guān)柜為例，其柜體門板上通常標(biāo)有如下操作說明（見圖4），當(dāng)柜內(nèi)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，搖把插入操作口后，僅能搖入（順時(shí)針）或搖出（逆時(shí)針）1/2圈，手車無法從試驗(yàn)位搖出，（見圖5）。

圖4 10kV中壓開關(guān)柜柜體門板操作說明

圖5 10kV中壓開關(guān)柜防止負(fù)荷分合示意圖

（3）防止接地開關(guān)處于閉合位置時(shí)關(guān)合斷路器、負(fù)荷開關(guān)。（只有當(dāng)接地開關(guān)處于分閘狀態(tài)，才能合隔離開關(guān)或手車才能進(jìn)至工作位置，才能操作斷路器、分荷開關(guān)閉合）。即防止在設(shè)備帶電狀態(tài)下進(jìn)行掛接地線或閉合接地開關(guān)操作，確保相關(guān)操作只能在斷路器分閘狀態(tài)下才能完成。以采用機(jī)械聯(lián)鎖的10kV中壓開關(guān)柜為例，當(dāng)其斷路器處于非試驗(yàn)位時(shí)，接地開關(guān)舌片無法摁下（見圖6），操作手柄無法插入操作口，接地開關(guān)無法合閘，當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)，才允許手車從工作位搖出至試驗(yàn)位，此時(shí)，才允許接地開關(guān)合閘。

圖6 10kV中壓開關(guān)柜防止帶電接地

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

（5）防止誤入帶電室。（只有隔室不帶電時(shí)，才能開門進(jìn)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(shí)，操作人員才能順利開門進(jìn)入隔室。以10kV中壓開關(guān)柜為例，其斷路器小車操作口與斷路器室門有聯(lián)鎖，僅當(dāng)斷路器室門關(guān)閉后，搖把才能插入操作口進(jìn)行操作。保證對(duì)斷路器進(jìn)行操作時(shí)，操作者與帶電小室隔離。10kV中壓開關(guān)柜的斷路器室右側(cè)裝有聯(lián)鎖鉤，在斷路器從試驗(yàn)位搖入工作位的過程中，連鎖鉤將向下移動(dòng)，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(guān)柜防止誤入帶電

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

機(jī)械聯(lián)鎖是高壓電氣設(shè)備五防裝置四種常規(guī)防誤閉鎖方式中的一種。根據(jù)字面意思可知，該閉鎖方式是通過機(jī)械裝置或機(jī)構(gòu)的機(jī)械作用，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟動(dòng)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(jī)械聯(lián)鎖裝置雖然只能實(shí)現(xiàn)簡單的聯(lián)鎖功能，但最具可靠性，對(duì)于變電站高壓開關(guān)柜，尤其是手車式開關(guān)柜而言，其聯(lián)鎖方式應(yīng)首選機(jī)械聯(lián)鎖，只有在機(jī)械聯(lián)鎖無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，才會(huì)考慮使用電氣聯(lián)鎖[1]。

2 聯(lián)鎖類型和優(yōu)缺點(diǎn)分析

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

機(jī)械聯(lián)鎖是利用開關(guān)柜或戶外閘刀操作機(jī)構(gòu)間的機(jī)械聯(lián)動(dòng)或約束來實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，該聯(lián)鎖方式的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)閉鎖阻止錯(cuò)誤操作行為繼續(xù)進(jìn)行，同時(shí)，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(diǎn)。其應(yīng)用缺點(diǎn)有：（1）受距離因素限制，其只能在開關(guān)柜內(nèi)部機(jī)械動(dòng)作相關(guān)部位之間使用，無法實(shí)現(xiàn)電器元件動(dòng)作間或兩個(gè)開關(guān)柜間的聯(lián)鎖，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要與其它聯(lián)鎖方式整合運(yùn)用才能滿足“五防”要求；（2）裝置結(jié)構(gòu)和部件較為復(fù)雜，部分環(huán)境條件下無法有效應(yīng)用。

機(jī)械程序鎖是一種通過鑰匙隨操作程序傳遞或置換而實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制的聯(lián)鎖類型。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，該聯(lián)鎖方式的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、性能可靠、使用不受距離限制。其應(yīng)用缺點(diǎn)有：（1）因不具備橫向閉鎖功能，所以在復(fù)雜聯(lián)鎖機(jī)制下，多組程序鎖與鑰匙難以配對(duì)操作，導(dǎo)致開鎖困難：（2）程序鎖與鑰匙相互獨(dú)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(zhì)、生產(chǎn)工藝、安裝技術(shù)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(guān)、接地開刀、斷路器等電氣設(shè)備的輔助接點(diǎn)與電磁閉鎖回路相連接，利用電磁線圈的電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作來實(shí)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(shí)際應(yīng)用情況來看，該聯(lián)鎖方式的優(yōu)點(diǎn)在于：安裝簡單、操作方便、適用性強(qiáng)。其應(yīng)用缺點(diǎn)有：（1）需要外部電源持續(xù)供電；（2）易被腐蝕、銹蝕，導(dǎo)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(hù)工作量較大；（3）單獨(dú)使用時(shí)只具備解鎖功能，只有與電氣聯(lián)鎖電路整合使用，才會(huì)具備正反向閉鎖功能；（4）強(qiáng)制解鎖鑰匙易發(fā)生濫用情況，使用安全性較低。

微機(jī)防誤閉鎖是在傳統(tǒng)聯(lián)鎖形式上融合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)而形成的新型聯(lián)鎖形式。其產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代，隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，如今微機(jī)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(shí)際應(yīng)用過程中，技術(shù)人員會(huì)通過專業(yè)軟件將裝置安裝現(xiàn)場(chǎng)所有的二次閉鎖回路轉(zhuǎn)化、集成為微機(jī)防誤閉鎖能夠識(shí)別的五防閉鎖規(guī)則庫，以及實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖的數(shù)字化、智能化控制。從實(shí)際情況來看其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)在于：技術(shù)先進(jìn)、智能化水平高、功能強(qiáng)大、能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)聯(lián)鎖方式難以實(shí)現(xiàn)的防誤功能。應(yīng)用缺點(diǎn)在于：成本投入較大、技術(shù)要求高、技術(shù)完善性有待提高[2]。

3 斷路器及隔離開關(guān)的聯(lián)鎖方式和操作順序

3.1 斷路器及隔離開關(guān)的聯(lián)鎖方式

因缺少滅弧裝置，隔離開關(guān)無法直接用于負(fù)荷電流的接通與切斷。在固定柜中，隔離開關(guān)與斷路器之間具有十分明確的聯(lián)鎖關(guān)系，即只有當(dāng)斷路器處于斷開狀態(tài)時(shí)，才能對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行有效操作。具體而言：當(dāng)電力系統(tǒng)處于分段閉鎖狀態(tài)時(shí)，斷路器無法正常合閘，此時(shí)固定柜柜門會(huì)處于閉合狀態(tài)，這種情況下，技術(shù)人員能夠?qū)Ω綦x開關(guān)和接地開關(guān)進(jìn)行操作；當(dāng)電力系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，斷路器可以正常合閘，此時(shí)固定柜柜門會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)，這種情況下，技術(shù)人員無法對(duì)隔離開關(guān)和接地開關(guān)進(jìn)行操作；當(dāng)處于電力系統(tǒng)處于檢修狀態(tài)時(shí)，斷路器能夠正常進(jìn)行分合操作，固定柜柜門能夠打開，但技術(shù)人員無法對(duì)隔離開關(guān)和接地開關(guān)進(jìn)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(jìn)出相當(dāng)于固定柜中隔離開關(guān)的分合，因此，上述隔離開關(guān)聯(lián)鎖要求對(duì)于手車同樣適用。

3.2 斷路器及隔離開關(guān)的操作順序

變電站對(duì)高壓開關(guān)柜斷路器及其兩側(cè)隔離開關(guān)的操作順序具有以下要求：在線路斷電時(shí)，應(yīng)先斷開分線側(cè)隔離開關(guān)；而在線路恢復(fù)送電時(shí)，應(yīng)先閉合母線側(cè)隔離開關(guān)。該操作順序的作用在于：若技術(shù)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(shí)際情況來看，想要嚴(yán)格按照上述操作順序?qū)嗦菲骷捌鋬蓚?cè)隔離開關(guān)進(jìn)行有效控制具有較高的難度，具體而言：從母聯(lián)和環(huán)網(wǎng)開關(guān)的角度看，想要明確區(qū)分母線和線路側(cè)具有一定的難度。對(duì)于手車柜而言，斷路器兩側(cè)的觸頭又具有同進(jìn)同出的關(guān)系，如果隔離開關(guān)外側(cè)安裝有電流互感器，則情況還會(huì)隨之變化。基于此，想要從根本上解決上述問題，確保技術(shù)人員能夠嚴(yán)格按照既定操作順序?qū)嗦菲骷捌鋬蓚?cè)隔離開關(guān)進(jìn)行規(guī)范化控制，就必須要保證斷路器與隔離開關(guān)件聯(lián)鎖機(jī)制的可靠性。由此可見，開關(guān)柜的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)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(duì)基本聯(lián)鎖形式進(jìn)行全面分析是變電站10kV開關(guān)柜聯(lián)鎖設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，作為設(shè)計(jì)人員必須要熟悉現(xiàn)階段主要的高壓電氣設(shè)備聯(lián)鎖類型及每個(gè)聯(lián)鎖類型的工作原理、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)以及適用條件，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合開關(guān)柜類型、五防要求、實(shí)際使用需求及客戶設(shè)計(jì)要求進(jìn)行科學(xué)選擇，以此最大限度保障10kV開關(guān)柜聯(lián)鎖設(shè)計(jì)的科學(xué)性與實(shí)用性。具體而言，現(xiàn)階段高壓電氣設(shè)備常見的聯(lián)鎖方式有：機(jī)械聯(lián)鎖、機(jī)械程序鎖、電磁閉鎖、微機(jī)防誤閉鎖。開關(guān)柜設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)通過專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)熟悉掌握上述聯(lián)鎖方式的技術(shù)原理及基本結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)用方法；然后，對(duì)各聯(lián)鎖類型的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行全面而深入的調(diào)查分析，總結(jié)出每個(gè)聯(lián)鎖類型主要的優(yōu)缺點(diǎn)，例如：機(jī)械聯(lián)鎖可靠性高但結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)械程序鎖結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、使用范圍廣但程序鑰匙易丟失、在復(fù)雜聯(lián)鎖機(jī)制開鎖困難；電磁閉鎖安裝簡單、適用性強(qiáng)但需持續(xù)供電且維護(hù)工作量大等；最后，結(jié)合實(shí)際情況，靈活選擇并運(yùn)用不同的聯(lián)鎖形式，確保開光柜聯(lián)鎖設(shè)計(jì)滿足“五防”需求。

4.2 開關(guān)設(shè)備管理方法

明確開關(guān)設(shè)備管理方法，在變電站10kV開關(guān)柜聯(lián)鎖設(shè)計(jì)中具有重要的作用，能夠有效保障斷路器和隔離開關(guān)按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和使用，從而確保開關(guān)柜中各類聯(lián)鎖裝置的功能性。具體而言，包含以下內(nèi)容：（1）在進(jìn)行分段閉鎖設(shè)備操作管理時(shí)，應(yīng)對(duì)操作手柄的狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)分析，積極探討開關(guān)狀態(tài)與柜門狀態(tài)間的內(nèi)在聯(lián)系，以此確保操作手柄的功能穩(wěn)定性。與此同時(shí)，需要確保線路狀態(tài)和柜門狀態(tài)的功能協(xié)調(diào)方法和操作技術(shù)形成統(tǒng)一的管理目的，以此促使開關(guān)設(shè)備和饋電開關(guān)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(yīng)根據(jù)實(shí)際需求采用科學(xué)的聯(lián)鎖功能，確保開關(guān)柜柜門能夠始終處于關(guān)閉狀態(tài)，以此減少送電故障的發(fā)生幾率；（2）在對(duì)處于工作狀態(tài)的開關(guān)進(jìn)行操作管理時(shí)，應(yīng)確保斷路器處于合閘狀態(tài)，從而有效避免感應(yīng)電流對(duì)操作人員的生命健康造成危害。與此同時(shí)，在操作前，技術(shù)人員需要對(duì)開關(guān)柜柜門閘口進(jìn)行確認(rèn)，確保柜門運(yùn)行狀態(tài)與開關(guān)過程相統(tǒng)一，以此達(dá)到開關(guān)定位的效果。另外，對(duì)于處于工作狀態(tài)的開關(guān)柜，需要通過合閘聯(lián)鎖的方式進(jìn)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(dòng)與被動(dòng)聯(lián)鎖的分析

10kV開關(guān)柜機(jī)械聯(lián)鎖分為“主動(dòng)聯(lián)鎖”和“被動(dòng)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(guān)柜無法實(shí)現(xiàn)開鎖，從而有效避免誤操作的發(fā)生。當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，應(yīng)保證機(jī)械鏈的隔離插頭或開關(guān)能夠互鎖，以此確保發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(jìn)行10kV開關(guān)柜設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能采用主動(dòng)式機(jī)械聯(lián)鎖，避免使用被動(dòng)機(jī)械聯(lián)鎖方式，從而進(jìn)一步提升開關(guān)柜機(jī)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(guān)柜聯(lián)鎖功能的順利實(shí)現(xiàn)，需要確保開關(guān)柜始終處于一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)和運(yùn)行體制中，并能夠針對(duì)具體的操作行為給予科學(xué)的技術(shù)管理。因此需要對(duì)開關(guān)柜聯(lián)鎖功能的完整性進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)開關(guān)柜裝置的五防功能進(jìn)行檢驗(yàn)，確保防止帶負(fù)荷分合隔離開關(guān)、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(xiàng)聯(lián)鎖要求都能在特定的開關(guān)柜操作中有所體現(xiàn)，確保開關(guān)柜結(jié)構(gòu)中具有完整的聯(lián)鎖關(guān)系，以此最大限度保證開關(guān)柜操作的安全性。其次，若開關(guān)柜采用一體化智能五防聯(lián)鎖系統(tǒng)，則需要對(duì)重點(diǎn)驗(yàn)收內(nèi)容進(jìn)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(chǔ)上，將獨(dú)立的五防主機(jī)取消并利用智能一體化技術(shù)將變電站實(shí)時(shí)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(jī)整合為一體，以此全面提升五防系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化水平，增強(qiáng)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(jí)防誤措施，因此，在檢驗(yàn)開關(guān)柜聯(lián)鎖功能完整性時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)驗(yàn)收以下內(nèi)容：（1）對(duì)間隔層進(jìn)行驗(yàn)收。首先，對(duì)其五防聯(lián)鎖邏輯的正確性進(jìn)行驗(yàn)收，確保其能夠滿足各類運(yùn)行方式和運(yùn)行狀態(tài)下的安全防誤需求；其次，對(duì)其操作功能進(jìn)行驗(yàn)收，確保其遇到違反操作邏輯的行為時(shí)，能夠自動(dòng)閉鎖遙控操作、及時(shí)發(fā)出警告信息并在測(cè)控裝置故障、檢修或通信中斷時(shí)始終具備閉鎖功能；（2）對(duì)站控層進(jìn)行驗(yàn)收。首先，對(duì)其遠(yuǎn)程操控功能、報(bào)警功能進(jìn)行驗(yàn)收；其次，對(duì)其操作票生成功能進(jìn)行驗(yàn)收；（3）對(duì)五防鎖具和電腦鑰匙進(jìn)行驗(yàn)收。確保五防鎖具具有良好的防銹死能力；電腦鑰匙能夠準(zhǔn)確接收、記憶、執(zhí)行操作票且具備電池電量顯示、口令設(shè)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]。