高压开关柜机械程序锁的改进方案[]

高压开关柜机械程序锁的改进方案[]

戴绍俊肖泽兵谢晟刘更强

株洲中车机电科技有限公司湖南省株洲市412500

摘要：本文首先分析了“五防”装置在电力系统中的重要作用，然后对电力系统中常用的防误装置进行了闸述，并分析了各种防误装置在功能和应用范围上的优点、长处，并指出了其存在的问题、缺陷和局限性，最后针对高压开关柜间联锁的不足，提出了机械程序锁的改进方案，从而达到减少误操作，提高安全性的目的。

关键词：高压开关柜、五防、程序锁

一、引言

开关柜是电力系统中负责开合、控制和保护的电气设备，是供、配电人员频繁操作的设备之一，其操作的正确性、安全性尤为重要，若发生误操作可能造成大面积停电、设备损坏、人员伤亡等严重后果。我国电力系统在无数次血的教训面前，结合中外电气运行的实践，为了有效防止运行电气设备误操作引发的人身和设备事故，规定了电气防误的设计和使用原则——五防，五防系指：①防止带负荷误分、误合隔离开关；②防止误分、误合断路器；③防止带地线（开关）合断路器、负荷开关；④防止带电挂（合）接地线（接地开关）；⑤防止误入带电间隔。电气“五防”功能的实现成了电力安全生产的重要措施之一，凡是有可能发生人员失误而引起操作的高压电气设备都应装设防误装置，遵照这一原则，开关柜及电气元器件厂家对高压开关柜防误装置展开了深入地探索，并形成了各种有效的防误措施。

二、防误装置的现状

国内传统的防误闭锁方式主要有4种：机械闭锁，机械程序锁，电气联锁和电磁锁，随着计算机技术进入防误闭锁领域，又发展了计算机监控系统闭锁和微机防误闭锁。

（一）机械闭锁

机械防误闭锁是利用电气设备的机械联动部件对相应电气设备操作构成的闭锁，一般用于电气设备间隔内部的防误[2]。

机械闭锁具有直观，强度高，不易损坏，检修工作量小，操作方便，运行可靠等优点，深受运行和检修人员的欢迎，然而机械闭锁受距离限制，只能在开关柜内部或相邻开关柜间应用，所以还需要辅以其他闭锁方法，才能满足全部五防要求。

（二）机械程序锁

机械程序锁是用钥匙随操作程序传递或置换而达到先后开锁操作要求的防误装置[3]。

程序锁具结构简单、性能可靠、易于维护且使用不受距离限制的优点,能够实现开关与其以外的其它电气设备之间的闭锁要求。目前程序锁在使用中所暴露的问题是复杂联锁下多组程序锁与钥匙难以配对操作，操作者掌握操作流程较为困难，此外，由于程序钥匙与程序锁并不是一个整体，而是两个独立的部件，所以程序钥匙容易遗失。

（三）电磁闭锁

电磁防误闭锁是将断路器、隔离开关、接地开刀、带电显示器等设备的辅助接点接入电磁闭锁回路，利用电磁锁线圈的励磁和失磁而构成的闭锁[4]。

电磁闭锁优点是操作方便，安装比较简单，能适应各种防误操作要求。缺点是电磁锁需要外部提供操作电源，依靠设备的辅助接点才能实现闭锁功能，且易受潮、锈烛，容易发生卡淫及线圈损坏等现象，维护量大，同时还存在电磁锁的强制解锁钥匙被操作者滥用的情况，安全性低。

（四）电气闭锁

电气防误闭锁是将断路器、隔离开关、接地开关等设备的二次接点按电气原理连成回路而闭锁一个设备的动作[5]。

电气闭锁的优点是：操作维护方便，闭锁灵活，安装简单，且在防止带负荷拉（合）隔离开关方面有其独特作用，可以保证在一次设备检修时仍能正常判断闭锁逻辑。其缺点是：闭锁回路涉及众多的元件的二次接点，任一元件出现问题就会影响电气闭锁回路，导致其它设备无法操作，故障率高，可靠性低。

（五）计算机监控系统闭锁

计算机监控系统防误闭锁是指利用计算机监控系统采集设备状态，设置闭锁逻辑，输出闭锁接点串接在电气设备控制回路中实现闭锁[6]。计算机监控系统采集的接点应直接采用辅助接点，不得使用重动继电器，为便于监视状态，应与后台状态采集使用同一辅助接点。

计算机监控系统防误闭锁的优点为：闭锁功能完善、实时性强、操作简单、可靠性较高、具有完备的五防逻辑判断功能、能够实现整个电网的防误要求。缺点为：需要采集元件的位置等信息较多，对元器件要求更高，安装复杂，多用于变电站等大型电力场所。

（六）微机防误闭锁

微机防误闭锁是指通过计算机软件和网络技术，将断路器、隔离开关、接地线、网门等设备的防误闭锁逻辑条件和倒闸操作规则编辑成计算机程序，并利用各类防误锁具从而实现防误闭锁系统功能[7]。操作人员通过在五防计算机上进行倒闸操作开票，确认符合操作规范后，将操作步骤传送至电脑钥匙中，然后通过比对电脑钥匙和操作设备上的防误锁具逐项进行开锁操作，操作完毕再将设备状态通过电脑钥匙回传给五防计算机。

微机防误装置的优点是闭锁功能完善，除了具备传统装置的功能外，还解决了“防止带电挂地线”和“防止带地线合断路器（隔离开关）”两大问题。通过编码锁验证闭锁逻辑是否满足防误要求，无需额外电缆和电气部件，保证其操作通过“五防”判断。其缺点是：微机防误装置无法有效解决走“空程”问题，即每一步的操作是否到位，电脑钥匙无法判别，另外电脑钥匙的抗干扰能力较低，容易出现逻辑混乱、程序丢失的情况，且当防误主机故障时，全站五防功能受到影响。

三、机械程序锁的改进设计

虽然机械程序锁有着上述诸多缺点，但是在不具备计算机监控系统与微机防误闭锁的运行条件下，如商业、住宅、工厂等配电房，为了实现开关柜间元件的联锁功能，机械程序锁有着不可取代的地位。

（一）思路分析

传统程序锁仅为机械构件，操作者通过程序钥匙的编号来确定与其匹配的程序锁，然而程序锁在开关柜上安装的位置却不尽相同，有的甚至安装于开关柜内部，这使得操作者在操作完一台开关柜并取出程序钥匙后，需要耗费较多的时间来比对确认下一台待操作的开关柜。对于专业运维人员，使用程序锁可能只是影响操作时间，但对于专业水平低的操作者，由于对程序操作不够熟练，易发生无法操作甚至破坏闭锁装置、元器件的情况。

对于此种情况，本文提出在开关柜就地设置程序操作指示的改进方案。程序操作指示通过程序锁内部微动开关构成二次逻辑电路来控制指示灯实现，微动开关随程序锁处于闭锁与解锁状态的变化而变化，程序锁状态如图1所示。

程序操作指示功能如下：操作者在操作完一台开关柜，闭锁程序锁并取出程序钥匙后，下一台待操作开关柜的程序指示灯将自动亮起，操作者以此能够迅速找到目标，并将程序钥匙插入对应程序锁孔，解锁程序锁，完成后续操作，而程序指示灯随程序锁的解锁完成而熄灭。采用程序指示一方面提高了操作效率，降低了对专业能力的要求，增强了安全性，另一方面操作者必须将钥匙插回程序锁并锁定，程序指示才会熄灭，使得程序钥匙不易遗失，若遗失也易于发现，能及时找回或补充。

（二）“二锁一钥匙”方案

“二锁一钥匙”常用于TV柜隔离开关与进线柜断路器程序联锁，一次系统图如图2所示，TV柜隔离开关为QS2，进线柜断路器为QF，进线柜隔离开关为QS1。五防要求防止带负荷误分、误合隔离开关，由于程序锁不能直接闭锁断路器的分、合闸，是通过闭锁操作机构来实现闭锁隔离开关的分、合闸，而QS1与QF通过柜内机械与电气闭锁已完全满足五防要求，所以只需实现合QS2——合QS1——合QF的送电操作顺序与分QF——分QS1——分QS2的停电操作顺序，就能满足柜间的五防联锁要求，简化后即先合QS2，后合QS1，先分QS1，后合QS2。使用两把程序锁分别安装于TV柜与进线柜的隔离开关操作机构处，QS1被程序锁闭锁于分闸状态，QS2被程序锁闭锁于合闸状态，便实现了TV柜隔离开关与进线柜断路器的联锁。

程序指示二次控制电路需实现以下功能：任意一把程序锁位于解锁位置时（钥匙不可拔出），TV柜与进线柜的程序指示为熄灭状态；两把程序锁都位于闭锁状态时（钥匙可拔出或已拔出），待操作柜的程序指示点亮。根据以上要求设计出如图3所示二次控制电路：

上图JS1、2分别为程序锁微动开关，KA1、2为中间继电器，HR1、2为程序指示灯，触点状态为程序锁闭锁状态、中间继电器线圈未得电时的状态。状态保持回路借助中间继电器实现程序钥匙从本柜程序锁拔出后，本柜程序指示灯不被点亮，给操作者单一指示，从而明确下一台需要操作的开关柜。

（三）“三锁两钥匙”方案

“三锁两钥匙”常用于两段母线的进线开关和分段开关的程序联锁，使得任意时刻最多只能合闸其中两台开关，这是因为来自不同电源的两段母线不允许并列运行，否则将产生重大事故，为了保证可靠性，不但做电气联锁，还做程序联锁。一次系统图如图4所示，1#进线柜隔离开关为QS1，断路器为QF1，2#进线柜隔离开关为QS2，断路器为QF2，联络柜隔离开关为QS3，断路器为QF3。由于单台高压柜内部隔离开关与断路器通过电气及机械联锁，已完全满足五防要求，为了实现三台断路器QF1、QF2、QF3的“三合二”联锁，可间接的通过QS1、QS2、QS3之间的程序联锁来实现，通过三把程序锁分别闭锁三台隔离开关的分闸位置，即能实现断路器的“三合二”。

程序指示二次控制电路需实现以下功能：二个程序锁位于解锁位置，一程序锁位于闭锁位置时（两钥匙不可拔出），三个程序指示为熄灭状态；两程序锁位于闭锁位置，一程序锁位于解锁位置时（一钥匙可拔出或已拔出，另一钥匙不可拔出），待操作柜的程序指示点亮。根据以上要求设计出如图5所示二次控制电路：

上图JS1、2、3分别为程序锁微动开关，KA1、2、3为中间继电器，HR1、2、3为程序指示灯，触点状态为程序锁闭锁状态、中间继电器线圈未得电时的状态。状态保持回路借助中间继电器实现程序钥匙从本柜程序锁拔出后，本柜程序指示灯不被点亮，给操作者单一指示，从而明确下一台需要操作的开关柜。

（四）跨配电间的程序指示方案

对于不同配电室开关柜的程序联锁，程序指示方式将有所改变。由于联锁的开关柜不在同一配电间，操作者完成A配电房开关柜的操作，拔出程序钥匙后，若程序指示设于B配电房待操作的开关柜上，则操作者得不到程序指示。因此不同配电室开关柜的程序联锁，程序指示应同时在程序操作的两台开关柜上点亮，即操作者闭锁程序锁，拔出程序钥匙后，本柜程序指示点亮，操作者通过察看程序指示灯的标签便能得到下一台待操作的开关柜的编号或位置信息，由于待操作开关柜的程序指示也点亮了，操作者便能快速确认目标，完成操作。

跨配电间开关柜的联锁在发电站中十分常见，如主变低压侧进线柜与主变高压侧变压器柜之间，如图6所示，隔离手车QS与断路器QF必须满足先推进隔离手车，才能合闸断路器，先分闸断路器，才能推出隔离手车的五防操作要求。由于隔离柜与断路器柜电压等级不相同，常常会布置在不同的配电间，而传统程序锁无程序指示，程序操作困难，所以常采用电气闭锁或电磁闭锁的方式进行联锁，但是设置程序指示后，这一困难就迎刃而解。

（五）方案小结

以上仅对程序指示在高压环网柜的两种应用情况进行了分析与设计，但显然，对于高压移开式中置柜，程序指示同样能够起到提高操作效率、增强操作安全的作用，特别是中置柜断路器程序闭锁安装于断路器手车上，需要打开柜门才能确认程序锁的编号，增加了操作人员的操作难度。

程序锁在电力系统中还有更多复杂的应用情况，但是，为每个程序锁增加微动开关后，每个程序锁的状态便有了反馈，不再是脱离系统的不可知量，设计人员便能够以此设计二次逻辑电路，实现程序操作指示的功能。

四、结语

防误装置在电力系统中有着重要的作用，它有效的减少了事故的发生，但每一种防误装置都存在固有的不足。本文对机械程序锁操作程序难掌握，程序钥匙易遗失的问题提出了一种改善方案，即通过在程序锁内加装随程序锁状态变化而变化的微动开关，结合二次控制电路，实现开关柜就地程序操作指示的方案，降低了操作者的能力要求，提高了操作效率，增强了操作安全性。然而本文列举的程序指示应用仅为抛砖引玉，程序锁增加微动开关后可以实现更多功能，若能结合断路器、隔离开关、接地开关等元器件的状态，整个电力系统的状态将更加明确，可控性、安全性更高。