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(xué)飛， 張曉明， 蘇圓圓

國家電網(wǎng)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(yè)的大問題，也是電力系統(tǒng)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(xiàn)變電站防誤閉鎖系統(tǒng)的實時方案。文獻[7]構(gòu)建的防誤閉鎖系統(tǒng)由監(jiān)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(yīng)的閉鎖條件。文獻[8]將紫蜂技術(shù)應(yīng)用于變電站五防，搭建新型防誤閉鎖系統(tǒng)。隨著國網(wǎng)系統(tǒng)“三集五大”政策的實施，目前特高壓與超高壓工程建設(shè)持續(xù)推進，新一代智能變電站要求實現(xiàn)設(shè)備實時遙測、遙信、遙控，對設(shè)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(jié)與分析，為新擴建變電站設(shè)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(nèi)容

文獻[10-11]規(guī)定，凡是有可能引起誤操作的高壓電氣設(shè)備均應(yīng)裝設(shè)防誤閉鎖裝置和相應(yīng)的防誤閉鎖電氣操作回路。從這個角度出發(fā)，提出防誤閉鎖的內(nèi)容，俗稱五防： 防止誤分合斷路器，防止帶負荷分合隔離開關(guān)，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(guān)，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(jié)構(gòu)應(yīng)簡單、可靠，操作維護方便，盡可能不增加正常操作的復(fù)雜性。

(2) 電磁鎖采用間隙式原理，鎖栓能自動復(fù)位。

(3) 成套的高壓開關(guān)設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選用機械鎖。

(4) 防誤裝置應(yīng)設(shè)有解鎖工具，如鑰匙。

(5) 防誤裝置應(yīng)不影響開關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)性能。

(6) 防誤裝置應(yīng)做到防塵、防異物、防銹、不卡澀。戶外的防誤裝置還應(yīng)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(shè)施外，其它均應(yīng)采用強制性措施。

2.3 實現(xiàn)方式

目前特高壓與超高壓變電站一般采用分層控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(gòu)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(jié)構(gòu)

在站控層進行操作時，系統(tǒng)會對庫內(nèi)實時遙信信息進行邏輯計算,當滿足五防條件時，相應(yīng)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(xiàn)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(diào)用，這樣所實現(xiàn)的閉鎖邏輯也是完全的。電氣閉鎖只接入了本間隔開關(guān)、閘刀的輔助觸點，機械閉鎖只存在于同一架構(gòu)的閘刀和接地閘刀之間，所以實現(xiàn)的閉鎖是不完全的。如果操作命令發(fā)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(fā)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(gòu)，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(cè)電壓等級一般分別為1000kV、500kV、110kV和500kV、220kV、35kV，高壓側(cè)部分一般采用二分之三接線方式，中壓側(cè)部分一般采用雙母雙分段接線方式，低壓側(cè)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(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)主變壓器高壓側(cè)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(guān)、流變及兩側(cè)閘刀和接地閘刀，5012開關(guān)、流變及兩側(cè)閘刀和接地閘刀，5013開關(guān)、流變及兩側(cè)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(nèi)容和實現(xiàn)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(guān)。由于上述兩接地閘刀與50131閘刀屬于同一架構(gòu)的電氣設(shè)備，它們之間的防誤閉鎖通過機械閉鎖的方式實現(xiàn)。

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

2號主變壓器三側(cè)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(guān)，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(tǒng)會對501367、48020、3217、501317、501327接地閘刀和5013開關(guān)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(tǒng)會對501367、48020、3217、501317、501327接地閘刀和5013開關(guān)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(guān)、閘刀的輔助觸點，機械閉鎖只存在于同一架構(gòu)中的閘刀和接地閘刀之間，所以實現(xiàn)的閉鎖是不完全的。站控層閉鎖和間隔層閉鎖會對系統(tǒng)內(nèi)所有相關(guān)的設(shè)備信息進行采集和判斷，所實現(xiàn)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(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)變壓器中壓側(cè)的主接線主要采用雙母雙分段接線，這種接線方式的優(yōu)點是任意一段母線發(fā)生故障時，可以將跳閘范圍縮小到 220kV 區(qū)域的1/4，另外3/4區(qū)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(lián)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(guān)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(yīng)用于4893開關(guān)轉(zhuǎn)檢修或恢復(fù)送電時的操作過程。

(2) 4893間隔48932閘刀合位，220kV B段母聯(lián)開關(guān)4600及其兩側(cè)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(lián)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(guān)及其兩側(cè)閘刀41001、41002合位，220kV分段4200開關(guān)及其兩側(cè)閘刀42001、42002合位，220kV A段母聯(lián)開關(guān)4800及其兩側(cè)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(lián)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(guān)設(shè)備與48931閘刀屬于同一構(gòu)架，因此沒有機械閉鎖。4893開關(guān)，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(guān)觸點串入48931閘刀控制回路，構(gòu)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(shè)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(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)變壓器低壓側(cè)一般采用單母線接線方式。該接線方式接線簡單，設(shè)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(shè)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(shè)計，不同變電站的具體閉鎖邏輯可以在典型設(shè)計的基礎(chǔ)上予以適當調(diào)整。

4 防誤閉鎖邏輯錯誤案例

4.1 系統(tǒng)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(shè)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(guān)全部作為死開關(guān)運行，即儲能電源與操作電源均斷開，220kV A段母線母聯(lián)間隔F5本期已安裝，而220kV B段母線母聯(lián)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(shè)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(shè)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(guān)全部作為死開關(guān)運行，220kV A段母線母聯(lián)間隔F5本期已安裝，220kV B段母線母聯(lián)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(shè)計思路是一致的，現(xiàn)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(xué)生之間存在差異性和多樣性，在學(xué)習(xí)過程中，每個學(xué)生具有其特有的意義構(gòu)建過程。所以，教師不僅要對學(xué)生的學(xué)習(xí)進行管理，更重要的是必須對不同學(xué)生進行不同的學(xué)習(xí)引導(dǎo)，啟發(fā)每位學(xué)生的創(chuàng)新思維。作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，教師在執(zhí)行角色時的行為特征表現(xiàn)在：在審閱每位學(xué)生介紹材料的基礎(chǔ)上，提出問題，組織學(xué)生進行思考和討論，在討論中引導(dǎo)學(xué)生，啟發(fā)誘導(dǎo)他們自己去發(fā)現(xiàn)規(guī)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(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解；盡量給每位學(xué)生同等參與討論的機會，經(jīng)常了解學(xué)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(xué)生都有學(xué)習(xí)的潛力，給每位學(xué)生創(chuàng)新的機會，引導(dǎo)學(xué)生不斷地向目標邁進。

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

根據(jù)上述設(shè)計原則，榴城變電站1間隔F3閘刀QSF1與閘刀QSF2的設(shè)計思路一致，根據(jù)設(shè)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(guān)QF、閘刀QSF2、開關(guān)兩側(cè)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(tǒng)調(diào)度規(guī)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(guān)倒至另一組母線時，應(yīng)確保母聯(lián)開關(guān)及其閘刀在合閘狀態(tài)，現(xiàn)場應(yīng)短時將母聯(lián)開關(guān)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(lián)間隔F5開關(guān)及兩側(cè)閘刀在合位，此時通過A段母線的母聯(lián)間隔執(zhí)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(shè)計，第三種模式是F3間隔的閘刀QSF2在合位、B段母聯(lián)間隔F19開關(guān)及兩側(cè)閘刀在合位、ⅠA母和ⅠB母之間的分段間隔F13開關(guān)及兩側(cè)閘刀在合位、ⅡA母和ⅡB母之間的分段間隔F14開關(guān)及兩側(cè)閘刀在合位，此時可以保證A段母聯(lián)間隔F5開關(guān)及閘刀檢修時，通過B段母聯(lián)間隔F19執(zhí)行倒閘操作。但是根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,即由于本期B段母聯(lián)間隔F19沒有安裝，導(dǎo)致無法通過B段母聯(lián)間隔F19進行倒閘操作，因此虛線部分應(yīng)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(shè)計圖紙，現(xiàn)場驗收人員逐一開展閘刀電氣閉鎖驗收，現(xiàn)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(guān)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(guān)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(shè)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(lián)間隔F5開關(guān)QF2=F5及兩側(cè)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(lián)間隔執(zhí)行倒閘操作。然后依次單獨改變本間隔的閘刀QSF2、A段母聯(lián)的開關(guān)QF2=F5及兩側(cè)閘刀QS1=F5、QS2=F5的狀態(tài)，閘刀QSF1均不可進行操作。符合設(shè)計原則。

在完成以上兩種操作模式的驗收后，現(xiàn)場驗收人員考慮到圖紙設(shè)計原有的第三種模式和本期B段母聯(lián)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(guān)QF=F13及兩側(cè)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(guān)QF=F14及兩側(cè)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(shè)計原則，存在電氣閉鎖邏輯錯誤。

正確的閘刀聯(lián)鎖邏輯可以保證在任何情況下閘刀都不會發(fā)生惡性誤操作事故，而根據(jù)現(xiàn)場的實際聯(lián)鎖邏輯，可能發(fā)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(guān)，一條線路轉(zhuǎn)檢修，一條母線配合停電，另外一條母線處在運行狀態(tài)，當調(diào)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(shè)備帶電，具有極大的安全隱患。

在發(fā)現(xiàn)以上缺陷后，驗收人員及時與施工單位、設(shè)計院溝通，詳細告知該缺陷情況及由此造成的安全隱患，經(jīng)過三方討論和施工單位的自查發(fā)現(xiàn)，本期B段母聯(lián)間隔F19未投運，施工單位未對閘刀的電氣閉鎖邏輯進行調(diào)整，現(xiàn)場施工人員錯誤地將設(shè)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(fù)正確。

圖14 錯誤短接情況

5 結(jié)束語

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

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

(2) 審查現(xiàn)場實際的電氣閉鎖邏輯是否符合相關(guān)規(guī)程，是否按照近期實際投運規(guī)模作出正確調(diào)整。

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