機(jī)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(fù)著首都供水的重要任務(wù)。泵站自加壓運(yùn)行以來(lái)，曾發(fā)生運(yùn)行人員走錯(cuò)設(shè)備間隔誤斷10 kV母線進(jìn)線斷路器導(dǎo)致該段母線所帶機(jī)組全部停機(jī)的事故?；菽锨f泵站運(yùn)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(yùn)行相關(guān)性強(qiáng)，運(yùn)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(jī)組設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，如何杜絕由于人為誤操作原因造成機(jī)組停機(jī)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(yùn)行管理必須考慮的問(wèn)題。通過(guò)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(jī)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(yùn)行人員的跳項(xiàng)、漏項(xiàng)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(jì)流量60 m3/s，揚(yáng)程58.2 m，總裝機(jī)容量58.4 MW，共安裝8臺(tái)臥式單級(jí)雙吸離心泵，6工2備，單泵流量10 m3/s，配套電動(dòng)機(jī)功率7 300 kW，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)均配有一臺(tái)變頻器，用以驅(qū)動(dòng)機(jī)組作變速運(yùn)行，以滿足不同輸水流量要求。

泵站建有110 kV變電站，110 kV進(jìn)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(tái)，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(yùn)行，每段母線分別帶4臺(tái)機(jī)組，一臺(tái)主變故障或檢修退出運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷路器關(guān)合運(yùn)行。

3 原設(shè)計(jì)“五防”措施缺陷分析

3.1 原設(shè)計(jì)“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(shí)現(xiàn)電氣“五防”功能。10 kV高壓柜采用MVnex手車(chē)柜，0.4 kV低壓盤(pán)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(jī)械和電氣“五防”，并在上位機(jī)通過(guò)邏輯實(shí)現(xiàn)閉鎖功能，如：斷路器手車(chē)在試驗(yàn)或工作位置時(shí)斷路器才能進(jìn)行合分操作，而且在斷路器合閘后手車(chē)無(wú)法移動(dòng)，防止帶負(fù)荷誤推拉斷路器；僅當(dāng)斷路器手車(chē)處于試驗(yàn)/斷開(kāi)位置時(shí)接地開(kāi)關(guān)才能合閘，防止帶電誤合接地刀；僅當(dāng)接地開(kāi)關(guān)處在分閘位置時(shí)斷路器才能從試驗(yàn)/斷開(kāi)位置移到工作位置，防止帶接地刀閉合時(shí)合分?jǐn)嗦菲?；接地開(kāi)關(guān)處在分閘位置時(shí)，開(kāi)關(guān)柜下門(mén)及后門(mén)都無(wú)法打開(kāi)，防止誤入帶電間隔等。

3.2 原設(shè)計(jì)“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(shí)現(xiàn)同電壓等級(jí)設(shè)備的閉鎖，而110 kV、10 kV和0.4 kV各電壓等級(jí)設(shè)備之間并沒(méi)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(cuò)間隔或誤操作設(shè)備導(dǎo)致停電停機(jī)事故等問(wèn)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(jī)械閉鎖、機(jī)械鑰匙閉鎖（或機(jī)械程序鎖）和微機(jī)防誤閉鎖等3種[1]，其中：

機(jī)械閉鎖只能應(yīng)用在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部及戶外閘刀等的機(jī)械動(dòng)作相關(guān)部位之間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與電氣元件動(dòng)作間的聯(lián)系。

機(jī)械鑰匙閉鎖是用鑰匙隨操作程序傳遞或置換而達(dá)到先后開(kāi)鎖操作的要求，沒(méi)有任何接線連接和電氣觸點(diǎn)，全部是通過(guò)機(jī)械硬連接來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)各電壓等級(jí)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(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是不能任意改變邏輯順序，只能按照最初的邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行線性操作，偶然的非正常操作要用萬(wàn)能鑰匙來(lái)完成。

微機(jī)防誤閉鎖是一種采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)軟件將現(xiàn)場(chǎng)大量的二次閉鎖回路變?yōu)殡娔X中的“五防”閉鎖規(guī)則庫(kù)，并和現(xiàn)場(chǎng)鎖具實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖。微機(jī)防誤閉鎖實(shí)現(xiàn)了防誤閉鎖的數(shù)字化，可以實(shí)現(xiàn)各電壓等級(jí)設(shè)備之間的防誤閉鎖，但是也存在以下主要問(wèn)題：微機(jī)“五防”功能以操作邏輯為核心，是虛擬的，對(duì)于無(wú)票操作和誤碰則有可能功能失效；微機(jī)“五防”還存在“走空程”的問(wèn)題，在用電腦鑰匙解鎖過(guò)程中發(fā)生鎖沒(méi)有打開(kāi)而電腦鑰匙的程序已經(jīng)走到了下一步，此時(shí)只能靠強(qiáng)制解鎖；微機(jī)“五防”在非正常運(yùn)行方式下無(wú)法用電腦鑰匙進(jìn)行解鎖，也只能靠強(qiáng)制解鎖；在系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，任何一個(gè)接點(diǎn)或者傳感裝置故障都會(huì)造成事故隱患，在微機(jī)系統(tǒng)故障而解除閉鎖時(shí)，“五防”功能將完全失效。

綜上，機(jī)械閉鎖不能解決惠南莊泵站原設(shè)計(jì)“五防”措施的缺陷問(wèn)題，機(jī)械鑰匙閉鎖和微機(jī)防誤閉鎖雖可實(shí)現(xiàn)各電壓等級(jí)設(shè)備之間的防誤閉鎖以解決惠南莊泵站原設(shè)計(jì)“五防”措施的缺陷問(wèn)題，但機(jī)械鑰匙閉鎖是一種物理閉鎖裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，邏輯明了，出現(xiàn)故障的可能性極小，基本可以免維護(hù)，具有安全可靠、零誤操作等特點(diǎn)。因此，選擇采取增設(shè)一套機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)防誤操作，作為原有電氣“五防”的有益補(bǔ)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(wèn)題。

5 機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)增設(shè)方案

5.1 機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)設(shè)置范圍

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

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

5.2 機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)工作原理

通過(guò)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(jìn)行下一步操作，即只有當(dāng)前一步操作正確無(wú)誤且按正常順序的條件下才能取出解除閉鎖的鑰匙進(jìn)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(jìn)行操作，達(dá)到有效防止人為誤操作事故的發(fā)生。

5.3 機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)的構(gòu)成

機(jī)械鑰匙閉鎖裝置主要包括桿栓鎖具、門(mén)鎖、置換板（或稱鑰匙交換盒）。其中：機(jī)械式桿栓鎖、門(mén)鎖為加裝在斷路器、柜門(mén)上的執(zhí)行閉鎖的固定鎖具，全部為法國(guó)STI原裝進(jìn)口，材料為不銹鋼，可達(dá)50年以上的使用壽命，鎖具能夠保證100萬(wàn)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(lái)交換一把或多把鑰匙實(shí)現(xiàn)互鎖的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，置換板鏡框上嵌著標(biāo)有鎖具編號(hào)及其安裝位置的接線圖和詳細(xì)的隔離步驟和操作順序。

6 機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)工作流程

以惠南莊泵站1號(hào)主變運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)檢修態(tài)為例說(shuō)明機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)工作流程（閉鎖邏輯見(jiàn)圖3）。

圖3 惠南莊泵站1號(hào)主變檢修機(jī)械鑰匙閉鎖邏輯圖

主變機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)變壓器兩端的斷路器（刀閘）進(jìn)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(kāi)關(guān)或在變壓器沒(méi)有做好安全隔離措施的情況下進(jìn)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(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)檢修態(tài)操作流程如下：

（1）斷開(kāi)10 kVⅠ段母線進(jìn)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(kāi)110 kV系統(tǒng)1號(hào)主變間隔101-4隔離開(kāi)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(hào)主變間隔101-47接地刀閘并合上地刀，得到鑰匙K413（臨時(shí)接地線鑰匙）/K201C（10 kVⅠ段母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜201后柜門(mén)鑰匙）；

（6）用鑰匙K201C解鎖10 kVⅠ段母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜201后柜門(mén)；

（7）用鑰匙K413解鎖臨時(shí)接地線，取得臨時(shí)接地線和鑰匙K414，在1號(hào)主變低壓側(cè)（10 kVⅠ段母線進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜201處）掛接一組臨時(shí)接地線；

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

7 機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）以杜絕誤操作為原則，按照正確的操作程序設(shè)計(jì)設(shè)備間的機(jī)械鑰匙閉鎖關(guān)系，尤其注重開(kāi)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(yùn)行時(shí)，有關(guān)閉鎖鑰匙被集中保持在鑰匙聯(lián)鎖裝置上。

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

（4）在作為安全隔離點(diǎn)的開(kāi)關(guān)與其地刀之間設(shè)置了機(jī)械聯(lián)鎖，開(kāi)關(guān)未斷開(kāi)或者雖已斷開(kāi)但未拉出至隔離位置，機(jī)械聯(lián)鎖不脫開(kāi)，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(kāi)，開(kāi)關(guān)亦不能操作。

（5）全封閉結(jié)構(gòu)電氣設(shè)備的柜門(mén)亦設(shè)有機(jī)械閉鎖，必須待所有相關(guān)的隔離工作完成，取齊柜門(mén)鑰匙，才能打開(kāi)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(yùn)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(yǔ)

惠南莊泵站加裝的電氣設(shè)備機(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)調(diào)水工程中屬于首創(chuàng)，費(fèi)用不高但經(jīng)濟(jì)和安全效果顯著，大大提高了惠南莊泵站電氣設(shè)備運(yùn)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(cuò)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(wèn)題，提高了惠南莊泵站運(yùn)行維護(hù)安全管理水平。

“五防”閉鎖裝置已成為國(guó)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(yùn)行中起著越來(lái)越重要的作用。其中機(jī)械鑰匙閉鎖裝置機(jī)構(gòu)技術(shù)成熟、安全實(shí)用，使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便，可在泵站、水電站、變電站等的防誤操作措施中單獨(dú)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(jī)械鑰匙閉鎖系統(tǒng)措施可供類似工程借鑒和參考。