特高压与超高压变电站防误闭锁研究

马 凯， 尹建军， 彭翔天， 万礼嵩， 丁学飞， 张晓明， 苏圆圆

国家电网安徽省电力有限公司 检修分公司 合肥 230009

1 研究背景

如何避免错误倒闸操作一直是电力行业的大问题，也是电力系统一直研究的课题[1-5]。文献[6]将误操作分为三类： 运行值班人员误操作、检修人员误操作、其他人员误操作，阐述了变电站对防误闭锁装置的基本要求，重点介绍了利用综合自动化装置实现变电站防误闭锁系统的实时方案。文献[7]构建的防误闭锁系统由监控闭锁逻辑、微机五防闭锁、电气闭锁和机械闭锁四部分组成，同时给出不同层次的操作命令所对应的闭锁条件。文献[8]将紫蜂技术应用于变电站五防，搭建新型防误闭锁系统。随着国网系统“三集五大”政策的实施，目前特高压与超高压工程建设持续推进，新一代智能变电站要求实现设备实时遥测、遥信、遥控，对设备的防误闭锁提出了更高的要求[9]，因此有必要对特高压与超高压变电站典型防误闭锁进行总结与分析，为新扩建变电站设计合理的防误闭锁逻辑提供参考与借鉴。

2 防误闭锁概述

2.1 内容

文献[10-11]规定，凡是有可能引起误操作的高压电气设备均应装设防误闭锁装置和相应的防误闭锁电气操作回路。从这个角度出发，提出防误闭锁的内容，俗称五防： 防止误分合断路器，防止带负荷分合隔离开关，防止带电挂接地线或合接地闸刀，防止带接地闸刀或接地线合隔离开关，防止误入带电间隔。

2.2 原则

防误闭锁的具体原则如下。

(1) 防误闭锁装置的结构应简单、可靠，操作维护方便，尽可能不增加正常操作的复杂性。

(2) 电磁锁采用间隙式原理，锁栓能自动复位。

(3) 成套的高压开关设备应优先选用机械锁。

(4) 防误装置应设有解锁工具，如钥匙。

(5) 防误装置应不影响开关设备的主要技术性能。

(6) 防误装置应做到防尘、防异物、防锈、不卡涩。户外的防误装置还应有防水、防潮、防霉的措施。

(7) 五防中除防误分合断路器可采用提示性设施外，其它均应采用强制性措施。

2.3 实现方式

目前特高压与超高压变电站一般采用分层控制结构实现防误闭锁，即站控层防误闭锁、间隔层防误闭锁、本间隔电气闭锁、同一构架闸刀和接地闸刀之间机械闭锁等，如图1所示。

图1 防误闭锁分层控制结构

在站控层进行操作时，系统会对库内实时遥信信息进行逻辑计算,当满足五防条件时，相应的遥控命令才能下达，否则将拒绝下达命令，并弹出不满足五防条件的信息，这样所实现的闭锁逻辑是完整、独立的。在间隔层进行操作时，测控单元对采集的遥信信息也进行逻辑计算，当五防条件满足时，控制的闭锁触点闭合，操作才可进行。当闭锁条件中涉及其它测控单元的信息时，该测控单元可以从站控层主控单元上调用，这样所实现的闭锁逻辑也是完全的。电气闭锁只接入了本间隔开关、闸刀的辅助触点，机械闭锁只存在于同一架构的闸刀和接地闸刀之间，所以实现的闭锁是不完全的。如果操作命令发自主控室后台，则该操作命令收到的闭锁逻辑为S+J+E+M。如果操作命令发自保护室测控，则该操作命令收到的闭锁逻辑为J+E+M。如果操作命令来自闸刀的操动机构，则该操作命令收到的闭锁逻辑为E+M。

3 防误闭锁逻辑

目前特高压与超高压变电站的主变压器三侧电压等级一般分别为1000kV、500kV、110kV和500kV、220kV、35kV，高压侧部分一般采用二分之三接线方式，中压侧部分一般采用双母双分段接线方式，低压侧部分一般采用单母线接线方式。某500kV变电站电气主接线如图2所示，该电气主接线包含上述三种接线方式。

3.1 二分之三接线

目前电网系统内主变压器高压侧的主接线方式为二分之三接线，这种接线方式具有很高的可靠性，任何一组母线或者断路器退出工作时都不影响机组或出线运行。图2中500kV第一串由5011开关、流变及两侧闸刀和接地闸刀，5012开关、流变及两侧闸刀和接地闸刀，5013开关、流变及两侧闸刀和接地闸刀组成，其典型的防误闭锁逻辑如图3、图4所示。

以2号主变50131闸刀为例，分析50131闸刀防误闭锁逻辑的内容和实现方式。501317接地闸刀或501367接地闸刀在合闸位置时，闭锁50131闸刀，禁止对50131闸刀进行操作，这是防止带接地闸刀合隔离开关。由于上述两接地闸刀与50131闸刀属于同一架构的电气设备，它们之间的防误闭锁通过机械闭锁的方式实现。

当5013开关在合位时，禁止操作50131闸刀，这是防止带负荷分合隔离开关。由于5013开关、501317接地闸刀、501327接地闸刀和50131闸刀属于同一间隔设备，因此将5013开关、501317接地闸刀、501327接地闸刀的辅助开关触点串入50131闸刀的控制回路，构成对50131闸刀的本间隔电气防误闭锁。

2号主变压器三侧的接地闸刀分别为501367、48020、3217，为了防止带接地闸刀合隔离开关，当上述三组接地闸刀中任意一组在合闸位置时，禁止对50131闸刀进行操作。当操作命令来自主控室后台时，站控层和间隔层防误闭锁系统会对501367、48020、3217、501317、501327接地闸刀和5013开关的位置信息进行判断，当满足防误闭锁逻辑时，允许50131闸刀进行操作。当操作命令来自保护室测控装置时，间隔层防误闭锁系统会对501367、48020、3217、501317、501327接地闸刀和5013开关的位置信息进行判断，当满足防误闭锁逻辑时，允许50131闸刀进行操作。站控层和间隔层的防误闭锁逻辑完全一致，当满足闭锁逻辑时，串入50131闸刀控制回路的触点闭合，允许操作。当不满足闭锁逻辑时，串入50131闸刀控制回路的触点断开，禁止操作。

综上所述，电气闭锁只接入了本间隔的开关、闸刀的辅助触点，机械闭锁只存在于同一架构中的闸刀和接地闸刀之间，所以实现的闭锁是不完全的。站控层闭锁和间隔层闭锁会对系统内所有相关的设备信息进行采集和判断，所实现的闭锁逻辑是完整的。

图2 500kV变电站电气主接线

图3 500kV第一串闸刀防误闭锁逻辑

图4 500kV第一串接地闸刀防误闭锁逻辑

3.2 双母双分段接线

目前电网系统内变压器中压侧的主接线主要采用双母双分段接线，这种接线方式的优点是任意一段母线发生故障时，可以将跳闸范围缩小到 220kV 区域的1/4，另外3/4区域没有故障的母线可以保持正常运行，其典型防误闭锁逻辑如图5～图10所示。

图5 220kV出线间隔防误闭锁逻辑

图6 220kV同一母线分段间隔防误闭锁逻辑

图7 220kV主变间隔防误闭锁逻辑

图8 220kV不同母线间母联间隔防误闭锁逻辑

图9 220kV压变间隔防误闭锁逻辑

图10 220kV母线接地闸刀防误闭锁逻辑

(1) 4893间隔4893开关分位，48932、48933闸刀分位，489320、489330接地闸刀分位，220kV ⅠB母线20120、20140接地闸刀分位，允许48931闸刀操作，否则禁止操作。通过以上防误闭锁逻辑可以防止带负荷拉合闸刀，防止带接地闸刀合闸刀送电。这种模式一般应用于4893开关转检修或恢复送电时的操作过程。

(2) 4893间隔48932闸刀合位，220kV B段母联开关4600及其两侧闸刀46001、46002合位，489320、489330接地闸刀分位，220kV ⅠB母线20120、20140接地闸刀分位，允许48931闸刀操作，否则禁止操作。通过以上防误闭锁逻辑可以防止带负荷拉合闸刀，防止带接地闸刀合闸刀送电。这种模式通过B段母联4600间隔对220kV敬凤4893线进行倒母线操作。

(3) 4893间隔48932闸刀合位，220kV分段4100开关及其两侧闸刀41001、41002合位，220kV分段4200开关及其两侧闸刀42001、42002合位，220kV A段母联开关4800及其两侧闸刀48001、48002合位，489320、489330接地闸刀分位，220kV Ⅰ B 母线20120、20140接地闸刀分位，允许48931闸刀操作，否则禁止操作。通过以上防误闭锁逻辑可以防止带负荷拉合闸刀，防止带接地闸刀合闸刀送电。这种模式通过A段母联4800间隔对220kV敬凤4893线进行倒母线操作。

以上防误闭锁逻辑中，由于没有相关设备与48931闸刀属于同一构架，因此没有机械闭锁。4893开关，48932、48933闸刀，489320、489330接地闸刀与48931闸刀位于同一间隔，因此其辅助开关触点串入48931闸刀控制回路，构成本间隔电气闭锁。站控层和间隔层防误闭锁对所有影响48931闸刀操作的电气设备位置进行采集，进而判断48931闸刀是否允许操作。

3.3 单母线接线方式

目前电网系统内变压器低压侧一般采用单母线接线方式。该接线方式接线简单，设备少，操作方便，造价便宜，母线可以向两端延伸，具有良好的可扩展性，其典型防误闭锁逻辑如图11、图12所示。

图11 35kV站用变间隔防误闭锁逻辑

图12 35kV母线接地闸刀防误闭锁逻辑

以上各电压等级电气设备的防误闭锁逻辑均为目前特高压与超高压变电站的典型设计，不同变电站的具体闭锁逻辑可以在典型设计的基础上予以适当调整。

4 防误闭锁逻辑错误案例

4.1 系统接线方式

2016年3月7日，安徽省某500kV新建变电站220kV封闭式组合电器进入设备验收阶段。该 220kV 封闭式组合电器采用双母双分段接线方式，由于本期投运主变压器一台， 220kV ⅠA母线和ⅠB母线、200kV ⅡA母线和ⅡB母线之间的分段开关全部作为死开关运行，即储能电源与操作电源均断开，220kV A段母线母联间隔F5本期已安装，而220kV B段母线母联间隔F19未安装，其电气主接线如图13所示，图中虚线部分本期未安装。该封闭式组合电器型号为ZF11-252(L)，由于为成套设备，其电气闭锁范围扩大至整个220kV封闭式组合电器所有间隔。

图13 500kV新建变电站220kV封闭式组合电器主接线

4.2 闸刀电气闭锁设计原则

由于本期投运主变压器一台，该主变间隔F7位于220kV ⅠA母线，220kV ⅠA母线和ⅠB母线、220kV ⅡA母线和ⅡB母线之间的分段开关全部作为死开关运行，220kV A段母线母联间隔F5本期已安装，220kV B段母线母联间隔F19未安装。位于220kV A段母线上榴城变电站1间隔F3、榴城变电站2间隔F4、1号主变间隔F7、榴城变电站3间隔F10、高湖变电站间隔F12等五个间隔的闸刀，其电气闭锁逻辑的设计思路是一致的，现以榴城变电站1间隔F3的闸刀为例加以说明，其闭锁逻辑见表1。

由于学生之间存在差异性和多样性，在学习过程中，每个学生具有其特有的意义构建过程。所以，教师不仅要对学生的学习进行管理，更重要的是必须对不同学生进行不同的学习引导，启发每位学生的创新思维。作为学生学习的引导者，教师在执行角色时的行为特征表现在：在审阅每位学生介绍材料的基础上，提出问题，组织学生进行思考和讨论，在讨论中引导学生，启发诱导他们自己去发现规律，同时对自身错误或片面的认识进行纠正或补充，从而加深学生对教学内容的理解；尽量给每位学生同等参与讨论的机会，经常了解学生的意见，随时修正自己在期望值上的偏差。最重要的是，相信每位学生都有学习的潜力，给每位学生创新的机会，引导学生不断地向目标迈进。

表1中QF为开关；QSF、QS为闸刀；QE、QEF为接地闸刀；F5为A段母联间隔；F9为ⅠA母线设备间隔；F11为ⅡA母线设备间隔；F13为ⅠA母和ⅠB母之间的分段间隔，本期视为死开关；F14为ⅡA母和ⅡB母之间的分段间隔，本期视为死开关；F19为B段母联间隔，本期未安装。

根据上述设计原则，榴城变电站1间隔F3闸刀QSF1与闸刀QSF2的设计思路一致，根据设计图纸，闸刀QSF1可以在多种模式下进行分合闸操作。

第一种模式为F3本间隔的开关QF、闸刀QSF2、开关两侧接地闸刀QE1和QE2、ⅠA母线接地闸刀QEF=F9断开时，闸刀QSF1可以操作，这是为了防止带负荷拉合闸刀，防止带接地闸刀合闸刀送电。

按照《安徽省电力系统调度规程》第14-23条，运行中的双母线，当一组母线上的部分或全部开关倒至另一组母线时，应确保母联开关及其闸刀在合闸状态，现场应短时将母联开关改为非自动，再进行倒至另一组母线的操作。第二种模式是本间隔的闸刀QSF2在合位、A段母联间隔F5开关及两侧闸刀在合位，此时通过A段母线的母联间隔执行倒闸操作。

表1 榴城变电站1间隔F3闸刀闭锁逻辑

按照图纸原有的设计，第三种模式是F3间隔的闸刀QSF2在合位、B段母联间隔F19开关及两侧闸刀在合位、ⅠA母和ⅠB母之间的分段间隔F13开关及两侧闸刀在合位、ⅡA母和ⅡB母之间的分段间隔F14开关及两侧闸刀在合位，此时可以保证A段母联间隔F5开关及闸刀检修时，通过B段母联间隔F19执行倒闸操作。但是根据现场的实际情况,即由于本期B段母联间隔F19没有安装，导致无法通过B段母联间隔F19进行倒闸操作，因此虚线部分应该断开，即取消第三种操作模式。

综上所述，220kV A段母线上榴城变电站1间隔F3、榴城变电站2间隔F4、1号主变间隔F7、榴城变电站3间隔F10、高湖变电站间隔F12等五个间隔的闸刀只能在第一种、第二种模式下进行操作。

4.3 闭锁逻辑错误分析

按照设计图纸，现场验收人员逐一开展闸刀电气闭锁验收，现以榴城变电站1间隔F3的闸刀QSF1为例加以说明。该闸刀可在两种模式下进行操作，对每一种模式进行验证。

在第一种模式下，首先断开间隔F3开关QF、闸刀QSF2、接地闸刀QE1和QE2，以及ⅠA母线接地闸刀QEF=F9，闸刀QSF1可以进行分合闸的操作。然后依次单独合上开关QF、闸刀QSF2、接地闸刀QE1、接地闸刀QE2和ⅠA母线接地闸刀QEF=F9，闸刀QSF1均不可进行操作。符合设计原则。

在第二种模式下，将间隔F3闸刀QSF2置于合位，A段母联间隔F5开关QF2=F5及两侧闸刀QS1=F5、QS2=F5在合位，此时闸刀QSF1可以通过A段母线的母联间隔执行倒闸操作。然后依次单独改变本间隔的闸刀QSF2、A段母联的开关QF2=F5及两侧闸刀QS1=F5、QS2=F5的状态，闸刀QSF1均不可进行操作。符合设计原则。

在完成以上两种操作模式的验收后，现场验收人员考虑到图纸设计原有的第三种模式和本期B段母联间隔没有安装，为了验证施工单位取消第三种操作模式，验收人员将本间隔闸刀QSF2置于合位，ⅠA母和ⅠB母之间的分段间隔F13开关QF=F13及两侧闸刀QS1=F13、QS2=F13置于合位，ⅡA母和ⅡB母之间的分段间隔F14开关QF=F14及两侧闸刀QS1=F14、QS2=F14置于合位，间隔F3闸刀QSF1仍然可以进行操作，明显违背了设计原则，存在电气闭锁逻辑错误。

正确的闸刀联锁逻辑可以保证在任何情况下闸刀都不会发生恶性误操作事故，而根据现场的实际联锁逻辑，可能发生以下误操作： 本期Ⅰ母分段间隔F13、Ⅱ母分段间隔F14作为死开关，一条线路转检修，一条母线配合停电，另外一条母线处在运行状态，当调试需要合上配合停电的母线上闸刀QSF1时，运行母线上的闸刀QSF2就可以操作。而一旦运行母线上的闸刀QSF2合上，就会造成检修设备带电，具有极大的安全隐患。

在发现以上缺陷后，验收人员及时与施工单位、设计院沟通，详细告知该缺陷情况及由此造成的安全隐患，经过三方讨论和施工单位的自查发现，本期B段母联间隔F19未投运，施工单位未对闸刀的电气闭锁逻辑进行调整，现场施工人员错误地将设计图纸本期未投运的部分，即表1中虚线部分进行短接，如图14所示，造成A段母线上的闸刀电气闭锁逻辑明显错误，存在极大的误操作隐患。施工单位随即将错误短接的部分断开，使所有闸刀的电气闭锁逻辑恢复正确。

图14 错误短接情况

5 结束语

对于部分新建变电站，除了近期投运规模，还有远景规划，而其主间隔设备的电气闭锁逻辑是按照远景规划设计的，施工单位需要在此基础上进行调整。鉴于此，建议在对上述类型的新建变电站主间隔设备电气闭锁验收时采取以下措施。

(1) 督促设计单位、施工单位提供明确的主间隔设备电气闭锁逻辑及其设计原则、实际施工方案。

(2) 审查现场实际的电气闭锁逻辑是否符合相关规程，是否按照近期实际投运规模作出正确调整。

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