核电站负荷开关改造“五防”闭锁系统设计

吴苏敏，余银辉，高 达，刘华干，郭艺璇

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518124）

核电站负荷开关改造“五防”闭锁系统设计

吴苏敏，余银辉，高 达，刘华干，郭艺璇

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518124）

为避免设备受损、人身伤亡，某核电站在GSY负荷开关改造中，需对原有“五防”闭锁系统进行改造；结合项目要求和电厂自身特点，确定了改造以钥匙闭锁为主、与设备电气联锁相结合的闭锁方式，分析了其设计原理、工作逻辑及应用情况；改造后的闭锁系统可以有效避免电气误操作事故的发生，保证机组安全稳定运行。

负荷开关；“五防”闭锁；钥匙闭锁；电气联锁

0 引言

随着现代电力系统规模越来越大，电压等级越来越高，电气误操作事故也成为电力系统频发事故之一。电气误操作可能造成设备损坏、人身伤亡、电网振荡等严重后果，将给电力企业带来严重损失。为确保电力系统的安全稳定运行，避免各类误操作事故的发生，除强化运行管理手段，还应重视“五防”工作。在某核电站GSY（同步并网系统）负荷开关改造中，根据发电机出口断路器（Generator Circuit Breaker，GCB）自身运行特点，对原有钥匙闭锁系统进行了补充、完善，结合GCB内部的电气联锁设置，以有效避免误操作事故的发生。

1 “五防”闭锁装置简介

电气“五防”的内容是指：

（1） 防止误分、误合断路器；

（2） 防止带负荷拉、合隔离开关；

（3） 防止带电挂接地线（或合上接地开关）；

（4） 防止带接地线（或未拉开接地开关）合断路器（或隔离开关）；

（5） 防止误入带电间隔。

目前，国内常用的“五防”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、微机防误闭锁。

1.1 机械闭锁

机械闭锁主要应用于开关柜及户外刀闸的操作，是靠开关设备或刀闸操作机构的相互制约及联动来达到先后动作的闭锁要求。机械闭锁在操作过程中无需使用钥匙等辅助操作，可以实现随操作顺序的正确进行，自动地步步解锁；在发生误操作时，自动闭锁，阻止误操作。机械闭锁可以实现正向和反向的闭锁要求，具有强度高、不易损坏、闭锁直观、操作方便、闭锁可靠等特点。但要实现断路器与断路器之间，或者断路器与其他断路器回路隔离开关间的闭锁就非常困难，还需要辅以其他闭锁方法，才能满足当今防误闭锁的要求。

1.2 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的要求，主要用于开关与其他电气设备之间，以及户外配电装置、户内间隔式配电装置。机械程序锁分为有弹子程序锁和无弹子程序锁2类，应用最广的是无弹子程序锁。无弹子程序锁也分为2种：一种是一把钥匙走到底，此种程序锁闭锁路线单一，不易实现横向闭锁要求，难以在复杂接线方式中应用；另一种是采用钥匙置换法，可以在置换过程中变化钥匙数量，能满足竖向和横向闭锁要求。该核电站负荷开关改造中相关的钥匙闭锁系统即属于钥匙置换法的机械程序锁。

1.3 电气联锁和电磁锁

电气联锁是建立在二次操作回路上的一种防误功能，通过开关和刀闸的辅助接点以及电气控制回路形成闭锁电路。该负荷开关改造中的GCB自身配备了电气联锁。

电磁锁利用断路器、隔离开关、断路器柜门等的辅助接点，接通或断开需闭锁的隔离开关、开关柜门等电磁锁电源，闭锁操作机构的动作，从而实现开关设备之间的相互闭锁。

1.4 微机防误闭锁装置

微机防误闭锁是一种采用计算机软件、网络通信技术的现代控制技术，通过建立闭锁逻辑数据库将现场设备二次电气闭锁回路闭锁条件变为计算机中的防误闭锁规则库。防误主机使用规则库对模拟预演操作进行闭锁逻辑判断，记录符合防误闭锁规则的模拟预演操作步骤，生成实际操作程序。运行人员对照防误主机及电脑钥匙的提示，依次对设备进行操作。不符合程序的操作，由于设备未解锁，操作无法进行，从而防止误操作的发生。

2 GCB中的电气联锁

依据电气“五防”的要求，GCB内部设置了电气联锁以防止误操作。GCB内部包含1个断路器、1个隔离开关以及2个接地开关，现以GCB中隔离开关的合闸逻辑为例，对其电气联锁进行简要说明。隔离开关的合闸逻辑如图1所示。

图1 隔离开关合闸逻辑

图中Q0为断路器，Q9为隔离开关，Q81为发电机侧接地开关，Q82为主变侧接地开关。由该图可知，隔离开关闭合的前提条件包括（但不限于）：断路器断开、发电机侧接地开关断开以及主变侧接地开关断开。这与电气“五防”中的第（2）点和第（4）点要求是相对应的。具体到电路设计，通过在隔离开关合闸回路中串入断路器及接地开关的辅助接点形成闭锁，如图2所示。

图2圈1中S81的27-28接点及圈2中S82 的27-28接点为接地开关辅助接点，接地开关断开时接点闭合；圈3中S0的11-12接点为断路器辅助接点，断路器断开时接点闭合。可见，仅当接地开关和断路器的状态满足逻辑要求时（断开），隔离开关合闸回路方能接通，否则隔离开关无法实现合闸操作。

改造取消了主变侧带电闭锁就地合闸回路的设计，修改为主变侧带电闭锁合主变侧接地刀的电气联锁：在主变侧接地开关的合闸回路中串入电压继电器接点，当电压继电器检测到主变带电时，该接点断开，闭锁接地开关的合闸回路，防止主变在接地开关合闸的情况下进行倒送电。除此之外，新断路器还设有就地手动合闸时隔离开关需处于分位的电气闭锁，可以防止就地误合开关导致向发电机倒送电。

3 改造后钥匙闭锁系统

3.1 GCB本体钥匙闭锁

改造后GCB本体没有复杂的辅助系统机械钥匙闭锁，但增加了隔离开关、接地开关在高压系统中的钥匙闭锁。GSY001/101/201JS刀闸分别对应1GB/2GB/3GB，4GB/5GB/6GB，7GB/8GB/9GB共3组9把钥匙，每组钥匙各自对应图标，任何情况下只有1把钥匙能够被释放，其所对应的操作方式分别如下：

（1） 圆形标记的钥匙被释放——驱动器被锁在“闭合”位置；

（2） 三角形标记的钥匙被释放——驱动器被锁在“断开”位置；

（3） 方形的钥匙被释放——正常操作，可在就地或远控电动操作，手动操作被闭锁；

（4） 所有钥匙均被闭锁——手动操作，就地或远控电动操作被闭锁，可手动操作。

改造后的GCB钥匙闭锁如图3所示。

3.2 电厂高压系统钥匙闭锁

新GCB增加了1个隔离开关、2个接地开关，这3个开关将作为全厂高压系统的隔离边界，机械钥匙闭锁系统能否有效工作，直接关系到设备运行的可靠性。改造工程师深入分析了其他核电站高压系统钥匙闭锁机构的设计原理，针对该核电站高压钥匙闭锁系统的特点，采用“等效替代，单个转换”的思路，对高压系统钥匙闭锁机构进行了整体改造。以隔离开关替代原负荷开关，2个接地开关分别替换原临时接地线的功能，同时保留临时接地线钥匙闭锁以备特殊情况使用。

钥匙闭锁机构需要确保改造后的每一把锁与改造前完全一样，厂家能否提供与20多年前完全一样的锁，成为钥匙闭锁机构改造的关键因素。经过与国外厂家的多轮沟通，确保了大部分锁的匹配，但新产品中仍有1把CASTELL锁与现场使用的旧CASTELL锁不匹配。旧CASTELL锁现场使用已二十多年，厂家反馈无法查询到该锁相关信息。为实现新老CASTELL锁的匹配，需对旧锁进行改造。通过研究机械钥匙闭锁结构的原理，对旧CASTELL锁进行适当加工，将其装到新的钥匙连锁机构上，确保了高压钥匙闭锁机构改造完成。

图2 隔离开关合闸回路

3.3 改造后的钥匙闭锁逻辑

在对设备进行停电检修时，工作人员需要先“断源”，再接地。电厂GEV（输电系统）中的源主要包括：励磁开关、GCB、GEV高压侧隔离开关、LGA/LGD/LGE进线开关和电压互感器以及26 kV母线电压互感器。

图3 GCB钥匙闭锁

改造后的GEV钥匙置换顺序为：

（1） 断开超高压断路器，然后断开主变进线隔离开关，取得2S钥匙；

（2） 断开发电机励磁开关，取得GE钥匙；

（3） 断开并拉出GEV向LGE母线供电的进线断路器LGE101，取得4S钥匙；

（4） 同样方法从LGA201上取得6S钥匙，从LGD101上取得8S钥匙；

（5） 拉出LGE101机柜背后的电压互感器小车，取得3S钥匙；

（6） 同样方法断开并拉出LGA/LGD进线电压互感器，取得5S和7S钥匙；

（7） 断开GCB，然后断开隔离开关，取出1GB（相当与改造前负荷开关闭锁钥匙1S），将隔离开关锁在“断开”位置；

（8） 用KABA厂家的1GB在GSY001CV中置换出RONIS厂家的1GB1（GCB隔离开关和接地开关采用KABA锁，而电厂GEV采用RONIS锁，欲在原有系统中引入GCB相关钥匙，必须完成此处钥匙置换操作）；

（9） 把取得的GE，1GB1，2S，3S，4S，5S，6S，7S及8S共9把钥匙插入GSY001CV中，转动并取出1V钥匙；

（10） 将1V钥匙插入GSY003CV中，转动并取出1VA到5VC共15把钥匙；

（11） 将15把钥匙分别插入电压互感器GSY101-305门闩上的钥匙孔中，打开柜门，断开电压互感器并接地，转动并取出BPG224-BPG238共15把钥匙；

（12） 将BPG224-BPG238共15把钥匙插入GSY006CV中，转动并取出BPG122钥匙（2号机为BPG222钥匙）；

（13） 把 取 得 的BPG122/222钥 匙 插 入GSY001CV中，转动并取出9S，10S，11S，12S，13S，14S，15S，4GB1和7GB1共9把钥匙；

（14） 把9S钥匙插入GEV002CV中，取出9SA，9SB和9SC 3把钥匙；

（15） 将取得的3把钥匙插入接地开关0GEW320JS（2号机为0GEW420JS）的钥匙孔中，转动钥匙接触机械闭锁，并把三相开关置于电动操作位置，闭合接地开关0GEW320/420JS；

（16） 把10S钥匙插入GEW002CV中，取出10SA，10SB和10SC 3把钥匙；

（17） 类似“步骤（15）”中的操作，闭合接地开关0GEW313JS（2号机为0GEW417JS）；

（18） 通过11S钥匙闭合LGE母线接地开关LGE101JS；

（19） 同样方法用12S钥匙闭合接地开关LGA201JS，用13S钥匙闭合接地开关LGD101JS；

（20） 用14S钥匙置换出14SA，14SB和14SC 3把钥匙；同样方法用15S钥匙置换出15SA，15SB和15SC3把钥匙；

（21） 通过上述6把钥匙打开地线接线盒，接临时地线；

（22） 用4GB1和7GB1通过GSY001CV置换出4GB和7GB钥匙，用以闭合GCB的接地开关；

（23） 闭合地刀后取出6GB和9GB钥匙，将其插入GSY002CV中，将地刀锁在“闭合”位置；

在满足其他维修条件的情况下，将1M-4M钥匙插入002CV，可置换出1GB1钥匙进而置换出1GB钥匙用于GCB隔离开关的试验。机组启动时钥匙闭锁逻辑与上述流程相反。

改造后的钥匙闭锁系统能够保证：

（1） 对GCB进行维护、检修时，设备与相关电源的隔离；

（2） 对GCB进行维护、检修时，设备两侧可靠接地；

（3） 对GCB送电前，设备两侧的接地可靠断开；

（4） 断路器就地合闸功能只能在空合试验时使用，防止断路器误动；

（5） 主变倒送电期间，隔离开关处于断开位置，防止就地误合断路器向发电机倒送电；

（6） 主变倒送电期间，主变低压侧接地开关处于断开位置。

4 结束语

在该核电站负荷开关改造过程中，根据电厂自身特点，采用机械钥匙闭锁为主、与设备电气联锁相结合的方式对GCB相关隔离闭锁系统进行改造。改造后的闭锁系统基于1把钥匙同时只能插入1个锁孔的原理，按照各设备间的逻辑关系，通过钥匙交换，确保电气设备只能在预先设定好的程序下工作。这样就有效地避免了工作人员的误操作，实现了设备操作防误联锁、检修安全隔离闭锁和应急操作解锁等功能，为机组安全稳定运行提供了保障。

1 段卫国，李仪光．广蓄电厂钥匙闭锁系统应用于常规变电站的可行性研究［J］．南方电网技术，2009，3（5）：73-76．

2 岑佳辉．安全隔离闭锁及操作联锁机械钥匙系统的应用［J］．电力安全技术，2013，7（15）：41-43．

3 张志刚．万家寨引黄工程泵站设备安装的防误操作钥匙闭锁系统［J］．山西水利科技，2004，（2）：44-45．

2016-06-07。

吴苏敏（1988-），男，助理工程师，主要从事电气工程及其自动化研究工作，email：wsmnumberone@163．com。

余银辉（1984-），男，高级工程师，主要从事电气工程及其自动化研究工作。

高 达（1987-），男，工程师，主要从事电气工程及其自动化研究工作。

刘华干（1983-），男，工程师，主要从事电气工程及其自动化研究工作。

郭艺璇（1992-），男，助理工程师，主要从事电气工程及其自动化研究工作。