五防联锁在10kV、35kV开关柜遥控操作中的应用

2023-03-29程康桥

机电信息 2023年6期

程康桥

（福建省产品质量检验研究院，福建福州 350001）

0 引言

电动操作机构是国家智能电网建设中必不可少的一个环节，电力建设单位不仅要求电力系统中的开关设备具备测量、监测、控制、保护等功能，还进一步要求开关设备的操作能够具备远程化、智能化、安全化、自动化的特点[1]。现代化电网发展日新月异，实现变电设施内接地开关、隔离开关的远程操控是电网迈向智能化的重要一步。过去的10年，变电站以及小区开闭所内的高压开关柜都是采用人力操作来分合隔离开关与接地开关，这样的操作模式虽然已经足够简单，但是一台断路器手车要完成一套推进/拉出操作，往往需要通过专用操作手柄旋转好几十圈才能实现，更有甚者，如35 kV开关设备KYN61-40.5型号开关设备，推进机构往往设置在一个成年人膝盖的位置，弯着腰进行手摇操作实在有悖人体工学。

而接地开关的操作需要不小的力量，接地开关根据供应商的不同，其操作力矩也各不相同，操作力矩的不同就很容易造成操作人员的误会，将未达成联锁要求的机构限制视作是操作所需力矩较大，以至于过度用力，损坏了操作机构。所以大多数时候，运维人员的时间、精力都消耗在了这些操作上，工作中由于联锁问题无法顺利操作接地开关的情况也不在少数，这无疑加大了人工与时间成本，一次性要操作多台开关柜，也很考验检修、安装人员的体能，大大增加了他们罹患职业病的风险。

现有的高压开关柜无法对隔离开关与接地开关进行电动远程操作，以至于供电单位暂停供电、终止供电且需要将线路与电网隔离时，不得不安排专门的技术人员长途跋涉前往现场，手动将线路与电网进行隔离，这样的操作流程显然不算是完全的“智能”。因此，“电动操作系统”这个理念应运而生，相比传统费劲的手动操作，电动操作在原有设计的基础上不改变开关设备结构与功能，并结合电力行业标准[2]中“五防联锁”的设计要求，通过对开关设备各部位加设辅助触点，实现其当前状态对控制模块的机械与电气反馈，满足操作条件后利用转矩恒定的直流电机带动接地开关主轴转动分合接地开关，亦或是控制手车推进机构的丝杠转动驱动手车的推进/拉出动作。这种设计理念极大地减轻了运维人员的劳动强度，缩短了整个系统的操作周期，同时直流电机的转矩恒定也保证了每一个触头啮合的深度与接触质量都能还原出厂时的状态，避免了因触头啮合不够引起的回路电阻过大等问题。

1 控制线路涉及的“五防联锁”要求及含义

实现电动操作控制线路需要依据以下条款：

（1）防止带负荷分、合隔离开关。隔离开关在户内10 kV、35 kV开关柜中是推进、摇出断路器手车的设计，断路器手车的工作位置对应隔离开关的闭合状态，试验位置对应隔离开关的断开状态，断路器手车的推进、摇出动作引导开关柜进出线端触头盒内6对动静触头的啮合、分离，实现闭合、切断回路机构的作用。由于隔离开关本身没有灭弧装置，所以不能通过它来拉合负荷电流，若通过隔离开关来分合负荷电流，将无法熄灭电弧，造成触头被电弧烧毁、损坏触头盒绝缘结构等事故。因此，该条目在供电系统一次设计方案中常表现为断路器手车在合闸状态下处于工作位置、试验位置时，不能进行推进、拉出操作。

（2）防止带电挂接地线。挂接地线是为了在系统处于停电状态时，防止突然来电对检修人员造成伤害，如果没有断电就进行挂接地线操作，高电压就会直接转接至检修人员身上，造成触电事故。所以，系统一次回路闭合，即手车在工作位置，断路器处于合闸状态时，接地开关应分闸且不得进行合闸操作。

（3）防止带接地送电。根据市面上的生产、订货要求[3]，制造厂会将接地开关设计成一个三相连接在一起的同轴刀闸，对三相高压出线端先短接后再连通至大地，如果接地开关未分闸，此时系统送电，就会造成三相短路，而三相短路是所有事故中最为严重的。为此，接地开关合闸时，断路器手车应设计成不能进行推进操作。

（4）防止误入带电隔室。带电隔室通常指的是户内开关柜的电缆室，本条目可以理解为：当接地开关合闸时，只有线路与母线断开且接地，人员才可打开电缆室的门，进入电缆室进行作业；只有当电缆室门可靠关闭后，接地开关才能进行分闸操作，为后续送电做准备。

2 电动操作的实现

按标准[4]要求，户内10 kV、35 kV配电系统的二次控制回路多采用直流220 V或110 V控制电压，电动接地开关的操作通过闭合相应的电气联锁触点，导通接地开关联锁信号点与公共端之间的线路，触发控制模块内部继电器动作，闭合其对应触点，使直流电机得到工作电压，直流电机带动接地开关主轴转动，闭合、分离接地开关刀闸。同理，电动推进机构借助直流电机，在满足逻辑的前提下，带动断路器手车底盘的螺纹杆转动，将圆周运动转化为直线运动，通过内外螺纹的啮合实现手车的推进及拉出。

3 控制回路的设计

根据相关制造标准及行业规范[5]，户内10 kV、35 kV双电源供电系统中仅馈线开关方案会有接地开关存在，少数情况下，进线开关柜也会装设接地开关。传统的接地开关操作机构仅靠带电显示器上的常闭触点外引至接地开关手动操作挡板后的电磁铁形成闭锁约束，旨在当带电显示器的传感器感应到开关一次侧无电压时，电磁铁得电吸合，接地开关操作挡板可以被按下进行后续的合闸操作。以图1为例，该图是某厂家提供的馈线开关柜二次线路设计，电动操作回路采用直流电源供电，回路中的11、12触点，用于接收带电显示器（DXN）监测到的开关一次侧出线端是否带电的信号，若一次母线带电，常闭触点断开，电磁铁失电，接地开关操作挡板被约束，不能被按下进行合闸操作；同一线路上的27、28，53、54分别为断路器手车试验位置触点与断路器分闸触点，其作用是保证断路器手车必须处于试验位置分闸状态，才可以闭合接地开关，防止断路器处于工作位置合闸状态，接地开关合闸造成一次回路短路故障。事实上，此处增加串联断路器分闸状态的触点略显多余，原因是当接地开关合闸后，推进机构会被约束，在断路器分闸的情况下，操作机构的角行程为900°（两圈半），断路器合闸时，操作机构的角行程只有180°（半圈），所以即使手车处于试验位置，断路器处于合闸状态，断路器手车的结构也不会允许断路器本体在底盘车上进行推进动作；为满足“防止误入带电隔室”的要求，回路的最后加设开关柜后下门设置行程开关触点（XC2），用于确认开关柜电缆室门是否处于可靠关闭状态，若电缆室门未可靠关闭，则不能进行接地开关的分闸操作。当接地开关联锁的所有触点导通，且控制模块DD监测到接地开关处于分闸/合闸状态下时，接地开关便可进行合闸/分闸操作。

图1 电动接地开关的二次线路图

值得一提的是，不管是接地开关的合分闸机构还是接下来提及的手车推进拉出机构，都设置了“手动优先”的功能，为的是在电动操作期间，若是有人为的干涉，电动操作便会停止，有效防止电动机构继续运转带动专用工具误伤操作人员。

接地开关的电动操作取决于本柜的机械联锁，断路器手车的电动操作则是建立在单柜以及与其他配电方案的电气联锁之上（图2）。如上所述，馈线柜内的断路器手车必须在开关柜后下门、手车室门可靠关闭的同时处于分闸状态，且接地开关也处于分闸状态，才能进行推进/拉出操作。与馈线开关柜不同的是，整套配电系统的其他方案都有着各自的逻辑要求。

PT柜中的PT手车或熔断避雷器手车因其本身没有灭弧能力，所以送电时应优先于其他方案将手车推进至工作位置。因此，在电动操作机构的手车联锁回路中（图2虚线框内），应将原有触点改为串联的带电显示器（DXN）的常闭触点，以保证一次母线在有电压的情况下不会被进行手车推进/拉出的误操作。

与PT柜相似的是，分段隔离柜的隔离手车一样不具备灭弧能力，因此其电动操作应在满足一次母线无电压，且分段断路器柜内的断路器手车处于试验位置时才可以进行操作，这种逻辑可以通过将图2虚线框内的二次线路改为串联的带电显示器的常闭触点与分段断路器柜断路器手车试验位置的触点来实现“先合隔离开关，再合断路器”。

图2 电动断路器手车的二次线路图

进线开关柜手车的联锁则是与PT柜内的手车有关，当PT柜内的手车处于工作位置后，进线柜内的手车才能进行推进操作。所以，在虚线框内单独串联一个PT柜手车工作位置的辅助触点即可。

相比分段隔离柜，与之并列的分段断路器柜的回路设计逻辑就稍显复杂，此处可以借鉴低压双回路供电系统设计里的“三锁两钥匙”方案。通常情况下，10 kV、35 kV双电源供电系统两个进线开关的两条供电回路各管各的负荷，但由于双回路供电系统要求两路进线互为备用、互供互倒，因此就要求整个双回路供电线系统的两台进线柜与一台分段断路器柜之中只允许同时有两台处于工作位置。为满足此要求，分段断路器柜二次线路图中虚线框内应将以下两路并联：1号进线柜工作位置触点串联1号进线柜断路器分闸触点串联2号进线柜断路器试验位置触点、2号进线柜断路器工作位置触点串联2号进线柜断路器分闸触点串联1号进线柜试验位置触点，以此确保整个供电系统中只有在其中一路电源进线，另一路进线开关断开且母线不带电的情况下，分段断路器柜的手车才能被允许进行推进/拉出操作。

4 检验过程中的常见问题

以常见的KYN28-12柜为例，依照标准[6]对开关柜进行出厂检验的环节中，很多时候有关断路器手车推进机构的联锁逻辑点是没有从其他柜内引入的，此时较为简单的办法就是短接控制模块上的公共端与联锁逻辑点端，确保模块接线正确，然后再逐一检查其他方案开关柜的对应触点能否正确动作。另外，当电动操作进行至半程因机械机构卡涩而停止时，可以手动复原机构至动作前的状态，按下操作模块上或者开关柜面板上的复位按钮，初始化模块的程序；个别型号的电动操作模块按下复位按钮后，可以反转电机，自动将对应机构恢复原位，待机械故障排除后，方可继续进行机构的动作验证。