联锁在核电站电气设备中的应用研究

全先德（中广核工程有限公司，广东 深圳 518124）



联锁在核电站电气设备中的应用研究

全先德
（中广核工程有限公司，广东 深圳 518124）

〔摘 要〕结合核电站工作中的实际情况，以中压开关柜联锁装置为重点研究对象，从核电站电气设备联锁技术分类、联锁工作原理、主要配置结构、功能特点等方面进行了分析和研究。通过分析，得出了部分电气设备机械联锁配置需完善、联锁功能需进一步优化、机械钥匙联锁编码需统一的结论，以确保核电站电气设备联锁装置安全有效运行。

〔关键词〕核电站；电气设备；中压开关柜；联锁

0 引言

为了保证操作、检修、运行人员的安全，也为了保证电气设备操作、运行的安全，核电站电气设备均按照相关标准的要求，装配了比较完善的机械联锁和电气联锁装置，基本实现了“五防”功能。相对于常规的发电厂，核电站配有较完善的机械钥匙联锁系统，但在联锁方案和联锁配置上还有一定的优化空间。以下对核电站电气设备采用的主要联锁进行分析，找出设备在联锁方面的缺陷，并就缺陷提出改进措施。

1 联锁在核电站的应用

1.1 联锁技术的分类

目前，电力行业内电气设备普遍采用的联锁技术主要分为3种，分别是机械联锁、电气联锁和微机联锁。

机械联锁是一种通过机械装置或机构，保证设备启动和操作过程中按规定顺序进行的方法，一般只能实现比较简单的联锁，但在电气设备中应用最为广泛。目前核电站有联锁功能要求的单个电气设备，基本上都按照相关规范的要求配备有比较完善的机械联锁来实现“五防”功能。

电气联锁指在几个设备或部件之间，为保证设备或部件按规定的次序动作或防止误操作而设的电气控制回路连接。此类联锁主要用于机械联锁无法实施或不同系统间的电气设备，比如采用气体绝缘的主开关站、备用开关站配电装置、双电源切换装置、母联系统开关柜等。

微机联锁通常由主机、模拟屏、电脑钥匙、机械编码锁和电编码锁等功能元件组成，目前已广泛应用在自动化变电站设备上，但是在建和在运的CPR1000核电站中还未应用（3代核电项目中已经开始应用）。

由于核电站电气设备配置复杂、系统众多，为了更大限度地保证操作运行人员的安全和设备安全，与常规电力设备相比，核电站配备了机械钥匙联锁系统（也是机械联锁的一种）。通过机械钥匙联锁系统，实现了系统内多设备、多系统多设备间的联锁，更体现了核电安全的特色。

1.2 联锁的配置层级

核电站电气设备的联锁可以分为3个层次，分别是单个设备的联锁、系统内多设备的联锁及多系统多设备的联锁。

1.2.1 单个电气设备的联锁

单个电气设备的联锁在电气设备中应用广泛，典型的有中压馈线柜、低压柜的单个抽屉单元，这些设备与上下游负荷没有直接的联锁关系。以中压馈线柜为例，其可移动部件（如接触器手车、断路器手车、隔离手车）与接地开关之间、接地开关与后门之间、可移动部件与上下活门之间均设有机械联锁装置，本身即可实现可移动部件只能在试验位置、隔离位置时方能操作接地刀的功能，避免带负荷时合接地刀；可移动部件只能在分闸状态下，才能从工作位置退至试验位置（或从试验位置推至工作位置），防止带负荷分（合）移动单元；接地开关在闭合的情况下，方能打开后门，防止误入带电间隔；接地开关在合闸位置时，移动单元不能从试验位置推至工作位置，避免接地开关合位时带负荷。此类设备在检修时，按联锁装置规定的操作顺序操作，即可防止误操作带来的触电和设备事故。

1.2.2 系统内多设备的联锁

系统内多设备的联锁在核电站应用比较广泛。以3LGE中压配电系统（见图1）为例，检修3LGE系统母线的前提是，3LGE母线不带电且母线接地刀必须处于合位状态。要实现母线接地刀合位，必须进行以下操作：首先要把3LGE进线断路器分闸，取出1E钥匙，并插入3LGE001CV钥匙交换盒；其次为防止PT二次侧倒送电，要将PT手车退至试验位或隔离位，然后取下2E钥匙，并插入3LGE001CV钥匙交换盒；当1E，2E钥匙均插入3LGE001CV后，方能置换出3E钥匙；最后将3E钥匙插入母线接地刀处的机械锁，开锁后方可操作母线接地刀。

图1 3LGE机械钥匙闭锁原理

1.2.3 多系统多设备间的联锁

多系统多设备间的闭锁在核电站中应用也非常广泛。以3LGA中压配电系统（见图2）为例，现场检修3LGA母线的前提是，3LGA母线不带电且与母线相连的接地刀必须处于合位状态。要实现母线接地刀合位，必须进行以下操作：首先要把3LGB母线联络断路器分闸，取出2A钥匙，插入3LGA001CV；其次把3LGA进线柜断路器分闸，取出1A钥匙，插入3LGA001CV；再把3LGA系统PT手车退至试验位置或隔离位置，取出3A钥匙，插入3LGA001CV；将1A，2A，3A机械钥匙均插入3LGA001CV后，方能置换出4A，5A 2把钥匙；最后操作3LGA母线接地刀和3LGB母线联络接地刀，这样3LGA母线才能安全检修。

图2 3LGA机械钥匙闭锁原理

1.3 各系统的联锁配置

核电站采用联锁功能的主要电气设备分为：发电机变压器组、主开关站、厂外备用电源开关站、交流厂用电电源系统、柴油发电机组。

1.3.1 发电机变压器组

发电机变压器组的主要电气设备有发电机侧的接地开关、发电机出口电压互感器、灭磁开关、发电机出口断路器间隔、励磁变压器、主变压器、主变压器低压侧接地开关、主变压器高压侧接地开关、主变压器高压侧隔离开关、高压厂用变压器高压侧接地线等。由于这些设备布置分散，除设备本身通过机械或电气联锁装置实现“五防”功能外，设备间的联锁应该使用机械钥匙联锁，通过规定的操作顺序进行操作。目前发电机变压器组使用的机械钥匙联锁比较复杂，但是经过长时间的实践证明，该联锁功能可靠。

1.3.2 主变压器

主变压器涉及的联锁设备主要有：低压侧接地开关、高压侧接地开关、高压厂用变压器低压侧断路器及分支电压互感器、高压侧隔离开关，这些设备之间的联锁采用机械钥匙联锁，以确保“五防”功能的实现。

1.3.3 主开关站

主开关站主要为气体绝缘电气设备，目前这些设备大多采用电气联锁。

1.3.4 厂外备用电源开关站

厂外备用电源开关站涉及的主要设备有：备用变压器、备用变压器高、低压侧断路器及分支电压互感器，这些设备均采用机械钥匙联锁。

1.3.5 交流厂用电电源系统

交流厂用电电源系统采用的机械钥匙联锁装置最多，主要应用于以下几种情况：不并列运行且不需要自动切换的多个电源进线断路器（含母联断路器）之间；母线接地开关与母线电源断路器、母线电压互感器之间；电源进线或母联的接地开关与其各侧电源断路器、电压互感器之间；变压器馈线接地开关与低压侧电源断路器之间；变压器柜门与变压器馈线接地开关之间。

1.3.6 柴油发电机组

目前，柴油发电机组与其相连的中压开关柜之间普遍采用机械钥匙闭锁。

1.4 联锁存在的不足

与常规电厂相比，应该说核电站电气设备联锁的应用相对更成熟和完善，但是个别设备尤其是中压配电设备还是存在缺陷，并造成过事故。经过仔细分析，找出电气设备的联锁存在以下不足。

1.4.1 中压开关柜联锁功能不完善

目前在运及在建CPR1000核电站采用的中压开关柜多由ABB，Schneider等公司提供，为户内铠装金属封闭移开式配电装置，在单体设备的联锁方面，全部采用机械联锁。这些联锁装置，目前能够实现防止带负荷推拉断路器（接触器）手车，也能防止接地开关闭合时断路器（接触器）合闸，还能防止断路器在合闸带电状态下合接地开关；但是中压开关柜后封板与断路器、接地开关之间没有设置联锁，所以无法通过强制联锁装置实现防止误入带电间隔功能。

开关柜不增加后封板与断路器、接地开关之间联锁的背景是：目前CPR1000核电站的中压柜均采用离墙安装，柜后留有巡视和检修通道。但设备厂家认为带断路器的中压柜均为柜前维护，维护断路器和柜内元器件时从柜前的电缆室进入柜内即可，无须打开后封板。所以开关柜的后封板与断路器、接地开关之间就没有设置任何方式的联锁，只是在开关柜的后封板上加装带电警示符号和相关的警示标语。而实际情况是，中压柜内元器件和电缆众多，柜内空间有限，为了方便查看和加快检修进度，在中压柜检修时均需打开后封板。

1.4.2 机械钥匙联锁编码规则不统一

核电站全厂电气设备众多，设备厂家也非常多。各设备厂家往往只关心各自所供设备的机械联锁，并根据所供设备的功能编码对机械锁和钥匙进行编码，造成多系统多设备机械钥匙联锁编码的混乱，导致设备现场调试时联锁功能无法实现，现场产生大量设计变更。以编号为5A的机械锁为例，5A 有2把锁，分别安装在3LGB母线联络断路器柜和3LGA001CV钥匙交换盒上。3LGB开关柜供应商在采购钥匙交换盒的时候，通常按照5A AA3LGB采购；而钥匙交换盒的功能编码为3LGA001CV，所以钥匙交换盒采购工程师通常按照5A AA3LGA编码采购。由于同一把锁对应的系统不一致，机械锁设备厂家就会提供2把不同锁芯编码的锁和钥匙，导致设备到货后，不能实现联锁功能。

1.4.3 机械钥匙联锁功能需优化

由于机械钥匙联锁系统大多涉及多系统多设备，所以在联锁装置的配置上，要求做到操作流程尽可能简单、可靠。CPR1000核电站机械钥匙闭锁系统的功能已经比较完善，但针对个别的系统和设备还需要不断优化。

2 联锁在核电站应用的改进措施

2.1 中压开关柜增加接地开关与后封板的机械闭锁

按照中压开关柜的机械联锁配置，在停电检修开关柜时，首先要把断路器分闸，把手车退至试验位置，再合上接地开关，方能打开电缆室门板。如果增加接地开关和后封板的联锁，就可以实现只有在接地开关处于合位时，才能打开对应的后封板的功能。这样开关柜停电检修时，就消除了误入带电间隔的风险。相反，在检修后的送电操作过程中，也必须首先将后封板关闭后，才能分接地开关，这也可有效防止触电的风险。目前，部分设备厂家已经研发出满足此功能的闭锁装置，但由于涉及抗震、内燃弧等核级鉴定试验没有完成，还不能在核电站推广。后续需推动设备厂家尽快完成装置的相关鉴定试验，并在核电站中推广使用。

2.2 部分中压开关柜增加电气联锁

对于没有安装接地开关的中压开关柜，开关柜的后封板与断路器无法实现机械联锁；为了实现防止误入带电间隔的功能，应该增加电气联锁。电气联锁涉及的元器件有带闭锁接点的带电显示器、电磁锁及相关附件，实现起来非常容易。带电显示器监测断路器负荷侧或柜内母线是否带电，如果带电，则闭锁接点打开，断开电磁锁回路，安装在后封板上的电磁锁就无法操作，后门也就无法打开；相反，当断路器负荷侧或母线不带电时，闭锁接点闭合，导通电磁锁回路，此时可以操作电磁锁，然后打开对应的后封板。这种方案广泛应用于母线联络柜和进线柜。

2.3 统一机械钥匙联锁编码规则

对于采用机械钥匙闭锁的单个设备和单系统内的多个设备，机械锁和钥匙的编码不存在问题。问题是在多系统多设备中，1把锁对应2个不同的系统，这2个系统又相互关联，按任一系统编码都有道理。针对这种情况，应该在后续的采购技术规格书和技术澄清中增加编码规则。首先按照上游系统优先的原则；如果系统不分先后，则按照系统编码字母优先的原则。

2.4 加强对机械钥匙联锁编码的统一管理

核电站机械钥匙联锁涉及多系统、多设备、多供应商，如果不加强管理，容易引起机械钥匙联锁编码的混乱，导致安装、调试阶段部分联锁功能失效，给采购和现场进度造成较大压力。建议在设备采购初期，就设计固化全厂机械锁的锁芯编码并将其发往各相关设备厂家。

3 结束语

目前核电站全厂电气设备联锁的应用非常广泛，功能也比较成熟，对电气设备乃至核电站的安全运行起到了非常重要的作用。

随着核电站运行时间的增加，部分电气设备的联锁功能还需继续研究和完善，机械钥匙联锁的管理也需要进一步加强，对于隔离措施不到位、容易引起触电事故的中压电气设备更应关注。

随着联锁技术的发展和成熟，越来越多的成熟联锁技术能够在核电站中得到应用，为核电站的安全运行保驾护航。

参考文献：

1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB3906—2006 3.6 kV-40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备［S］.北京：中国标准出版社，2006.

2 国家能源局.NB/T25022—2014 核电厂全厂电气设备机械联锁技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2014.

收稿日期：2016-02-16。

作者简介：

全先德（1975-），男，工程师，主要从事核电站设备服务管理工作，email：quanxiande@cgnpc.com.cn。