机械钥匙闭锁系统在惠南庄泵站的应用

唐文富

（南水北调中线干线工程建设管理局北京分局，北京 100038）

1 引言

惠南庄泵站是南水北调中线总干渠上唯一一座大型加压泵站，担负着首都供水的重要任务。泵站自加压运行以来，曾发生运行人员走错设备间隔误断10 kV母线进线断路器导致该段母线所带机组全部停机的事故。惠南庄泵站运行工况复杂，电气主接线复杂，电气设备交叉关联多、运行相关性强，运行人员操作范围大、操作设备多，作为首都供水的关键控制性工程，如何从技术措施上保证机组设备安全稳定运行，如何杜绝由于人为误操作原因造成机组停机导致供水中断、设备损坏和人员伤亡等是惠南庄泵站运行管理必须考虑的问题。通过比较几种常用防误操作闭锁装置，提出了增加一套电气设备机械钥匙闭锁系统，可从技术措施上严格保证设备正确操作的先后顺序，避免由于运行人员的跳项、漏项操作或误入设备间隔等造成重大安全事故。

2 工程概况

惠南庄泵站设计流量60 m3/s，扬程58.2 m，总装机容量58.4 MW，共安装8台卧式单级双吸离心泵，6工2备，单泵流量10 m3/s，配套电动机功率7 300 kW，每台电动机均配有一台变频器，用以驱动机组作变速运行，以满足不同输水流量要求。

泵站建有110 kV变电站，110 kV进线采用同塔双回架空线路，站内安装110/10 kV-40 MVA主变2台，110 kV侧采用内桥式接线，10 kV侧采用单母线双分段接线，设母联断路器，正常分段运行，每段母线分别带4台机组，一台主变故障或检修退出运行时，母联断路器关合运行。

3 原设计“五防”措施缺陷分析

3.1 原设计“五防”措施

惠南庄泵站110 kV GIS设备在二次操作回路上采用继电器互锁实现电气“五防”功能。10 kV高压柜采用MVnex手车柜，0.4 kV低压盘柜采用MCS2000抽屉型或固定分隔型，其断路器为插入式，柜体本身均按设备制造标准采用机械和电气“五防”，并在上位机通过逻辑实现闭锁功能，如：断路器手车在试验或工作位置时断路器才能进行合分操作，而且在断路器合闸后手车无法移动，防止带负荷误推拉断路器；仅当断路器手车处于试验/断开位置时接地开关才能合闸，防止带电误合接地刀；仅当接地开关处在分闸位置时断路器才能从试验/断开位置移到工作位置，防止带接地刀闭合时合分断路器；接地开关处在分闸位置时，开关柜下门及后门都无法打开，防止误入带电间隔等。

3.2 原设计“五防”措施存在的缺陷

虽然惠南庄泵站110 kV、10 kV和0.4 kV的设备均已采用了电气“五防”措施，但只能实现同电压等级设备的闭锁，而110 kV、10 kV和0.4 kV各电压等级设备之间并没有闭锁。另外，也存在因二次回路故障导致电气闭锁失效、操作人员走错间隔或误操作设备导致停电停机事故等问题。

4 防误闭锁装置的比较分析

目前，常规防误闭锁方式除了电气联锁（包括电磁锁）外，还有机械闭锁、机械钥匙闭锁（或机械程序锁）和微机防误闭锁等3种[1]，其中：

机械闭锁只能应用在开关柜内部及户外闸刀等的机械动作相关部位之间，无法实现与电气元件动作间的联系。

机械钥匙闭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，没有任何接线连接和电气触点，全部是通过机械硬连接来实现防误闭锁。它可确保严格按逻辑顺序操作设备，并能实现各电压等级设备之间的防误闭锁和“五防”的所有功能，具有“零误操作”的特点。其主要缺点是不能任意改变逻辑顺序，只能按照最初的逻辑设计进行线性操作，偶然的非正常操作要用万能钥匙来完成。

微机防误闭锁是一种采用计算机技术，通过软件将现场大量的二次闭锁回路变为电脑中的“五防”闭锁规则库，并和现场锁具实现防误闭锁。微机防误闭锁实现了防误闭锁的数字化，可以实现各电压等级设备之间的防误闭锁，但是也存在以下主要问题：微机“五防”功能以操作逻辑为核心，是虚拟的，对于无票操作和误碰则有可能功能失效；微机“五防”还存在“走空程”的问题，在用电脑钥匙解锁过程中发生锁没有打开而电脑钥匙的程序已经走到了下一步，此时只能靠强制解锁；微机“五防”在非正常运行方式下无法用电脑钥匙进行解锁，也只能靠强制解锁；在系统运作过程中，任何一个接点或者传感装置故障都会造成事故隐患，在微机系统故障而解除闭锁时，“五防”功能将完全失效。

综上，机械闭锁不能解决惠南庄泵站原设计“五防”措施的缺陷问题，机械钥匙闭锁和微机防误闭锁虽可实现各电压等级设备之间的防误闭锁以解决惠南庄泵站原设计“五防”措施的缺陷问题，但机械钥匙闭锁是一种物理闭锁装置，结构简单，逻辑明了，出现故障的可能性极小，基本可以免维护，具有安全可靠、零误操作等特点。因此，选择采取增设一套机械钥匙闭锁系统防误操作，作为原有电气“五防”的有益补充，增加一道安全防线，以解决惠南庄泵站电气联锁存在的误操作问题。

5 机械钥匙闭锁系统增设方案

5.1 机械钥匙闭锁系统设置范围

在惠南庄泵站3台110 kV进线开关断路器及母线、2台110 kV/10.5 kV主变压器、3段10 kV母线、4台10 kV/0.4 kV站用变、2台柴油发电机等电气设备上加装机械钥匙闭锁系统，其中110 kV及10 kV配电设备机械钥匙闭锁系统加装方案分别见图1、图2。

图1 惠南庄泵站110 kV配电设备机械钥匙闭锁系统锁具安装配置图

图2 惠南庄泵站10kV配电设备机械钥匙闭锁系统锁具安装配置图

5.2 机械钥匙闭锁系统工作原理

通过钥匙的转移和交换，将设备的操作顺序程序化、固定化，确保电气设备只能在预先设定好的逻辑顺序下工作，在预先设定程序的每一步骤中，都必须满足安全要求所规定的条件，才可以进行下一步操作，即只有当前一步操作正确无误且按正常顺序的条件下才能取出解除闭锁的钥匙进行下一步操作，从而保障工作人员只能按照正确的操作顺序进行操作，达到有效防止人为误操作事故的发生。

5.3 机械钥匙闭锁系统的构成

机械钥匙闭锁装置主要包括杆栓锁具、门锁、置换板（或称钥匙交换盒）。其中：机械式杆栓锁、门锁为加装在断路器、柜门上的执行闭锁的固定锁具，全部为法国STI原装进口，材料为不锈钢，可达50年以上的使用寿命，锁具能够保证100万次的钥匙旋转插拔操作；置换板为一体化的镜框式结构，是用于一把或几把钥匙来交换一把或多把钥匙实现互锁的联锁机构，置换板镜框上嵌着标有锁具编号及其安装位置的接线图和详细的隔离步骤和操作顺序。

6 机械钥匙闭锁系统工作流程

以惠南庄泵站1号主变运行态转检修态为例说明机械钥匙闭锁系统工作流程（闭锁逻辑见图3）。

图3 惠南庄泵站1号主变检修机械钥匙闭锁逻辑图

主变机械钥匙闭锁系统是通过对变压器两端的断路器（刀闸）进行分闸锁定及接地刀闸合闸锁定，从而防止变压器在检修状态下，检修人员误合开关或在变压器没有做好安全隔离措施的情况下进行变压器检修，而引起检修人员触电事故的发生。变压器运行态转检修态操作流程如下：

（1）断开10 kVⅠ段母线进线断路器201，并将其退出至检修位置，得到一把钥匙K201；

（2）将钥匙K201插入钥匙置换板KIS8-3，置换出两把钥匙K201A、K201B（用于10 kVⅠ段母线检修）；

（3）断开110 kV系统1号主变间隔101-4隔离开关，得到钥匙K631A；

（4）将钥匙K631A、K201A插入钥匙置换板KIS6-1，置换出钥匙K411；

（5）用钥匙K411解锁110 kV系统1号主变间隔101-47接地刀闸并合上地刀，得到钥匙K413（临时接地线钥匙）/K201C（10 kVⅠ段母线进线开关柜201后柜门钥匙）；

（6）用钥匙K201C解锁10 kVⅠ段母线进线开关柜201后柜门；

（7）用钥匙K413解锁临时接地线，取得临时接地线和钥匙K414，在1号主变低压侧（10 kVⅠ段母线进线开关柜201处）挂接一组临时接地线；

（8）用钥匙K414解锁1号主变7-1中性点刀闸，得到钥匙K415并合上中性点刀闸，1号主变转为检修状态。

7 机械钥匙闭锁系统特点

（1）以杜绝误操作为原则，按照正确的操作程序设计设备间的机械钥匙闭锁关系，尤其注重开关与地刀之间的防误操作功能。

（2）操作复杂的电气隔离单元，都设置了钥匙联锁装置，该装置布置在靠近设备的墙壁上。正常运行时，有关闭锁钥匙被集中保持在钥匙联锁装置上。

（3）在进行隔离操作时，必须解除设备的机械闭锁。只有当前一步操作正确无误且按正常顺序的条件下，才能取出解除闭锁的钥匙，进行下一步操作。

（4）在作为安全隔离点的开关与其地刀之间设置了机械联锁，开关未断开或者虽已断开但未拉出至隔离位置，机械联锁不脱开，即使已获得解除闭锁的钥匙，也不能解除地刀闭锁，地刀因而不能投合，同理，地刀不拉开，开关亦不能操作。

（5）全封闭结构电气设备的柜门亦设有机械闭锁，必须待所有相关的隔离工作完成，取齐柜门钥匙，才能打开触及到设备本体。

（6）所有参与隔离操作的设备，正常情况下被钥匙闭锁在运行位置，检修工作期间被钥匙闭锁在隔离位置。

（7）配有备用钥匙一套，用于局部调试等。

8 结语

惠南庄泵站加装的电气设备机械钥匙闭锁系统在国内调水工程中属于首创，费用不高但经济和安全效果显著，大大提高了惠南庄泵站电气设备运行、检修的安全标准，为惠南庄泵站电气设备操作、检修提供了可靠的硬件安全保障，可以最大限度地减少或杜绝误操作、走错间隔等现象的发生，较好地解决了惠南庄泵站电气联锁存在的误操作问题，提高了惠南庄泵站运行维护安全管理水平。

“五防”闭锁装置已成为国内外发电厂和变电站建设和改造中不可缺少的设备[2]，在保障电力生产的安全运行中起着越来越重要的作用。其中机械钥匙闭锁装置机构技术成熟、安全实用，使用维护简单方便，可在泵站、水电站、变电站等的防误操作措施中单独使用或与电气联锁等其它防误闭锁装置组合使用。惠南庄泵站加装电气设备机械钥匙闭锁系统措施可供类似工程借鉴和参考。