智能型“五防”10kV開關(guān)柜

（無源鎖智能鑰匙+機(jī)械閉鎖防誤型機(jī)構(gòu)）趙建青,梁福祥,陳景鵬,徐 平,林 楊,程啟誠

（1.江門供電局,529000;2.廣東電網(wǎng)公司,510600;3.廣東岱敏電網(wǎng)技術(shù)咨詢服務(wù)中心,510600）

1 問題的提出

電網(wǎng)對社會生產(chǎn)和生活的重要，以及高電壓的危險，設(shè)備操作（如分合斷路器、刀閘等），須遵從嚴(yán)格“兩票三制”等安全制度。

然而，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益龐大復(fù)雜。上世紀(jì)80年代初，原電力部開始要求開關(guān)設(shè)備具有防誤操作功能。初期的防誤單靠機(jī)械程序鎖，能解決簡單結(jié)線變電站操作防誤。后來，對于更復(fù)雜結(jié)線的變電站，又允許加上電氣的聯(lián)鎖。最后原電力部正式規(guī)定5種防誤操作功能。即：

防止誤分、誤合斷路器；

●防止帶負(fù)荷拉、合隔離開關(guān)或手車觸頭；

●防止帶電掛（合）接地線（接地刀閘）；

●防止帶接地線（接地刀閘）合斷路器（隔離開關(guān)）；

●防止誤入帶電間隔；

經(jīng)過近30年的發(fā)展，“五防”技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。但在實用上還存在不少問題。例如，期刊《南方電網(wǎng)》2009年第五期一篇名為“廣蓄電廠鑰匙閉鎖系統(tǒng)應(yīng)用于常規(guī)變電站可行性研究”文章，列舉了2003～2007年南方電網(wǎng)涉及防誤設(shè)備23次誤操作惡性事故如下：

（表1）

設(shè)備防誤裝置失靈而被迫解鎖時有發(fā)生。從表1可見，當(dāng)前的五防設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不盡人意。上述文以廣蓄電廠鑰匙閉鎖系統(tǒng)為例，認(rèn)為機(jī)械閉鎖比較可靠，探討將機(jī)械閉鎖推廣到電網(wǎng)變電站。對此，將機(jī)械閉鎖和電氣（包括微機(jī)）閉鎖的特點(diǎn)作比較：

（表2）

廣蓄電廠的主結(jié)線比一般220kV變電站簡單。歷史上已證明變電站用純機(jī)械五防是行不通的。但該文揭示了電網(wǎng)五防普遍存在的問題?；仡櫠嗄赀\(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前廣泛使用的五防失靈原因主要有兩點(diǎn)：

●電氣智能（包括電腦）系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)過于混雜。

●閉鎖機(jī)構(gòu)（包括電氣）不耐擱置。長期擱置不動，一動就失靈。

第一點(diǎn)是目前五防失靈主因。例如開關(guān)刀閘聯(lián)鎖，電路串接大量一次設(shè)備的輔助接點(diǎn)。而這些設(shè)備，大都幾個月都不操作一次。長期不動，往往機(jī)械卡阻，電氣接觸不良。串聯(lián)回路中一個環(huán)節(jié)出問題，整個閉鎖回路就癱瘓。這類故障不可能短時間排除。任務(wù)緊迫，只好解鎖，就更容易引發(fā)誤操作。

本項目就是利用近年來出現(xiàn)的“無源鎖”的成功經(jīng)驗，針對上述五防系統(tǒng)兩個存在問題，使智能系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡量分離，加上耐擱置機(jī)械結(jié)構(gòu)。從一種10kV開關(guān)柜的操作機(jī)構(gòu)入手，探索一套高度智能化，又可靠防誤裝置。

2 關(guān)于“無源鎖”

2.1 怎樣實現(xiàn)控制與執(zhí)行的分離？

無源鎖是廣州安雷電子科技有限公司2007年開發(fā)的一種智能鎖，已取得國家發(fā)明專利（專利號：ZL-2007 1 0165666.2）。它包括智能鑰匙和鎖芯兩部分。

鎖芯沒有電源，它用類似U盤的無源記憶器件，“記住”自己的編號。

智能鑰匙被寫入對多個鎖芯開啟次序的信息和開鎖動力電源。

當(dāng)智能鑰匙插入某個鎖芯時，如果該鎖芯編號和鑰匙開啟次序相符，則可以撥轉(zhuǎn)開鎖。不符，不能撥轉(zhuǎn)（鑰匙并發(fā)出 “操作錯誤”提示信息）。

鑰匙是“控制系統(tǒng)”，集中全部“智能”。而鎖芯是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。鑰匙是“發(fā)令官”，鎖芯是執(zhí)行的士兵。利用無源鎖，就可以做到智能系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡量分離。

2.2 鎖體機(jī)械結(jié)構(gòu)的耐擱置性

無源鎖的鎖體從材質(zhì)到結(jié)構(gòu)，是按“耐擱置”特殊技術(shù)研制的。放誤操作必需有這種性能！可以用長期運(yùn)行事實來證明：無源鎖在2008年開始為各類用戶大量采用。單是供電部門已經(jīng)使用了上千把。當(dāng)中多用于箱式變的門鎖。鎖體長期暴露在戶外環(huán)境下。至今廠家未收到任何故障投訴。本項目曾專門向廣州海珠供電局了解，該局用于箱式變的無源鎖，經(jīng)歷幾百次開鎖，無一卡阻。至今，供電部門還在大量訂購。

3 開關(guān)柜智能五防裝置的組成和功能要求

3.1 五防裝置基本功能―保證操作順序和操作票一致。這功能靠無源鎖完成

3.1.1 新的防誤裝置是開關(guān)柜的一個附加機(jī)構(gòu)。在是無源鎖核心技術(shù)基礎(chǔ)上，加入防止人為失誤的機(jī)械閉鎖(即所謂“機(jī)械防誤”)。

3.1.2 智能鑰匙的寫入：每次操作前，電腦將電網(wǎng)操作票“寫入”鑰匙，再從鑰匙“讀出”，核對無誤。

3.1.3 智能鑰匙使用：操作者將鑰匙插入某操作機(jī)構(gòu)，如果符合“操作票”的操作順序，則解鎖，允許操作。不符合則不能操作，并告警。

3.1.4 刀閘的機(jī)械防誤的作用：即使程序正確，開鎖后，如果操作者未徹底地完成操作，就取不出鑰匙，無法進(jìn)行下一步操作。

3.1.5 開關(guān)的智能防誤的作用：程序正確，開鎖操作，將開關(guān)動作信息反饋給智能鑰匙。不操作開關(guān)，或因開關(guān)內(nèi)部故障，動作不徹底，鑰匙收不到反饋信息，鑰匙程序不進(jìn)入下一步，無法進(jìn)行下一步操作。

3.1.6 鑰匙可以設(shè)定同一張操作票的全部n步操作完成時間(twch)。這時，同一張操作票的兩步操作之間的間歇時間不可超過twch/n。超過twch/n，則操作不能繼續(xù)。不設(shè)定twch，兩步操作之間的間歇不受限制。(twch設(shè)定作為選項！)

3.1.7 操作票的全部操作完成，電腦“讀出”帶時標(biāo)操作過程，終結(jié)操作票，清空鑰匙。

3.1.8 一條鑰匙，可寫入多張操作票。一張票作為一次操作?？梢灾鸫?張)臨時結(jié)束。臨時結(jié)束暫不清空鑰匙，隨時可以繼續(xù)下一步操作。也可以將多張操作票全部完成，整體結(jié)束。

3.1.9 鑰匙在操作票第一步操作之前，可以設(shè)定設(shè)備所在間隔的門號。鑰匙插進(jìn)不符門鎖不能開門。(門號設(shè)定作為選項！)

3.1.1 0 鑰匙須按“啟動”鍵啟動操作。鑰匙可以設(shè)定操作者授權(quán)密碼，在按“啟動”鍵后提示輸入授權(quán)密碼才能操作。不設(shè)定授權(quán)密碼，按“啟動”鍵即可進(jìn)行操作。(授權(quán)密碼設(shè)定作為選項！)

4 智能鑰匙的功能和軟件開發(fā)要求

4.1 準(zhǔn)備工作（暫限于實現(xiàn)本項目的試驗設(shè)備范圍內(nèi)）

4.1.1 搜集試驗開關(guān)柜的設(shè)備電網(wǎng)統(tǒng)一編碼（若未有，可參照標(biāo)準(zhǔn)格式暫時自編）。

4.1.2 按操作票規(guī)范，編制設(shè)備名稱和編碼對照表（見表3示例）

（表3） 編制設(shè)備名稱和編碼對照表（示例）

4.1.3 作為試驗的第一步，編制一個‘譯碼軟件’，它的任務(wù)是將輸入的‘設(shè)備名稱’翻譯成寫入鑰匙所需的‘設(shè)備統(tǒng)一編碼或其次級碼’。

4.1.4 針對無源鎖鑰匙所用的‘語言’，編制‘鑰匙軟件’。它的任務(wù)是將操作票的每步文字命令，寫入無源鎖鑰匙（當(dāng)中包括‘門禁’、‘操作授權(quán)’等選項提示）。

4.1.5 寫鑰匙軟件’用一般電腦的U口寫入鑰匙。到本項目進(jìn)入實用化階段時，則研發(fā)配網(wǎng)‘營銷一體化’系統(tǒng)兼容‘鑰匙軟件’的技術(shù)（如‘驅(qū)動軟件’等），以達(dá)到將智能五防融入‘營銷一體化’系統(tǒng)。屆時，配網(wǎng)日常運(yùn)作的操作票，直接寫入鑰匙。

4.1.6 五防開關(guān)柜操作流程

5 開關(guān)柜中刀閘的“機(jī)械防誤”

5.1 鑰匙插入，程序正確，撥轉(zhuǎn)鎖芯解鎖。若不操作，或操作不徹底，鑰匙不能復(fù)位（圖1b）。鑰匙不能拔出，強(qiáng)迫操作者必須完成本步操作。

（鑰匙不復(fù)位，鎖芯有‘留匙’功能。圖1是形象示意。）

5.2 刀閘操作防錯機(jī)構(gòu)的組成

刀閘操作防錯有機(jī)械和智能鑰匙兩種形式。

5.2.1.機(jī)械防錯閉鎖（見圖2-1、圖2-3及圖2-4），結(jié)構(gòu)包括：

5.2.1.1.閉鎖盤

閉鎖盤上有對應(yīng)刀閘的分開和閉合狀態(tài)的兩個‘閉鎖缺’。閉鎖盤與刀閘驅(qū)動動軸固連。閉鎖盤面固連有一根‘連動梢’，穿入5.2.3.的‘防錯盤’；

5.2.1.2.閉鎖閂。

在刀閘某個運(yùn)行狀態(tài)(分或合)，閉鎖閂被彈簧推入閉鎖缺中，將刀閘某種狀態(tài)鎖定；

5.2.1.3.防錯盤。

防錯盤與閉鎖盤同軸，但不固連。面向閉鎖盤方向，防錯盤有一塊‘回鎖凸’。它上面有弧形的‘定位彎槽’，從閉鎖盤來的‘連動梢’從‘定位彎槽’穿出。

5.2.1.4.防錯鉤

防錯鉤為一個用小彈簧推動的棘爪。當(dāng)撥轉(zhuǎn)鎖芯后，棘爪將閉鎖閂暫留在開鎖狀態(tài)，等候操作徹底完成（圖3）。

防誤、防錯的操作過程（以拉開一把刀閘為例）

第一步，閉鎖狀態(tài)：刀閘閉合，手柄向上。閉鎖閂卡住閉鎖盤，不能隨意操作（圖2-1）；

第二步，解鎖狀態(tài)，仍未操作（圖2-2）

智能鑰匙插入鎖芯，程序正確，撥轉(zhuǎn)鎖芯，拐臂抬起閉鎖閂。防錯鉤立即扣住閉鎖閂，保持‘可操作狀態(tài)’。這時，如不操作，鎖芯不能復(fù)位，拉不出鑰匙去操作下一步（圖3）；

第三步，拉手柄操作至完成（圖2-3）

閉鎖盤的連動梢在防錯盤的‘定位彎槽’內(nèi)滑行。刀閘徹底分開，連動梢走到彎槽盡頭，撥動防錯盤轉(zhuǎn)一小角度，防錯盤上的回鎖凸推防錯鉤推開閉鎖閂；閉鎖閂又跌入另一個閉鎖缺，帶動拐臂使鎖芯自動復(fù)位。機(jī)構(gòu)在新狀態(tài)（分開）被重新閉鎖。操作徹底完成，可抽出鑰匙作下一步操作。

5.2.2 智能鑰匙防錯機(jī)理和工作原理如下：

(以拉開一把刀閘的過程來說明)

(圖3-1)刀閘處于合位閉鎖狀態(tài)

第一步，刀閘處于合位，未操作（圖3-1）

●刀閘的閉鎖盤被與鎖芯固連的閉鎖桿卡住，不能隨意操作；

●刀閘‘合位’磁塊對準(zhǔn)干簧管，使它的接點(diǎn)閉合；

●鎖芯引出信號線接地；

第二步，刀閘開鎖，處于拉開半途(圖3-2)

●程序正確，鑰匙轉(zhuǎn)動鎖芯撥開閉鎖干。

●拉手柄，刀閘開始分開。合位磁塊離開干簧繼電器，它的接點(diǎn)分開。

●鎖芯引出信號線暫時離開地電位。

第三步，刀閘分開，分位置重新閉鎖(圖3-3)

●鑰匙回?fù)?，閉鎖干重新卡住閉鎖盤。

●分位磁塊對準(zhǔn)干簧繼電器，它的觸點(diǎn)重新閉合。

●鎖芯引出線經(jīng)歷了“接地-離地-再接地”過程，鑰匙得到此信號才將程序轉(zhuǎn)入下一步。

●取出鑰匙，鑰匙可作下一步操作。

上述智能鑰匙防錯機(jī)構(gòu)在操作未完成之前，都可以將鑰匙取出，但未經(jīng)鎖芯回答接地的“合-分-合”信號，鑰匙不能做下一步的解鎖，無法進(jìn)入下一程序操作。

如果刀閘有可利用的位置接點(diǎn)(如圖虛線所示的H、F接點(diǎn))，就不需用干簧繼電器和磁塊，防錯回路更簡單可靠。

開關(guān)操作防錯機(jī)構(gòu)（智能鑰匙型）：

5.3.1.正常運(yùn)行的開關(guān)(見圖4-1)

(圖3-2)刀閘處于解鎖狀態(tài)，正在操作

開關(guān)正常運(yùn)行一切操作按鈕或機(jī)械儲能搖柄孔被擋板遮住，不允許隨意操作(圖4-1)。如果是機(jī)械儲能操作，圖4-1上被遮蔽的不是分合按鈕，而是械儲能搖柄孔。

5.3.1.開關(guān)需要操作(圖4-2)

插入智能鑰匙，程序正確，可以撥轉(zhuǎn)，打開擋板。如果不操作取出鑰匙（不按按鈕或手動儲能后再按按鈕），不能進(jìn)行下一步。

如果操作，開關(guān)變位。干簧繼電器接點(diǎn)經(jīng)歷“合-分-合”，將有效操作信號寫入鑰匙。才允許進(jìn)行下一步(圖4-3、圖4-4)。

注：開關(guān)操作包括‘分’和‘合’。而閉鎖是一 并進(jìn)行的。

6 結(jié)語

6.1 1 0kV開關(guān)柜是城市和農(nóng)村電網(wǎng)使用最廣泛的設(shè)備。而操作者往往是用戶和廣大的農(nóng)網(wǎng)電工，對安全管理制度的執(zhí)行，個人安全意識和主網(wǎng)還有差距。而10kV開關(guān)柜的五防至今比主網(wǎng)設(shè)備更不完善。亟需要可靠完善的五防措施。

6.2 無源鎖是本項目的核心技術(shù)。它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是高度智能加上高度的可靠?，F(xiàn)有的五防系統(tǒng)，智能也很高，但可靠性太低，不能保證安全操作。這就是引入無源鎖五防的根本原因。

6.3 然而，單憑無源鎖智能技術(shù)，還未能杜絕一切可能的失誤。必須加上“強(qiáng)制性”的防錯手段。上述的機(jī)械防錯技術(shù)，適用于新10kV開關(guān)柜的五防改造。而智能鑰匙防錯技術(shù)，還能用于運(yùn)行中開關(guān)柜的五防改造。

6.4 開發(fā)上述兩種防錯技術(shù)不需輔助電源，能適應(yīng)“孤島式”配電房“黑啟動”。采用這種防錯技術(shù)的開關(guān)柜，有普適的意義。

對比當(dāng)前各級電網(wǎng)五防運(yùn)行存在的問題，無源鎖五防將是一種較理想的解決手段。本項目首期工作是完成廣東電網(wǎng)公司規(guī)定類型的一種10kV開關(guān)柜的五防改造，建造一個有2～3臺開關(guān)柜的10kV智能五防示范性配電房，作為探索無源鎖五防在更高一級電網(wǎng)中推廣應(yīng)用的第一步。

五防開關(guān)柜操作流程

[1]彭杉，鄭祖軍.微機(jī)“五防”系統(tǒng)的改進(jìn)[J].農(nóng)村電氣化，2007，（5）：23,24.

[2]樊雪英，傳統(tǒng)電氣閉鎖防誤與現(xiàn)代微機(jī)“五防”問題研究[J]，新疆有色金屬，2003（8）：48～50

[3]李穎.關(guān)于監(jiān)控微機(jī)與微機(jī)“五防”的通訊的一點(diǎn)思考[J].云南電力技術(shù)，2000,28（3）：45,46.