防止10千伏开关站三电源并列运行的四种防误闭锁电路设计方案

来源：电气技术　2022-03-10 08:24:14

作者通过对防误闭锁电路和常用微机五防系统的分析，得出防误闭锁电路是防误操作的最后一道防线。然后针对单母三分段三电源的10KV开关站，用多种方法得出了相关开关可合闸和禁止合闸的充分必要条件，在此基础上，提出了三电源单母三分段10KV开关站实现防止并列运行操作的四种防误闭锁电路设计方案，以供配网生产运行者参考学习。

随着用户对供电可靠性要求的提高，城市配电网中按照三电源进线设置的10KV开关站越来越多，由于三个电源可能来至不同的变电站，三电源之间禁止并列运行。为了防止电源之间人为误操作导致误并列和反送电，在进线和分段开关之间设置合适的联锁就非常重要。

目前两电源防止误并列运行闭锁电路设计较为成熟，应用广泛。但两电源以上单母线分段开关站防止并列闭锁电路设计存在的问题较多。如，当电源加至三个以上，则各开关之间实现联锁功能的控制电路设计难度较大，接线相对复杂。下文通过分析防误闭锁电路和微机防误系统，基于可合闸规则和禁止合闸规则，提出三电源开关站防止并列运行的4种防误闭锁电路的设计方案。

1 常用防误闭锁装置

1.1 两种防误闭锁装置的特点

通常，实现防误闭锁功能主要有防误闭锁电路和微机防误系统两种措施。

防误闭锁电路是一种电气控制技术，是在电气的二次操作回路上设置的一种防误操作控制电路。一般通过相关开关和刀闸的辅助接点组合连接来实现。这是电气闭锁最基本的形式，闭锁可靠，但这种方式需要接入大量的二次电缆，接线方式较为复杂，运行维护较为困难。

微机防误系统是一种计算机控制技术，是防止开关设备电气误操作的计算机装置。通常由主机、模拟屏、电脑钥匙、机械编码锁、电气编码锁等功能元件组成。一般不直接采用开关设备的辅助接点，接线简单，由软件编写操作闭锁规则库，通过现场锁具实现防误闭锁，可以实现复杂防误闭锁功能。

1.2 两种防误闭锁装置的异同

防误闭锁电路一般只能防止开关、刀闸和地刀的误操作，对误入带电间隔、带电挂接地线和接地线的拆除等无能为力，不能实现完整的“五防”功能。

微机防误系统可根据现场实际情况，编写相应的操作程序规则，可以实现较为完整的“五防”功能，但是存在以下问题。

1）在微机防误系统故障而解除闭锁时，则“五防”功能完全失去。

2）存在“走空程”导致误操作的问题。即编码锁打开以后，设备实际尚未操作到位，电脑钥匙却提示可以进行下一步操作，导致操作过程中出现漏项。

3）微机防误系统不能防止检修人员的误操作以及运行人员可能的误碰误操作等事故。

基于上述这些原因，防误闭锁功能不能完全依赖微机防误系统，适度保留开关设备的防误闭锁电路是比较有效的措施，电气回路闭锁是防误操作的最后一道防线。

2防止三电源并列闭锁的合闸条件分析

2.1 防止三电源并列闭锁的要求

下文将以图1所示的三电源单母三分段10KV开关站为例进行合闸条件、禁止合闸条件分析以及防误电路设计。

图1 三电源单母三分段10KV开关站

图1所示开关站，防止三电源并列的闭锁要求如下：

1)任何三条电源之间禁止通过进线开关和分段开关并列运行。

2)每条电源进线均可单独供本母线，也可以通过分段开关向相邻或相隔母线供电。

2.2 开关合闸条件分析

一般的防止并列运行闭锁电路的设计思路是，首先分析各相关开关可合闸或禁止合闸的充分必要条件，然后通过设计串联或并联或串并联各开关的常闭（即分闸通）或常开（即合闸通）辅助接点的二次电路来实现开关之间的联锁。下面将按照上述思路，应用多种方法分析各相关开关可合闸或禁止合闸的充分必要条件。

2.2.1 开关可合闸条件分析

1）运行方式归类法

经过对三电源单母三分段10KV开关站（如图1）可运行方式的分析，列出该10KV开关站的21种运行方式如表1所示。初步分析可知，为防电源并列运行，某开关可以合闸的必要及充分条件是相关的开关必须处于分闸状态。

表1

如分析D1可合闸条件。从序号1～3、5、6、11、12可以得出，只要D12处于分闸状态，D1就可以合闸；从序号4、6、10、12可以得出，只要D2及D23同时处于分闸状态时，D1就可合闸；从序号9、10、11、12可以得出，只要D2及D3同时处于分闸状态时，D1就可合闸。

上述三种情况是D1可以合闸的全部条件，将所有条件组合后，得出D1可以合闸的充分必要条件，简化即得，D1可合←→D12分或【D2分与（D23分或D3分）】。

同样的办法，可以列出其他开关可以合闸的充分必要条件如下。

D2可合←→（D12分与D23分）或【（D1分或D12分）与（D3分与D23分）】。

D3可合←→D23分或【D2分与（D12分或D1分）】。

D12可合←→D1分或【D2分与（D23分或D3分）】。

D23可合←→D3分或【D2分与（D12分或D1分）】。

2）分闸曲线法

在分析某开关可以合闸的时候，用最直观的方法，将需要分闸的开关用曲线连接起来，表示需要隔离的电源。如图2所示，D1可合闸的条件是：用曲线1隔离其他两电源，即D12分闸时，D1可合；用曲线2隔离其他两电源，即D2和D23分闸时，D1可合；用曲线3隔离其他两电源，即D2和D3分闸时，D1可合。如上方法分析并整合后得D1可合的充分必要条件：D1可合←→D12分或【D2分与（D23分或D3分）】。

图2 开关可合闸情况分闸曲线图

用同样的方法，可以列出其他开关可以合闸的充分必要条件，得到的结果如上述运行方式归类法得出的结果。

2.2.2 开关禁止合闸条件分析

直观分析可知，为防电源并列运行，某开关禁止合闸的充分必要条件是相关开关处于合闸状态。采用某开关若合闸，将出现电源并列运行或倒送电的情况的判断逻辑，我们很容易得出某开关禁止合闸的充分必要条件如下：

D1禁合←→【D12合与D2合】或【D1合与D23合与D3合】。

D2禁合←→【D1合与D12合】或【D23合与D3合】。

D3禁合←→【D23合与D2合】或【D1合与D12合与D23合】。

D12禁合←→【D1合与D2合】或【D1合与D23合与D3合】。

D23禁合←→【D2合与D3合】或【D1合与D12合与D3合】。

3 实现开关防止并列运行闭锁的四种方案

一般10KV开关的分合闸控制电路如图3所示，下文将基于此种分合闸操作回路进行闭锁电路方案设计。

图3 KYN28开关分合闸控制电路图

3.1 利用辅助接点组合电路串联合闸回路实现联锁

本设计方案是在被闭锁开关的二次合闸回路中串接相关开关的辅助接点组合电路。在该开关可以合闸的情况下，辅助接点组合电路是接通状态，二次合闸控制回路是接通状态可以合闸。在该开关不可以合闸的情况下，辅助接点组合电路是断开状态，二次合闸控制回路是断开状态不可以合闸。如此即可实现对被闭锁开关的合闸控制。

根据上述某开关可合闸的充分必要条件，即可合闸规则，用相关开关的辅助常闭接点（分闸通）表达其分闸状态，运用串并联辅助接点表达“与”“或”关系，得到被闭锁开关的辅助接点组合电路，然后将该组合电路串联接入对应开关的合闸控制回路，就可实现所需要的电气联锁。

根据上述方法，得到各开关的闭锁电路如图4。

图4 辅助接点组合电路串联合闸回路控制图

图4中D1开关闭锁控制过程为：当D12开关处于分闸状态时，D12辅助常闭接点闭合，接通了合闸回路，开关可以合闸；当D2开关与D23开关同时处于分闸状态时，D12和D23辅助常闭接点闭合，接通了合闸回路，开关可以合闸；同样，当D2开关与D3开关同时处于分闸状态时，D2和D3辅助常闭接点闭合，接通了合闸回路，开关可以合闸；其余情况，均不能合闸，实现了防止并列运行的闭锁功能。

其他开关的闭锁控制过程类似。

3.2 利用辅助接点组合电路旁路合闸线圈实现联锁

利用开关辅助接点组合电路串接合闸回路的闭锁电路是基于可合闸规则的设计，使用相关开关的常合“即分闸通”辅助接点，但是当一台抽出式开关拉至检修位置时，该开关辅助接点与仪表室接线端子断开连接，也就是接入组合电路的该开关辅助接点与被闭锁开关合闸控制回路断开连接，这样将使被闭锁开关合闸回路处于断开状态而不能合闸，造成被闭锁开关拒合和整套闭锁装置失灵。另外，在合闸回路中串联辅助接点后，导致合闸回路故障点增多，开关合不上闸的概率增加。

基于上述原因，利用常分“即合闸通”接点，并且不采用串联合闸回路的方法是一个可以改进的方向。这样就可以利用常分“即合闸通”接点组合电路旁路合闸线圈来的方法实现闭锁。利用“合闸通”接点，就是利用相关开关处于合闸状态时，被闭锁开关将不能合闸，这样就要用到禁止合闸的规则。

依据上文所述开关禁止合闸规则，采用上述方法我们可以设计出如图5闭锁电路。

图5 辅助接点组合电路旁路合闸线圈控制图

图5中D1开关闭锁控制过程为：当D12和D2开关同时处于合闸状态时，D12和D2辅助触点闭合，D1开关合闸线圈HQ被短路，不能实现合闸；当D12、D23和D2开关同时处于合闸状态时，D12、D23和D2辅助触点闭合，D1开关合闸线圈HQ被短路，不能实现合闸。其他开关的闭锁控制过程类似。

由于闭锁电路中使用的辅助接点均为“合闸通”接点。在抽出式开关处于检修状态时，本开关辅助接点回路虽然与被闭锁电路断开，但在此种情况下，被闭锁电路处于不闭锁状态，即无需闭锁，并不影响其它被闭锁开关合闸回路的合闸。

3.3 采用可编程序控制器实现联锁

事实证明，上述两种利用开关辅助接点组合电路实现开关的电气联锁直观易懂，不必加其它电气元件，费用较低，但是不足之处是开关之间连线复杂，接点多，如有个别地方接触不良或接点拒动将出现开关拒动或误动，导致故障概率大，安装维护工作量大。为了简化连线，提高可靠性，采用可编程序控制器（PLC）进行电气联锁控制正好克服上述两种设计之不足。

PLC为专用工业计算机，具有许多功能，此处仅用其逻辑控制功能。即通过将相关开关的分合闸状态信号通过开关辅助触点接入装置输入端，将装置输出端接入开关合闸回路，按照开关可合闸规则，在PLC内部控制程序中设置各软接点的连接关系，即运用“与”“或”“非”逻辑指令，描述相关开关软接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接关系，使其输出开关量与输入分合信号遵循可合闸规则，这样就可以实现开关合闸闭锁控制。

现以施耐德公司生产的TSX Neza PLC为例进行设计，接线电路如图6。

图6 PLC控制接线图

如图所示，将D1、D12、D2、D23、D5等5台开关的辅助常开接点连接到PLC输入端连接的内部继电器上，考虑到PLC输出端对电流有限制，对应地将PLC的5个输出端分别接入5个中间继电器线圈，将中间继电器的常闭接点分别串接到对应开关的合闸控制回路中，如此即完成5台开关的全部闭锁电路接线。

然后，根据开关可合闸规则，绘制并设置本PLC的软（虚拟）接点串并联梯型图，使输入与输出信号遵循一定逻辑关系。经过学习本PLC的说明书，得到如图7所示指令程序。

图7 PLC控制梯形程序图

其实，图7与图4形式几乎一致，只不过为了简化指令程序作了一些位置上的调整变形。所不同的是，梯形图的常开、常闭接点不是相关开关的辅助接点，而是PLC相对应输入继电器内部的软接点，相互之间的连接线也是PLC内部的软连线。最后将梯形图通过PLC编程器输入PLC即可。

值得注意的是在绘制梯形图时，如果PLC输入端接入各开关的常闭辅助接点，则输入继电器的软接点也必须将常闭、常开对应替换，即与开关辅助接点组合控制图刚好相反。

3.4 利用带电显示器实现联锁

利用带电显示器中闭锁接点实现联锁控制是电气闭锁设计的另一种思路。对于上述10kV开关站，开关可合闸规则为：对于处于分闸状态的进线开关，当其负载端母线上有电时，本开关禁止合闸；对于处于分闸状态的联络开关，当其两端母线上都有电时，本开关禁止合闸。至于母线不带电时的开关合闸闭锁问题，本设计不予考虑。

现以型号为GSN-10Q的带电显示器为例，遵照上述规则，设计如图8、图9所示电路。

图8 带电显示器接线图

如图8所示，在每段母线上通过3个CGJ2-12高压传感器装设一套GSN-10Q带电显示器，在带电显示器闭锁输出接点K2上连接中间继电器线圈，将中间继电器的接点组合电路接入对应开关合闸回路中，即完成电路接线。

图9 带电显示器控制回路接线图

如图9所示，对于处于分闸状态的D1，当I母有电时，GSN1线圈驱动带电显示器的K1K2输出接点闭合，中间继电器线圈K1得电，对应的中间继电器常闭接点K1断开，D1合闸回路处于断开不能合闸；当I母无电时，GSN1线圈不驱动K1K2接点闭合，中间继电器线圈K1失电，对应的K1常闭接点闭合，D1合闸回路处于连通状态可以合闸。

对于处于分闸状态的D12开关，当I母带电，II母不带电时，GSN1线圈驱动相应K1K2输出接点闭合，中间继电器K1常开触点闭合，中间继电器K2常闭触点不动作，接通合闸回路，D12开关可合闸；当I母不带电，II母带电时，中间继电器K1常闭触点不动作，GSN2线圈驱动相应K1K2输出接点闭合，中间继电器K2常开触点闭合，接通合闸回路，D12开关可合闸。

其他开关的闭锁控制过程如上。

4 总结

综上所述，四种闭锁方案都能达到有效防止多电源并列运行联锁效果，可以避免误操作的发生，同时可以满足各种运行方式的需要。但是不同方案考虑问题的角度不同，采用的电气元件不同，接线方式有异，实际使用中接线难易程度不同，可靠程度不同，对某些极个别特殊状态情况下反送电闭锁功能也有不同，在实际生产过程中，可以根据现场实际，选择其中一套方案，实现经济可靠的闭锁要求。

本文编自《电气技术》，论文标题为“防止10kV开关站三电源并列运行的四种防误闭锁电路设计方案”，作者为刘渊。

关键词：辅助接点组合电路并列运行

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