“五防”技术措施原则探究

1、江苏方天电力技术有限公司 电力工程部 尹羽“五防”技术措施原则探究在电厂和电网生产、运行过程中，由于人为因素，存在各种各样的误操作，会引起设备损坏甚至人身伤亡事故。为了防止这些误操作，在站（电厂）内高压电气设备应设有防误装置和相应的防误闭锁回路，并对高压设备的操作进行严格的管理。按照国标描述，“五防”是指：1、防止带电挂接地线（合接地闸刀）；2、防止带接地线（接地闸刀）合闸；3、防止人员误入带电间隔；4、防止带负荷拉、合隔离开关；5、防止误分、误合断路器；以及防止非同期并列等。实现“五防”有两个方面：一方面，从技术措施上做到防误操作，另外一方面是从管理措施上做到防误操作。目前，从技术上实现“五

2、防”功能的主要有以下几种方法：1、机械闭锁。依靠电气设备操作机构的机械连杆和结构的相互制约，达到相互闭锁。这样的方式最大的缺点是无法实现跨间隔（远距离）设备之间的互相闭锁，是一种不完整的方法，无法完成整套的“五防”逻辑。2、电气闭锁（包含电磁锁）。利用断路器、隔离开关、设备柜门、电气量判别继电器等的辅助接点接入需闭锁的隔离开关或接地刀闸等控制回路上（电磁锁控制回路上），使其操作机构无法动作，从而实现设备之间的相互闭锁。3、微机“五防”（包含后台软件逻辑闭锁）。把断路器、隔离开关、设备柜门、电气量判别继电器等的辅助接点全部送入微机，然后由微机对这些信号进行逻辑判断，输出一付接点接入设备的控制回路

3、中，从而实现设备之间的相互闭锁（后台软逻辑是根据收集到的信号判断是否允许操作）。在实际设计和运行过程中，由于没有统一标准，各电厂和供电局会要求使用各自的“五防”方法。常常会在“五防”中加入非必要的多余逻辑和回路，甚至与设计和装置功能不符，存在缺陷，给调试和运行带来了很多困难和隐患。所以有必要研究和规范目前实施“五防”的技术，设定一个最基本的原则，以达到保障电力生产的安全稳定进行。这样的原则，应该要做到最为精简和最为有效，要删除那些不涉及设备损坏、人身安全以及影响系统稳定的逻辑。按照目前的规程和经验，“五防”应该具备以下原则。一、“五防”的完整可靠性。由于实现“五防”的原理不同，导致有的“五防”

4、方法不完整甚至不可靠，不能起到完全防误的能力，所以在整个变电站（电厂）“五防”中必须要具备可靠完整的防误功能。二、“五防”的冗余原则。 为了防止某一套完整的“五防”故障或者某些部分失去防误功能，在重要变电站（电厂）或者高电压等级（110kV及以上）应该要设置二套或者多套完整可靠的“五防”。三、“五防”相互制约性。 只要某套“五防”条件不满足，就应该闭锁该设备操作。四、“五防”的相对独立性。 每套“五防”应该相对独立，具备独立的硬解锁功能，在其中某套“五防”由于故障或其他原因解锁退出时，设备操作及其余“五防”不受影响。在少数变电站（发电厂）中，由于历史原因，还有很多“五防”尚未做到这点，应该加以

5、整改。五、电气控制回路原则。 1、刀闸紧急状态可控原则。在刀闸所有闭锁条件解除的情况下为了防止误操作和及时阻止误操作，必须有急停功能。 2、操作接触器（继电器）近零原则。 一般隔离开关、接地刀闸和电磁锁是交流操作，而这样的交流电源没有绝缘检测装置。简单分析下操作条件在控制回路零线侧可能产生的问题。先看一个简单的刀闸的操作回路（解锁以及其它回路未画出）。如图1：图1操作继电器非近零线的刀闸操作回路可以清楚的发现：在运行过程中如果K1、K2绝缘不良导致接地，则会造成闭锁条件失效和急停功能缺失，K3发生故障会使急停功能失去，而这些故障不影响设备操作也不会使熔断器熔断，因此在运行过程中很难甚至无法发现

6、。很显然，解决的办法是把操作接触器（继电器）设计在控制回路的零线侧（如图4），一旦发生如上故障就会因为短路而断开控制电源。目前，电力系统内决大多数“五防”没有考虑到这点，给运行安全带来了极大的威胁，强烈建议主管部门进行集中技改。 3、自保持回路仅保持操作命令。 分析图2、3、4（解锁以及其它回路未画出）。图2显然错误，在合刀闸的过程中急停功能失去。图2和图3的电气回路还存在另外一个危险点，就是当有干扰脉冲、KM接点卡死或者KM震动或者其它原因误动一次，就会使刀闸在闭锁条件不满足的情况下动作，而图4所示回路则能防止这样的危险发生。图2 自保持命令跨越多条件的操作回路图3 自保持命令跨越闭锁条件的

7、操作回路图4自保持回路正确的操作回路 由于各个电网以及各个变电站和发电厂各自按照自己的回路要求，在某些电厂和变电站还存在很多如图3所示回路。 4、断路器分闸回路不设闭锁。 为了在任何紧急状态下能切除故障或负荷，因此在断路器的电气分闸回路中不设闭锁条件。六、分相设备位置逻辑“与”原则。 在超高压电气设备中，广泛使用了分相设备，而它们的“五防”逻辑在使用这些设备的位置信号时，应该是三相位置一致时才能开放相关设备的闭锁条件，当三相位置不一致时要严禁相关设备的操作，否则就会发生某相“五防”条件不满足而闭锁开放。也就是说，监控装置所检测设备的位置接点和闭锁条件所使用的位置应该是分相设备位置串联信号（“与

8、”信号）。 在很多变电站还存在着分相刀闸或开关常开辅助接点“或”逻辑，使遥信量与实际产生不对应，从而给防误操作带来危险和困难。七、 “五防”逻辑原则。线路（包括线路高抗和串补电容）是连接变电站（电厂）和变电站（电厂）之间的设备，他们的操作条件按照常规需要对侧变电站（电厂）的相关信号，而目前的“五防”只使用本站（厂）的信号，所以它们的“五防”规则单独讨论。1、“五防”常规逻辑。电力系统是由一个个电力元件构成。一般来说为了检修和维护电力元件，会为每个电力元件安装接地刀（线），并通过隔离开关把各种电力元件连接起来。如何判别电力元件呢？简单的说，就是把隔离开关作为断开点，把电力系统分成单独的单元，这样

9、的单元就是元件。电力元件有个显著的特征就是内部没有隔离开关。在我国，对于35kV及以下电压等级盘柜式的系统，在不使用隔离开关的情况下，把断路器的位置作为隔离开关，也就是断开点，断路器在试验或者退出位置时认为隔离开关是分开的，在运行位置时认为隔离开关是闭合的。这样，就可以把电力系统分解成如图5所示： 图5 按元件分割的电力系统1.1、元件地刀（线）的操作条件：该元件的所有隔离开关在分位。但中性点地刀的操作无需条件。这个原则是对应“五防”第一条：防止带电挂接地线（合接地闸刀）。以图5为例。在元件A不带电的情况下才能挂接地线（合接地闸刀）,否则就会导致设备和人身事故,只有当所有与元件A连接的隔离开关

10、在分位时,元件A才不带电。用逻辑术语来说，就是地刀（线）1、2、3n的操作条件是隔离开关1、2、3n在分位。但是这里还有一些特例，那就是中性点地刀，在系统正常的情况下，中性点对地电压（包括感应电）很低，所具备的容量也很小，所以操作中性点地刀不会对设备和人身产生危害，因此操作中性点地刀是不须经闭锁的，但是挂中性点地线仍须经闭锁，因为中性点对地电压虽然很低，但仍会对人身造成伤害，特别是在中性点带小电抗的情况下。1.2、元件隔离开关的操作条件：该元件除中性点地刀以外的所有地刀（线）在断开位置。这个原则是对应“五防”第二条：防止带接地线（接地闸刀）合闸。从图5元件A中可以看出,当任意一个接地刀（线）在

11、合位时，元件A是不带电并且接地的，如果这个时候合隔离开关，就会使元件A带电从而导致短路等故障。同样的道理，中性点地刀也是例外。1.3、元件门锁的操作条件：该元件所有地刀（除中性点地刀外）在合位。这个原则是对应“五防”第三条：防止人员误入带电间隔。以图5为例，如果人员要进入元件A间隔，则必须要求元件A不带电。由于感应电的存在，特别是在电气元件密布和高电压环境下，为了保证人身安全，应该在元件A可靠接地的情况下才允许进入元件A间隔，而这样的情况是所有地刀在合位时才达到要求。中性点地刀的连接部分一般没有电源和感应电，因此例外。 1.4、断路器元件隔离开关的操作条件（盘柜式系统中指断路器摇进摇出的操作条

12、件）：该断路器在分位。图6 以断路器元件连接的方式图6中元件C是非常特殊的元件，它就是断路器元件。断路器的特点是能开断负荷和故障电流，隔离开关却因为没有灭弧装置而无法断开大电流。为了防止带负荷拉、合隔离开关（“五防”第四条），必须在断路器在分位时，才能操作隔离开关。对于盘柜式系统，则同样的道理，必须断路器在分位时，才能把断路器摇入或摇出工作位置。1.5、经独立的无压鉴定或独立的同期鉴定，并且断路器元件隔离开关处于非故障位置时，断路器才允许合闸。断路器分闸无须条件。为了保证在任何紧急状态下能切除故障或负荷，断路器的分闸严禁设置闭锁条件。常常有变电站和电厂要求在断路器分闸逻辑中加入闭锁，在调试过程

13、中需要严格把关。目前实际的电气回路和设计中存在给断路器分闸设置闭锁，有一定的事故隐患。为了防止非同期合闸给系统以及设备带来的影响和损害，因此，必须在合断路器时经过无压或同期鉴定，同时为了防止因为PT空开跳开而发生误用无压合闸，把同期合闸和无压分闸要分开成独立的出口。如果隔离开关在操作过程中合断路器会使隔离开关带负荷拉弧而造成设备损害，因此断路器的合闸需要断路器元件隔离开关处于非故障状态（没操作到位状态）。国家标准中对于“五防”中防止误分、误合断路器这一条允许提示性的方法，因此断路器合闸要求隔离开关非故障位置这一项可以在画面软逻辑中实现，不执行在操作回路中。目前在大部分变电站和电厂中没有实现这个

14、软逻辑，一旦管理措施也不到位的话，从技术层面上就无法阻止事故发生。2、“五防”倒闸逻辑。电力系统中存在的双母和旁母也是非常特殊的元件，它们的特殊性是和他们相连接的是多电源分支，而这些分支有断路器元件，又有很多非断路器元件，这就使它们的隔离开关存在带负荷分合的危险。2.1、母线互联隔离开关互相闭锁操作，当且仅当母联间隔运行时解除双母（非旁母）互联隔离开关之间的互相闭锁。图7 常见的双母兼旁路主接线方式图7是一个典型的双母接线。在图7中，母联间隔退出运行，则1M和2M的电压存在着角差、压差甚至频差。在这样的状态下如果G1合位，此时再合G2，则会带负荷把1M和2M并列，并且是不检同期并列，这样就会带

15、负荷拉合隔离开关，因此G2的操作条件需要G1在分位。同理：G3和G4、G5和G6、G6和G7之间必须互相闭锁。当母联间隔运行时（G5、G6、DL合位），此时1M和2M为同一等电位，则G2的操作不必再判G1的位置。因此，母线互联隔离开关互相闭锁操作，当且仅当母联间隔运行时才解除双母（非旁母）隔离开关之间的互相闭锁。2.2、旁母隔离开关（旁母旁路隔离开关除外）互相闭锁操作，且经旁母旁路隔离开关合位闭锁。图8 旁母以图8为例，G1、G2、G3Gn分别来自不同的线路或者变压器，它们之间需要经过断路器来开断电流。如果使用G1、G2、G3Gn把他们合环，则会因为带负荷拉合隔离开关引起事故，因此G1、G2、

16、G3Gn只能有一个在合位，也就是说G1、G2、G3Gn的操作必须判断其它旁母隔离开关（Gp除外）是否全在分位。Gp在合位时，操作G1、G2、G3Gn中任一把刀闸：如果此时DL在合位，则会发生带负荷拉合隔离开关事故。如果DL在分位，则是安全的，但是如果在操作刀闸的过程中合DL也会发生带负荷拉合隔离开关事故。因此，旁母隔离开关（旁路隔离开关除外）应互相闭锁操作，且经旁母旁路隔离开关合位闭锁。目前很多变电站和电厂是通过旁路断路器闭锁旁母隔离开关（旁母旁路隔离开关除外），存在着很大的技术安全隐患。3、刀闸分合逻辑的一致性。从前面的刀闸逻辑中，可以整理出这样一个原则，那就是任何刀闸的闭锁是针对它的操作，

17、而这样的闭锁逻辑是没有原理缺陷的。目前的实际常常会出现这样一种怪现象，设计院设计的刀闸分合逻辑一致（如图9），而电厂和供电局却常常要求做成分合逻辑不一致，这样互相之间的不匹配而导致很多问题。如图9，设计院的意图是分合逻辑一致，如果电厂或者变电站要求分合逻辑不一致时，那微机装置就不知道什么时候开放闭锁，它首先要判断现在设备的状态是分位还是合位。当刀闸到中间位置时，因为采不到设备的位置状态，闭锁条件就会不满足而使分合失败。同时，由于把分合逻辑设计成不一样，会引起逻辑混乱，难于管理。常规的“五防”设计如图9（解锁等其它回路未画出）。图9 常规的微机闭锁和分合命令的关系4、特殊“五防”。下面分析特殊设

18、备：线路（包括线路上的元件）。由于线路元件的端口在不同的变电站或电厂，而端口设备（比如隔离开关和地刀等）的状态目前尚未能传输到对侧。无法利用对侧的设备状态来参与本侧设备的操作逻辑，所以它的“五防”是一种不完整的“五防”，更多是靠调度的管理措施，而技术措施的实施具有一定的局限性。比如合本侧线路隔离开关无法判断对侧线路地刀的位置；合本侧线路地刀也无法判断对侧线路隔离开关的状态。正因为线路“五防”的不完整，因此对于它的逻辑无法进行原则性的规定。只是对常见的线路进行一些规定。由于目前线路串补电容接线方式多样，在本文中就不进行讨论。4.1、操作线路地刀需要判断线路是否无压，并且在PT断线时应该闭锁操作。因为无