ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИКСИРУЮЩЕГО ИНДИКАТОРА ИМФ-3
1. Назначение
1.1. Индикатор микропроцессорный фиксирующий ИМФ-3 (в дальнейшем — устройство) предназначен для непосредственного определения расстояния до места короткого замыкания на воздушных линиях электропередачи напряжением 110-750 кВ протяженностью до 300 км с дополнительной фиксацией эффективных значений тока короткого замыкания, токов прямой, обратной и нулевой последовательности, напряжения прямой, обратной и нулевой последовательности.
Устройство фиксирует также длительность короткого замыкания и момент его возникновения.
Устройство предназначено для линий с односторонним либо двусторонним питанием с установкой со стороны более мощного источника при двустороннем питании.
1.2. Устройство должно устанавливаться на металлических заземленных панелях в помещениях щитов управления и релейной защиты подстанций.
1.3. В части воздействия климатических факторов устройство соответствует исполнению V категории размещения 3.1 ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89 с диапазоном рабочих температур от минус 10 до 45°С.
1.4. В части воздействия механических факторов устройство соответствует группе Ml ГОСТ 17516.1-90.
1.5. Устройство соответствует исполнению IP20 ГОСТ 14254-80, кроме выводов подключения.
1.6. Технические данные устройства.
1.6.1. Габаритные размеры:
высота, мм 280
длина, мм 380
глубина, мм 80
Масса, кг Не более 6
1.6.2. Устройство питается от источника постоянного тока напряжением 220 В, либо переменного тока частоты 50 Гц напряжением 220 В.
1.6.3. Устройство подключается к измерительным трансформаторам тока линии фаз А, Б и С, а также тока 3I0 параллельной линии при ее наличии, с номинальным вторичным током 5 А и диапазоном токов 2-200 А, либо с номинальным вторичным током 1 А и диапазоном токов 0,4-40 А.
Первичные значения измерительных трансформаторов тока могут быть: 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 и 4000 А.
1.6.4. Устройство подключается к измерительным трансформаторам напряжения фаз А, В и С с номинальным первичным напряжением 110, 220, 330, 500 или 750 кВ и номинальным вторичным напряжением 100 В. Рабочий диапазон входного напряжения 1,5- 100 В.
1.6.5. Устройство обеспечивает фиксацию расстояния до места повреждения при однофазных на землю, двойных на землю, двухфазных и трехфазных коротких замыканиях.
1.6.6. Устройство обеспечивает вывод на индикатор следующей информации:
поврежденные фазы и расстояние до места короткого замыкания, км;
время момента короткого замыкания, число, месяц, часы, минуты, секунды;
длительность короткого замыкания, с;
действующее значение тока короткого замыкания, кА;
действующее значение тока прямой последовательности, кА;
действующее значение тока обратной последовательности, кА;
действующее значение тока нулевой последовательности, кА;
действующее значение напряжения прямой последовательности, кВ;
действующее значение напряжения обратной последовательности, кВ;
действующее значение напряжения нулевой последовательности, кВ;
значения составляющих фазных векторов токов и напряжений в полярных координатах.
Данные значения сохраняются о четырех последних коротких замыканиях и могут все индицироваться в любом порядке по желанию оператора.
1.6.7. Устройство обеспечивает ввод следующих уставок и их индикацию для регулировки:
номинальный первичный ток измерительных трансформаторов тока (200-4000 А);
номинальное первичное напряжение измерительных трансформаторов напряжения (110-750 кВ);
удельное реактивное сопротивление линии прямой последовательности (0,05-1,0 Ом/км);
удельное активное сопротивление линии прямой последовательности (0,05-1,0 Ом/км);
удельное реактивное сопротивление линии нулевой последовательности (0,1-4,0 Ом/км);
реактивное сопротивление ответвления (для линий с ответвлением, Ом) или коэффициент взаимоиндукции (для параллельных магнитосвязанных линий (0,05-4,0);
расстояние до ответвления (1-300 км), (для линий с ответвлением);
время фиксации КЗ (50-90 мс);
текущие время и дата.
Примечания: 1. Значения уставок вводятся плавно регулировочными резисторами, выведенными на лицевую панель.
2. Для уставок номинальных первичных токов и напряжений, а также времени фиксации на индикаторе выводятся плавно регулируемое значение и округленное считываемое устройством значение из ряда допустимых значений по пп. 1.6.3., 1.6.4.
Допускается нестабильность индикации значений уставок, не превышающая 1%.
3. Текущие значения времени и даты вводятся с клавиатуры.
1.6.8. Устройство обеспечивает фиксацию входных величин за время от 50 до 90 мс (регулируется уставкой Тфикс).
1.6.9. Средняя относительная аппаратная погрешность определения расстояния до места повреждения не превышает 5% при токе не менее номинального значения, угле между током и напряжением от 45 до 90 эл. град и расстоянии до места повреждения не менее 20 км. При меньшем расстоянии погрешность не должна превышать 1 км.
1.6.10. Устройство обеспечивает следующие режимы работы:
селективный режим, при котором запись измеренных значений в память устройства будет вводиться только при условии хотя бы кратковременного замыкания внешнего контакта;
неселективный режим, при котором любое выполнение условий запуска будет сопровождаться записью аварийного режима в память устройства.
1.6.11. Устройство имеет память на четыре аварийные ситуации. Каждое последующее КЗ будет фиксироваться, стирая из памяти данные самой “старой” аварии.
1.6.12. Во всех режимах обеспечивается возможность многократного считывания всей имеющейся информации.
Примечание. Режим слежения за линией прекращается во время считывания информации и возобновляется либо при задании режима “Слежение” оператором, либо через 5 мин из любого состояния после последнего нажатия любой кнопки.
1.6.13. Устройство оснащено встроенным тестовым контролем, проходящим автоматически после любого появления напряжения питания или фиксации аварийного режима.
1.6.14. Устройство имеет специальный тестовый режим “Контроль”, в котором можно проконтролировать правильность подключения и работы устройства и позволяющий измерять действующие значения фазных токов, параллельной линии и фазных напряжений UA, UB, Uc, а также контролировать правильность хода внутренних часов.
1.6.15. Устройство позволяет осуществлять пробный пуск от кнопки клавиатуры с целью проверки правильности подключения и работы устройства.
1.6.16. Устройство обеспечивает автоматический переход в режим готовности к срабатыванию через время от 4 до 6 мин от последнего нажатия любой кнопки с возможностью повторного считывания информации.
1.6.17. Сопротивление токовых цепей не превышает 0,05 Ом.
1.6.18. Потребление входных цепей измерительного напряжения не превышает 1,5 В-А на фазу при номинальном фазном напряжении 100/√3 В (58 В).
1.6.19. Входные токовые цепи устройства выдерживают длительное воздействие тока, превышающего номинальное значение на 100%.
Устойчивость к воздействию максимального значения тока рабочего диапазона обеспечивается на время до 2 с.
1.6.20. Входные измерительные цепи напряжения устройства допускают длительное воздействие напряжения, превышающего номинальное значение на 20%.
1.6.21. Устройство сохраняет работоспособность при отклонениях питающего напряжения в следующих пределах номинального значения:
0,85 до 1,2 при постоянном напряжении 220 В; 0,7 до 1,1 при переменном напряжении 220 В.
1.6.22. Устройство допускает снижение напряжения оперативного питания до полного исчезновения на время до 10 ч от момента пуска и в режиме хранения информации без потери запомненной информации.
1.6.23. Потребление по цепи питания при номинальном напряжении 220 В переменного тока не превышает 30 Вт.
1.6.24. Дополнительная аппаратная погрешность определения расстояния до места повреждения при изменении температуры окружающей среды в рабочем диапазоне не превышает 3%.
1.6.25. Наработка на отказ устройства составляет 25000 ч.
1.6.26. Электрическое сопротивление изоляции цепей оперативного питания, входных измерительных цепей токов и напряжений относительно корпуса и между собой не менее 10 МОм.
1.6.27. Электрическая прочность изоляции цепей п. 1.6.26 обеспечивает отсутствие ее пробоя и перекрытия при подаче в течение 60 с испытательного напряжения 1500 В переменного тока частоты 50 Гц.
1.6.28. Устройство имеет “сухие” контакты реле для подключения к сигнализации подстанции с функцией “есть несчитанная информация”.
1.7. Состав изделия
Индикатор микропроцессорный фиксирующий ИМФ-3 1 шт.
Техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт 1 шт.
1.8. Устройство и работа изделия
1.8.1. Основные расчетные соотношения
Вычисление расстояния до места повреждения обеспечивается путем предварительного решения следующих задач:
самозапуска устройства в случае возникновения аварийного режима на контролируемой линии;
фиксации значений токов и напряжений линии в аварийном режиме;
фильтрации (подавления помех экспоненциальных и высших гармонических составляющих) зафиксированных значений токов и напряжений;
поворот векторов вычисленных значений ввиду последовательного съема данных для компенсации погрешности фазового угла;
определение вида короткого замыкания и расчет расстояния до места КЗ;
непрерывное решение задач, связанных с определением временных параметров.
Решение всех задач осуществляется путем цифровой обработки информации по заданной программе.
Задача самозапуска решается путем проверки любого из следующих условий:
(11)
(12)
где I1, I2 — модули входного тока прямой и обратной последовательности контролируемой линии; Iном, Imin — номинальное и минимальное значение тока в контролируемой линии.
Симметричные составляющие, используемые для проверки условий самозапуска (11) и (12) вычисляются на основе мгновенных значений токов трех фаз А, В и С.
Мгновенные значения отсчитываются с периодичностью в 30 эл. град.
К пусковому органу не предъявляются требования полной селективности, поэтому цифровая фильтрация отсчетов не производится, что позволяет выполнить пусковой орган быстродействующим.
Если условия пуска выполняются, то выдерживается пауза для отстройки от помех, чтобы суммарное время съема данных было равно заданному времени фиксации, затем в течение 10 мс контролируется соответствие значений токов и напряжений диапазону аналого-цифрового преобразователя; в случае необходимости коэффициенты преобразования АЦП изменяются в 10 раз раздельно по каждому из каналов.
Далее, в течение двух периодов производится фиксация значений токов и напряжений всех фаз (по 24 измерения на каждый параметр).
Поиск момента отключения защиты производится в течение 5 с по исчезновению условия запуска.
Далее, в течение 5 с ожидается замыкание внешнего контакта; в случае его обнаружения производится обработка информации. Если контакт не был замкнут, то авария не обрабатывается и не записывается в основную память, а устройство переходит в режим слежения.
При расчете производится цифровая фильтрация сигналов, поворот Векторов для компенсации фазового сдвига, расчет симметричных составляющих токов и напряжений.
Далее, по фазовым соотношениям векторов токов прямой, обратной и нулевой последовательности определяется вид короткого замыкания и переход на соответствующие расчетные формулы для каждого случая.
В устройстве реализованы три разновидности конфигураций линий:
линии простой конфигурации;
линии с ответвлением;
линии со взаимоиндукцией параллельной линии.
Выбор между линиями с ответвлением и линиями со взаимоиндукцией осуществляется при установке устройства с помощью перемычки, монтируемой на колодке зажимов. Учет ответвления при его наличии реализуется вводом соответствующих уставок Хотв и Lотв. При отсутствии ответвления на простой линии вводится максимально большое реактивное сопротивление ответвления и максимальное расстояние до него, превышающее длину линии.
Определение поврежденных фаз осуществляется путем сопоставления векторов симметричных составляющих токов контролируемой линии в соответствии со следующим алгоритмом:
проверяется наличие несимметрии по выражению
(13)
если условие (13) не выполняется (несимметрия отсутствует), проводится проверка наличия трехфазного КЗ по выражению
(14)
где Iном — номинальное значение тока измерительных трансформаторов тока линий электропередачи.
Таким образом, трехфазное КЗ выявляется при токах, превышающих номинальное значение измерительных трансформаторов тока контролируемой линии. Если условие (14) также не выполняется, то констатируется наличие ложного пуска и устройство возвращается в исходное состояние;
если условие (13) выполняется (несимметрия имеется), проверяется наличие междуфазного короткого замыкания по выражению
(15)
где I0 — модуль входного тока нулевой последовательности контролируемой линии.
При выполнении условия (15) конкретный вид междуфазного КЗ определяется путем проверки угловых соотношений векторов токов прямой и обратной последовательности по выражениям (16), (17), (18) для коротких замыканий между фазами АВ, ВС и СА, соответственно.
(16)
(17)
(18)
где I2А и I1А — вектора токов прямой и обратной последовательностей фазы А; arg — аргумент комплексного числа;
при невыполнении условия (15) констатируется наличие КЗ, связанного с землей.
Выявление поврежденных фаз или их сочетаний производится путем проверки выполнения угловых соотношений векторов токов прямой, обратной и нулевой последовательностей для коротких замыканий фаз А, В, С, АВ, ВС.
Расчет расстояния до места повреждения производится по выражениям (19-23) в зависимости от вида КЗ.
При трехфазных КЗ:
(19)
где Lкз— расстояние до места повреждения, км;
UΑB — абсолютное значение вектора междуфазного напряжения между фазами А и В, В;
Iав — абсолютная величина разности векторов тока фаз А и В, А;
φ — угол между векторами IAВ и UΑΒ;
Х1 — уставка.
При двухфазных КЗ, включая двухфазные на землю
(20)
где Uф1,Uф2 — вектора напряжений первой и второй поврежденных фаз, В;
Iт — мнимая часть комплексного числа;
Iф1, Iф2 — вектора токов первой и второй поврежденных фаз, А;
I2ф3 — вектор тока обратной последовательности неповрежденной (третьей) фазы, А;
Ζ1 — комплексное удельное сопротивление линии прямой последовательности, Ом/км, определяемое по формуле
(21)
где R1, Х1 — в соответствии с данными табл. 4.
При однофазных КЗ
(22)
(22)
где Uф — вектор напряжения поврежденной фазы, В;
Iф — вектор тока поврежденной фазы, А;
I0 — вектор тока нулевой последовательности, А;
К — комплексный коэффициент, определяемый по формуле
(23)
где Z0 — комплексное удельное сопротивление линии нулевой последовательности, Ом/км.
При учете влияния параллельной линии (взаимоиндукции по всей трассе) расчет расстояния до места повреждения при однофазных КЗ выполняется по выражению
(24)
где Km — в соответствии с формулой (11); I0 — вектор тока нулевой последовательности параллельной линии, А.
При учете ответвления расчет расстояния при однофазных КЗ выполняется по выражению
(25)
где α — коэффициент влияния ответвления, вычисляемый по формуле
(26)
где Uф — напряжение поврежденной фазы, В;
Iф — ток поврежденной фазы, А;
φ — угол между векторами тока и напряжения поврежденной фазы;
Х0, Хотв — в соответствии с данными табл. 4.
1.8.2. Структурная схема.
Структурная схема устройства приведена на рис. 10.
Токи и напряжения контролируемой линии поступают на первичные обмотки измерительных трансформаторов блока входного БВ. Кроме трансформаторов, этот блок содержит также аналоговые фильтры для предварительной фильтрации высших гармонических составляющих в каждом канале. Отфильтрованные сигналы поступают на вход мультиплексора МП, туда же подаются сигналы с движков резисторов блока задания уставок БЗУ. С мультиплексора сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, преобразующий аналоговые сигналы в цифровую форму.
Блок индикации БИ позволяет выводить информацию на табло в буквенно-цифровом виде.
Рис. 10. Структурная схема устройства ИМФ-3
Режимы работы устройства задаются с клавиатуры КЛ, содержащей 4 кнопки (“Начало”, “ВК”).
Блок ввода-вывода информации БВВ обеспечивает прием сигналов от контактов выключателя и дискретных уставок, вводимых перемычками, а также выдачу сигналов контактами реле на внешнюю сигнализацию.
Все управление устройством осуществляет микропроцессорный контроллер ПРЦ, построенный на базе микропроцессора К1810ВМ88 и содержащий постоянное ПЗУ и оперативное ОЗУ запоминающие устройства.
Блок питания обеспечивает все блоки устройства необходимыми напряжениями и выполнен по бестрансформаторной схеме. Это позволяет осуществить питание устройства от источника напряжения 220 В как переменного, так и постоянного тока.
Блок питания выдает следующие стабилизированные напряжения: +5; -5; +15; -15; +27, а также переменное 2,5 В для питания накальных цепей индикатора.
1.8.3. Внешний вид и габаритные размеры устройства ИМФ-3 приведены на рис. 11.
Рис. 11. Внешний вид и габаритные размеры устройства ИМФ-3