Energiesysteme · Schutztechnik und Störlichtbogen
Fehler, geklärt
Ein Fehler an einer beliebigen Verteilung eines von uns modellierten 2N-Versorgungsstrangs für ein Rechenzentrum: welcher Leistungsschalter ihn klärt und wie weit der Störlichtbogen-Grenzabstand im Netzbetrieb und im Generatorbetrieb reicht.
Überblick
Wir haben eine Seite eines 2N-Referenz-Versorgungsstrangs für ein Rechenzentrum modelliert: eine 10-kV-Einspeisung, einen 2,5-MVA-Transformator, einen 2,5-MVA-Netzersatzgenerator, die LV-Hauptverteilung, eine Unterverteilung (Verteilung B) und eine Subverteilung. An jeder Verteilung haben wir einen Fehler gesetzt. Die Kurzschlussströme folgen dem Verfahren der IEC 60909-0:2016. Jedes Schutzgerät auf dem Pfad arbeitet mit einer generischen Kennlinie samt Toleranzband: Überlast-, kurzverzögerte und unverzögerte Auslösung für die LV-Leistungsschalter, normal inverse Kennlinie für die MV-Relais. Die Einwirkenergie wird nach dem Modell der IEEE 1584-2018 geschätzt; es ist keine PSA-Studie.
Im Generatorbetrieb bleibt der Fehlerstrom nicht konstant. Er klingt ab, so wie es der Strom eines Synchrongenerators tut, von 23,4 kA in Richtung des etwa dreifachen Bemessungsstroms, den seine Erregung halten kann. Die Auslöser sehen also einen fallenden Strom, und wir gehen den Fehler in Schritten von einer halben Millisekunde durch: Auslösefortschritt, Lichtbogenstrom und Einwirkenergie werden alle integriert, während der Strom fällt. An Verteilung B ist der Fehlerstrom des Generators halb so groß wie der des Netzes, und sein Lichtbogenstrom (höchstens 15,7 kA) bleibt unter der unverzögerten Auslösung des Abgangsleistungsschalters; der Schalter wartet daher seine Kurzverzögerung von 0,3 s ab: 320 ms statt 50 ms. Die Einwirkenergie im Arbeitsabstand steigt von 2,2 auf 4,7 cal/cm², und der Grenzabstand wächst von 0,89 m auf 1,44 m.
Das Ergebnis hängt davon ab, wo der Einstellwert der unverzögerten Auslösung liegt, und das sagen wir dazu. Ist er höher eingestellt oder abgeschaltet, wird auch der Netzfall über die Kurzverzögerung geklärt und ist dann der ungünstigere. An der Hauptverteilung ist der Netzbetrieb ohnehin der ungünstigere Fall. Eine Wartungseinstellung bringt Verteilung B im Generatorbetrieb auf 50 ms und 0,54 m zurück. Solange sie aktiv ist, kann ein Fehler an der Subverteilung allerdings den Abgang auslösen, bevor der eigene Leistungsschalter der Subverteilung klärt: Das ist der Preis der schnelleren Auslösung.
Was wir entwickelt haben
- Ein Kurzschlussmodell des Versorgungsstrangs nach dem Verfahren der IEC 60909-0:2016, in pandapower und in unserem eigenen Impedanzcode. Beide stimmen auf 1e-13 kA überein, und pandapower reproduziert das Referenznetz aus IEC TR 60909-4 auf 0,1 A genau.
- Ein Abklingmodell des Generators (subtransient, transient, danach von der Erregung gestützter Strom), verglichen mit dem Faktor μ für den Ausschaltwechselstrom nach IEC 60909-0.
- Eigene Auslöser: generische Überlast-, kurzverzögerte und unverzögerte Auslöseglieder für offene LV-Leistungsschalter und LV-Kompaktleistungsschalter sowie MV-Relais mit normal inverser IEC-Kennlinie. Jeder integriert seinen Fortschritt über einen zeitlich veränderlichen Strom, mit schneller und langsamer Toleranzgrenze, und Paare werden bei sattem Kurzschluss und bei Lichtbogenstrom auf Selektivität geprüft.
- Eine eigene Implementierung des Modells der IEEE 1584-2018, integriert über den abklingenden Lichtbogenstrom, sowohl für den vollen als auch für den reduzierten Lichtbogenstrom. Wir haben sie an den veröffentlichten Rechenbeispielen aus Annex D und an 105.120 Fällen aus dem IEEE-Rechner geprüft und mit der Open-Source-Bibliothek arcflash gegengeprüft.
- Ein zeitlich gedehnter 3D-Raum und eine interaktive Ansicht: Wählen Sie eine Verteilung, eine Versorgungsart und die Wartungseinstellung, spielen Sie den Fehler erneut ab und öffnen Sie seine Zeit-Strom-Bänder.
Tech-Stack
Python (pandapower, NumPy) für die Kurzschluss-, Schutz- und Einwirkenergiemodelle; three.js für den Raum; Canvas 2D für die interaktive Ansicht.
Zahlen
| Kennzahl | Wie wir sie ermittelt haben |
|---|---|
| 45,7 kA → 23,4 kA | Anfangs-Kurzschlusswechselstrom bei sattem Kurzschluss an Verteilung B, im Netz- und im Generatorbetrieb, nach dem Verfahren der IEC 60909-0:2016 (c = 1,10). Bis der Leistungsschalter klärt, fällt der Generatorstrom auf 11,8 kA. |
| 50 ms → 320 ms | Fehlerklärungszeit an Verteilung B, aus unserem über den Lichtbogenstrom integrierten Auslösermodell, mit der langsamen Grenze jedes Toleranzbands. |
| 2,2 → 4,7 cal/cm² | Einwirkenergie in 610 mm Abstand von Verteilung B, nach dem Modell der IEEE 1584-2018, in Schritten von 0,5 ms integriert. Elektrodenkonfiguration VCB, 32 mm Elektrodenabstand, Gehäuse 508 mm. Eine Schätzung, keine PSA-Studie. |
| 0,89 m → 1,44 m | Störlichtbogen-Grenzabstand (1,2 cal/cm²) an Verteilung B, Netz- gegenüber Generatorbetrieb, aus derselben Integration. |
| 0,54 m | Grenzabstand an Verteilung B im Generatorbetrieb mit aktiver Wartungseinstellung (der Abgang löst oberhalb von 3,2 kA unverzögert aus, 50 ms). |
| 20 ms vs. 25 ms | Bei aktiver Wartungseinstellung die schnellste Auslösung des Abgangsleistungsschalters gegenüber der langsamsten Fehlerklärung des Leistungsschalters der Subverteilung, bei einem Fehler an der Subverteilung. Der Abgang kann zuerst auslösen, die Selektivität geht also verloren. |
| 19,2 kA | Der Einstellwert der unverzögerten Auslösung des Abgangs (12 × 1.600 A, ±10 %). Die Kernaussage gilt, solange er zwischen dem Lichtbogenstrom des Generators (höchstens 15,7 kA) und dem des Netzes (mindestens 22,6 kA) liegt. In unserer Sensitivitätsstudie kehrt eine Einstellung auf 15 × In oder das Abschalten das Ergebnis um. Ebenso ein schwächeres Netz (100 MVA) oder ein 80 m langer Abgang, die den Lichtbogenstrom des Netzes unter den Einstellwert drücken. |
| 105.120 Fälle | Fälle aus der Rechentabelle zur IEEE 1584-2018 (wie im Open-Source-Repository arcflash gesammelt), die unsere Implementierung alle auf 0,0003 % genau reproduziert. |
| 0,1 A | Größte Abweichung von Ik'' in pandapower von den Referenzwerten aus IEC TR 60909-4 (10 Knoten), anhand der Referenzwerte in der eigenen Testdatei von pandapower. |
| 15–23 % unter μ | Unser Generatorabklingen bei 20–250 ms, verglichen mit dem Faktor μ für den Ausschaltwechselstrom nach IEC 60909-0 für dieselbe Maschine. μ ist eine konservative Hüllkurve; mit stattdessen daran angepassten Zeitkonstanten steigt der Generatorfall an Verteilung B auf 5,7 cal/cm². |
| 22 Integrationen in etwa 3 s | 11 Fehlerzustände unter Spannung (Verteilung × Versorgung × Wartungseinstellung), jeweils für den vollen und den reduzierten Lichtbogenstrom in Schritten von 0,5 ms integriert, dazu Selektivitätsprüfungen und die zwei Kurzschlussläufe: 2,2–3,5 s pro vollständigem Lauf auf einem Laptop mit Apple M1 Pro, der parallel andere Aufgaben bearbeitete. |
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