Kraftsystemer · vern og lysbue
Feil, koblet ut
En feil på en hvilken som helst tavle i en 2N-strømforsyning for datasenter som vi har modellert: hvilken bryter som kobler den ut, og hvor langt lysbuegrensen når ved nettdrift og ved generatordrift.
Oversikt
Vi modellerte den ene siden av en referanseoppbygging av 2N-strømforsyningen i et datasenter: et 10 kV-inntak, en 2,5 MVA-transformator, en 2,5 MVA-reservegenerator, LV-hovedtavlen, en fordelingstavle (tavle B) og en undertavle. Vi la en feil på hver tavle. Kortslutningsstrømmene følger metoden i IEC 60909-0:2016. Hvert vern i feilstrømsveien bruker en generisk karakteristikk med sitt toleransebånd: langtids-, korttids- og momentanutløsning for LV-bryterne, normalinvers karakteristikk for MV-reléene. Den innfallende energien er estimert etter modellen i IEEE 1584-2018; det er ikke en studie av personlig verneutstyr (PVU).
Ved generatordrift holder ikke feilstrømmen seg konstant. Den avtar slik den gjør for en synkrongenerator, fra 23,4 kA mot omtrent tre ganger merkestrømmen, som magnetiseringen kan holde. Utløserenhetene ser derfor en fallende strøm, og vi går gjennom feilen et halvt millisekund om gangen: utløsningsforløp, lysbuestrøm og innfallende energi integreres alle mens strømmen faller. På tavle B er generatorens feilstrøm halvparten av nettets, og lysbuestrømmen (høyst 15,7 kA) holder seg under momentanutløsningen til avgangsbryteren, så bryteren venter ut korttidsforsinkelsen på 0,3 s: 320 ms i stedet for 50 ms. Den innfallende energien ved arbeidsavstanden øker fra 2,2 til 4,7 cal/cm², og lysbuegrensen flyttes ut fra 0,89 m til 1,44 m.
Resultatet avhenger av hvor momentaninnstillingen ligger, og det sier vi rett ut. Er den satt høyere, eller slått av, kobles feilen også ved nettdrift ut på korttidsutløsning, og nettdrift blir det verste tilfellet. På hovedtavlen er nettdrift uansett det verste tilfellet. En vedlikeholdsinnstilling bringer tavle B tilbake til 50 ms og 0,54 m ved generatordrift. Mens den er på, kan imidlertid en feil på undertavlen løse ut avgangsbryteren før undertavlens egen bryter har koblet ut feilen: det er prisen for den raskere utløsningen.
Hva vi bygde
- En kortslutningsmodell av strømforsyningen etter metoden i IEC 60909-0:2016, i pandapower og i vår egen impedanskode. De to stemmer overens innenfor 1e-13 kA, og pandapower gjengir referansenettet i IEC TR 60909-4 innenfor 0,1 A.
- En avklingningsmodell for generatoren (subtransient, transient, deretter strøm holdt av magnetiseringsstøtte), sammenlignet med brytestrømfaktoren μ i IEC 60909-0.
- Egne utløserenheter: generiske langtids-, korttids- og momentanelementer for LV luft- og kompaktbrytere, og MV-reléer med normalinvers IEC-karakteristikk. Hver av dem integrerer utløsningsforløpet over en tidsvarierende strøm, med rask og langsom kant av toleransebåndet, og parene kontrolleres for selektivitet ved metallisk kortslutningsstrøm og ved lysbuestrøm.
- Vår egen implementasjon av modellen i IEEE 1584-2018, integrert over den avtakende lysbuestrømmen for både full og redusert lysbuestrøm. Vi kontrollerte den mot de publiserte regneeksemplene i Annex D og 105 120 tilfeller fra IEEE-kalkulatoren, og krysskontrollerte den mot open source-biblioteket arcflash.
- Et 3D-rom vist i sakte film og en interaktiv visning: velg en tavle, en forsyningsmåte og vedlikeholdsinnstillingen, spill av feilen på nytt, og åpne tid–strøm-båndene.
Teknologistakk
Python (pandapower, NumPy) for modellene for kortslutning, vern og innfallende energi; three.js for rommet; Canvas 2D for den interaktive visningen.
Tall
| Tall | Slik målte vi det |
|---|---|
| 45,7 kA → 23,4 kA | Den innledende metalliske kortslutningsstrømmen på tavle B, ved nettdrift og ved generatordrift, etter metoden i IEC 60909-0:2016 (c = 1,10). Generatorstrømmen har falt til 11,8 kA når bryteren kobler ut. |
| 50 ms → 320 ms | Utkoblingstid på tavle B, fra vår modell av utløserenhetene integrert over lysbuestrømmen, med den langsomme kanten av hvert toleransebånd. |
| 2,2 → 4,7 cal/cm² | Innfallende energi 610 mm fra tavle B, etter modellen i IEEE 1584-2018, integrert i steg på 0,5 ms. Elektrodekonfigurasjon VCB, 32 mm elektrodeavstand, kapsling på 508 mm. Et estimat, ikke en PVU-studie. |
| 0,89 m → 1,44 m | Lysbuegrense (1,2 cal/cm²) på tavle B, nettdrift mot generatordrift, fra den samme integrasjonen. |
| 0,54 m | Lysbuegrensen på tavle B ved generatordrift med vedlikeholdsinnstillingen på (avgangen løser ut momentant over 3,2 kA, 50 ms). |
| 20 ms mot 25 ms | Med vedlikeholdsinnstillingen på: avgangsbryterens raskeste utløsning mot undertavlebryterens langsomste utkobling, for en feil på undertavlen. Avgangen kan løse ut først, så selektiviteten går tapt. |
| 19,2 kA | Avgangens momentaninnstilling (12 × 1 600 A, ±10 %). Hovedresultatet gjelder så lenge den ligger mellom generatorens lysbuestrøm (høyst 15,7 kA) og nettets (minst 22,6 kA). I følsomhetssveipet vårt snur resultatet hvis den settes til 15 × In eller slås av. Det samme gjør et svakere nett (100 MVA) eller en avgang på 80 m, som trekker nettets lysbuestrøm under innstillingen. |
| 105 120 tilfeller | Tilfeller fra regnearket til IEEE 1584-2018-kalkulatoren (slik de er samlet i open source-repositoriet arcflash), alle gjengitt av implementasjonen vår innenfor 0,0003 %. |
| 0,1 A | Største avvik i pandapowers Ik'' fra referanseverdiene i IEC TR 60909-4 (10 samleskinner), med referanseverdiene fra pandapowers egen testfil. |
| 15–23 % under μ | Vår generatoravklingning ved 20–250 ms, sammenlignet med brytestrømfaktoren μ i IEC 60909-0 for samme maskin. μ er en konservativ omhyllingskurve; med tidskonstanter tilpasset den i stedet stiger generatortilfellet på tavle B til 5,7 cal/cm². |
| 22 integrasjoner på omtrent 3 s | 11 spenningssatte feiltilstander (tavle × forsyning × vedlikeholdsinnstilling), hver integrert for full og redusert lysbuestrøm i steg på 0,5 ms, pluss selektivitetskontroller og de to kortslutningsberegningene: 2,2–3,5 s per fullstendig kjøring på en bærbar Apple M1 Pro som også kjørte andre jobber. |
Stillbilder
Prøv det live
En interaktiv visning som kjører i nettleseren din. Ingenting lastes før du åpner den.
