Systemy elektroenergetyczne · zabezpieczenia i łuk elektryczny
Zwarcie wyłączone
Zwarcie w dowolnej rozdzielnicy zamodelowanego przez nas toru zasilania 2N centrum danych: który wyłącznik je wyłącza i jak daleko sięga granica zagrożenia łukiem elektrycznym przy zasilaniu z sieci i z generatora.
Przegląd
Zamodelowaliśmy jedną stronę referencyjnego toru zasilania 2N centrum danych: przyłącze 10 kV, transformator 2,5 MVA, generator rezerwowy 2,5 MVA, główną rozdzielnicę LV, rozdzielnicę dystrybucyjną (rozdzielnica B) i podrozdzielnicę. Zwarcie umieściliśmy kolejno w każdej z rozdzielnic. Prądy zwarciowe obliczono metodą IEC 60909-0:2016. Każde zabezpieczenie na tej drodze ma typową charakterystykę z pasmem tolerancji: człony długozwłoczny, krótkozwłoczny i bezzwłoczny dla wyłączników LV oraz charakterystykę normalnie zależną (standard inverse) dla przekaźników MV. Energię padającą szacujemy według modelu IEEE 1584-2018; nie jest to analiza doboru środków ochrony indywidualnej (PPE).
Przy zasilaniu z generatora prąd zwarciowy nie jest stały. Zanika tak jak w prądnicy synchronicznej: od 23,4 kA w kierunku mniej więcej trzykrotności prądu znamionowego, którą jest w stanie podtrzymać jej wzbudzenie. Wyzwalacze widzą więc malejący prąd, a my przechodzimy przez zwarcie krokami co pół milisekundy: postęp zadziałania, prąd łuku i energię padającą całkujemy w miarę spadku prądu. W rozdzielnicy B prąd zwarciowy generatora jest o połowę mniejszy niż przy zasilaniu z sieci, a jego prąd łuku (najwyżej 15,7 kA) pozostaje poniżej progu wyzwalania bezzwłocznego wyłącznika odpływowego, więc wyłącznik odczekuje swoje opóźnienie krótkozwłoczne 0,3 s: 320 ms zamiast 50 ms. Energia padająca w odległości roboczej rośnie z 2,2 do 4,7 cal/cm², a granica przesuwa się z 0,89 m na 1,44 m.
Wynik zależy od tego, gdzie leży nastawa członu bezzwłocznego, i piszemy o tym wprost. Przy wyższej nastawie albo wyłączonym członie bezzwłocznym także zwarcie przy zasilaniu z sieci jest wyłączane krótkozwłocznie i ten przypadek staje się gorszy. W głównej rozdzielnicy gorszym przypadkiem i tak jest zasilanie z sieci. Nastawa serwisowa skraca w rozdzielnicy B czas do 50 ms, a granicę do 0,54 m przy zasilaniu z generatora. Gdy jest włączona, zwarcie w podrozdzielnicy może jednak spowodować zadziałanie wyłącznika odpływowego, zanim własny wyłącznik podrozdzielnicy wyłączy zwarcie: to cena szybszego wyzwalania.
Co zbudowaliśmy
- Model zwarciowy toru zasilania według metody IEC 60909-0:2016, w pandapower i w naszym własnym kodzie impedancyjnym. Oba są zgodne z dokładnością do 1e-13 kA, a pandapower odtwarza sieć referencyjną IEC TR 60909-4 z dokładnością do 0,1 A.
- Model zanikania prądu prądnicy (stan podprzejściowy, przejściowy, a następnie prąd podtrzymywany przez wzbudzenie), porównany ze współczynnikiem μ prądu wyłączeniowego z IEC 60909-0.
- Własne wyzwalacze: typowe człony długozwłoczne, krótkozwłoczne i bezzwłoczne dla wyłączników powietrznych i kompaktowych LV oraz przekaźniki MV o charakterystyce normalnie zależnej według IEC. Każdy z nich całkuje postęp zadziałania przy prądzie zmiennym w czasie, z szybką i wolną granicą pasma tolerancji, a pary zabezpieczeń sprawdzamy pod kątem selektywności przy prądzie zwarcia metalicznego i przy prądzie łuku.
- Własna implementacja modelu IEEE 1584-2018, całkowana po zanikającym prądzie łuku zarówno dla pełnego, jak i dla zredukowanego prądu łuku. Sprawdziliśmy ją na opublikowanych przykładach obliczeniowych z załącznika D i na 105 120 przypadkach z kalkulatora IEEE, a także porównaliśmy z otwartoźródłową biblioteką arcflash.
- Pomieszczenie 3D w zwolnionym czasie oraz widok interaktywny: można wybrać rozdzielnicę, sposób zasilania i nastawę serwisową, odtworzyć zwarcie i otworzyć jego pasma czasowo-prądowe.
Technologie
Python (pandapower, NumPy) do modeli zwarciowych, zabezpieczeń i energii padającej; three.js do pomieszczenia; Canvas 2D do widoku interaktywnego.
W liczbach
| Wartość | Jak to zmierzyliśmy |
|---|---|
| 45,7 kA → 23,4 kA | Początkowy prąd zwarcia metalicznego w rozdzielnicy B przy zasilaniu z sieci i z generatora, według metody IEC 60909-0:2016 (c = 1,10). Do chwili wyłączenia zwarcia przez wyłącznik prąd generatora spada do 11,8 kA. |
| 50 ms → 320 ms | Czas wyłączenia zwarcia w rozdzielnicy B według naszego modelu wyzwalaczy całkowanego po prądzie łuku, przy wolnej granicy każdego pasma tolerancji. |
| 2,2 → 4,7 cal/cm² | Energia padająca w odległości 610 mm od rozdzielnicy B według modelu IEEE 1584-2018, całkowana w krokach co 0,5 ms. Konfiguracja elektrod VCB, odstęp elektrod 32 mm, obudowa 508 mm. To oszacowanie, a nie analiza doboru środków ochrony indywidualnej (PPE). |
| 0,89 m → 1,44 m | Granica zagrożenia łukiem (1,2 cal/cm²) w rozdzielnicy B, zasilanie z sieci wobec zasilania z generatora, z tego samego całkowania. |
| 0,54 m | Granica w rozdzielnicy B przy zasilaniu z generatora i włączonej nastawie serwisowej (wyłącznik odpływowy wyzwala bezzwłocznie powyżej 3,2 kA, 50 ms). |
| 20 ms wobec 25 ms | Przy włączonej nastawie serwisowej: najszybsze wyzwolenie wyłącznika odpływowego wobec najwolniejszego wyłączenia przez wyłącznik podrozdzielnicy, dla zwarcia w podrozdzielnicy. Wyłącznik odpływowy może zadziałać pierwszy, więc selektywność zostaje utracona. |
| 19,2 kA | Nastawa członu bezzwłocznego wyłącznika odpływowego (12 × 1 600 A, ±10%). Główny wynik jest aktualny, dopóki nastawa leży między prądem łuku przy zasilaniu z generatora (najwyżej 15,7 kA) a prądem łuku przy zasilaniu z sieci (co najmniej 22,6 kA). W naszej analizie wrażliwości ustawienie jej na 15 × In albo wyłączenie odwraca wynik. Podobnie działa słabsza sieć (100 MVA) lub odpływ o długości 80 m, które obniżają prąd łuku przy zasilaniu z sieci poniżej nastawy. |
| 105 120 przypadków | Przypadki z arkusza kalkulatora IEEE 1584-2018 (w postaci zebranej w otwartoźródłowym repozytorium arcflash), wszystkie odtworzone przez naszą implementację z dokładnością do 0,0003%. |
| 0,1 A | Największe odchylenie Ik'' z pandapower od wartości referencyjnych IEC TR 60909-4 (10 węzłów), na podstawie wartości referencyjnych z pliku testowego samego pandapower. |
| 15–23% poniżej μ | Nasz model zanikania prądu prądnicy dla 20–250 ms w porównaniu ze współczynnikiem μ prądu wyłączeniowego z IEC 60909-0 dla tej samej maszyny. Współczynnik μ to zachowawcza obwiednia; przy stałych czasowych dopasowanych do niego przypadek zasilania z generatora w rozdzielnicy B rośnie do 5,7 cal/cm². |
| 22 całkowania w ok. 3 s | Obejmuje 11 stanów zwarcia pod napięciem (rozdzielnica × zasilanie × nastawa serwisowa), każdy całkowany dla pełnego i zredukowanego prądu łuku w krokach co 0,5 ms, plus sprawdzenia selektywności i dwa przebiegi obliczeń zwarciowych: 2,2–3,5 s na pełny przebieg na laptopie z Apple M1 Pro współdzielonym z innymi zadaniami. |
Kadry
Wypróbuj na żywo
Interaktywny widok działający w przeglądarce. Nic się nie wczytuje, dopóki nie zostanie otwarty.
