Elektrizačné sústavy · ochrany a oblúkový záblesk
Porucha vypnutá
Porucha v ľubovoľnom rozvádzači modelovanej napájacej vetvy 2N dátového centra: ktorý istič ju vypne a kam siaha hranica oblúkového záblesku pri napájaní zo siete a z generátora.
Prehľad
Namodelovali sme jednu stranu referenčnej napájacej vetvy 2N dátového centra: prípojku 10 kV, transformátor 2,5 MVA, záložný generátor 2,5 MVA, hlavný rozvádzač NN, distribučný rozvádzač (rozvádzač B) a podružný rozvádzač. Do každého rozvádzača sme umiestnili poruchu. Skratové prúdy sa počítajú metódou IEC 60909-0:2016. Každý ochranný prístroj na ceste poruchového prúdu má všeobecnú charakteristiku s tolerančným pásmom: dlhodobú, krátkodobú a okamžitú zložku pre ističe NN, normálne inverznú charakteristiku pre ochranné relé VN. Dopadajúca energia je odhadnutá podľa modelu IEEE 1584-2018; nejde o štúdiu OOPP.
Pri napájaní z generátora poruchový prúd nezostáva konštantný. Doznieva spôsobom typickým pre alternátor, z 23,4 kA smerom k približne trojnásobku menovitého prúdu, ktorý dokáže udržať jeho budenie. Spúšte ističov preto vidia klesajúci prúd a poruchu prechádzame po pol milisekunde: postup spúšte k vypnutiu, prúd oblúka a dopadajúca energia sa integrujú tak, ako prúd klesá. V rozvádzači B je poruchový prúd generátora polovičný oproti sieti a jeho prúd oblúka (najviac 15,7 kA) zostáva pod okamžitou spúšťou ističa vývodu, takže istič vyčká svoje krátkodobé oneskorenie 0,3 s: 320 ms namiesto 50 ms. Dopadajúca energia v pracovnej vzdialenosti stúpne z 2,2 na 4,7 cal/cm² a hranica sa posunie z 0,89 m na 1,44 m.
Výsledok závisí od nastavenia okamžitej spúšte a hovoríme to otvorene. Ak je nastavená vyššie alebo vypnutá, aj prípad napájania zo siete sa vypína krátkodobou zložkou a stáva sa horším z oboch. V hlavnom rozvádzači je horším prípadom napájanie zo siete tak či tak. Údržbové nastavenie vráti rozvádzač B pri napájaní z generátora na 50 ms a 0,54 m. Kým je však zapnuté, porucha v podružnom rozvádzači môže vypnúť istič vývodu skôr, než ju vypne vlastný istič podružného rozvádzača: to je cena rýchlejšieho vypnutia.
Čo sme vytvorili
- Skratový model napájacej vetvy podľa metódy IEC 60909-0:2016 v pandapower aj v našom vlastnom impedančnom kóde. Oba sa zhodujú s odchýlkou do 1e-13 kA a pandapower reprodukuje referenčnú sieť z IEC TR 60909-4 s presnosťou 0,1 A.
- Model doznievania skratového prúdu alternátora (subtranzientná a tranzientná zložka, potom prúd udržiavaný podporou budenia), porovnaný so súčiniteľom μ vypínacieho prúdu podľa IEC 60909-0.
- Vlastné modely spúští: všeobecné dlhodobé, krátkodobé a okamžité členy pre vzduchové a kompaktné ističe NN a ochranné relé VN s normálne inverznou charakteristikou podľa IEC. Každá spúšť integruje svoj postup k vypnutiu pri časovo premennom prúde, s rýchlou a pomalou hranicou tolerancie, a dvojice sa kontrolujú na selektivitu pri prúde kovového skratu aj pri prúde oblúka.
- Vlastná implementácia modelu IEEE 1584-2018, integrovaná cez doznievajúci prúd oblúka pre plný aj znížený prúd oblúka. Overili sme ju na zverejnených riešených príkladoch z prílohy D a na 105 120 prípadoch z kalkulačky IEEE a porovnali s open-source knižnicou arcflash.
- 3D miestnosť so spomaleným časom a interaktívne zobrazenie: vyberte rozvádzač, spôsob napájania a údržbové nastavenie, prehrajte poruchu znova a otvorte jej časovo-prúdové pásma.
Technológie
Python (pandapower, NumPy) pre modely skratov, ochrán a dopadajúcej energie; three.js pre miestnosť; Canvas 2D pre interaktívne zobrazenie.
Čísla
| Číslo | Ako sme ho zmerali |
|---|---|
| 45,7 kA → 23,4 kA | Počiatočný rázový skratový prúd pri kovovom skrate v rozvádzači B pri napájaní zo siete a z generátora, podľa metódy IEC 60909-0:2016 (c = 1,10). Prúd generátora do vypnutia ističa klesne na 11,8 kA. |
| 50 ms → 320 ms | Čas vypnutia v rozvádzači B z nášho modelu spúšte integrovaného cez prúd oblúka, s pomalou hranicou každého tolerančného pásma. |
| 2,2 → 4,7 cal/cm² | Dopadajúca energia vo vzdialenosti 610 mm od rozvádzača B podľa modelu IEEE 1584-2018, integrovaná v krokoch po 0,5 ms. Konfigurácia elektród VCB, medzera 32 mm, skriňa 508 mm. Ide o odhad, nie o štúdiu OOPP. |
| 0,89 m → 1,44 m | Hranica oblúkového záblesku (1,2 cal/cm²) pri rozvádzači B, sieť vs. generátor, z tej istej integrácie. |
| 0,54 m | Hranica pri rozvádzači B pri napájaní z generátora so zapnutým údržbovým nastavením (istič vývodu vypína okamžite nad 3,2 kA, 50 ms). |
| 20 ms vs. 25 ms | So zapnutým údržbovým nastavením: najrýchlejšie vypnutie ističa vývodu vs. najpomalšie vypnutie ističa podružného rozvádzača pri poruche v podružnom rozvádzači. Istič vývodu môže vypnúť skôr, takže selektivita sa stráca. |
| 19,2 kA | Nastavenie okamžitej spúšte ističa vývodu (12 × 1 600 A, ±10 %). Hlavný výsledok platí, kým leží medzi prúdom oblúka pri napájaní z generátora (najviac 15,7 kA) a pri napájaní zo siete (najmenej 22,6 kA). V našej citlivostnej analýze jej nastavenie na 15 × In alebo vypnutie výsledok obráti. To isté urobí slabšia sieť (100 MVA) alebo 80 m dlhý vývod, ktoré stiahnu prúd oblúka pri napájaní zo siete pod nastavenú hodnotu. |
| 105 120 prípadov | Prípady z tabuľkovej kalkulačky IEEE 1584-2018 (v podobe, v akej sú zozbierané v open-source repozitári arcflash), ktoré naša implementácia všetky reprodukuje s odchýlkou do 0,0003 %. |
| 0,1 A | Najväčšia odchýlka Ik'' z pandapower od referenčných hodnôt IEC TR 60909-4 (10 uzlov), podľa referenčných hodnôt vo vlastnom testovacom súbore pandapower. |
| O 15–23 % pod μ | Naše doznievanie prúdu alternátora v čase 20–250 ms v porovnaní so súčiniteľom μ vypínacieho prúdu podľa IEC 60909-0 pre ten istý stroj. Súčiniteľ μ je konzervatívna obálka; ak časové konštanty prispôsobíme namiesto toho jemu, prípad s generátorom v rozvádzači B stúpne na 5,7 cal/cm². |
| 22 integrácií za približne 3 s | Celkom 11 poruchových stavov pod napätím (rozvádzač × napájanie × údržbové nastavenie), každý integrovaný pre plný aj znížený prúd oblúka v krokoch po 0,5 ms, plus kontroly selektivity a dva skratové výpočty: 2,2–3,5 s na jeden úplný beh na notebooku Apple M1 Pro, ktorý zároveň spúšťal iné úlohy. |
Zábery
Vyskúšajte naživo
Interaktívne zobrazenie, ktoré beží vo vašom prehliadači. Kým ho neotvoríte, nič sa nenačíta.
