Енергосистеми · релейний захист і дуговий спалах
Замикання відключено
Замикання на будь-якому щиті змодельованого нами ланцюга живлення ЦОД із резервуванням 2N: який вимикач його відключає і куди сягає межа небезпеки дугового спалаху під час живлення від мережі та від генератора.
Огляд
Ми змоделювали одну сторону еталонного ланцюга живлення ЦОД із резервуванням 2N: ввід 10 kV, трансформатор 2,5 MVA, резервний генератор 2,5 MVA, головний щит LV, розподільний щит (щит B) і груповий щит. На кожному щиті ми задали замикання. Струми короткого замикання розраховано за методом IEC 60909-0:2016. Кожен захисний апарат на шляху струму має типову характеристику зі смугою допуску: з тривалою витримкою, з короткою витримкою та миттєвого спрацювання — для автоматичних вимикачів LV, нормально інверсну — для реле MV. Падаючу енергію оцінено за моделлю IEEE 1584-2018; це не розрахунок для вибору ЗІЗ.
Під час живлення від генератора струм замикання не залишається сталим. Він згасає, як у синхронного генератора: від 23,4 kA до приблизно потрійного номінального струму, який здатне підтримувати його збудження. Тож розчіплювачі бачать спадний струм, і ми проходимо замикання кроками по пів мілісекунди: прогрес спрацювання, струм дуги й падаючу енергію інтегруємо в міру спадання струму. На щиті B струм замикання від генератора вдвічі менший, ніж від мережі, а його струм дуги (не більше 15,7 kA) залишається нижчим за уставку миттєвого спрацювання вимикача фідера, тож вимикач вичікує свою коротку витримку 0,3 s: 320 ms замість 50 ms. Падаюча енергія на робочій відстані зростає з 2,2 до 4,7 cal/cm², а межа відсувається з 0,89 m до 1,44 m.
Результат залежить від того, де стоїть уставка миттєвого спрацювання, і ми прямо про це кажемо. Якщо її підняти або вимкнути, у разі живлення від мережі замикання теж відключається з короткою витримкою, і цей випадок стає гіршим. На головному щиті гіршим у будь-якому разі є живлення від мережі. Режим обслуговування повертає щит B до 50 ms і 0,54 m під час живлення від генератора. Проте поки його ввімкнено, замикання на груповому щиті може спричинити спрацювання вимикача фідера раніше, ніж власний вимикач групового щита відключить замикання: це ціна швидшого спрацювання.
Що ми створили
- Модель струмів короткого замикання ланцюга живлення за методом IEC 60909-0:2016 — у pandapower і в нашому власному коді розрахунку імпедансів. Обидві збігаються з точністю до 1e-13 kA, а pandapower відтворює еталонну мережу IEC TR 60909-4 з точністю до 0,1 A.
- Модель згасання струму генератора (надперехідний і перехідний етапи, далі струм, що підтримується збудженням), порівняна з коефіцієнтом струму відключення μ з IEC 60909-0.
- Наші власні розчіплювачі: типові елементи з тривалою витримкою, з короткою витримкою й миттєвого спрацювання для повітряних автоматичних вимикачів LV і вимикачів LV у литому корпусі, а також реле MV з нормально інверсною характеристикою за IEC. Кожен інтегрує свій прогрес спрацювання за змінного в часі струму з урахуванням швидкої й повільної меж смуги допуску, а пари апаратів перевірено на селективність за металевого замикання і за струму дуги.
- Наша власна реалізація моделі IEEE 1584-2018, проінтегрована за спадним струмом дуги — як для повного, так і для зниженого струму дуги. Ми перевірили її на опублікованих розв’язаних прикладах із додатка D і на 105 120 випадках із калькулятора IEEE, а також звірили з бібліотекою arcflash з відкритим кодом.
- 3D-приміщення з розтягнутим часом та інтерактивна візуалізація: оберіть щит, режим живлення й режим обслуговування, відтворіть замикання й відкрийте його часострумові смуги.
Стек технологій
Python (pandapower, NumPy) для моделей короткого замикання, захисту й падаючої енергії; three.js для приміщення; Canvas 2D для інтерактивної візуалізації.
Цифри
| Показник | Як ми це виміряли |
|---|---|
| 45,7 kA → 23,4 kA | Початковий струм металевого замикання на щиті B під час живлення від мережі та від генератора, за методом IEC 60909-0:2016 (c = 1,10). На момент відключення вимикачем струм генератора спадає до 11,8 kA. |
| 50 ms → 320 ms | Час відключення на щиті B за нашою моделлю розчіплювачів, проінтегрованою за струмом дуги, з повільною межею кожної смуги допуску. |
| 2,2 → 4,7 cal/cm² | Падаюча енергія на відстані 610 mm від щита B за моделлю IEEE 1584-2018, проінтегрована з кроком 0,5 ms. Конфігурація електродів VCB, проміжок 32 mm, оболонка 508 mm. Це оцінка, а не розрахунок для вибору ЗІЗ. |
| 0,89 m → 1,44 m | Межа небезпеки дугового спалаху (1,2 cal/cm²) на щиті B, мережа проти генератора, за тим самим інтегруванням. |
| 0,54 m | Межа на щиті B під час живлення від генератора з увімкненим режимом обслуговування (фідер спрацьовує миттєво понад 3,2 kA, 50 ms). |
| 20 ms проти 25 ms | З увімкненим режимом обслуговування: найшвидше спрацювання вимикача фідера проти найповільнішого відключення вимикача групового щита — для замикання на груповому щиті. Фідер може спрацювати першим, тож селективність втрачається. |
| 19,2 kA | Уставка миттєвого спрацювання фідера (12 × 1600 A, ±10 %). Головний висновок справджується, поки вона лежить між струмом дуги від генератора (не більше 15,7 kA) і від мережі (не менше 22,6 kA). У нашому аналізі чутливості встановлення уставки на 15 × In або її вимкнення змінює результат на протилежний. Те саме дає слабша мережа (100 MVA) або фідер завдовжки 80 m: вони опускають струм дуги від мережі нижче за уставку. |
| 105 120 випадків | Випадки з електронної таблиці калькулятора IEEE 1584-2018 (у тому вигляді, як їх зібрано в репозиторії arcflash з відкритим кодом); наша реалізація відтворює всі з точністю до 0,0003 %. |
| 0,1 A | Найбільше відхилення Ik'' у pandapower від еталонних значень IEC TR 60909-4 (10 шин), з еталонними значеннями з власного тестового файлу pandapower. |
| На 15–23 % нижче μ | Наше згасання струму генератора на 20–250 ms порівняно з коефіцієнтом струму відключення μ з IEC 60909-0 для тієї самої машини. μ — консервативна обвідна; якщо натомість підібрати сталі часу під неї, падаюча енергія для живлення від генератора на щиті B зростає до 5,7 cal/cm². |
| 22 інтегрування приблизно за 3 s | 11 станів замикання під напругою (щит × живлення × режим обслуговування), кожен проінтегровано для повного й зниженого струму дуги з кроком 0,5 ms, плюс перевірки селективності й два розрахунки короткого замикання: 2,2–3,5 s на один повний запуск на ноутбуці Apple M1 Pro, який водночас виконував інші завдання. |
Кадри
Спробуйте наживо
Інтерактивна візуалізація, що працює у вашому браузері. Нічого не завантажується, доки ви її не відкриєте.
