Встроенный программный модуль для расчета вспышки дуги

Расчет энергии дугового короткого замыкания по IEEE 1584-2018

Новый стандарт, новый метод, новый график обучения

IEEE 1584-2018

Новая модель вспышки дуги IEEE 1584-2018 заменяет собой модель IEEE 1584-2002. Разработка этой новой редакции стандарта велась на протяжении пятнадцати лет и явилась результатом тысяч часов научно-исследовательских разработок и проверок. Основные изменения в IEEE 1584 представлены в следующих разделах. ЕТАР активно участвовала в разработке и проверке этой модели, чтобы гарантировать ее правильное использование в энергетическом программном обеспечении.


Разработка модели

Новая модель была разработана на основании более 1800 испытаний, проведенных для различных конфигураций электродов, что гораздо больше 300 испытаний, используемых в 2002 году. 

Сводная информация по выполненным испытаниям:

Конфигурация электрода

Выполненные испытания

Диапазон напряжения

Диапазон тока

Диапазон зазоров

VCB

485

0.208 ~ 14.8 kV

0.5 ~ 80 kA

6 ~ 250 mm

VCBB

400

0.215 ~ 14.8 kV

0.5 ~ 65 kA

6 ~ 154 mm

HCB

460

0.215 ~ 14.8 kV

0.5 ~ 63 kA

10 ~ 254 mm

VOA

251

0.240 ~ 14.8 kV

0.5 ~ 65 kA

10 ~ 154 mm

HOA

259

0.240 ~ 14.8 kV

0.5 ~ 66 kA

10 ~ 154 mm



Конфигурация электрода

Наиболее важным этапом в реализации расчетов, основанных на новой модели IEEE 1584-2018, является выбор одной из пяти конфигураций электродов, реализованных в исследуемом оборудовании, а также понимание того факта, что элемент оборудования может содержать одну и более конфигураций электродов. 

Таблица 9 IEEE 1584-2018 является хорошей отправной точкой, содержащей рекомендации по определению потенциальной(ых) конфигурации(й) электродов, представленных в оборудовании.

Arc-Flash-Full-VCB

VCB

Arc-Flash-Full-VCBB

VCBB

Arc-Flash-Full-HCB

HCB

Arc-Flash-Full-VOA

VOA

Arc-Flash-Full-HOA

HOA


Диапазон применения модели

Диапазоны изменения напряжения и тока короткого замыкания аналогичны диапазонам из предыдущей модели.   Заметным улучшением является диапазон зазоров для оборудования СН, который увеличен почти в два раза. 

Диапазоны напряжений, токов короткого замыкания, зазоров и рабочих расстояний модели:

Диапазон напряжения 

(3-P kV LL)

Ibf(kA)

Зазор (mm)

WD (inch)

Продолжительность вспышки (циклы)

0.208 ≤ V ≤ 0.600

0.5 to 106

6.35 to 76.2

> 12

No Limit*

0.600 < V ≤ 15.0

0.2 to 65

19.05 to 254

> 12

No Limit


Рекомендуемый диапазон размеров корпуса:

Размер корпуса

Значение

Высота

14 to 49 (in)*

Ширина 

(4 x Gap) to 49 (in)*

Площадь проемов

2401 (in2)



Параметры, используемые при испытаниях 

Параметр

Значение

Частота

50 ~ 60 Hz

Фазность

3-Phase

Конфигурации

VCB, VCBB, HCB, VOA, HOA


*Могут моделироваться большие размеры отверстий, но поправочный коэффициент рассчитан для 49 (дюймов). 

Раздел 4.11 IEEE 1584-2018 все еще рекомендует использование модели для однофазных систем и предполагает получение заниженных результатов.

Сводная информация по фактическим размерам тестовых корпусов, которые использовались для определения диапазонов модели:

Класс оборудования

Высота (mm)

Ширина
(mm)

Глубина
(mm)

15 kV Распределительное устройство

5 kV Распределительное устройство

1143*

762*

462*

15 kV MCC

5 kV Распределительное устройство

914.4

914.4

914.4

5 kV MCC

660.4

660.4

660.4

Низковольтное распределительное устройство

508

508

508

Поверхностные низковольтные распредустройства и электрощитки

Кабельная соединительная коробка

355.6*

304.8*

≤ 203.2*

Глубокие низковольтные распредустройства и электрощитки

Кабельная соединительная коробка

355.6*

304.8*

> 203.2*

*На основании размеров корпусов IEEE 1584-2002 

Уровни напряжения

Используемый в IEEE 1584 диапазон напряжений остался неизменным от 208 В до 15 кВ.

Диапазон низкого напряжения теперь составляет от 208 В до 600 В. 

В предыдущей версии IEEE 1584 (2002) ссылка на метод Ральфа Лии (Ralph Lee) позволяла использовать его в этих условиях, хоть и было доказано, что он дает полностью отличные от реальности результаты. Физическое поведение дуги и режимы короткого замыкания также полностью отличаются для подвесного оборудования, работающего на открытом воздухе. В следующей таблице сжато представлено применение различных моделей в зависимости от уровней напряжения в диапазоне от 0,208 до 15 кВ и выше.

Метод 208 V to 600 V 601 V to 15 kV 15.1 kV to 38 kV > 38 kV
Phases1 3ɸa 3ɸb 1ɸa 1ɸb 3ɸa 3ɸb 1ɸa 1ɸb 3ɸa 3ɸb 1ɸa 3ɸa 3ɸb 1ɸa
IEEE 1584-2002 G G Y Y G G Y Y Y Y
IEEE 1584-2018 G G Y Y G G Y Y
*ArcFault™ G Y Y Y G Y G

Зеленый (G) – непосредственно применимо / Желтый (Y) – возможно с учетом проектных допущений

Не закрашено – неприменимо.

Обратите внимание, что метод Ральфа Лии (Ralph Lee) не должен вообще использоваться при напряжениях свыше 15 кВ, однако, поскольку он ранее применялся ЕТАР в качестве альтернативы методу IEEE 1584-2002, ЕТАР допускала такой вариант расчета, но с выдачей предупреждения.   


Модель тока дуги (0.208 kV to 0.6 kV)

Возможно, наиболее существенным улучшением модели IEEE 1584-2018, является ее способность моделирования пяти различных конфигураций электродов, а также их влияния на ток дуги.  К основным улучшениям можно отнести уточненное физическое поведение предполагаемой дуги, ее повышенная чувствительность к изменению зазора, устранение противоречий (например, когда Ia > Ibf) и т.д. Более подробная информация по улучшениям модели тока дуги приведена в Приложении G.5.5 IEEE 1584-2018. На следующем графике показан сравнительный анализ прогнозов тока дуги новой модули и модели IEEE 1584-2002.

Arc Current Model 0.208kV

Arc Current Model 0.6kV

Модель тока дуги (0.6 kV to 15 kV)

Аналогично методу 2002 года метод IEEE 1584-2018 имеет две различных модели для расчета тока дуги. Часть модели, отвечающая за средний уровень напряжений, описана в разделах 4.4 и 4.9 IEEE 1584-2018. Модель использует интерполяционный подход для применения эффекта влияния напряжения на ток дуги. Влияние напряжения на прогнозируемый ток дуги становится менее критичным по мере роста напряжения.

Новая модель строится вокруг расчетов тока дуги при трех различных напряжениях: 600, 2700 и 14300 В перем. тока. На следующем графике показаны изменения параметра расчета значений тока короткого замыкания для модели тока дуги при среднем напряжении.


Поправочный коэффициент изменения тока дуги 

Ток дуги является наиболее важным фактором при определении времени срабатывания устройств максимальной токовой защиты. Поэтому в новой модели  IEEE 1584-2018 применяется улучшенная модель расчета тока дуги. В качестве тока дуги, прогнозируемого такой моделью, принимается средний ток дуги на протяжении всего времени ее существования.  В реальности ток дуги может меняться в зависимости от постоянной и переменной составляющих тока короткого замыкания.  Амплитуда тока дуги также может меняться в процессе возникновения, горения и затухания дуги.  Модель среднего тока, реализованная в стандарте 2002 года, не учитывает ток дуги, измеренный в процессе ее возникновения и затухания. Она содержит только средние значения трехфазных токов дуги. 

Физическая концепция изменения тока дуги не поменялась, но была улучшена.  На основании анализа, сделанного на этапе разработки новой модели вспышки дуги, было выявлено, что изменения тока дуги более существенны при напряжениях ниже 480 В и гораздо меньше при напряжениях 600 и 2700 В.

Величина изменения тока дуги более не фиксируется на 15%, а непрерывно рассчитывается с учетом формул, представленных в разделе 4.5 IEEE 1584-2018. 

Отклонения тока дуги были рассчитаны на основании средних значений измеренных отклонений для каждого уровня напряжения. На графике ниже показано среднее отклонение тока дуги в процентах для каждой из пяти конфигураций электродов.  

Arc Current Variation Correction Factor

Предел устойчивости дуги при низком напряжении 

Причина пересмотра ограничений заключалась в том, что при использовании в ходе испытаний дополнительных конфигураций электродов, таких как VCBB, было выявлено, что дуга может поддерживать горение при гораздо более низких токах короткого замыкания, чем ранее было указано в стандарте 2002 года. 

Предыдущие версии IEEE 1584 рекомендовали ограничить устойчивое горение дуги напряжение 240 В перем. тока с мощностью около 125 кВА (или 10 кA при импедансном трансформаторе  3,5%). Это оставляет существенное количество оборудования за пределами расчетов энергии короткого замыкания. Однако снижение ограничения до 240 В перем. тока при токе короткого замыкания 2,0 кА позволяет анализировать большее количество систем.  Как показано на графике ниже, слишком консервативный коэффициент приведения энергии короткого замыкания был удален из низковольтной модели IEEE 1584-2018: 

Low Voltage Arc Sustainability Limit and Incident Energy Comparison

Как видно на графике, результаты расчета энергии короткого замыкания для новой модели IEEE 1584-2018 являются более точными и менее консервативными.


Модель расчета энергии короткого замыкания  – (0.208 kV to 0.6 kV)

Модель расчета энергии короткого замыкания подробно описана в разделах 4.3, 4.6, 4.9 и 4.10  IEEE 1584-2018. Общая модель расчета энергии короткого замыкания отличается от модели 2002 года, поскольку она учитывает дополнительные три конфигурации электродов. Помимо этого, для замкнутых конфигураций VCB, VCBB и HCB применяется поправочный коэффициент для замкнутых кожухов. 

Модель расчета энергии короткого замыкания соответствует тем же принципам, что и модель для расчета тока короткого замыкания. При определении энергии короткого замыкания применяется процесс интерполяции.  Интерполяция осуществляется при получении промежуточных значений энергии короткого замыкания для напряжений 600, 2700 и 14300 В перем. тока.  

Incident Energy Model 0.208kV

Incident Energy Model 0.6kV

Модель расчета энергии короткого замыкания – (0.6 kV to 15 kV)

На графике ниже показан сравнительный анализ энергий короткого замыкания, рассчитанных по моделям IEEE 1584-2018 и 2002. Результаты показывают, что энергия короткого замыкания может быть существенно выше, если конфигурация оборудования может быть представлена моделью HCB.  На графике ниже энергия короткого замыкания для конфигурации VCB, рассчитанная по модели 2002 года, составляет 20 кал/см2, тогда как по модели 2018 года, ее значение прогнозируется равным 45 кал/см2, если использовать конфигурацию электродов HCB. 


Модель границы вспышки дуги (0.208 to 0.6 kV)

Используемые методы испытаний позволяют новой модели прогнозировать более близкие границы вспышки дуги. Методы проведения испытаний и обработки данных, используемые для разработки новой модели определения границ вспышки дуги, выявили отличия, которые становятся очевидными при сравнении результатов, полученных при помощи обоих методов (2002 и 2018). 

Arc-Flash Boundary Model 0.208kV

Arc-Flash Boundary Model 0.6kV

Модель границы вспышки дуги (0.6 to 15 kV)

Как и для низковольтной модели, имеется существенное сокращение прогнозируемых границ вспышки дуги. Слишком консервативный результат IEEE 1584-2002 неизменно дает самое большое значение границ вспышки дуги при одинаковых значениях энергии короткого замыкания.

На следующем графике показана зависимость границ вспышки дуги от ее длительности и приведено сравнение границ вспышки дуги, полученных по моделям 2018 и 2002 года.  Это сравнение было сделано для напряжения в системе 2700 В перем. тока.  

Влияние заземления на энергию короткого замыкания

Результаты, полученные исследовательской группой, работающей над созданием новой модели IEEE 1584-2018, позволяют больше не учитывать влияние заземления.


Дополнительные ресурсы
IEEE 1584 2018 Arc Flash

Модуль ETAP для расчета вспышки дуги по IEEE 1584-2018

Модуль ETAP для расчета вспышки дуги используется при анализе дуговых коротких замыканий в системах от 0,208 до 15 кВ согласно IEEE 1584-2018 “Рекомендации IEEE по выполнению оценки степени опасности при дуговом коротком замыкании” (IEEE Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations). Модуль определяет энергию короткого замыкания и границы вспышки дуги, которые необходимы для маркировки оборудования по NEC. Также он обеспечивает оценку опасности поражения электрическим током для защиты персонала и подбора СИЗ в соответствии с NFPA 70E 2018.