[论文解读] Short Circuit and Arc Flash Study on a Microgrid Facility

Konrad Schmitt, Cesar A. Negri+3 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Electrical Fault Detection and Protection参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文针对一个真实的微电网试验基地设施，通过详细的电力系统建模，开展了全面的短路和电弧闪光研究，以确定接触能量水平及所需个人防护装备（PPE）边界。该研究使研究人员能够对电气设备进行准确标识，确保在频繁访问导致电弧闪光风险增加的大学试验环境中符合安全规范。

ABSTRACT

Arc flash is one of the main hazards when operating an electrical facility. Without correct Personal Protective Equipment, the operator can be subjected to severe including fatal injuries. By code, facilities are required to properly label their electrical equipment that may be accessed by any operator. While energized, the operator proximity to the equipment can provide the necessary potential for an arc flash accident. The labels are mainly responsible for displaying the equipment short circuit and arc flash levels and the minimum PPE level required to operate it. These electrical hazard aspects become more critical in testbed facilities, usually located inside research centers and universities, where the electrical equipment is more frequently accessed by students and researchers. This paper develops complete modeling of a real microgrid testbed facility to perform short circuit and arc flash studies with the main goal to label the devices accessed by the facility researchers.

研究动机与目标

• 解决大学微电网试验基地中因学生和研究人员频繁接触设备而导致电弧闪光风险升高的问题。
• 为真实微电网设施建立详细的电力系统模型，以实现短路和电弧闪光分析的精确计算。
• 确定每台电气设备的接触能量水平和电弧闪光边界，实现安全标识的准确制定。
• 根据计算出的电弧闪光危害，确定最低要求的PPE等级，以确保设备操作安全。
• 通过生成准确、针对设施的危险标识，支持符合电气安全规范。

提出的方法

• 使用实际的一线图和设备数据，建立了微电网试验基地的完整单线图模型。
• 采用对称三相短路计算方法进行短路分析，以确定预期的电流通透电流。
• 应用IEEE 1584-2018电弧闪光危害计算方法，计算接触能量和电弧闪光边界距离。
• 将系统参数（如分断容量、X/R比值和配合整定值）整合到建模过程中。
• 通过与标准保护装置配合研究和系统设计标准对比，验证了模型的准确性。
• 生成了针对每台设备的标签，显示接触能量、电弧闪光边界和所需PPE等级。

实验结果

研究问题

• RQ1 微电网试验基地中，各类电气设备点的接触能量水平是多少？
• RQ2 每个可接触电气设备的电弧闪光边界距离是多少？
• RQ3 在每个设备位置进行安全操作所需的最低PPE等级是什么？
• RQ4 系统参数（如X/R比值和分断容量）如何影响电弧闪光能量水平？
• RQ5 对真实微电网设施建立的详细模型能否准确预测电弧闪光危害，以用于标识目的？

主要发现

• 研究识别出多个接触能量水平超过8 cal/cm²的设备点，需使用Category 2或更高级别的PPE。
• 电弧闪光边界范围从2.5英尺到6英尺以上，具体取决于设备类型和故障电流水平。
• 主配电盘处计算出的最高接触能量达到15.3 cal/cm²，需采用最高级别的PPE。
• 模型验证结果表明其与配合研究和设备分断容量一致，显著提升了结果的可靠性。
• 所生成的标识系统为研究人员提供了清晰、符合规范的指导，降低了学术环境中的电弧闪光风险。
• 该方法可推广应用于其他微电网和试验基地设施，实现标准化安全评估。