Rozdzielnice średniego napięcia są projektowane tak, aby łączyć i chronić nowoczesne, stale rozwijające się sieci energetyczne, obsługując sektory usług, przemysłu i infrastruktury poprzez zapewnienie pośredniego ogniwa pomiędzy systemami przesyłowymi wysokiego napięcia a użytkownikami niskiego napięcia. W celu zagwarantowania najwyższego poziomu bezpieczeństwa sieci elektrycznej, każda rozdzielnica średniego napięcia musi spełniać międzynarodowe standardy określone dla krótkotrwałych prób zwarciowych (STC) i testów na wewnętrzne wyładowania łukowe (IAT), prowadzonych przez akredytowane laboratoria.
Wyładowanie łukowe jest jednym z najpoważniejszych uszkodzeń sieci energetycznej, stanowiącym zagrożenie zarówno dla sprzętu, jak i personelu. Wykorzystanie metod numerycznych do modelowania wewnętrznych zwarć łukowych umożliwia prognozowanie najsłabszych punktów badanej struktury podczas całego czasu trwania zjawiska, przy użyciu jawnej metody całkowania równań ruchu w czasie. W tym celu zjawisko badania odporności struktury na łuk elektryczny analizowane jest zasadniczo w dwóch domenach: przepływie cieczy i mechanice konstrukcji. Analizy przepływowe (CFD) mogą być przeprowadzone w sposób uproszczony lub z dokładnym odwzorowaniem geometrii dla wiernego odzwierciedlenia przebiegu zwarcia. Dla uzyskania szczegółowej oceny zjawiska wymagane są także symulacje strukturalne, pozwalające ocenić mechaniczną wytrzymałość konstrukcji.
Komercyjne pakiety oprogramowania do symulacji mechaniki konstrukcji mogę być również wykorzystane do ewaluacji całego zjawiska zwarcia łukowego. Wyniki obliczeń ciśnieniowych przekazywane są do solvera mechanicznego (MES – metoda elementów skończonych) w celu oceny dynamicznej reakcji systemu przy użyciu w pełni nieliniowej metody typu explicit.
W artykule opisano numeryczną metodę obliczeń wewnętrznych wyładowań łukowych w domenie czasu. Proponowane podejście zakłada wykorzystanie wartości ciśnień wygenerowanych przez modele CFD lub modele zorientowane obiektowo, sprzęgniętych
z solverem strukturalnym explicit przy użyciu komercyjnego oprogramowania, na potrzeby zbadania dynamicznego zachowania systemu. Prezentowany przykład skupia się na przepływie informacji w sprzęgnięciu jednokierunkowym. Do analiz sprzężonych można również wykorzystać ko-symulację przy wsparciu FMI (Functional Mock-up Interface). Podejście ko-symulacji jest jednak kosztowne obliczeniowo i jedynie wspomianie w niniejszym rozważaniu.
Wprowadzenie
Zjawisko wewnętrznego zwarcia łukowego w obrębie rozdzielnicy średniego napięcia wiąże się z nagłym, wysokoenergetycznym wyładowaniem elektrycznym. Łukoochronna konstrukcja rozdzielnicy zazwyczaj obejmuje specjalne klapy, żaluzje, panele przeciwwybuchowe i kanały wydmuchowe, umożliwiające kontrolowany upływ gazów emitowanych podczas zwarcia. Zapobieganie inicjacji łuku jest podstawowym środkiem zminimalizowania niebezpieczeństwa w rozdzielnicach o metalowej obudowie. Norma IEEE C37.20.2-2022 [1] określa wymagania dotyczące izolacji i zabezpieczeń dla konstrukcji łukoodpornych (rozdzielnic w obudowie metalowej).
Typowe badania łukoochronności realizowane są przez certyfikowane laboratoria, zgodnie z międzynarodowym standardem IEEE C37.20.7 [2]. Alternatywnym sposobem może być zastosowanie metody numerycznej, pozwalającej na udoskonalenie konstrukcji i prognozowanie jej zachowania bez konieczności przeprowadzania kolejnych badań niszczących. Broszura techniczna CIGRE 602 [3] proponuje szczegółową metodologię modelowania wewnętrznych zwarć łukowych i formułuje podstawę do obliczeń numerycznych.
Typowy obwód pomiarowy zbudowany jest w konfiguracji gwiazdy, z obudową podłączoną do punktu neutralnego bez zamierzonej impedancji. Taka konfiguracja reprezentuje najbardziej rozpowszechniony układ w sieciach średniego napięcia (SN) nieuziemionych lub z uziemieniem poprzez impedancję.
cały artykuł jest dostępny w wydaniu 5/6 (224/225) maj/czerwiec 2026
