Studio di un interruttore statico per reti in DC in bassa tensione

The aim of this thesis is the analysis of a novel solid-state dc circuit breaker suitable to be used in DC low voltage distribution grids. The breaker uses an IGBT to bring and interrupt current in a network. The control system associated with this transistor reads the current value and blocks the IGBT every time that this value is higher than a specified threshold. There are two RC branches upstream and downstream the IGBT to assure smooth variation of voltage and to avoid breakdown of the transistor due to power or current values. At the beginning of this thesis there is a theory dissertation upon dc fault and associated problems. After that there is the description of two solutions found in literature and the step followed to obtain the novel structure. The criteria used for the design of the dc circuit breaker are reported together with the results of some simulations in a network of 400 Vdc with a load of 100 kW. Some remarks highlight fast operation of the novel breaker and the effect of parasitic parameters considered in the model. The second part concerns about over-current discrimination. Simulation results of a grid with a supply-side switch and two other devices protecting two feeders are discussed. At first it’s supposed that all the IGBTs start to conduct at the same time and the fault is localized on one of the two feeder. A second event assumes that a short circuit occurs upstream the load-side devices and the supply-side breaker has to interrupt the current. The hypothesis of simultaneous closing operation of the switches appears as unreal and so a different approach is proposed: every breaker starts conduction at a different time. At first the fault is localized on one feeder, after that the short circuit appears upstream the two load-side breakers and the supply-side device has to block its own IGBT. Simulation results introduce explanation to the requirement to modify the design to guarantee the power flow in both direction, from converter to load and the opposite one to avoid some problem. The last part of thesis concerns some notes that describe the quality of this novel type dc circuit breaker and suggest further researches.

Nella tesi viene analizzato un nuovo tipo di interruttore statico pensato per applicazioni in reti di distribuzione in bassa tensione e corrente continua. La struttura usa un IGBT per stabilire o interrompere la corrente. La logica di controllo associata con questo elemento legge il valore di corrente ed impone l’intervento ogni volta che si supera la soglia impostata. Sono presenti due rami RC a monte e a valle dell’IGBT per garantire variazioni non impulsive di tensione e ottenere condizioni di lavoro accettabili per il componente elettronico. Inizialmente nella tesi è presente una parte teorica che analizza le principali problematiche inerenti i guasti in corrente continua e due possibili soluzioni reperite in letteratura; vengono successivamente illustrati i passaggi che hanno portato alla struttura finale proposta. Sono citati i criteri di dimensionamento adottati per la struttura scelta e viene simulato il funzionamento dell’interruttore in una rete a 400 V con carico di 100 kW. Si svolgono considerazioni sulla velocità di intervento del sistema proposto e sugli effetti prodotti dai parametri parassiti. Nella seconda parte della tesi ci si occupa di selettività. Viene simulato il comportamento di una rete che ha un interruttore generale e due elementi posti a protezione di altrettanti feeder. Si analizzano differenti casi nei quali si evidenzia il diverso andamento delle grandezze all’interno della rete. In principio si suppone la chiusura contemporanea degli interruttori ed il guasto su uno dei due feeder, poi che esso possa essere posto a monte degli elementi che alimentano il carico. Riconoscendo che la chiusura contemporanea è una situazione lontana dalla realtà si ipotizza un nuovo scenario in cui ogni IGBT entra in conduzione in istanti diversi. Il guasto è inizialmente ipotizzato su uno dei due feeder e poi a monte degli stessi. In questa parte viene illustrata la necessità di modificare l’interruttore per ovviare a problemi associati alla unidirezionalità dell’elemento. Vengono infine presentate le conclusioni nelle quali si riassumono le considerazioni sviluppate e si sottolineano gli aspetti che necessitano di ulteriori approfondimenti.