Redundant directional zone selectivity in marine electrical applications

A very important requirement in electrical installations for marine applications is selectivity of fault protection system. In case of fault, a selective protection system is designed to isolate the minimum possible section of the installation, while the rest remains connected. This maximizes continuity of service to systems, which can be critical for the ship safety (e.g. propulsion and navigation). We describe the design of a selective protection system for marine applications based on low voltage circuit breakers with high performance digital protection units. The system is based on logic-based selectivity: each protection device can delay opening of circuit breakers by different amounts of time, based on fault detection signals it receives from other devices. This allows several circuit breakers to work in a coordinated way, ensuring total selectivity with minimum delay. With the purpose of increasing availability of the communication channel used to exchange such signals, a redundant infrastructure based on two separate media is used: point-to-point cabling, plus a dedicated Ethernet link, which is also used for diagnostics. This concept was tested in a Hardware-In-the-Loop arrangement specifically designed and built for this purpose. Real protection devices are used and connected to a programmable simulator to generate measurement signals reproducing different fault conditions. This setup allows complete and convenient testing in a realistic situation of the actual devices and their interactions. The selectivity scheme that has been envisioned, based on the above three features, can meet the performance and reliability requirements needed to be used by shipbuilders in their designs.

Un requisito molto importante degli impianti elettrici per applicazioni navali è la selettività: un sistema di protezione selettivo è progettato in modo che, in caso di guasto, la porzione d'impianto che viene isolata dall'alimentazione sia la minima possibile, mentre il resto dell'impianto rimane connesso. In questo modo, si garantisce la massima continuità di servizio ai sistemi elettrici di bordo, tra i quali quelli di importanza critica per la sicurezza dell'imbarcazione (ad es. la propulsione e la navigazione). In questa tesi, descriveremo il progetto di un sistema di protezione selettivo per applicazioni navali, basato su interruttori di bassa tensione con unità elettronica digitale di protezione ad elevate prestazioni. Il sistema si basa sulla selettività logica: ciascuna unità di protezione può ritardare l'apertura del rispettivo interruttore sulla base di segnali di rilevamento di guasto ricevuti da altri dispositivi di protezione. Ciò permette a molti interruttori di operare insieme in modo coordinato, assicurando la selettività totale con ritardi all'apertura minimi. Per assicurare la disponibilità del sistema di comunicazione utilizzato per lo scambio di tali segnali, il sistema comprende un'infrastruttura di comunicazione ridondante, basata su due mezzi di comunicazione distinti: un cablaggio dedicato punto-punto, e un collegamento Ethernet. Quest'ultimo viene utilizzato anche per la diagnostica. Il sistema è stato sottoposto a test con un banco di prova basato su Hardware-In-theLoop, progettato allo scopo. La prova utilizza dispositivi di protezione reali, collegati a un simulatore numerico programmabile, che genera i segnali di misura che riproducono le diverse situazioni di guasto. Questa modalità permette di eseguire facilmente test completi dei dispositivi e delle loro interazioni in situazioni realistiche. Lo schema di selettività qui descritto risponde ai requisiti imposti dai cantieri navali per essere utilizzati nei progetti delle imbarcazioni.