Real-time simulation of the short circuit interruption process in low voltage circuit breakers

This thesis work has been carried out at the System and Connectivity department of ABB SACE in Bergamo, Italy. The topic of the thesis is the realization of a real-time simulation system able to generate the signals measured by three-phase low voltage circuit breakers during their operation, both in steady state and in transient conditions. Particular attention has been devoted to the theoretical study and to the simulation of the current interruption process. This system will be mainly used to perform Hardware-In-The-Loop trip selectivity tests. However, it allows also to show potential customers the advanced features of modern trip units without the need of connecting them to a real plant. The system simulates the behavior of a three-phase radial circuit comprising three circuit breakers, in which six possible fault points (three-phase short circuit) have been identified. The system is able to simulate the behavior of the circuit in all the 512 possible configurations that it can assume. The possibility of multiple failure has been considered too. The simulation system has been realized using a National Instruments cRIO controller. It features a real-time operating system and an FPGA module which allow to obtain high performance in terms of calculation speed and system determinism. The software has been realized following the programming best practices suggested by National Instruments. The obtained code is therefore easily scalable and reusable for the realization of more complicated simulation systems. The system has been tested in detail using both a high performance oscilloscope and the Data Logger function provided by the trip units themselves.

Questo lavoro di tesi è stato realizzato presso il dipartimento System and Connectivity della divisione SACE di ABB S.p.A. Argomento della tesi è la realizzazione di un sistema di simulazione real-time in grado di generare i segnali misurati da interruttori trifase di bassa tensione durante il loro funzionamento, sia a regime sia in condizioni di transitorio. Una particolare attenzione è stata dedicata allo studio e alla simulazione del processo interruttivo della corrente. Il sistema realizzato consente innanzitutto di eseguire simulazioni Hardware-In-The-Loop per testare la selettività degli interruttori, ma può essere utilizzato anche per mostrare a potenziali clienti le funzionalità avanzate dei moderni relay elettronici senza necessità di connettere gli stessi a un impianto reale. È stato simulato il comportamento di un circuito radiale trifase comprendente tre interruttori automatici, nel quale sono stati individuati sei possibili punti di guasto (cortocircuito trifase). Il sistema realizzato è in grado di simulare il comportamento del circuito in tutte le 512 possibili configurazioni che esso può assumere. Anche la possibilità di guasto multiplo è stata considerata. Per la realizzazione del sistema è stato utilizzato un controllore cRIO della National Instruments. Esso è dotato di un sistema operativo real-time e di un modulo FPGA che permette di ottenere elevate prestazioni in termini di velocità di calcolo e di determinismo del sistema. Il software di simulazione è stato realizzato seguendo le linee guida suggerite da National Instruments. Il codice ottenuto è quindi facilmente scalabile e riutilizzabile per simulare il comportamento di altri circuiti più complicati. Il sistema è stato dettagliatamente testato sia mediante l'ausilio di un oscilloscopio ad alte prestazioni sia mediante la funzione Data Logger presente nei relay stessi.