Series and parallel arc detection in aircrafts

The downing of The Swissair 111 near Nova Scotia in 1998 and Twa 800 of TWA 800 off New York’s Long Island in 1996 are two of the most famous aircraft accidents that are linked to the electrical system fault of the last Century. These events were as an alarm bell for Authorities and Experts, they started to look for something able to avoid these fatal crashes. The causes were linked to the arcing events. Arcing phenomena are difficult to be detected with devices based on bimetallic technology, so electronics must be exploited to find them. They are mainly subdivided in two typologies: series arcs, they are usually non continuous and do not reach values enough to make the thermal circuit breaker trip and parallel arcs, they occur between two points of conductors at different voltages. Only in the 1999 the references for the performances of a device for fault arc protection was developed by the SAE Aerospace, branch of the international organization SAE (Society of Automotive Engineers) made up of scientists, engineers and apprentices involved in the development and deepening of knowledge concerning self-propelled vehicles and systems. These efforts were inserted in the standard AS6019 for the definition of the characteristics for an Arc fault Circuit Breaker (AFCB) for the 28VDC system and the AS5692 for the 115VAC at 400Hz. In this thesis, after a first analysis of the bases of the aircraft electrical system and the actual technologies for the recognition of the arc faults, will be presented a formal analysis of the standard AS6019. Thanks to this investigation will be developed test benches for the simulation of the series and parallel arcs faults. The purpose of this is the updating and the test of algorithms already developed by the Electrical Department of the Polytechnic of Milan for the future exploitation of these in a device for the arc protection in aircrafts.

L’incidente di Swissair 111 vicino alla Nuova Scozia nel 1998 e quello del volo TWA 800 al largo di New York, nel 1996, sono due delle sciagure aeree più famose del secolo scorso, legate a problematiche generate dell'impianto elettrico. Questi eventi sono stati un campanello d'allarme per autorità ed esperti, essi hanno iniziato a cercare qualcosa in grado di evitare questi incidenti fatali. Le cause erano collegate agli eventi di archi. I fenomeni di arco sono difficili da rilevare con dispositivi basati sulla tecnologia bimetallica, quindi è necessario sfruttare l'elettronica per trovarli. Sono principalmente suddivisi in due tipologie: archi in serie, di solito non sono continui e non raggiungono valori sufficienti per far scattare le protezioni termiche e gli archi paralleli che si verificano tra due punti di conduttori a diverse tensioni contraddistinti da elevati valori di corrente tipici dei cortocircuiti. Solo nel 1999 le normative per la regolazione delle prestazioni di un dispositivo per la protezione dal guasto da arco elettrico sono state sviluppate dalla SAE Aerospace, filiale dell'organizzazione internazionale SAE (Society of Automotive Engineers) composta da scienziati, ingegneri e apprendisti coinvolti nello sviluppo e nell'approfondimento di conoscenza di veicoli e sistemi semoventi. Tali sforzi hanno dato alla luce a standard AS6019 per la definizione delle caratteristiche di un interruttore per guasto ad arco (AFCB) per il sistema a 28 VCC e l'AS5692 per il 115 VCA a 400 Hz. In questa tesi, dopo una prima analisi delle basi del sistema elettrico degli aerei e delle attuali tecnologie per il riconoscimento dei guasti ad arco, verrà presentata un'analisi formale dello standard AS6019. Grazie a questa analisi verranno sviluppati banchi prova per la simulazione di guasti in serie e in parallelo. Lo scopo di questo lavoro è l'aggiornamento e il test degli algoritmi già sviluppati dal Dipartimento Elettrico del Politecnico di Milano per il futuro sfruttamento di questi nel design di un dispositivo per la protezione dell'arco negli aerei.