Programmable electronic fuse for medium voltage applications

The fuses were the first safety devices invented, they are based on a simple and well-known working principle, but they have become obsolete for the present day. The purpose of this thesis is to improve them to satisfy the new market requirements. The substitution of a medium or high voltage fuse is an expensive and dangerous operation, practicable only by qualified personnel. The adoption of a software solution running on a microcontroller permits to solve those problems and opens the doors to the introduction of new features like the remote control, the automatization, the addiction of other transducers, and the real time knowledge of the grid status. The study starts analyzing the hardware component needed to realize the electronic fuse, like the current transducer and the computational system. Subsequently the mathematical treatments of the 1st and 2nd thermal model order of the fuse are presented. Such models are verified and compared with the characteristic of a real fuse, obtaining excellent results. Different tests are performed considering the effects that phenomena like the quantization and the adopted mathematics have on the final result. Following, the realized prototype, the test bench and the laboratory results are presented. As it will be shown, the goal of realize a program that has the same behavior of a real fuse has been achieved. To complete the study, it has been presented the adopted solutions to compensate the effect caused by the electromagnetic noise.

I fusibili sono stati i primi dispositivi di protezione inventatati, sono basati su un principio di intervento molto semplice e noto, ma sono diventati obsoleti per i giorni d’oggi. Lo scopo di questa tesi è migliorarli per soddisfare le nuove esigenze del mercato. La sostituzione di un fusibile di media o alta tensione è un’operazione costosa e pericolosa, effettuabile solo da personale qualificato. L’adozione di una soluzione software eseguita su microcontrollore permette di risolvere tali problemi e apre le porte all’introduzione di nuove funzionalità, come il controllo remoto, l’automazione, l’aggiunta di altri trasduttori, e la conoscenza in tempo reale dello stato della rete. Lo studio parte analizzando i componenti hardware necessari a realizzare il fusibile elettronico, quali il trasduttore di corrente e l’unità di calcolo. Successivamente sono presentate le trattazioni matematiche dei modelli termici del fusibile del 1° e 2° ordine. Tali modelli sono verificati e confrontati con delle caratteristiche di fusibili reali, ottenendo ottimi risultati. Diversi test sono effettuati considerando gli effetti che fenomeni come la quantizzazione e la matematica adottata hanno sul risultato finale. In seguito, sono presentati il prototipo realizzato, il banco di collaudo e i risultati ottenuti dalle prove di laboratorio. Come verrà mostrato, l’obiettivo di realizzare un programma che ha lo stesso comportamento di un fusibile reale è stato raggiunto. A completare lo studio, sono presentate le soluzioni adottate per compensare gli effetti causati dal rumore elettromagnetico.