Measurement of the contact resistance of an air circuit breaker during the electrical endurance test

The role of circuit-breakers in electric power systems is fundamental to assure protection and operability. To ensure a proper operation, the wear on circuit-breakers must be monitored carefully, for this reason is fundamental to develop systems that, basing on a measured estimator, are able to produce a diagnostic of the actual state of circuit-breaker. The present thesis aims to develop a measurement system able to retrieve the contact resistance of an air circuit-breaker during its operative state and analyse the preliminary results obtained. The adopted method is similar to a four-terminal sensing resistance measurement on the circuitbreaker pole, performed during a standard electrical endurance test. This test consists in switching the circuit-breaker at rated voltage and current, in order to define the service life of the breaker. Two main problems were addressed, the first one was related to the voltage transducer, which must be characterized by a specific set of requirements, the second one to the power exchanges between the poles and the mutual couplings with the measurement circuit in the three-phase system, which may determine a relevant error in the resistance measure. The developed solution allows to measure the variation of contact resistance during the electrical endurance, but also to identify the absolute value of resistance and estimate the inductance matrix of the complete system. The adopted voltage transducer is a specific High Voltage Differential Probe. The solution process consists in performing one commutation in single-phase, to measure the absolute resistance of each pole, and then start with the actual three-phase electric endurance test at fixed geometry of conductors for the identification of the relative variation of contact resistance. A set of MATLAB algorithms for the resistance computation has been developed, the results have been compared through a validation program to evaluate the most accurate and optimized method. The validation strategies, developed on the algorithms and measurements process, indicate a good reliability of the results. The associated error on the resistance measurement is acceptable for the considered application. Many tests have been performed concluding that, unlike the arcing energy, the contact resistance proved to be a good indicator of the circuit-breaker’s operating status. The potential applications of this system can be particularly relevant; in specific, the implementation of the system directly on the trip unit of the circuit-breaker allows to produce a diagnostic of the actual state of circuit-breaker and forecast the end of life. This predictive maintenance approach allows to increase the reliability of the circuit-breaker, reducing the out of service time and the minimizing power losses. Developing efficient and reliable air circuit-breakers, especially adopted for renewable distributed generation and charging infrastructures, will represent an important contribution for a sustainable energy transition.

Il ruolo ricoperto dagli interruttori negli impianti elettrici è fondamentale per garantire le funzioni di protezione ed operabilità. Per assicurarne un corretto funzionamento, l'usura degli interruttori deve essere attentamente monitorata. È quindi essenziale sviluppare sistemi che, sulla base di uno stimatore e adeguate misure, siano in grado di diagnosticare lo stato effettivo dell'interruttore. La presente tesi si propone di sviluppare un sistema di misura in grado di caratterizzare la resistenza di contatto di un interruttore aperto durante il suo funzionamento ed analizzare i risultati ottenuti. Il metodo adottato è simile ad una misura di resistenza a quattro terminali sul polo dell'interruttore, eseguita durante una normale prova di vita elettrica. Questa prova consiste nel far operare l'interruttore a tensione e corrente nominale, con lo scopo di definire la vita utile dell'interruttore. Due problemi principali sono stati affrontati, il primo relativo al trasduttore di tensione, il quale deve essere caratterizzato da specifici requisiti, il secondo invece legato agli scambi di potenza tra i poli e ai mutui accoppiamenti con il circuito di misura nel sistema trifase, i quali possono portare ad un errore rilevante sulla misura della resistenza. La soluzione sviluppata permette di misurare la variazione della resistenza di contatto durante la vita elettrica ma anche di identificare il valore assoluto della resistenza e la matrice di induttanza approssimativa del sistema. Elemento cruciale del sistema di misura è una specifica Sonda Differenziale ad Alta Tensione per la trasduzione della tensione di polo. Il metodo messo a punto consiste nell'effettuare una preventiva manovra monofase, in modo da misurare la resistenza assoluta di ciascun polo, per poi iniziare con la vera e propria prova di vita elettrica trifase a geometria fissa dei conduttori per l'individuazione della variazione relativa della resistenza. Una serie di algoritmi MATLAB sono stati sviluppati e i risultati ottenuti sono stati confrontati attraverso un programma di validazione per individuare il metodo più accurato ed ottimizzato. Le strategie di validazione sviluppate indicano una buona attendibilità dei risultati, l'errore associato alla misura di resistenza è accettabile per l'applicazione considerata. Sono stati eseguiti diversi test, concludendo che, a differenza dell'energia d'arco, la resistenza di contatto si è rivelata un buon indicatore dello stato operativo dell'interruttore. Le potenziali applicazioni di questo sistema possono essere particolarmente rilevanti: nello specifico l'implementazione del sistema a bordo dello sganciatore permetterebbe di diagnosticare l'effettivo stato dell'interruttore e prevederne il fine vita. Questo approccio di manutenzione predittiva consentirebbe di aumentare l'affidabilità dell'interruttore, riducendo i tempi di fuori servizio e minimizzando le perdite. Lo sviluppo di interruttori aperti efficienti ed affidabili, specialmente adottati per la generazione rinnovabile distribuita e nelle infrastrutture di ricarica, rappresenterà un importante contributo per una transizione energetica sostenibile.