Redesigning the overcurrent relays with the combination of the intrinsic coil in High-speed DC circuit breaker.

DC circuit breakers are increasingly gaining popularity in various industries due to the growth of DC applications such as transportation and renewable energy infrastructure, as a result of this progress, fault detection and protection of DC power systems have become one of the main areas of focus for researchers. Over time, there has been significant development and improvement in high-speed DC circuit breakers. Nowadays, they have become one of the most essential components required for DC systems to detect and clear faults as quickly as possible in order to prevent damage to the other parts of the system. The main objective of this master’s thesis is to enhance the performance and reliability of the High-speed DC circuit breaker manufactured by Microelettrica Scientifica, specifically the IR3000, by redesigning the overcurrent relay with the combination of the intrinsic coil. The methodology of fault detection and arc extinction are discussed in detail. Furthermore, this thesis aims to define the operation of the overcurrent relay through analytical, simulation, and FEM analysis. The results obtained from these methods will be compared with experimental test results to determine the accuracy and effectiveness of the proposed design. Subsequently, the thesis aims to identify the importance of the material and geometries and their effect on its overall performance. Based on this analysis the thesis proposes geometrical optimization for specific parts of the overcurrent relay to improve its operation and reliability. The proposed redesign of the overcurrent relay with intrinsic coil has resulted in enhancing by 1 percent the reliability compared to the actual model. This improvement in reliability has led to improving the performance of the circuit breaker and has helped prevent unwanted operation of the circuit breaker due to environmental conditions. Accordingly, the proposed geometrical optimization for the IR3000 series of circuit breakers manufactured by Microelettrica Scientifica has boosted the border of application range by 4 percent to become applicable for various applications, thus it can accommodate customer’s demands.

I circuiti di interruzione CC stanno guadagnando sempre più popolarità in vari settori grazie alla crescita delle applicazioni CC come i trasporti e le infrastrutture per le energie rinnovabili. Di conseguenza, la rilevazione delle anomalie e la protezione del sistema di alimentazione CC sono diventati uno dei principali settori di interesse per i ricercatori. Nel corso del tempo, si è assistito a significativi sviluppi e miglioramenti nei circuiti di interruzione CC ad alta velocità. Oggi, sono diventati uno dei componenti più essenziali richiesti dai sistemi CC per rilevare ed eliminare le anomalie il più rapidamente possibile al fine di prevenire danni ad altre parti del sistema. L'obiettivo principale di questa tesi di laurea è migliorare le prestazioni e l'affidabilità del circuito di interruzione CC ad alta velocità prodotto da Microelettrica Scientifica, in particolare il modello IR3000, ridisegnando il relè di sovracorrente con la combinazione di una bobina intrinseca. La metodologia di rilevamento delle anomalie e di spegnimento dell'arco è discussa dettagliatamente. Inoltre, questa tesi mira a definire il funzionamento del relè di sovracorrente attraverso analisi analitiche, di MATLAB Simulink e di FEM. I risultati ottenuti da questi metodi saranno confrontati con i risultati del test sperimentale per determinare l'accuratezza ed efficacia della progettazione proposta. Successivamente, la tesi mira a identificare l'importanza dei materiali e delle geometrie e il loro effetto sulle prestazioni complessive. Sulla base di questa analisi, la tesi propone l'ottimizzazione geometrica per parti specifiche del relè di sovracorrente al fine di migliorarne il funzionamento e l'affidabilità. Il ridisegno proposto del relè di sovracorrente con bobina intrinseca ha portato a un miglioramento dell'affidabilità del 1 percento rispetto al modello attuale. Questo miglioramento dell'affidabilità ha portato a migliorare le prestazioni del circuito di interruzione e ha contribuito a prevenire il funzionamento indesiderato del circuito di interruzione a causa delle condizioni ambientali. Di conseguenza, con l'ottimizzazione geometrica proposta, la serie di circuiti di interruzione IR3000 prodotta da Microelettrica Scientifica ha aumentato la capacità del circuito di interruzione del 4 percento, consentendo di soddisfare le esigenze dei clienti per varie applicazioni.