Mathematical models of electric arc of the generator circuit-breaker

This thesis describes my six months working period at ABB's Headquarters, which is located in Oerlikon, a quarter in the northern part of Zurich in Switzerland. In these headquarters, ABB designs, produces and sells circuit-breakers to protect synchronous machine. The goals of this study are to: DEVELOPE A MATHEMATICAL MODEL OF ELECTRIC ARC THAT CAN BE USED FOR ANY TYPE OF SHORT CIRCUIT CURRENT STUDY; QUANTIFY ARC VOLTAGE INFLUENCE ON THE DC TIME CONSTANT OF THE SHORT CIRCUIT CURRENT; HELP ANALYZE WHETHER ARC CAN BE EXTINGUISHED. First I collected all kinds of information about mathematical model of electric arc, arc voltage, circuit- breaker and electrical switches SF6. Then I have taken, examined, prepared and processed all measured data for arc voltage and short circuit current of the various tests that were made in the laboratories of ABB and KEMA. Finally, I proposed, developed and validated the mathematical models of electric arc of the generator circuit-breakers by means of volt-ampere characteristic and weighting function; moreover, I proposed, developed and validated a new mathematical model of electric arc by means use of block-box of electric arc. The new model is more robust compared to volt-ampere characteristics model (suitable to represent arc-voltage in case of symmetrical currents too) and paves the road to analyse chopping behaviour of generator circuit-breakers (e.g. thermal time constant available – not possible with Uarc-Iarc characteristics model).

Questa tesi descrive il mio periodo di lavoro di sei mesi presso la sede di ABB, che si trova a Oerlikon, un quartiere nella parte nord di Zurigo in Svizzera. In queste sedi, ABB disegna, produce e vende interruttori per proteggere macchina sincrona. Gli obiettivi di questo studio sono: SVILUPPARE UN MODELLO MATEMATICO D'ARCO ELETTRICO CHE POSSONO ESSERE UTILIZZATI PER QUALSIASI TIPO DI CORTO CIRCUITO DI STUDIO; QUANTIFICARE LA INFLUENZA DELLA TENSIONE DI ARCO ELETTRICO SULLA COSTANTE TEMPO DELLA CORRENTE DI CORTOCIRCUITO DC; AIUTARE AD ANALIZZARE SE L’ARCO ELETTRICO PUO’ ESSERE ESTINTO. Prima ho raccolto tutti i tipi di informazioni su modello matematico di arco elettrico, la tensione dell'arco, interruttore e interruttori elettrici SF6. Poi ho preso, esaminato, preparato e trasformato tutti i dati misurati per la tensione dell'arco e la corrente di corto circuito delle diverse prove che sono state fatte nei laboratori di ABB e KEMA. Infine, ho proposto, sviluppato e validato i modelli matematici di arco elettrico del Generator Circuit-Breaker mediante tensione-corrente caratteristica e la funzione di ponderazione; inoltre, ho proposto, sviluppato e validato un nuovo modello matematico di arco elettrico mediante l'uso di scatola nera di arco elettrico. Il nuovo modello è più robusto rispetto alla tensione-ampere caratteristiche del modello (adatto a rappresentare arco di tensione in caso di correnti simmetriche troppo) e spiana la strada per analizzare tagliare comportamento dei Generator Circuit-Breakers (ad esempio costante di tempo termica disponibile - non possibile con Uarc-Iarc caratteristiche del modello).