Modeling and design of a power thyristor-based industrial arc-flash quenching device

Abstract

Desde que as faltas a arco em sistemas elétricos começaram a ser reconhecidas como um importante perigo em ambiente industrial, soluções têm sido propostas para mitigação dos seus efeitos a pessoas e equipamentos. A mais recente é baseada em uma chave eletrônica, composta essencialmente por dois tirisores conectados em antiparalelo entre si e em série com um uma impedância limitadora de corrente. Esse arranjo é imediatamente acionado quando uma falta a arco é detectada no barramento de um painel de distribuição ou centro de controle de motores, suprimindo essa falta em um intervalo de tempo da ordem de microssegundos e praticamente anulando a energia incidente. O projeto e / ou especificação desses elementos não é tarefa simples, sendo dependente de muitas variáveis, como a razão de curto-circuito e o arranjo dos dispositivos de proteção a montante. A principal contribuição desta tese de doutorado é a proposição, desenvolvimento e validação de uma solução que trata com profundidade do ponto acima apresentado, em níveis plenos de tensão e corrente. Destacam-se: (i) um estudo para predição da suportabilidade de tiristores de potência a surtos de elevada corrente de um e de vários ciclos c.a. na frequência fundamental, com diferentes amplitudes entre ciclos consecutivos, sendo esta uma condição diversa dos testes apresentados nas folhas de dados desses dispositivos; e (ii) a análise e proposição de diretrizes para o dimensionamento da impedância limitadora de corrente, de forma que a corrente no supressor e no sistema elétrico a montante seja reduzida, mas ainda assim garantido a eliminação da falta. Tanto (i) quanto (ii) são validados computacional e experimentalmente. Contribuições sobre a modelagem em tempo discreto de faltas a arco internas também são apresentadas.