Μοντελοποίηση και συντονισμός διατάξεων προστασίας έναντι υπερτάσεων: εφαρμογή σε συστήματα φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

Within the framework of this doctoral dissertation, the modeling and coordination of surge protective devices are investigated. A generalized and experimentally validated methodology was developed for the electrical characterization and modeling of surge protective devices of different technologies, based on experimental data acquired under applied voltages and currents over a wide range of frequency and energy content. Within this methodology, an equivalent lumped-parameter circuit model is proposed, suitable for electromagnetic transient simulations in ATP-EMTP. The proposed model accounts for the sparkover, resistive, inductive, and capacitive behavior of surge protective devices and is validated through comparison with experimental data. The simulation results show satisfactory agreement with the measurements, demonstrating the suitability of the proposed approach for insulation coordination and surge protection studies. In addition, the coordination of surge protective devices in AC and DC systems is experimentally investigated with respect to the sharing of impulse currents among the protective devices and the protection level provided to the equipment under protection. Particular emphasis is placed on the influence of the amplitude and waveform of the applied impulse current, as well as on the length of the cable connection between the protective devices. Finally, the proposed models are applied to a high-power electric vehicle charging station, aiming to evaluate the protection provided against lightning overvoltages and to formulate guidelines for the selection and dimensioning of surge protective devices.

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνάται η μοντελοποίηση και ο συντονισμός των διατάξεων προστασίας έναντι υπερτάσεων. Αναπτύχθηκε μία γενικευμένη και πειραματικά τεκμηριωμένη μεθοδολογία για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό και τη μοντελοποίηση διατάξεων προστασίας διαφορετικών τεχνολογιών, βασισμένη σε δοκιμές κρουστικών υψηλών τάσεων και ισχυρών εκθετικών κρουστικών ρευμάτων τυποποιημένων και μη κυματομορφών. Στο πλαίσιο της μεθοδολογίας αυτής, προτείνεται ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο με συγκεντρωμένα στοιχεία, κατάλληλο για προσομοιώσεις ηλεκτρομαγνητικών μεταβατικών φαινομένων στο λογισμικό ATP-EMTP. Το προτεινόμενο μοντέλο λαμβάνει υπόψη τη διακοπτική, ωμική, επαγωγική και χωρητική συμπεριφορά των διατάξεων προστασίας έναντι υπερτάσεων και επικυρώνεται μέσω σύγκρισης με πειραματικά δεδομένα. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων παρουσιάζουν ικανοποιητική συμφωνία με τις μετρήσεις, καταδεικνύοντας την καταλληλότητα της προτεινόμενης προσέγγισης για μελέτες συντονισμού μονώσεων και προστασίας έναντι υπερτάσεων. Επιπλέον, διερευνάται πειραματικά ο συντονισμός διατάξεων προστασίας σε συστήματα εναλλασσόμενης και συνεχούς τάσης, ως προς την κατανομή των κρουστικών ρευμάτων μεταξύ των επιμέρους διατάξεων προστασίας και το επίπεδο προστασίας που παρέχεται στον υπό προστασία εξοπλισμό. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην επίδραση του εύρους και της κυματομορφής του επιβαλλόμενου κρουστικού ρεύματος, καθώς και του μήκους της καλωδιακής σύνδεσης μεταξύ των διατάξεων προστασίας. Τέλος, τα προτεινόμενα μοντέλα αξιοποιούνται σε εφαρμογή σταθμού φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων υψηλής ισχύος, με σκοπό την αξιολόγηση της παρεχόμενης προστασίας έναντι κεραυνικών υπερτάσεων και τη διατύπωση κατευθυντήριων γραμμών για την επιλογή και τη διαστασιολόγηση των διατάξεων προστασίας.