Les arcs électriques ont été à l'origine de plusieurs cas d'accidents aériens graves par incendie ou par destruction d'organes électriques fondamentaux (ex : actionneurs, panneau supérieur,...) (TWA 800 en 1996 et Vol 11 Swiss Air en 1998). Les prévenir et les détecter constituent une amélioration notable de la sécurité en aéronautique. Ainsi, bien que le problème soit connu depuis longtemps, les premiers systèmes de détection d'arcs pour l'avionique sont très récents. Dans un avion, ces défauts ont pour causes principales le vieillissement et la détérioration des câbles. Afin d'étudier et de proposer un système de détection d'arc, les trois phases d'étude suivantes ont été suivies chronologiquement dans ce travail de thèse : premièrement, la réalisation d'un banc de production et de caractérisation des grands types d'arcs électriques (AC et DC). Ce système permet de produire des arcs contrôlés en intensité et en durée selon les modes série, parallèle, DC et AC. L'amorçage des arcs est obtenu par surtension. Cette surtension est produite par commutation inductive. Deuxièmement, la recherche de modèles électriques fiables expliquant les phénomènes d'arcs. Nous proposons donc un meta modèle associant les caractéristiques de différents modèles comportementaux et impédencemétriques.Cette association permet d'améliorer significativement les performances globales de la modélisation dans les circuits. Troisièmement, l'étude et la proposition d'algorithmes de détection en vue de l'implantation sur circuit électronique suffisamment réduit pour être implanté dans un disjoncteur. La détection de la signature d'arc se rapproche d'un problème de détection d'informations fortement bruitées pour lequel peu de solutions ont été jusqu'à présent proposées car cette recherche est relativement nouvelle.Nous proposons et testons différentes méthodes de détection. / The arcs have been the source of several aircraft accidents by fire or serious destruction of the electrical fundamentals (eg actuators, top panel ,...) (TWA 800 in 1996 and Swiss Air Flight 11 1998). Prevent and detect constitute a significant improvement in aviation safety. Thus, although the problem has been known for a while, detection systems for avionics are very recent. In an aircraft, these defects are caused by the aging and the deterioration of the cables. To study and propose a system for arc detection, the following three phases were followed chronologically in this thesis: first, the developement of a test bench to characterize the main types of arcs (AC and DC). This system can produce arcs controlled intensity and duration depending on the mode serial, parallel, DC and AC. The initiation of arcs is obtained by overvoltage. This surge is produced by inductive switching. Second, the search for reliable electric models explaining the phenomena of arcs. We therefore propose a meta model combining the characteristics of different behavioral models and impedancemetry.This combination significantly improves the overall performance of the modeling in the circuits. Thirdly, the study of detection algorithms for implementation on an electronic circuit, small enough to be implanted in a circuit breaker.We propose and test different methods of detection.

A mismatch in a photovoltaic array implies differences in the I-V characteristics of the modules forming the array which can lead to significant energy losses known as mismatch losses. The sources of mismatch losses could be easy- or difficult-to-predict sources. This thesis proposes novel designs for photovoltaic arrays to reduce mismatch losses. The mismatch from easy-to-predict sources and its resulting losses can be reduced by altering the interconnection of the array. Therefore, this thesis proposes an optimal total-cross-tied interconnection, based on a thorough mathematical formulation, which can significantly reduce mismatch losses from easy-to-predict sources. Application examples of the operation of the optimal total-cross-tied interconnection under partial shading are presented. The effect of partial shading caused by easy- or difficult-to-predict sources can be considerably reduced by photovoltaic array reconfiguration. This thesis proposes a novel mathematical formulation for the optimal reconfiguration of photovoltaic arrays to minimize partial shading losses. The thesis formulates the reconfiguration problem as a mixed integer quadratic programming problem and finds the optimal solution using branch-and-bound algorithm. The proposed formulation can be used for equal or non-equal number of modules per row. Moreover, it can be used for fully reconfigurable or partially-reconfigurable arrays. Application examples of the operation of the reconfigurable photovoltaic array under partial shading are presented. Finally, the recently updated American National Electric Code requires the presence of a series arc fault detector in any Photovoltaic installation operating at a voltage greater than or equal to 80V. However, the Photovoltaic market nowadays lacks the presence of an accurate series arc fault detector that can detect series arc faults and discriminate between them and partial shading. The work in this thesis proposes an algorithm that can detect series arc faults and discriminate between them and partial shading in total-cross-tied arrays. This algorithm is based on the measurement of instantaneous row voltages.

The following technical report describes the development and testing of an arc fault circuit interrupter (AFCI) for DC circuits operating primarily at 48 volts. We have identified an effective method for determining when arcing is occurring. Our method is primarily based on comparing the frequency spectrum of current flowing through the circuit during an arcing event to a known characteristic spectrum. Once an arc has been identified, our interrupter is capable of responding adequately to eliminate the arc. Hardware tests show the AFCI developed in this thesis responded, in all test cases, within 2 seconds of an arc fault occurrence. Commercialization and adoption of our interrupter will increase the safety of DC circuits operating at 80 volts or less.

A real-time algorithm is developed for the detection of series dc arc faults in a grid-tie solar photovoltaic (PV) installation. The sensed dc bus current, which is sampled using an analog-to-digital converter with Galvanic isolation, is filtered using a wavelet-based, two-level filter bank. The filter bank, referred to as the post-processing filter, improves the robustness of the algorithm to any false tripping by rejecting power converter harmonics that are added to the dc bus current. To determine if a fault has occurred, the algorithm calculates the variance of the filter bank output and sees if the calculated variance exceeds an upper threshold value. If the upper threshold is exceeded, and the dc bus voltage falls below a predefined lower limit for a set number of instances, the algorithm trips. The algorithm can detect a series arc fault in under two seconds and does not rely on machine learning techniques to process the sensed signal. The detection algorithm is implemented on a commercial microcontroller using C code, and the filter bank convolutions are implemented using 32-bit floating point variables. / Master of Science / A device is developed for the detection of series dc arc faults in solar photovoltaic installations. Dc arc faults that result from loose connections or worn cable insulation can go unnoticed by most conventional fault detectors. Once it has ignited, the series arc can generate considerable amounts of heat and poses a significant fire risk. By contributing to the development of a dc arc fault detection system, the intention is that dc renewable energy distribution systems, most notably solar photovoltaic installations, can gain even more widespread adoption. This would make a significant impact towards decarbonizing the energy sector and tackling the threat to society posed by climate change.

Diplomová práce je zaměřena na problematiku analýzy signálů za účelem detekce poruchového oblouku, přičemž analýza signálů je prováděna v časové, frekvenční a smíšené časově-frekvenční oblasti. Práce stručně shrnuje existující normy pro zařízení pro detekci poruchového oblouku. Práce dokumentuje testy a měření, které byly realizovány v souladu s normami IEC 62606:2013 a UL 1699B. Z důvodu nedostatečnosti stávajících norem je v práci popsána nová metoda iniciace poruchového oblouku. naměřená data byla analyzována s využitím rychlé Fourierovy transformace, krátkodobé Fourierovy transformace a vlnkové transformace. Na základě provedeného literárního průzkumu a s využitím výsledků provedených analýz signálu je v práci proveden návrh nové detekční metody pro účely detekce poruchového oblouku v systémech napájených střídavým i stejnosměrným napětím.

The protection of the electrical device is provided to prevent the electric shocks, protect the equipment and prevent a damage caused by electrical faults. The current protection for a small fault currents need not always have an effect. At the serious faults the current protections never work. The new type of device to protect against damage caused by electrical failure is an arc protection. The arc protection switches off safely all types of fault arc in different sizes. This work verifies its correct functionality in the case of electric circuit with deceptive signals from LED light sources. The output of the work is the measurement of the switching current of the LED light sources. The work is remarkable thanks the number of measurement for individual angles of switching on which have statistical meaning.

Les défauts d’arcs électriques sont souvent la cause du déclenchement d’un incendie dans l’habitat. Les détecter constitue une amélioration de la sécurité électrique domestique. La contribution de cette thèse porte sur la problématique de l’identification et de la détection de défauts d’arcs électriques sur le réseau basse tension domestique (charge simple et combinée). Dans ce travail de thèse, le premier axe de recherche porte sur la mise en œuvre d’un modèle de simulation de réseau. Sur le modèle de réseau l’objectif est d’introduire à volonté et de manière graphique des charges de nature différentes associées à un défaut d’arc électrique série. La modélisation porte sur la source de tension, des charges domestiques, le défaut d’arc et le bloc d’analyse numérique du courant et de la tension pour la commande d’un disjoncteur. Le second axe de recherche porte la mise au point de méthodes de détection robuste d’un défaut d’arc électrique Quatre méthodes originales de détection portant sur la tension et le courant de ligne ont été développées dans le cadre de ce travail de thèse. Elles sont toutes basées sur l’analyse des caractéristiques fréquentielles et temporelles du courant de ligne. Toutes les méthodes produisent une information dont l’amplitude tend à s’accroître en présence d’un arc électrique. Toutefois, le caractère non déterministe et très variable des signaux produits par un arc électrique ainsi que la grande variabilité des charges et des perturbations qu’elles introduisent rendent la détection très difficile. L’ensemble des études s’est donc systématiquement composé d’une comparaison entre la situation avec et sans arcs. Le résultat a abouti à une approche combinée de plusieurs méthodes et d’un modèle simple de décision basé sur un simple seuil. Un prototype implémentant une partie de l’algorithme a montré la faisabilité d’un circuit en temps réel / The electrical arc faults are the cause of electrical home fire. Detecting them is an improvement of domestic electrical safety. The thesis contribution focuses on the problem of the electrical arc fault identification and detection in the domestic low voltage network. In this thesis, the first research objective is the modeling of a domestic electrical network. The aim of the modeling is to recreate graphically the loads and the topology of the real domestic electrical network associated with a series electrical arc fault. The modeling is made on the AC voltage source, domestic loads, arc fault model and a block of current and voltage analysis to control a circuit breaker. The second research objective is the development of a robust method for detecting arcing fault. Four detecting methods were developed as part of this thesis; they are based on the current analysis of frequency and time characteristics. All methods generate information whose amplitude tends to increase in the presence of an electric arc. However, the non-deterministic and random feature of the signals produced by the electrical arc fault as well as the large number and variability of loads and the disturbances which they introduce make the arc detection very difficult. All the studies consistently are composed of a comparison between the normal operation and arc fault signals. The result has resulted in a combined approach of some methodologies and a simple decision model based on a threshold. A prototype which contains a part of the algorithm was shown the feasibility of a circuit in real time

Les avions du futur auront une topologie tout électrique. Pour cela, les constructeurs augmentent la puissance et la tension d'utilisation du réseau d'énergie embarqué. Cependant, le défaut d'arc électrique est un risque qui est souvent la cause d'incidents d'exploitation voire de crash. La contribution de cette thèse porte sur la problématique de l'identification et la détection de défauts électriques sur un réseau de distribution d'énergie de type HVDC ±270VDC destiné à l'aéronautique. Dans ce manuscrit, le premier axe suivi est exploratoire. Il porte sur l'observation du comportement et de la phénoménologie d'arc dans le milieu proche de l'aéronautique (notamment par l'émulation de l'altitude par la pression). Le second axe de recherche porte sur l'analyse, la mise au point et le développement de méthode de détection fiable d'un défaut d'arc électrique par un coeur de distribution d'énergie (SSPC) sur charges résistive et légèrement inductive. Cinq méthodes ont été développées au cours de ce travail de thèse. Elles sont basées sur l'analyse des caractéristiques temporelles, fréquentielles et temps-fréquence du courant de ligne. À l'issue de chaque méthode est produit un indicateur qui est ensuite utilisé par une logique de discrimination dépendant de chaque critère. Le comportement non-déterministe des arcs notamment aux conditions d'expérimentation (courant, tension, matériaux des électrodes, longueur de l'arc, etc.) rendent la détection difficile par un simple seuil sur le résultat des critères. Dans ces travaux, une approche proportionnelle au défaut est proposée pour la discrimination à l'aide de seuils variables selon le courant, la variation de charge ou le bruit électrique du système. Le résultat combiné des méthodes aboutit à une décision de mise en protection. Pour valider expérimentalement les algorithmes proposés, une vaste base de données a été constituée comprenant aussi bien des signaux de nature résistive que selfique avec à la fois des arcs et des variations de charges sans arcs afin de vérifier qu'aucune détection n'opère à tort. Le fruit de ces travaux a été en partie implémenté dans un prototype d'analyse en temps réel de la ligne de distribution / Tomorrow’s aircraft will have an all-electric topology. This mean, manufacturers boost power and voltage of the embedded energy network. Nevertheless, the lack of an electric arc is a risk that is often the cause of the crash or operated occurrences. This thesis contributions concerns identification issue and electric arc fault detection on an energy distribution smart grid of HVDC network dedicated to avionic. The first line of this manuscript is exploratory. It covers behavioural observation and arc phenomenology in the grounded sphere of aeronautic (in particular emulated altitude by pressure). The second line of research deals with analysis, clarification and development of reliable approach of electric arc default detection through a central energy distribution on resistive charges. Five methods have been initiated throughout this thesis paper. They are based on several characteristic (time, frequency and time-frequency) of the line current. An indicator is produced at the end of each method. Subsequently, the indicator is used by a logic of discrimination according to each criterion. The non-deterministic behaviour of arc notably testing conditions (current, voltage, electrode materials, etc. makes detection difficult by a simple threshold on result of criteria. In this work, a new approach of arc fault discrimination is proposed. This used a proportional and variable threshold according to the current, load or noise variations from the system. The combined outcome of method results to a decision providing protection. To confirm experimentally proposed algorithms, a wide range database has been established. That included equally resistive and inductive signals with both arcs and load variations without arc fault so as to ensure that any detection is not mistakenly occurring. The upshot of this research work has been implemented in real time protection device prototype for HVDC +-270V smart-grid