abstract: With the penetration of distributed renewable energy and the development of semiconductor technology, power electronic devices could be utilized to interface re- newable energy generation and the distribution power grid. However, when directly connected to the power grid, the semiconductors inside the power electronic devices could be vulnerable to the power system transient, especially to lightning strikes. The work of this research focuses on the insulation coordination of power elec- tronic devices connected directly to the power distribution system. The Solid State Transformer (SST) in Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM) system could be a good example for grid connected power electronic devices. Simulations were conducted in Power Systems Computer Aided Design (PSCAD) software. A simulation done to the FREEDM SST showed primary re- sults which were then compare to simulation done to the grid-connected operating Voltage Source Converter (VSC) to get more objective results. Based on the simulation results, voltage surges caused by lightning strikes could result in damage on the grid-connected electronic devices. Placing Metal Oxide Surge Arresers (MOSA, also known as Metal Oxide Surge Varistor, MOV) at the front lter could provide eective protection for those devices from power transient. Part of this research work was published as a conference paper and was presented at CIGRE US National Conference: Grid of the Future Symposium [1] and North American Power Symposium [2]. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Engineering 2017

O objetivo desta dissertação foi estudar dispositivos para contenção de veículos desgovernados por falta de freios em declives longos e íngremes. Para tanto, fez-se uma revisão abrangente da literatura especializada e coletaram-se dados em testes realizados na área de escape construída no km 42,7 da pista sul da Via Anchieta, onde existe um declive de 12,8 km de extensão. A pesquisa relatada nesta dissertação focaliza três aspectos principais: a eficiência do dispositivo em deter caminhões sem freios, a localização do dispositivos e a determinação da velocidade segura de operação de caminhões nesse declive. Dados empíricos da desaceleração dos caminhões no dispositivo foram coletados com auxílio de GPS, o que permitiu estudar o comportamento dos caminhões dentro da caixa de retenção. Os dados coletados foram usados para a calibração de um modelo capaz de estimar a desaceleração média proporcionada pelo dispositivo em função da velocidade de entrada e do número de eixos do caminhão. Para a análise da localização do dispositivo, propôs-se um modelo que leva em consideração o perfil vertical do declive, a velocidade dos caminhões, a temperatura dos freios e a frequência de acidentes com veículos desgovernados ao longo do declive. A determinação da estratégia ótima de condução no declive consistiu em determinar a máxima velocidade que os caminhões podem percorrer o declive sem que os freios sofram superaquecimento. Os parâmetros usados na análise foram a massa bruta total do veículo e as reduções da sua caixa de câmbio. Foram estabelecidas velocidades e marchas máximas para 16 tipos de caminhão. Os resultados obtidos mostram que este tipo de dispositivo é capaz de deter caminhões desgovernados com segurança e podem subsidiar projetos de novas áreas de escape no Brasil. / The objective of the dissertation was to study devices for arresting runaway trucks on long and steep downgrades. A comprehensive review of the literature was carried out and empirical data were collected by means of real life trials at an arrester bed build at a 12.8 km downgrade on the southward lanes of Via Anchieta, the old highway connecting the cities of São Paulo and Santos, in Brazil. The research reported focused on three major aspects: arresting capability of the escape area, location of the escape area and safe operating speeds for trucks on this downgrade. Truck deceleration data were collected during the trials by means of GPS equipment installed in the vehicles and were used to determine truck behavior within the arrester bed. A mathematical model, which allows the estimation of average deceleration as a function of entry speed and number of axles, was fitted to the observed data. The location study proposed a method to establish the points along the downgrade where arrester beds are needed, based on road profile, truck speed, brake temperature and accident data. Optimal driving strategies for truck drivers to negotiate safely the downgrade were also studied, in order to determine the downgrade maximum speed that would avoid brake overheating. The parameters used in this analysis were gross vehicle mass and gearbox characteristics. Safe maximum downgrade speeds and gears were established for 16 truck models. The results, which showed that arrester beds are capable of safely stopping runaway trucks in long and steep downgrades, may also be used to assist the design of new arrester beds in Brazil.

Os sistemas elétricos de potência estão sujeitos a diversos tipos de sobretensões que podem causar desligamentos ou avarias nos equipamentos elétricos que o compõe, comprometendo a continuidade do fornecimento de energia elétrica aos consumidores e impactando negativamente nos índices de qualidade. Um dos dispositivos mais importantes utilizados na proteção destes equipamentos são os pára-raios, os quais podem ser classificados, no sistema elétrico brasileiro, em função de sua tecnologia: a primeira, mais antiga, utiliza carboneto de silício (SiC), a segunda e mais atual utiliza óxido de zinco (ZnO) em seus elementos internos. Os primeiros estão instalados há muitos anos, até mesmo acima de sua vida útil, sendo assim, podem apresentar falhas em campo durante a sua operação. Os pára-raios de SiC estão sendo gradativamente substituídos pelos de ZnO, pois seria economicamente inviável a sua substituição imediata. Por conseguinte, torna-se imprescindível o desenvolvimento de metodologias para avaliação do seu estado de degradação, a fim de evitar-se que estes equipamentos falhem no campo. A medição da corrente de fuga, analisando-se a sua componente de terceira harmônica, mostrou que podem obtidas informações importantes a respeito dos pára-raios de SiC, fornecendo subsídios para a elaboração de um programa de manutenção que priorize a retirada daqueles mais degradados. / Power systems are subject to many types of overvoltages that may provoke interruptions or damage in electrical equipments, compromising the continuity of electrical energy supply to consumers and impacting negatively the power quality indices. One of the most important device used to protect the electric equipments are the surge arresters, which may be classified, in Brazilian power system, by its technology: the first, more antiquated, using gapped silicon-carbide (SiC) surge arrester, and secondly and newer, zinc-oxide (ZnO) surge arrester. The devices of the first type are installed for many years, even above their lifetime, presenting, in such cases, failures in site while operating. The gapped silicon-carbide surge arresters have been substituted gradually by zinc-oxide surge arresters, because it would be economically impracticable to replace them immediately. Therefore, the development of methodologies to evaluate their degradations condition is necessary, in order to avoid the failure of these equipments in site. Measurements of leakage current with third order harmonic analysis showed that important information regarding gapped silicon carbide surge arresters may be obtained, providing subsidies to elaborate a program of maintenance that prioritize the replacement of the most degraded ones.

O objetivo desta dissertação foi estudar dispositivos para contenção de veículos desgovernados por falta de freios em declives longos e íngremes. Para tanto, fez-se uma revisão abrangente da literatura especializada e coletaram-se dados em testes realizados na área de escape construída no km 42,7 da pista sul da Via Anchieta, onde existe um declive de 12,8 km de extensão. A pesquisa relatada nesta dissertação focaliza três aspectos principais: a eficiência do dispositivo em deter caminhões sem freios, a localização do dispositivos e a determinação da velocidade segura de operação de caminhões nesse declive. Dados empíricos da desaceleração dos caminhões no dispositivo foram coletados com auxílio de GPS, o que permitiu estudar o comportamento dos caminhões dentro da caixa de retenção. Os dados coletados foram usados para a calibração de um modelo capaz de estimar a desaceleração média proporcionada pelo dispositivo em função da velocidade de entrada e do número de eixos do caminhão. Para a análise da localização do dispositivo, propôs-se um modelo que leva em consideração o perfil vertical do declive, a velocidade dos caminhões, a temperatura dos freios e a frequência de acidentes com veículos desgovernados ao longo do declive. A determinação da estratégia ótima de condução no declive consistiu em determinar a máxima velocidade que os caminhões podem percorrer o declive sem que os freios sofram superaquecimento. Os parâmetros usados na análise foram a massa bruta total do veículo e as reduções da sua caixa de câmbio. Foram estabelecidas velocidades e marchas máximas para 16 tipos de caminhão. Os resultados obtidos mostram que este tipo de dispositivo é capaz de deter caminhões desgovernados com segurança e podem subsidiar projetos de novas áreas de escape no Brasil. / The objective of the dissertation was to study devices for arresting runaway trucks on long and steep downgrades. A comprehensive review of the literature was carried out and empirical data were collected by means of real life trials at an arrester bed build at a 12.8 km downgrade on the southward lanes of Via Anchieta, the old highway connecting the cities of São Paulo and Santos, in Brazil. The research reported focused on three major aspects: arresting capability of the escape area, location of the escape area and safe operating speeds for trucks on this downgrade. Truck deceleration data were collected during the trials by means of GPS equipment installed in the vehicles and were used to determine truck behavior within the arrester bed. A mathematical model, which allows the estimation of average deceleration as a function of entry speed and number of axles, was fitted to the observed data. The location study proposed a method to establish the points along the downgrade where arrester beds are needed, based on road profile, truck speed, brake temperature and accident data. Optimal driving strategies for truck drivers to negotiate safely the downgrade were also studied, in order to determine the downgrade maximum speed that would avoid brake overheating. The parameters used in this analysis were gross vehicle mass and gearbox characteristics. Safe maximum downgrade speeds and gears were established for 16 truck models. The results, which showed that arrester beds are capable of safely stopping runaway trucks in long and steep downgrades, may also be used to assist the design of new arrester beds in Brazil.

Os sistemas elétricos de potência estão sujeitos a diversos tipos de sobretensões que podem causar desligamentos ou avarias nos equipamentos elétricos que o compõe, comprometendo a continuidade do fornecimento de energia elétrica aos consumidores e impactando negativamente nos índices de qualidade. Um dos dispositivos mais importantes utilizados na proteção destes equipamentos são os pára-raios, os quais podem ser classificados, no sistema elétrico brasileiro, em função de sua tecnologia: a primeira, mais antiga, utiliza carboneto de silício (SiC), a segunda e mais atual utiliza óxido de zinco (ZnO) em seus elementos internos. Os primeiros estão instalados há muitos anos, até mesmo acima de sua vida útil, sendo assim, podem apresentar falhas em campo durante a sua operação. Os pára-raios de SiC estão sendo gradativamente substituídos pelos de ZnO, pois seria economicamente inviável a sua substituição imediata. Por conseguinte, torna-se imprescindível o desenvolvimento de metodologias para avaliação do seu estado de degradação, a fim de evitar-se que estes equipamentos falhem no campo. A medição da corrente de fuga, analisando-se a sua componente de terceira harmônica, mostrou que podem obtidas informações importantes a respeito dos pára-raios de SiC, fornecendo subsídios para a elaboração de um programa de manutenção que priorize a retirada daqueles mais degradados. / Power systems are subject to many types of overvoltages that may provoke interruptions or damage in electrical equipments, compromising the continuity of electrical energy supply to consumers and impacting negatively the power quality indices. One of the most important device used to protect the electric equipments are the surge arresters, which may be classified, in Brazilian power system, by its technology: the first, more antiquated, using gapped silicon-carbide (SiC) surge arrester, and secondly and newer, zinc-oxide (ZnO) surge arrester. The devices of the first type are installed for many years, even above their lifetime, presenting, in such cases, failures in site while operating. The gapped silicon-carbide surge arresters have been substituted gradually by zinc-oxide surge arresters, because it would be economically impracticable to replace them immediately. Therefore, the development of methodologies to evaluate their degradations condition is necessary, in order to avoid the failure of these equipments in site. Measurements of leakage current with third order harmonic analysis showed that important information regarding gapped silicon carbide surge arresters may be obtained, providing subsidies to elaborate a program of maintenance that prioritize the replacement of the most degraded ones.