Analysis and Testing of Ground Fault Protection Function Performance in Compensated Distribution Grids

Abstract

De siste årene har den globale trenden i medium-spennings distribusjonsnett jordet via resonansspole vært å erstatte luftlinjer med underjordiske kabler. Ved å gjøre dette, langsiktige økonomiske og tekniske fordeler kan oppnås. Økende kabellengde i et elektrisk distribusjonsnett medfører en stor økning i kapasitans i det elektriske distribusjonsnettet. Distribusjonsnett i Norge har brukt tradisjonelt, Wattmetriskbasert jordfeilsvern, for å sikre en trygg drift, og oppnå optimal beskyttelse mot enfase jordfeil. Når kapasitansen i et elektrisk distribusjonsnett øker, vil nullsekvensstrømmen i nøytralpunktet av transformatoren bli mer reaktiv, noe som fører til en liten resistiv strøm, som ikke er stor nok for Wattmetriskbasert jordfeildeteksjon og utkobling.

Denne masteravhandlingen tar i bruk Matlab i kombinasjon med Simulink til å etablere et 22 kV, spolejordet distribusjonsnett med to avganger. Relé av typen Siemens SIPROTEC 7UM85 blir brukt til å analysere og teste ytelsen av Wattmetrisk-, Admittans- og Transientbasert jordfeilsfunksjoner. Simulink blir brukt til å undersøke tre ulike tilfeller - en liten Simulink-modell der lengden av begge avgangene er relativt korte blir brukt til å undersøke hvordan variasjon av sensitiviteten til jordfeilsfunksjoner påvirker funksjonenes ytelse. Stor Simulink-modell, der kabellengden av beskyttet avgang blir variert mellom 20 km og 100 km, blir brukt til å undersøke begrensningene av jordfeilsfunksjoner, med tanke på økende kapasitans. Til slutt, blir stor Simulink-modell brukt til å undersøke ytelsen av Wattmetrisk-, Admittans- og Transientbasert jordfeilsfunksjoner når intermitterende jordfeil inntreffer. Det ble opprettet COMTRADE-filer for hver av de ovenfor nevnte tilfellene, og disse ble testet i laboratoriet på det nevnte reléet. Ytelsen av Wattmetrisk-, Admittans-, og Transientbasert jordfeilsfunksjon ble også testet i et eksisterende, norsk distribusjonsnett. Dette ble gjort ved å få tilgang til COMTRADE-filer fra et Norsk nettselskap, og teste disse i laboratoriet.

Analysen og testing av Wattmetrisk-, Admittans- og Transientbasert jordfeilsfunksjonytelse i denne masteravhandlingen har presentert at ved bruk av et simulert distribusjonssystem, kabellengde over 50 km bidrar med nok jordfeilstrøm for å minke ytelsen av Wattmetriskbasert jordfeilsfunksjon. Videre ble det funnet at ved kabellengde 70 km, Wattmetriskbasert jordfeilsfunksjon er ikke lenger i stand til å verken detektere eller koble ut jordfeil med feilresistans over 3 kΩ. Videre blir det vist at ved bruk av en enkel, lang kabel, ytelsen av Transientbasert jordfeilsfunksjon blir både dårlig og inkonsistent. Årsaken til dette ble funnet til å være stor demping grunnet stor nullsekvensresistans. Til slutt, ved bruk av et simulert system, ble det demonstrert at Admittansbasert jordfeilsfunksjon er overlegen sammenlignet med Wattmetrisk- og Transientbasert jordfeilsfunksjon. Det ble demonstrert at for kabellengdene mellom 20 km - 100 km, og for feilresistansene 0 Ω - 4.5 kΩ, Admittansbasert jordfeilsfunksjon har utmerket ytelse. Funnene beskrevet ovenfor ble forsterket ved å teste 38 COMTRADE-filer tilhørende ekte, norsk distribusjonsnett. Det ble demonstrert at ved å teste totalt 38 COMTRADE-filer tilhørende ekte distribusjonsnett, Wattmetrisk-, Admittans- og Transientbasert jordfeilsfunksjon var i stand til å detektere hhv. 68.42%, 94.32% og 81.57% av jordfeilene.

In recent years, the worldwide trend in medium voltage distribution systems grounded through an arc suppression coil has been to replace overhead lines with underground cables. In doing so, many long-term economic as well as technical advantages can be achieved. Increasing cable length in an electrical power system results in a significant increase in the total capacitance of that network. Distribution systems in Norway have been utilizing traditional, Wattmetric-based ground fault protection functions to ensure safety and achieve optimal protection against single line to ground faults. As the capacitance in the electrical transmission system increases, the residual current of transformer neutral becomes increasingly reactive, resulting in a small resistive current which is not sufficient for Wattmetric-based ground fault detection and disconnection.

This master thesis uses Matlab combined with Simulink to establish a two-feeder, 22 kV distribution system grounded through an arc suppression coil. Siemens SIPROTEC 7UM85 relay is used to analyze and test the performance of Wattmetric, Admittance, and Transient-based protection functions. Simulink is used to investigate three different cases - a small Simulink model where lengths of both feeders are relatively short is used to analyze how varying sensitivity of ground fault protection functions affect their performance. A large Simulink model, where the cable length of the protected feeder is varied between 20 km - 100 km, is used to investigate ground fault protection function performance limits with respect to increasing capacitance. Lastly, a large Simulink model is used to investigate the performance of Wattmetric, Admittance, and Transient-based protection functions during an intermittent ground fault. COMTRADE files were made for all of the abovementioned cases and were tested in a laboratory using the mentioned relay. Performance of Wattmetric, Admittance, and Transient-based ground fault protection functions were also tested on a real Norwegian distribution grid. This was done by acquiring COMTRADE files from a Norwegian electrical grid company and testing these files in a laboratory.

Analysis and testing of Wattmetric, Admittance and Transient based ground fault protection functions presented in this thesis have demonstrated that using a simulated distribution system, cable lengths above 50 km contribute with sufficient ground-fault current contribution for decreasing Wattmetric based ground fault protection function performance. It was found that at a cable length of 70 km, the Wattmetric-based protection function is no longer able to neither detect nor disconnect ground fault with fault resistance above 3 kΩ. Furthermore, when using a single, long cable, Transient based protection function performance is both poor and inconsistent. This was found to be due to the significant damping that the series connection of zero sequence resistance introduces. Lastly, using the simulated system demonstrates that the Admittance-based ground fault protection function has superior performance compared to both Wattmetric and Transient-based ground fault protection functions. It is demonstrated that the Admittance-based ground fault protection function has excellent performance for cable lengths 20 km - 100 km, and for fault resistances 0 Ω - 4.5 kΩ. The above findings were further strengthened by testing 38 COMTRADE files from a real Norwegian distribution system. It was demonstrated that of a total of 38 files, Wattmetric, Admittance, and Transient based ground fault protection functions were able to detect 68.42%, 94.32%, and 81.57% of ground faults, respectively.