Use-cases of phase-earthing circuit breakers in self-healing power networks

Abstract

The topic of this thesis is the phase-earthing method, which can be used to reduce the number of high speed automatic reclosing functions. In practice, the faulty phase is connected to the ground at a feeding substation for a few tenths of a second. If the faulty phase can be earthed for a longer time, it might be possible to maintain electricity distribution in permanent fault situations.

The thesis discusses the phase-earthing method for example from safety regulations and earth fault protection points of view. The safety regulations determine the maximum fault duration. The duration depends on earth potential rise in the network. For this reason, the earth potential rise also determines the maximum phase-earthing time. Especially, the introduction of a prototype phase-earthing system is discussed. It is studied how earth fault protection setting could be modified in order that earth fault protection would function properly. In this task, disturbance recordings that were recorded in field tests have been examined. The maximum residual current is approximated by means of electro technical calculations.

The phase-earthing method is also evaluated from the economic point of view. Interruption cost savings between a compensation coil and a phase-earthing circuit breaker are compared. In the comparison, a certain medium voltage network is used and it is analysed by using LuoVa reliability analysis software.

In addition, the use of the phase-earthing method is studied from the zone concept point of view. The concept enables fast fault localization and fast fault isolation. These features are achieved by utilizing new protection features and adding protection and switching devices in network. In the future, this kind of system might be able to isolate faults and restore power independently. The benefit of the phase-earthing method in this kind of self-healing network is estimated by using LuoVa reliability analysis software.

Tässä työssä tutkitaan vaiheenmaadoitusmenetelmää, jota voidaan käyttää vähentämään pikajällenkytkentöjen lukumäärää. Käytännössä viallinen vaihe kytketään maahan syöttävällä sähköasemalla. Jos viallinen vaihe voidaan maadoittaa pidemmäksi aikaa, voisi olla mahdollista ylläpitää sähkönjakelua pysyvissä vikatilanteissa.

Tässä työssä vaiheenmaadoitusmenetelmää tarkastellaan esimerkiksi turvallisuusmääräysten ja maasulkusuojauksen näkökulmasta. Turvallisuusmääräykset määräävät suurimman sallitun vian kestoajan. Kyseinen aika on riippuvainen verkon maadoitusjännitteistä. Näin ollen maapotentiaalin nousu määrää myös vaiheenmaadoitusajan.

Erityisesti on tutkittu prototyyppi vaiheenmaadoitusjärjestelmän käyttöönottoa. Työssä tarkastellaan kuinka maasulkusuojausasetteluja tulisi muuttaa, jotta suojaus toimisi oikealla tavalla. Tätä varten kenttäkokeista saatuja häiriötallenteita on tutkittu. Maksimi jäännösvikavirran suuruus on arvioitu sähköteknisillä laskelmilla.

Vaiheenmaadoitusmenetelmää tarkastellaan myös taloudellisesta näkökulmasta. Kompensointikelan ja vaiheenmaadoituskatkaisijan keskeytyskustannussaastoja on vertailtu. Tämä vertailu on tehty tietyssä keskijänniteverkossa käyttämällä LuoVa luotettavuusanalyysiohjelmistoa.

Lisäksi vaiheenmaadoitusmenetelmän käyttöä tarkastellaan vyöhykekonseptin näkökulmasta. Tämä konsepti mahdollistaa nopean vian paikannuksen ja nopean vian erotuksen. Nämä ominaisuudet aikaansaadaan hyödyntämällä uusia suojausominaisuuksia ja lisäämällä verkkoon suojaus- ja kytkinlaitteita.

Tulevaisuudessa tällainen järjestelmä voi pystyä automaattiseen vian erotukseen ja sähkönsyötön palauttamiseen. Vaiheenmaadoitusmenetelmän hyötyä tämänkaltaisessa itsestään korjautuvassa verkossa on arvioitu käyttämällä LuoVa luotettavuusanalyysiohjelmistoa.