Pronalazak mjesta zemljospoja u neuzemljenim srednjenaponskim mrežama primjenom injekcije niskofrekvencijskoga signala

doctoral thesis

• Title (english): Earth fault localization in isolated medium-voltage networks based on low-frequency signal injection
• Author: Nina Stipetić
• Mentor: Božidar Filipović-Grčić (mentor)
• Committee member: Tomislav Capuder (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Mateo Beus (član povjerenstva)
• Committee member: Bruno Jurišić (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; (Department of Energy and Power Systems); Zagreb
• Defense date and country: 2023, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Electrical Engineering
• Universal decimal classification (UDC): 621.3 - Electrical engineering

Abstract

Srednjenaponske mreže industrijskih postrojenja često imaju neuzemljeno zvjezdište zbog mogućnosti nastavka pogona tijekom zemljospoja. Unatoč kontinuiranom pogonu, brz pronalazak mjesta kvara je važan zbog prenapona i opasnosti od nastajanja višepolnog kvara. Dostupna rješenja za određivanje voda na kojem je nastao zemljospoj, kao npr. osjetljiva usmjerena homopolarna nadstrujna zaštita, ponekad nisu ekonomski opravdana. Dodatno, u manjim mrežama s vrlo niskim strujama zemljospoja takva rješenja mogu biti nedovoljno osjetljiva. Injektiranje signala je jedna od metoda lociranja kvara koja se koristi u niskonaponskim neuzemljenim mrežama, a razvijena rješenja temeljena na injektiranju signala su komercijalno dostupna. Međutim, mogućnost primjene ove metode na srednjem naponu nije dovoljno istražena, a rješenja za pronalazak zemljospoja primjenom injektiranja signala koja su komercijalno dostupna ne postoje. Uzrok tome je otežano injektiranje signala u mrežu u kojoj je zvjezdište nedostupno, a fazni vodiči su pod naponom u rasponu od 5 kV do 35 kV.
U ovom istraživanju je predloženo injektiranje niskofrekvencijskoga signala preko primarnih namota grupe od tri jednopolno izolirana induktivna naponska mjerna transformatora, koja se tipično postavljaju u neuzemljene mreže za priključenje mjernih i zaštitnih uređaja. Provjerena je mogućnost injektiranja niskofrekvencijskog signala preko induktivnih naponskih mjernih transformatora u svrhu pronalaska voda na kojem je nastao zemljospoj i utjecaj injektiranja na naponske transformatore. Niska frekvencija umanjuje utjecaj kapacitivne reaktancije mreže na grananje injektiranog signala te se on zatvara kroz mjesto kvara, što je moguće otkriti praćenjem sadržaja injektiranog signala u rezidualnim strujama po vodovima u mreži. Proračuni i simulacije pri istovremenom zemljospoju i injektiranju signala napravljeni su na modelu manje, industrijske i veće, distribucijske mreže. Provjerena je učinkovitost metode pri otkrivanju visokoomskih kvarova te utjecaj veličine mreže i parametara injektiranog signala na mogućnost određivanja odvoda u kvaru. Na temelju rezultata predložena je moguća izmjena dizajna induktivnog naponskog mjernog transformatora, kako bi, uz očuvanje njegove primarne funkcije, bila povećana i injekcijska moć za niskofrekvencijski signal. Provedena je eksperimentalna verifikacija predložene metode u laboratorijskim uvjetima.

Abstract (english)

Isolated neutral is used in networks where continuity of power supply is essential, which is often in medium-voltage distribution systems of industrial power utilities. Despite the continuous operation during an earth fault, quick fault location is crucial due to overvoltages and the risk of developing a multiphase fault. Existing solutions for earth fault detection, such as sensitive directional homopolar overcurrent protection, are sometimes not economically justified. Additionally, in small networks with low earth-fault current amplitudes, such solutions may not be sufficiently sensitive. Signal injection is one of the known fault location methods applied in unearthed low-voltage networks, and commercially available solutions based on signal injection exist. However, not much research has been done on the possibility of signal injection method application at medium-voltage level, and there are no commercially available solutions for earth-fault detection based on signal injection for medium-voltage networks. The possibility of application of this method at medium-voltage level is dependent on how to inject the signal into unearthed phases with voltages ranging from 5 kV to 35 kV.
In this research, low-frequency signal injection through the primary windings of a group of three single-phase insulated voltage transformers, that are normally installed in isolated networks, is proposed. The possibility of injecting a low-frequency signal through primary windings of inductive voltage transformers in order to locate the earth-fault is verified and the influence of the signal injection on voltage transformers is analysed. The low frequency is used to maximize the capacitive reactance of healthy phases and increase the probability for the injected signal to close its path through fault location. The injected signal is traceable in the frequency spectrum of residual currents throughout the network. Simulations of simultaneous earth fault and signal injection are conducted on a model of small, industrial network and larger, distribution network. The possibility of high-impedance fault detection is analysed as well as the influence of the network size and the injected signal parameters on method efficiency. Based on the simulation results, a possible modification of the voltage transformer design is proposed, to achieve better low-frequency signal injection performance, while preserving the primary function and characteristics of voltage transformers. The method is experimentally verified in laboratory environment.

• Keywords: neuzemljena srednjenaponska mreža; zemljospoj; induktivni naponski mjerni transformator; injektiranje signala
• Keywords (english): isolated medium-voltage network; earth-fault; inductive voltage transformer; signal injection
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:973872
• Study programme: Title: Doctoral study programme "Electrical Engineering and Computing"; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, po-dručje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, po-dručje tehničkih znanosti)
• Catalog URL: https://publib.fer.hr/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=54431
• Type of resource: Text
• Extent: 133 str.
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2024-05-03 07:53:00