Denna studie beskriver den problematik som kan uppstå vid detektering och bortkoppling av dubbla jordfel i impedansjordade nät, samt på vilken sätt ett oriktat jordfelsskydd inverkar på bortkopplingsförloppet. Då ett enpoligt jordfel inträffar uppstår en osymmetri i nätet som leder till förhöjda spänningar och ökade påfrestningar i friska nätdelar. Dessa påfrestningar kan leda till att ytterligare jordfel uppstår, till exempel på ställen i nätet där isolationen på något sätt är försvagad. Problematik med bland annat selektiviteten vid bortkopplingen av dessa dubbla jordfel har uppmärksammats, vilket kan resultera i långa bortkopplingsförlopp samt att onödigt stora delar av nätet blir spänningslösa. Syftet med studien är att belysa denna problematik samt att undersöka på vilket sätt ett oriktat jordfelsskydd skulle kunna inverka på bortkopplingsförloppet och vad som behöver tas hänsyn till vid implementering av ett sådant skydd. Genom att granska teoretiskt framtagna felfall, filer från verkliga störningar samt genom verifieringstester med reläskydd i laboratoriemiljö och framtagna Comtrade-filer från PSCAD kunde problematiken analyseras på ett lättillgängligt och överskådligt sätt. Som ett resultat av studien konstaterades att ett oriktat jordfelsskydd både kan bidra till en ökad selektivitet i nätet samt till ett snabbare felbortkopplingsförlopp i händelse av dubbelt jordfel. Det oriktade jordfelsskydden bör även kunna avhjälpa ytterligare fall med förkommande jordfel, exempelvis där en samtidig snedavstämning i nätet medför att funktion hos de riktade jordfelsskydden uteblir. Vid implementering av det oriktade jordfelsskyddet rekommenderas ett DFT-mätande skydd, då detta förhindrar att jordfelsskyddet löser ut för övertoner, transienter och likströmskomponenter. Vidare krävs en mycket god kunskap om förekommande kapacitiva strömmar i nätet för att förhindra oselektiv utlösning av skyddet. Vid ett korrekt inställt skydd ses ingen risk för att det oriktade jordfelsskyddet kommer i konflikt med övriga reläskyddsfunktioner. Problematiken med bortkoppling av dessa dubbla jordfel förekommer främst där tvåfas-mätande överlastskydd används, därför rekommenderas övergång till trefasmätande över-lastskydd på de platser där det oriktade jordfels-skyddet visar sig vara svårt att ställa in selektivt. / This thesis describes problems that might occur with detecting and disconnection of cables and lines that have suffered from cross-country fault in impedance grounded networks, furthermore how and if an undirected earth-fault relay could affect the way these faults are dealt with. When single-phase earth-faults occur, the network suffers from a dissymmetry. This dissymmetry leads to enhanced stress on the parts of the network which are healthy. This stress could cause other earth-faults to occur, for example on locations in the network where, for some reason the insolation has been compromised. These problems could lead to that the time it takes for the relays to disengage the faulty cables becomes too long or that unnecessary large areas of the network are disconnected. The purpose of this study is to illustrate these problems and to analyze in what way an undirected earth-fault relay could affect the outcome of these problems. By examining theoretical cases where earth-faults had occur, files from actual disturbances and by verifications tests with relays in the laboratory and Comtrade-files developed from PSCAD, these problems could be analyzed and were easy to survey. As a result of the study it was found that the undirected earth-fault relay both can contribute to better selectivity in the network and to faster disconnection in the event of cross-country faults. The undirected earth-fault relay should also be able to handle additional cases when earth-faults occurs, for example, where a simultaneous uncompensated power distribution network leads to that the directed earth-fault relay functions does not work. The earth-fault function is recommended to be used with DFT-measuring, as this prevents the relay from tripping for harmonics, transients and direct-current components. A good knowledge regarding the capacitive currents occurring in the network is crucial to set the relay correct and prevent from unselective tripping, but if set correctly, no conflict with other protective relay functions has been noticed. The problem with disconnecting cross-country faults mainly occurs where two-phase-measuring overcurrent protective relays are used, therefore, the transition to three-phase-measuring overcurrent-relays are recommended in places where the undirected earth-fault relay proves to be difficult to set up correctly.

Detta examensarbete beskriver hur olika nollpunktsmotstånd och resistanser i ett felställe påverkar nollföljdsströmmarna och nollföljdsspänningarna vid olika snedavstämningar i eldistributionsnätet. Eftersom snedavstämningarna i nätet påverkar om jordfelsskydden detekterar en jordslutning, genomförs en jämförelse mellan två olika jordfelsfunktioner, vinkelmätande funktion och admittansmätande funktion. Skillnaden mellan jordfels-funktionerna är att riktningen på jordslutningen och inställningarna för känsligheten sker på olika sätt. Syftet med rapporten är att redovisa för- respektive nackdelar med de båda jordfelsfunktionerna. På grund av att luftledningar ersätts med bland annat markkabel, har de kapacitiva jordslutningsströmmarna ökat i fördelningsstationerna. De kapacitiva jordslutnings-strömmara måste kompenseras eftersom kapacitansen kan orsaka stora snedavstämningar i nätet. Vid för stora snedavstämningar blir nollföljdsspänningen och den resistiva nollföljdsströmmen för låga och jordfelsskydden kommer inte att detektera en eventuell jordslutning. Risken med detta är att ett överliggande reservskydd istället löser ut hela fördelningsstationen eller att jordslutningen inte bortkopplas alls. Efter ideala simuleringar och olika provningar av ett jordfelsskydd i laboratoriemiljö, kan det konstateras att det inte är någon större skillnad mellan de båda jordfelsfunktioner. Det finns dock vissa avvikelser vid de experimentella provningarna av jordfelsskyddet. Avvikelserna beror bland annat på vilken jordfelsfunktion som testades, eftersom upplösningen på jordfelsskyddet ställdes olika. Vilken jordfelsfunktion som är den bättre i verkliga nät är svårt att konstatera eftersom sådana tester ej har genomförts i denna studie. Målet med examensarbetet har uppfyllts eftersom författarna har kunnat redovisa för- och nackdelar med de båda jordfelsfunktionerna, även när skillnaden mellan dem var liten / This thesis describes how different values on a neutral grounding resistor and an uncompensated power distribution network affect the zero sequence current and the zero sequence voltage. If the neutral grounding reactor in the power distribution network is too overcompensated or undercompensated, the directional earth-fault relay may not work. The purpose of this study is to present the advantages and disadvantages of two different earth-fault functions. The two earth-fault functions that will be compared are an admittance-based earth-fault protection and a directional earth-fault protection with angle calculation between the zero sequence current and the zero sequence voltage. The capacitive earth-fault currents have increased in the distribution stations because the overhead lines are replaced with underground cables. The capacitive current must be compensated since the capacitance can cause an overcompensated or an undercompensated network. An uncompensated distribution network may cause the zero sequence current and voltage becoming too low so that the earth-fault protections do not detect an earth-fault. After the comparison of the two earth-fault functions it can be concluded that there is a minor difference between the both functions. There are some deviations in the test results conducted in a laboratory environment. It is not possible to state which one of the functions that is the most suitable to use in real power distribution networks, since no such tests have been conducted in this study. The authors of this thesis have presented some advantages and disadvantages of the two earth-fault functions

Vid byte av luftledningar mot jordkabel kommer kapacitiva felström-mar att genereras. De kapacitiva felströmmarna ökar med större kabel-area. Rapporten behandlar problematiken med för stora bidrag av kapacitiva jordfelströmmar och dess inverkan på hela elnätet. Arbetetsfrågeställningar kommer att behandla utlokaliserad kompen-sation, oselektiv reläskyddsfunktion och skillnaden mellan långa led-ningar och stora nät. Syftet med uppsatsen är att belysa behovet av att utlokalisera kompensationen, bestämma antal och täthet av spolar som minskar kapacitiva strömmar på Alnön, samt titta på skillnaderna mellan långa och många ledningar både på tätortens och också lands-bygdens nät. I teoridelen tas teorier om olika typer av jordfelsskydds funktioner upp, lokal kompensering och skillnader mellan korta och långa markkabelns nät. Projektet är utfört genom utforskning av de metoder som används för att begränsa dem genererade kapacitiva felströmmen vid användning av markkablar. I slutsatsen kommer jag fram till att för förbättring av ledningsskydds-funktion på landsbygden måste kapacitiva strömmar transporteras genom kabeln i kortare sträckor. Detta kommer att minska spänningsfal-let över kabelns resistans och reaktans, eller att fördela nätet till små fack.

Utfört examensarbete undersöker vinkelfelet i mätkretsen för riktade jordfelsskydd och hur det påverkar dess felbortkoppling. Uppkomna vinkelfel i mätkretsen kan påverka det riktade jordfelsskyddet så att verklig felström och uppmätt felström inte stämmer överens, vilket kan leda till uteblivna eller obefogade felbortkopplingar. Vattenfall ställer krav på att vinkelfelet får uppgå till max ±2 grader för mätkretsen. Eftersom vinkelfelet i många fall har en hög påverkan på jordfelsskyddets noggrannhet undersöks vad Vattenfalls vinkelkrav egentligen innebär. Största orsaken till vinkelfelet uppstår oftast i strömtransformatorn och därför undersöks hur mycket två strömtransformatorer med olika klassificeringar som är vanliga i elnätet påverkar vinkelfelet i mätkretsen. Jordfel är det vanligast uppkomna felet i mellanspänningsnät och dess storlek beror till stor del på hur mycket kapacitivt bidrag som finns på linjerna samt värdet på nollpunktsresistorn. Det kapacitiva bidraget från linjen kompenseras centralt i fördelningsstationen och ibland lokalt ute på ledningen. Den högst tillåtna centralt kompenserade delen av en linje får vara 30 A, vid reservdrift av en linje kan denna del uppgå till 60 A. Vinkelfelet har en högre påverkan vid stora kapacitiva bidrag och vid låga värden på nollpunktsresistorn. I många fall sitter det flera riktade jordfelsskydd på samma linje där selektivitet alltid eftersträvas. Vinkelfelet kan ha en negativ påverkan på denna selektivitet. Genom beräkningar, simuleringar och provningar har ett antal slutsatser dragits. Vattenfalls vinkelkrav ger en otydlig bild angående tillåten påverkan på jordfelsskyddet. Med rätt val av strömtransformator påvisas att det troligtvis är möjligt att skärpa vinkelkravet. För att minska vinkelfelets påverkan kan den högst tillåtna centralt kompenserade delen minskas och/eller öka värdet på nollpunktsresistorn. En beloppsselektivitet på 1000 Ω kan inte alltid tillämpas då vissa fall kräver en beloppsselektivitet på 2000 Ω. Genom att sätta nollpunktsspänningen som utlösningsvillkor och nollpunktsströmmen som frigivningsvillkor kan enligt studien troligen ett noggrannare jordfelsskydd uppnås. / This bachelor's thesis examines the angular error in the measurement circuit for directional earth-fault protection and how this error affects the fault disconnection. Angular errors in the measurement circuit can affect the directional earth-fault protection in such a way that the real fault current and the measured fault current do not match. This can lead to missed or unwarranted fault disconnections. Vattenfall has a requirement which states that the angular error must not exceed ±2 degrees for the measurement circuit. Since the angular error in many cases has a high impact on the earth-fault accuracy, an investigation concerning what Vattenfalls angle requirement really means. The main cause of the angular error usually occurs in the current transformers and therefore two commonly used current transformers in the grid with different classifications and their impact on the angular error in the measurement circuit are examined. Ground fault is the most common fault which occurs in a distribution network, its size depends largely on the amount of capacitive current which the grid contributes with as well as the size of the neutral grounding resistor. The capacitive contribution of the grid compensates centrally in the distribution station and sometimes locally on the line. The maximum permitted centrally compensated part of a line is limited to 30 A, this central part can go up to 60 A in case the line needs to be fed from a second distribution station. The angular error has a higher impact if the capacitive contribution is high and for low values of the neutral grounding resistor. In many cases more than one earth-fault protection are found on the same line, in these cases selectivity is always pursued. The angular error may have a negative effect on the selectivity. By calculations, simulations and tests a number of conclusions can be drawn. Vattenfalls angle requirement gives an unclear picture concerning the permitted impact on the earthfault protection. Moreover selecting the correct current transformer demonstrates that the angular requirement can probably be sharpened. To reduce the influence of the angular error the maximum permitted centrally compensated part be reduced and/or the value of the neutral grounding resistor can be increased. A selectivity of 1000 Ω can not always be applied since certain cases require a selectivity of 2000 Ω. By setting the zero sequence voltage as the trigger condition and the zero sequence current as the realese condition, according to this study it may be possible to achieve a more accurate earth-fault protection.

Nu för tiden kablifieras nätet, vilket innebär att allt fler luftledningar ersätts med markkabel, en följd av stormar som åstadkommit stora och långa avbrott i nätet. Egenskaperna i elnätet förändras på grund av kablifieringen och beräkningarna för reläskyddsinställningarna för de riktade jordströmsskyddet som görs idag behöver därför ses över om de fortfarande kan utföras på samma sätt som tidigare. Detta för att säkerställa korrekt och selektiv felbortkoppling i händelse av fel. I föreliggande rapport förklaras i förenklade drag hur resistiva nollföljdsströmmar rör sig i nätet och hur de mäts in av jordfelsskydd. Ett fiktivt 22 kV nät har studerats och jordfel på två olika ledningar i detta nät analyseras och diskuteras. Beräkningar görs med olika storlekar på nollpunktsmotstånd samt olika höga resistiva nollföljdsbidrag från ledningarna vilket ger olika resistiva nollföljdsströmmar i nätet. Detta görs i både normaldrift och i reservdrift för att kunna studera vilka skillnader som faktiskt kan uppkomma. Diskussion sker om vad som hänt om hänsyn tagits till snedavstämning, obalans, vinkelfel och mätfel, vilket beräkningarna i detta arbete inte gör. Slutsatsen som dras av den utförda studien är att det är svårt att ställa in riktade jordströmsskydd samt nollpunktsspänningsskydd för att kunna säkerställa korrekt bortkoppling vid både normal- och reservdrift. Detta på grund av de olika resistiva nollföljdsströmmarna som uppkommer i nätet. / Today more and more overhead lines are replaced by underground cables as a result of storms which have caused major interruptions in the power grid. Because of the cabling, the characteristics of the power grid change and the calculations for the relay protection settings that are made today need to be reviewed if they still can be performed in the same way as before. This to ensure correct and selective fault disconnection. This report, in a simplified way, explains how resistive zero-sequence currents flow in the grid and how they are measured by earth fault protection. A fictitious 22 kV grid has been studied and earth faults on two different cables in the grid are analyzed and discussed. Calculations are made with different sizes of the zero-point resistance resulting in different resistive zero-sequence currents in the grid. This is done both in normal operation and reserve power operation to be able to study differences that can occur. Discussions are made regarding misalignment, imbalance, angle error and measurement error, which have not been included in this work. The conclusion from the study performed is that it is difficult to parameterize a directional earth fault protection and a zero-point voltage protection correctly to be able to secure a correct disconnection in both normal and backup operation. This is because of the various resistive zero-sequence currents that arise in the grid.

The rural power grid has traditionally mostly consisted of overhead power lines. In recent years the trend has been to replace the overhead lines with cables instead. The reason is that overhead lines are relatively vulnerable, strong winds and storms can cause trees and branches to fall over the power lines and cause a phase to ground fault. This will then trip the ground fault relays and disconnect the faulty power line. A cable grid is not vulnerable in the same way, and could be considered a solution to make the power grid more reliable. A cable grid does come whit other types of problems instead. It generates about 50 times more phase to ground capacitance compared with the same length of overhead lines. When a phase to ground fault occurs the capacitance in the healthy phases will generate a current to ground and then through the fault. On average a cable grid generates about 2 A per kilometer. Large cable grids can therefore cause very large capacitive currents to flow through the fault.  To counter this, a reactor is placed between the neutral point of the transformer and ground. When a phase to ground fault occurs, the reactor will generate an inductive current which is in the opposite phase compared to the capacitive current. This current will flow through the faulty line and cancel out the capacitive current. In a perfectly tuned power grid the only component left in the fault is a smaller resistive current. Large cable grids will require a large reactor to generate the large inductive current, which might need to flow over a great distance in the grid to reach the fault location. To reduce the inductive current from the central reactor, it is possible to install smaller local reactors in the grid. These will then in the event of a phase to ground fault generate a part of the inductive current, which will reduce the currents from the central reactor. This report will look at the factors related to grounding systems and how these factors affect the ground fault currents. The purpose of the report is to give recommendations to Umeå Energi on where in their grid they should install additional local reactors and also which factors they should consider when doing future expansions and rebuilds of their power grid.

En tranmissionsledning är delen av elsystemet som överför ström från kraftverk till slutanvändare. Därför är det av vikt att en transmissionslinje alltid ska vara skyddad. Syftet med detta examensarbete var att utveckla och prova en konfiguration av teleskyddsschema med kommunikation mellan två reläskydd med distans- och jordfelsskydd över längsdifferentialskyddets kommunikationskanaler. Detta för att skydda elnätet och koordinera utlösningstiden.  Konfigurationen av reläskydden har utvecklats med mjukvaran ABB PCM600, och funktionerna som valdes är adekvata funktioner för distansskydd, jordfelsskydd och teleskyddsschema.  Provningen delades till två delar. Först verifierades funktionaliteten av distansskyddet och jordfelsskyddet på var och en av reläskydden som självständig skydd, detta för att säkerställa självständiga funktionaliteten av var och en av reläskydden med distans- och jordfelsskydd i fall teleskyddschemat inte var fungerande. Därefter har teleskyddsschemats sändnings- och mottagningsfunktionalitet mellan reläskydden för både distansskyddet och jordfelsskyddet kontrollerats att möjligtvis fungera genom att endast använda en fiberoptisk kabel. Ett fungerande och pålitligt teleskyddsschema med kommunikation mellan två reläskydd kunde säkerställas fungerande genom användning av längsdifferentialskyddets kommunikationskanaler för distans- och jordfelsskydd. Teleskyddsschemat förstärkte distansskyddet och jordfelsskyddet genom accelerering av utlösningssignal, och som en konsekvens samordna utlösningstiden mellan reläskydden vid felavkänning, vilket förbättrade skyddet ännu mer. Direkt kommunikation mellan reläskydden har visat sig vara användbar och tillämpbar, och en användning av sådan implementation är möjlig för isolerade linjer och anläggningar samt mikronät som inte kräver en kontinuerlig övervakning och kontroll. / A transmission line is the part of the electrical system that transfers current from power stations to the end-user. Therefore, it is of importance that a transmission line stays always protected. The purpose of this bachelor thesis is to develop and test a configuration for teleprotection scheme communication between two protective relays with distance and earth fault protection using line differential protection communication channels, that is to protect the electrical grid and coordinate tripping time. The configuration has been developed with the software ABB PCM600, and the chosen functions are adequate functions for distance and earth fault protection and the Teleprotection scheme. The testing has been divided into two parts. Primarily, the functionality of distance and earth fault protection has been tested and verified on each one of the protective relays, that is to ensure the independent functionality of each one of the protective relays with distance and earth fault protection in case there is no Teleprotection scheme functioning. next, the sending and receiving functionality of the teleprotection scheme between the protective relays with distance protection and earth fault protection has been controlled to be possibly functioning through using only a fiber-optic cable. A functioning and reliable Teleprotection scheme with communication between two protective relays could be verified functioning through using line differential protection communication channels for distance and earth fault protection. The Teleprotection scheme strengthened the distance protection and earth fault protection through acceleration of trip signal, and as a consequent coordinating the trip time in case of fault detection. Direct communication between protective relay using fiber-optic cable has proven to be useful and applicable, and a using of such implementation is possible for isolated electrical line and facilities and also micro grids that does not require continuous monitoring and control.