Utilizing a novel technology arc suppression coil in MV distribution network

Abstract

This master's thesis investigates the applicability of a novel arc suppression coil (ASC) technology in a U.S. medium-voltage (MV) distribution network. Single-line-to-earth faults are the most common fault type in MV networks, making their effective compensation an important aspect of distribution system reliability. The objective of this study was to evaluate the performance of a novel ASC and compare it with conventional grounding methods. The research was carried out using a simulation-based approach in a representative MV distribution network, modelled in MATLAB/Simulink.

The simulation results showed that resonance grounding significantly reduced the residual earth fault current compared with the solidly grounded network. The novel ASC achieved compensation comparable to a conventional coil while accurately regulating its inductance throughout the investigated operating conditions. The results also indicated that the practical optimum compensation point may differ from the theoretical tuning point because of network asymmetry, highlighting the importance of modern tuning methods. Although the developed model successfully reproduced the investigated earth-fault current characteristics, unexpected phase-to-ground voltage behaviour, identified during the simulations, indicates that further refinement of the network model is required for complete voltage validation.

Based on the obtained results, the novel ASC technology appears well suited for MV distribution networks in which network capacitance and operating conditions vary over time. The findings support the applicability of novel ASC for reducing manual tuning and enabling higher level of automation in future distribution systems. Future research should focus on experimental validation, simulation model refinement, and evaluation in more representative distribution network configurations.

Tässä diplomityössä tutkitaan uuden teknologian sammutuskelan soveltuvuutta yhdysvaltalaiseen keskijännitteiseen jakeluverkkoon. Yksivaiheiset maasulut ovat keskijänniteverkon yleisin vikamuoto, minkä vuoksi niiden tehokas kompensointi on tärkeä osa sähkönjakelun luotettavuutta. Työn tavoitteena oli arvioida uuden teknologian sammutuskelan suorituskykyä verrattuna perinteisiin maadoitusratkaisuihin. Työ toteutettiin simulointiin perustuvana tutkimuksena, käyttäen MATLAB/Simulink-ympäristössä mallinnettua yhdysvaltalaista keskijännitteistä jakeluverkkoa.

Simulointitulokset osoittivat, että resonanssimaadoitus pienensi maasulkuvirtaa merkittävästi verrattuna suoraan maadoitettuun verkkoon. Tulosten perusteella uuden teknologian sammutuskela saavutti vastaavan kompensointikyvyn kuin tavanomainen sammutuskela. Lisäksi se pystyi säätämään induktanssiaan erittäin tarkasti kaikissa tutkituissa käyttötilanteissa. Tulokset osoittivat myös, että käytännössä optimaalinen kompensointipiste voi poiketa teoreettisesta virityspisteestä verkon epäsymmetrian vuoksi, mikä korostaa nykyaikaisten viritysmenetelmien merkitystä. Vaikka kehitetty simulointimalli kuvasi maasulkuvirran käyttäytymistä onnistuneesti, simuloinneissa havaittu odottamaton vaihejännitteiden käyttäytyminen osoittaa, että mallia on edelleen kehitettävä jännitekäyttäytymisen validointia varten.

Tulosten perusteella uuden teknologian sammutuskela soveltuu hyvin keskijännitteisiin jakeluverkkoihin, joissa verkon kapasitanssi ja käyttötilanteet muuttuvat käytön aikana. Tulokset osoittavat, että uuden teknologian sammutuskela voi vähentää manuaalisen virityksen tarvetta ja samalla tukea jakeluverkkojen kasvavia automaatiovaatimuksia. Jatkotutkimuksena teknologian toimintaa tulisi validoida käytännön sähköasemaympäristössä sekä arvioida sitä nykyistä realistisemmilla jakeluverkon malleilla.