Mitigation strategies for the effects of cross-country faults in cables screens

Medium-voltage distribution grids play a vital role in the modern power system, not only ensuring service quality and continuity, but also addressing important safety and protection challenges. This thesis investigates the mitigation of extreme currents and overvoltages induced in the metallic screens of MV underground cables during crosscountry faults (CCFs), a phenomenon involving simultaneous single-phase to ground faults on two separate lines. The first parts provides an overview of MV distribution network, with particular attention to cable screen bonding configurations and protection schemes. A theoretical foundation of CCFs is presented, followed by a review of key fault detection techniques and an outline of the two main mitigation strategies that form the basis for further analysis. The simulation environment is developed in DIgSILENT PowerFactory, where detailed EMT simulations are conducted in the model, including cable and screen parameters. Automated DPL scripts (DIgSILENT programming language) are implemented to speed up operation processes. The core of the thesis focuses on the two mitigation strategies proposed, the separation of screens by opening breakers at selected substations, and the installation of currentlimiting reactors (CLR) at the primary substation to limit the induced screens currents, within the regulatory limit. The results show an optimal reduction of voltage and current with different configurations, although there is always a compromise to satisfy the limit imposed. The thesis concludes with practical guidelines for MV cable and screen protection under CCF and outlines future works on adaptive coordination of CLRs, improved protection and mitigation design, and further application of the proposed methods in more complex network topologies.

Le reti di distribuzione in media tensione rivestono un ruolo cruciale nei sistemi elettrici moderni, garantendo non solo la qualità e la continuità del servizio, ma anche la sicurezza operativa. Questa tesi studia la mitigazione delle correnti e delle sovratensioni indotte nelle guaine metalliche dei cavi interrati di media tensione durante i guasti cross-country (CCF), ossia doppi guasti trasversali monofase a terra su due linee distinte o sulla stessa linea in carico. La prima parte descrive il quadro generale delle reti MT, con particolare attenzione ai sistemi di messa a terra e alle configurazioni di schermo dei cavi, nonché ai principali schemi di protezione. Viene quindi presentata la teoria dei CCF, seguita da una rassegna delle tecniche più diffuse per il loro rilevamento, fino all’individuazione delle due strategie di mitigazione su cui si basa l’analisi successiva. L’ambiente di simulazione è sviluppato in DIgSILENT PowerFactory, con modelli transitori elettromagnetici (EMT) che tengono conto dei parametri elettrici di conduttori e schermi, oltre alle impedenze di terra delle cabine. Per gestire efficacemente il gran numero di scenari e parametri di guasto, sono stati implementati script automatizzati in DPL (DIgSILENT Programming Language), velocizzando la configurazione e l’esecuzione delle simulazioni. La parte più importante del lavoro si concentra sulle due strategie di mitigazione proposte, la separazione degli schermi lungo i feeder e l’implementazione del reattore limitatore di corrente (CLR) nel primo tratto di rete, al fine di limitare le correnti di guaina indotte, entro il limite normativo. I risultati mostrano una riduzione delle tensioni e correnti indotti considerando delle specifiche configurazioni, sebbene sia sempre necessario un compromesso per soddisfare il limite normativo imposto dalle autorità. La tesi si conclude con linee guida pratiche per la protezione dei cavi e degli schermi in media tensione durante i CCF e delinea i lavori futuri sul controllo ottimizzato dei valori del CLR, sulla progettazione congiunta di sistemi di protezione e mitigazione e sull’analisi di implementazioni di rete più dettagliate.