Analysis of different types of fault is an important and complex task in a power system. Accurate fault analysis requires models that determine fault distances in a transmission line. The mathematical models accurately capture behavior of different types of faults and location in a timely manner, and prevents damaging power system from fault energy. The purpose of this thesis is to use two methods for determining fault locations and their distance to the reference end buses connected by the faulted transmission line. The two methods used in this investigation are referred to as impedance-based and traveling wave methods. To analyze both methods, various types of faults were modeled and simulated at various locations on a two-bus transmission system using EMTP program. Application and usefulness of each method is identified and presented in the thesis. It is found that Impedance-based methods are easier and more widely used than traveling-wave methods.

Este documento apresenta uma metodologia analítica adaptativa para localização de faltas baseada na estimativa da impedância para sistemas de distribuição ativos. A metodologia proposta combina a informação fornecida por dispositivos eletrônicos inteligentes alocados na subestação principal e nos terminais de cada unidade de Recurso Energético Distribuído (do inglês Distributed Energy Resources - DER), o conhecimento da topologia da rede e os seus parâmetros para estimar a localização da falta. A característica adaptativa é dada pelo uso de modelos elétricos lineares para considerar o efeito das DER conectadas à rede, quando a informação fornecida pelos Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (do inglês Intelligent Electronic Devices - IED) não é disponível. Adicionalmente, uma estratégia baseada na técnica Ladder é desenvolvida para estimar a contribuição de corrente desde as DER até o ponto de falta. Esta estratégia permite considerar vários geradores conectados e seus diferentes modos de operação. A metodologia proposta foi validada com o sistema IEEE 34 barras. Este sistema foi modelado no Alternative Transients Program (ATP) e modificado pela inserção de várias unidades DER. A metodologia proposta foi validada em vários cenários. Estes cenários avaliam o efeito da distância até a falta, resistência da falta, incerteza na carga, nível de penetração de DER, número de geradores conectados e erros nas medidas ou na estimação dos parâmetros das DER quando seus modelos forem utilizados. Para estas considerações, o desempenho da formulação proposta é satisfatório, apresentando erros menores do que 3%. / This document presents an adaptive analytical impedance-based fault location methodology for active distribution systems. The proposal combines information provided by Intelligent Electronic Devices (IEDs) located in the substation, each Distributed Energy Resources units terminal, the knowledge of the network topology as well as its parameters to estimate the fault location. Its adaptive feature is given by the use of linear analytical equivalent models to consider of DER effect in case the information provided by a local IED is not available. Additionally, a ladder-based technique is proposed to estimate the current contribution from of DER to the fault point. This process allows considering several DER connected and their different operation modes. The proposed methodology is validated on the IEEE 34-node test feeder. This system is modeled on ATP/EMTP and modified with the insertion of several DER units. The methodology is validated by considering several scenarios. These scenarios evaluate the effect of fault distance, fault resistance, load variation, DER penetration level, numbers of DERs connected and errors in the DER parameters. For these considerations, the proposed methodology performance is satisfactory, presenting fault location errors below 3%.

Este documento apresenta uma metodologia analítica adaptativa para localização de faltas baseada na estimativa da impedância para sistemas de distribuição ativos. A metodologia proposta combina a informação fornecida por dispositivos eletrônicos inteligentes alocados na subestação principal e nos terminais de cada unidade de Recurso Energético Distribuído (do inglês Distributed Energy Resources - DER), o conhecimento da topologia da rede e os seus parâmetros para estimar a localização da falta. A característica adaptativa é dada pelo uso de modelos elétricos lineares para considerar o efeito das DER conectadas à rede, quando a informação fornecida pelos Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (do inglês Intelligent Electronic Devices - IED) não é disponível. Adicionalmente, uma estratégia baseada na técnica Ladder é desenvolvida para estimar a contribuição de corrente desde as DER até o ponto de falta. Esta estratégia permite considerar vários geradores conectados e seus diferentes modos de operação. A metodologia proposta foi validada com o sistema IEEE 34 barras. Este sistema foi modelado no Alternative Transients Program (ATP) e modificado pela inserção de várias unidades DER. A metodologia proposta foi validada em vários cenários. Estes cenários avaliam o efeito da distância até a falta, resistência da falta, incerteza na carga, nível de penetração de DER, número de geradores conectados e erros nas medidas ou na estimação dos parâmetros das DER quando seus modelos forem utilizados. Para estas considerações, o desempenho da formulação proposta é satisfatório, apresentando erros menores do que 3%. / This document presents an adaptive analytical impedance-based fault location methodology for active distribution systems. The proposal combines information provided by Intelligent Electronic Devices (IEDs) located in the substation, each Distributed Energy Resources units terminal, the knowledge of the network topology as well as its parameters to estimate the fault location. Its adaptive feature is given by the use of linear analytical equivalent models to consider of DER effect in case the information provided by a local IED is not available. Additionally, a ladder-based technique is proposed to estimate the current contribution from of DER to the fault point. This process allows considering several DER connected and their different operation modes. The proposed methodology is validated on the IEEE 34-node test feeder. This system is modeled on ATP/EMTP and modified with the insertion of several DER units. The methodology is validated by considering several scenarios. These scenarios evaluate the effect of fault distance, fault resistance, load variation, DER penetration level, numbers of DERs connected and errors in the DER parameters. For these considerations, the proposed methodology performance is satisfactory, presenting fault location errors below 3%.

Este documento apresenta uma metodologia analítica adaptativa para localização de faltas baseada na estimativa da impedância para sistemas de distribuição ativos. A metodologia proposta combina a informação fornecida por dispositivos eletrônicos inteligentes alocados na subestação principal e nos terminais de cada unidade de Recurso Energético Distribuído (do inglês Distributed Energy Resources - DER), o conhecimento da topologia da rede e os seus parâmetros para estimar a localização da falta. A característica adaptativa é dada pelo uso de modelos elétricos lineares para considerar o efeito das DER conectadas à rede, quando a informação fornecida pelos Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (do inglês Intelligent Electronic Devices - IED) não é disponível. Adicionalmente, uma estratégia baseada na técnica Ladder é desenvolvida para estimar a contribuição de corrente desde as DER até o ponto de falta. Esta estratégia permite considerar vários geradores conectados e seus diferentes modos de operação. A metodologia proposta foi validada com o sistema IEEE 34 barras. Este sistema foi modelado no Alternative Transients Program (ATP) e modificado pela inserção de várias unidades DER. A metodologia proposta foi validada em vários cenários. Estes cenários avaliam o efeito da distância até a falta, resistência da falta, incerteza na carga, nível de penetração de DER, número de geradores conectados e erros nas medidas ou na estimação dos parâmetros das DER quando seus modelos forem utilizados. Para estas considerações, o desempenho da formulação proposta é satisfatório, apresentando erros menores do que 3%. / This document presents an adaptive analytical impedance-based fault location methodology for active distribution systems. The proposal combines information provided by Intelligent Electronic Devices (IEDs) located in the substation, each Distributed Energy Resources units terminal, the knowledge of the network topology as well as its parameters to estimate the fault location. Its adaptive feature is given by the use of linear analytical equivalent models to consider of DER effect in case the information provided by a local IED is not available. Additionally, a ladder-based technique is proposed to estimate the current contribution from of DER to the fault point. This process allows considering several DER connected and their different operation modes. The proposed methodology is validated on the IEEE 34-node test feeder. This system is modeled on ATP/EMTP and modified with the insertion of several DER units. The methodology is validated by considering several scenarios. These scenarios evaluate the effect of fault distance, fault resistance, load variation, DER penetration level, numbers of DERs connected and errors in the DER parameters. For these considerations, the proposed methodology performance is satisfactory, presenting fault location errors below 3%.

As linhas de transmissão são usadas para transmitir energia elétrica por longas distâncias e estão naturalmente expostas a condições climáticas severas e à ocorrência de faltas, especialmente as linhas aéreas. Estatísticas mostram que entre 70% - 90% das faltas em linhas de transmissão aéreas são momentâneas (ou transitórias) e apresentam formação de arco elétrico. O arco elétrico é a principal característica de uma falta de alta impedância e resulta do pobre contato entre um condutor energizado e a superfície envolvida. Esta tese aborda o problema de localização de faltas de alta impedância em linhas de transmissão curtas. Propõese uma nova técnica de localização de faltas de alta impedância baseada na impedância aparente, desenvolvida no domínio da frequência e que utiliza componentes de fase. A estimativa da distância da falta é obtida a partir da solução de um sistema sobredeterminado de equações lineares, obtida pela aplicação do método de mínimos quadrados. A abordagem proposta permite estimar a distância de faltas de alta impedância momentâneas e permanentes, em linhas de transmissão curtas simples e paralelas, transpostas ou não. O desempenho da técnica de localização de faltas proposta é avaliado mediante estudos de casos simulados no Alternative Transients Program (ATP) considerando análises de sensibilidade e comparativa, bem como casos reais de faltas. Os resultados obtidos, considerando faltas de alta impedância simuladas e reais, indicam claramente que a abordagem proposta possui validade como técnica de localização de faltas em linhas de transmissão curtas em decorrência do desempenho demonstrado e, também, por características tais como: formulação simplificada no domínio da frequência, simplicidade e facilidade de implementação em dispositivos reais e aplicabilidade a casos reais. / Transmission lines are used to transmit electric power over long distances and are naturally exposed to severe weather conditions, especially overhead lines. Such conditions are highly favorable to the occurrence of faults. Statistics show that between 70% - 90% of faults on overhead lines are nonpermanent (or transient), and present arcing. Arcing is the main characteristic of a nonlinear high impedance fault and is the result of poor contact between an energized conductor and the ground or a grounded object. This thesis approaches the high impedance fault location on short transmission lines problem. It is proposed an impedancebased nonlinear high impedance fault location formulation developed in frequency domain and phase components. The formulation uses the least square method and synchronized phasors, measured by, for example, digital fault recorders installed at both line terminals. The proposed approach allows to estimate the distance of high impedance momentary and permanent faults on short transposed or untransposed transmission lines. The performance of the proposed fault location approach is evaluated through analysis of simulated cases in the Alternative Transients Program (ATP) considering sensitivity and comparative analyzes, and actual cases of high impedance faults. The results, considering simulations of high impedance faults and actual cases, indicate clearly that the proposed approach is valid as fault location technique in short transmission lines due to the demonstrated performance.

As linhas de transmissão são usadas para transmitir energia elétrica por longas distâncias e estão naturalmente expostas a condições climáticas severas e à ocorrência de faltas, especialmente as linhas aéreas. Estatísticas mostram que entre 70% - 90% das faltas em linhas de transmissão aéreas são momentâneas (ou transitórias) e apresentam formação de arco elétrico. O arco elétrico é a principal característica de uma falta de alta impedância e resulta do pobre contato entre um condutor energizado e a superfície envolvida. Esta tese aborda o problema de localização de faltas de alta impedância em linhas de transmissão curtas. Propõese uma nova técnica de localização de faltas de alta impedância baseada na impedância aparente, desenvolvida no domínio da frequência e que utiliza componentes de fase. A estimativa da distância da falta é obtida a partir da solução de um sistema sobredeterminado de equações lineares, obtida pela aplicação do método de mínimos quadrados. A abordagem proposta permite estimar a distância de faltas de alta impedância momentâneas e permanentes, em linhas de transmissão curtas simples e paralelas, transpostas ou não. O desempenho da técnica de localização de faltas proposta é avaliado mediante estudos de casos simulados no Alternative Transients Program (ATP) considerando análises de sensibilidade e comparativa, bem como casos reais de faltas. Os resultados obtidos, considerando faltas de alta impedância simuladas e reais, indicam claramente que a abordagem proposta possui validade como técnica de localização de faltas em linhas de transmissão curtas em decorrência do desempenho demonstrado e, também, por características tais como: formulação simplificada no domínio da frequência, simplicidade e facilidade de implementação em dispositivos reais e aplicabilidade a casos reais. / Transmission lines are used to transmit electric power over long distances and are naturally exposed to severe weather conditions, especially overhead lines. Such conditions are highly favorable to the occurrence of faults. Statistics show that between 70% - 90% of faults on overhead lines are nonpermanent (or transient), and present arcing. Arcing is the main characteristic of a nonlinear high impedance fault and is the result of poor contact between an energized conductor and the ground or a grounded object. This thesis approaches the high impedance fault location on short transmission lines problem. It is proposed an impedancebased nonlinear high impedance fault location formulation developed in frequency domain and phase components. The formulation uses the least square method and synchronized phasors, measured by, for example, digital fault recorders installed at both line terminals. The proposed approach allows to estimate the distance of high impedance momentary and permanent faults on short transposed or untransposed transmission lines. The performance of the proposed fault location approach is evaluated through analysis of simulated cases in the Alternative Transients Program (ATP) considering sensitivity and comparative analyzes, and actual cases of high impedance faults. The results, considering simulations of high impedance faults and actual cases, indicate clearly that the proposed approach is valid as fault location technique in short transmission lines due to the demonstrated performance.

As linhas de transmissão são usadas para transmitir energia elétrica por longas distâncias e estão naturalmente expostas a condições climáticas severas e à ocorrência de faltas, especialmente as linhas aéreas. Estatísticas mostram que entre 70% - 90% das faltas em linhas de transmissão aéreas são momentâneas (ou transitórias) e apresentam formação de arco elétrico. O arco elétrico é a principal característica de uma falta de alta impedância e resulta do pobre contato entre um condutor energizado e a superfície envolvida. Esta tese aborda o problema de localização de faltas de alta impedância em linhas de transmissão curtas. Propõese uma nova técnica de localização de faltas de alta impedância baseada na impedância aparente, desenvolvida no domínio da frequência e que utiliza componentes de fase. A estimativa da distância da falta é obtida a partir da solução de um sistema sobredeterminado de equações lineares, obtida pela aplicação do método de mínimos quadrados. A abordagem proposta permite estimar a distância de faltas de alta impedância momentâneas e permanentes, em linhas de transmissão curtas simples e paralelas, transpostas ou não. O desempenho da técnica de localização de faltas proposta é avaliado mediante estudos de casos simulados no Alternative Transients Program (ATP) considerando análises de sensibilidade e comparativa, bem como casos reais de faltas. Os resultados obtidos, considerando faltas de alta impedância simuladas e reais, indicam claramente que a abordagem proposta possui validade como técnica de localização de faltas em linhas de transmissão curtas em decorrência do desempenho demonstrado e, também, por características tais como: formulação simplificada no domínio da frequência, simplicidade e facilidade de implementação em dispositivos reais e aplicabilidade a casos reais. / Transmission lines are used to transmit electric power over long distances and are naturally exposed to severe weather conditions, especially overhead lines. Such conditions are highly favorable to the occurrence of faults. Statistics show that between 70% - 90% of faults on overhead lines are nonpermanent (or transient), and present arcing. Arcing is the main characteristic of a nonlinear high impedance fault and is the result of poor contact between an energized conductor and the ground or a grounded object. This thesis approaches the high impedance fault location on short transmission lines problem. It is proposed an impedancebased nonlinear high impedance fault location formulation developed in frequency domain and phase components. The formulation uses the least square method and synchronized phasors, measured by, for example, digital fault recorders installed at both line terminals. The proposed approach allows to estimate the distance of high impedance momentary and permanent faults on short transposed or untransposed transmission lines. The performance of the proposed fault location approach is evaluated through analysis of simulated cases in the Alternative Transients Program (ATP) considering sensitivity and comparative analyzes, and actual cases of high impedance faults. The results, considering simulations of high impedance faults and actual cases, indicate clearly that the proposed approach is valid as fault location technique in short transmission lines due to the demonstrated performance.