A mathematical model of a power system is created in the Electromagnetic Transients Program (EMTP). The EMTP is an off-line program which produces transients during a fault under different operating conditions and records the three phase voltage data at two computer relay locations. The EMTP simulation results are later played back in real time in a MVME133A computer platform and the digital signals are converted to analog signals through a D/ A board. These analog signals are filtered and provide inputs to the Power Systems Simulator via the power amplifiers. The computer relays, which are being tested, are connected to the Power Systems Simulator. This thesis describes both the EMTP simulation setup and the playback system configuration and algorithm. In addition, the operating procedure for real time playback of an EMTP output file is also described. / Master of Science

This thesis is a combination of the development of numerical models regarding transient simulation of transmission lines and their advantages associated with fault location methods. The transmission line models presented in this work are in time-domain, which is a new approach considering traditional methods as being the phasor and traveling wave techniques. The use of phasors for this purpose has some technical difficulties: the presence of a damped DC component, greater influence of the fault impedance and metrological equipment layout. This work deals with single-phase AC and mono polar DC transmission lines. The proposed transmission line model has three main differentials compared to the traditional Bergeron model: full distribution of linear resistance; full distribution of leakage conductance; and just one recurrence of historical values. The first point is critical for evaluation of the exponential component of transient short circuit currents. The second point refers to the inclusion of the corona effect in the transmission line modeling. The single recurrence indicated in the third topic is given by the complete resolution of the telegrapher\'s equations, so there is no need of serial composition to improve waveform accuracy. The principle of fault location method is calculating the absolute difference between fault voltages seen by the transmission line ends. This technique guarantees a lower influence of the fault impedance and its electrical parameters. / Esta dissertação é uma combinação do desenvolvimento de modelos numéricos para simulação de transitórios eletromagnéticos em linhas de transmissão e suas benesses associadas à localização de faltas. Os modelos de linha de transmissão aqui apresentados estão no domínio do tempo, o que descaracteriza a abordagem tradicional de localização de faltas como técnicas fasoriais e ondas viajantes. A utilização de fasores para esse propósito admite algumas dificuldades técnicas: presença da componente DC amortecida, maior influência da impedância de falta e disposição dos equipamentos metrológicos. Abordam-se linhas de transmissão de sistemas alternado monofásico e contínuo monopolar. A modelagem proposta possui três principais diferenciais frente ao modelo de Bergeron: plena distribuição da resistência linear; plena distribuição da condutância transversal; e apenas uma recorrência a valores históricos. O primeiro ponto é fundamental para avaliação da componente exponencialmente amortecida das correntes transitórias de curto circuito. O segundo ponto se refere à inclusão do efeito corona no modelamento. A recorrência unitária apontada no terceiro tópico apresenta a vantagem de não ser necessária a composição em série do modelo para aprimorar a qualidade das formas de onda. O princípio de localização de faltas se dá pelo cálculo da diferença absoluta entre as tensões instantâneas de falta vistas pelos terminais da linha. Essa técnica garante uma menor influência de impedância de falta e dos parâmetros elétricos.

As descargas atmosféricas são reconhecidamente responsáveis por uma parcela expressiva das interrupções não programadas de fornecimento de energia em sistemas elétricos, contribuindo de forma significativa para a composição dos índices de qualidade de energia mesmo no caso de regiões com níveis ceráunicos moderados. No caso de sistemas de distribuição, grande parte dos problemas está relacionada às sobretensões induzidas por descargas próximas às linhas, as quais decorrem dos campos elétrico e magnético, associados à corrente que se propaga ao longo do canal da descarga. O conhecimento das características de tais campos é, portanto, fundamental para a determinação das sobretensões induzidas nas linhas aéreas de energia. Embora a importância do tema tenha propiciado nos últimos anos o desenvolvimento de um grande número de pesquisas a respeito dos campos eletromagnéticos e das tensões induzidas por descargas atmosféricas, na grande maioria dos trabalhos o solo é representado através de um plano condutor perfeito, portanto com condutividade infinita. Embora tal simplificação possa, em geral, ser considerada válida para a indução magnética e para o campo elétrico vertical, ela não é aplicável ao campo elétrico horizontal, em especial no caso de solos com alta resistividade. Este estudo visa avaliar o comportamento dos campos elétrico (vertical e horizontal) e indução magnética gerados por descargas atmosféricas nuvem-terra, levando em consideração os parâmetros da descarga (amplitude, forma de onda e velocidade de propagação da corrente) e os diferentes modelos para representação do canal da descarga. Além do caso de solo perfeitamente condutor, são consideradas situações mais realistas, isto é, verificando-se a influência, nos campos, de parâmetros como a resistividade e permissividade do solo. / The occurrence of lightning discharges causes a significant amount of unscheduled supply interruptions in overhead lines of electricity systems, contributing to decrease quality indicators of these systems, even in the case of regions with moderated ground flash density. Focusing on the distribution systems, great part of the problems are related to the induced voltages due to lightning discharges in the vicinity of overhead lines, which results from the electric and magnetic fields associated with the current propagation along the return stroke channel. The knowledge of the characteristics of lightning electromagnetic fields is, therefore, crutial for determining induced voltages on overhead lines. Although the importance of the assumption has propitiated in the last years the development of a great number of research concerning the lightning electromagnetic fields and induced voltages on overhead lines, in most of the studies the hypothesis of a perfect conducting ground is assumed. While such assumption can be considered valid for magnetic induction field and for the vertical component of the electric field, it doesn’t apply to the horizontal electric field, especially in the case of ground with high resistivity. The aim of this work is to present and to discuss the characteristics of the electric field (vertical and horizontal components) and magnetic induction generated by the cloud-to-ground lightning discharge, taking into account the lightning parameters (amplitude, waveform and propagation speed of the return stroke current) and the different return stroke models. Besides the case of perfect conducting ground, the influences of the ground permittivity and finite conductivity in the calculation of the electromagnetic fields are so considered.

A transmissão de energia em corrente contínua, a partir de conversores fonte de tensão, é oportuna ao progresso do sistema elétrico de potência e tem permitido vantajosas aplicações. Muito se dá, devido ao emprego na conexão de sistemas com frequências distintas, além da redução de perdas na transmissão, provida pelas características operacionais destes. VSCs também promovem o controle do fluxo de potência, possibilitando uma efetiva contextualização no âmbito das redes inteligentes. Diante deste cenário, este estudo pretende construir um perfil de corrente através do Cálculo de Curto-Circuito Probabilístico, que emprega a Simulação de Monte Carlo, para prover as informações ao desenvolvimento de projetos de equipamentos, ajustes da proteção e controle de sistemas de transmissão em corrente contínua. A Simulação de Monte Carlo requer muitas iterações, tendo um custo computacional elevado. Se forem executadas em programas comerciais, exige um tempo elevado para leitura dos sinais em arquivos. Devido a isso, um programa de código livre usando linguagem C++, foi desenvolvido para possibilitar acesso aos sinais de interesse ainda em memória, reduzindo desta forma o tempo computacional. Além disso, para melhorar a performance, foram usadas técnicas de processamento paralelo e de computação em nuvem. Desta forma, este estudo contribui com informações indispensáveis ao projeto de equipamentos de proteção dos sistemas de transmissão em corrente contínua de forma a cooperar com o desenvolvimento consistente desta tecnologia. / Transmitting electrical power in direct current using a VSC is suitable for the progress of these systems and has remarkable and advantageous applications. This happens in order to connect two systems with distinct frequencies. This type of line is also used in the reduction of losses in transmission over long distances, provided by their operating characteristics. These converters also promote the control of power flow between distinct generation units, making them effective in the context of Smart Grids. Based on this, the purpose of this research is to construct a profile of a current using a Probabilistic Short-Circuit Analysis by Monte Carlo Simulation to provide basic data to the optimum development of design equipment in protection and control. The Monte Carlo Simulation requires many iterations to find an optimal result. An open source program using C++ language was developed to describe all the system models variables in order to decrease the computation time, as it is time consuming to read signals stored on a disk using commercial software. Moreover, in order to lower computation costs, parallel process techniques and cloud computing were used. Therefore, this study contributes to the literature by providing essential information for designing equipment for Direct Current transmission protection systems.

As descargas atmosféricas são reconhecidamente responsáveis por uma parcela expressiva das interrupções não programadas de fornecimento de energia em sistemas elétricos, contribuindo de forma significativa para a composição dos índices de qualidade de energia mesmo no caso de regiões com níveis ceráunicos moderados. No caso de sistemas de distribuição, grande parte dos problemas está relacionada às sobretensões induzidas por descargas próximas às linhas, as quais decorrem dos campos elétrico e magnético, associados à corrente que se propaga ao longo do canal da descarga. O conhecimento das características de tais campos é, portanto, fundamental para a determinação das sobretensões induzidas nas linhas aéreas de energia. Embora a importância do tema tenha propiciado nos últimos anos o desenvolvimento de um grande número de pesquisas a respeito dos campos eletromagnéticos e das tensões induzidas por descargas atmosféricas, na grande maioria dos trabalhos o solo é representado através de um plano condutor perfeito, portanto com condutividade infinita. Embora tal simplificação possa, em geral, ser considerada válida para a indução magnética e para o campo elétrico vertical, ela não é aplicável ao campo elétrico horizontal, em especial no caso de solos com alta resistividade. Este estudo visa avaliar o comportamento dos campos elétrico (vertical e horizontal) e indução magnética gerados por descargas atmosféricas nuvem-terra, levando em consideração os parâmetros da descarga (amplitude, forma de onda e velocidade de propagação da corrente) e os diferentes modelos para representação do canal da descarga. Além do caso de solo perfeitamente condutor, são consideradas situações mais realistas, isto é, verificando-se a influência, nos campos, de parâmetros como a resistividade e permissividade do solo. / The occurrence of lightning discharges causes a significant amount of unscheduled supply interruptions in overhead lines of electricity systems, contributing to decrease quality indicators of these systems, even in the case of regions with moderated ground flash density. Focusing on the distribution systems, great part of the problems are related to the induced voltages due to lightning discharges in the vicinity of overhead lines, which results from the electric and magnetic fields associated with the current propagation along the return stroke channel. The knowledge of the characteristics of lightning electromagnetic fields is, therefore, crutial for determining induced voltages on overhead lines. Although the importance of the assumption has propitiated in the last years the development of a great number of research concerning the lightning electromagnetic fields and induced voltages on overhead lines, in most of the studies the hypothesis of a perfect conducting ground is assumed. While such assumption can be considered valid for magnetic induction field and for the vertical component of the electric field, it doesn’t apply to the horizontal electric field, especially in the case of ground with high resistivity. The aim of this work is to present and to discuss the characteristics of the electric field (vertical and horizontal components) and magnetic induction generated by the cloud-to-ground lightning discharge, taking into account the lightning parameters (amplitude, waveform and propagation speed of the return stroke current) and the different return stroke models. Besides the case of perfect conducting ground, the influences of the ground permittivity and finite conductivity in the calculation of the electromagnetic fields are so considered.

A transmissão de energia em corrente contínua, a partir de conversores fonte de tensão, é oportuna ao progresso do sistema elétrico de potência e tem permitido vantajosas aplicações. Muito se dá, devido ao emprego na conexão de sistemas com frequências distintas, além da redução de perdas na transmissão, provida pelas características operacionais destes. VSCs também promovem o controle do fluxo de potência, possibilitando uma efetiva contextualização no âmbito das redes inteligentes. Diante deste cenário, este estudo pretende construir um perfil de corrente através do Cálculo de Curto-Circuito Probabilístico, que emprega a Simulação de Monte Carlo, para prover as informações ao desenvolvimento de projetos de equipamentos, ajustes da proteção e controle de sistemas de transmissão em corrente contínua. A Simulação de Monte Carlo requer muitas iterações, tendo um custo computacional elevado. Se forem executadas em programas comerciais, exige um tempo elevado para leitura dos sinais em arquivos. Devido a isso, um programa de código livre usando linguagem C++, foi desenvolvido para possibilitar acesso aos sinais de interesse ainda em memória, reduzindo desta forma o tempo computacional. Além disso, para melhorar a performance, foram usadas técnicas de processamento paralelo e de computação em nuvem. Desta forma, este estudo contribui com informações indispensáveis ao projeto de equipamentos de proteção dos sistemas de transmissão em corrente contínua de forma a cooperar com o desenvolvimento consistente desta tecnologia. / Transmitting electrical power in direct current using a VSC is suitable for the progress of these systems and has remarkable and advantageous applications. This happens in order to connect two systems with distinct frequencies. This type of line is also used in the reduction of losses in transmission over long distances, provided by their operating characteristics. These converters also promote the control of power flow between distinct generation units, making them effective in the context of Smart Grids. Based on this, the purpose of this research is to construct a profile of a current using a Probabilistic Short-Circuit Analysis by Monte Carlo Simulation to provide basic data to the optimum development of design equipment in protection and control. The Monte Carlo Simulation requires many iterations to find an optimal result. An open source program using C++ language was developed to describe all the system models variables in order to decrease the computation time, as it is time consuming to read signals stored on a disk using commercial software. Moreover, in order to lower computation costs, parallel process techniques and cloud computing were used. Therefore, this study contributes to the literature by providing essential information for designing equipment for Direct Current transmission protection systems.

O conceito de preservação ambiental dos dias atuais não permite que haja exageros na utilização dos bens naturais, fazendo com que as pessoas se adaptem e reduzam a utilização, ou promovam a reciclagem de materiais. Nessa conjuntura, esse trabalho de doutorado versa sobre a especificação e a necessidade de se obter novos padrões estruturais e elétricos de cruzetas a serem utilizados nas redes de distribuição de 15 kV e procurará desenvolver opções compatíveis com a preservação do meio ambiente. Neste sentido, o principal foco está direcionado à definição de novas geometrias para as cruzetas de madeira, induzindo a uma redução direta na utilização das madeiras retiradas de florestas tropicais. Cabe colocar que quando da proposição de uma nova geometria, todos os aspectos elétricos e mecânicos relacionados à definição deste novo padrão devem ser descritos e comprovados em termos da viabilidade prática e t´técnica de aplicação, dispondo-se de várias análises e procedimentos de testes que o garantam frente às possíveis operações que o sistema elétrico, na classe de tensão de 15 kV, venha a enfrentar. Na realização do trabalho, utilizou-se três softwares, o Alternative Transients Program (ATP), o FLUX 3D e o DIgSILENT PowerFactory, para as simulações dos transitórios eletromagnéticos, simulações de campos elétricos e análises de desempenho das linhas, respectivamente. Pela metodologia aplicada, os resultados observados ressaltam uma considerável margem de segurança no comprimento da estrutura da cruzeta atualmente empregada em campo, permitindo a diminuição desejada e confiável para um modelo alternativo. / The current concept of environmental preservation does not allow any exaggeration in the use of natural resources, leading people to adapt themselves and reduce the use, or promote the recycling of materials. At this juncture, this doctoral work focuses on the specification and the need to obtain new structural and electrical patterns for crossarms to be used in 15 kV distribution networks and seek to develop compatible options with the preservation of the environment. In this sense, the main focus is directed toward the definition of new geometries for wood crossarms, inducing an evident reduction in the use of wood taken from tropical forests. It is important to place that when a new geometry is proposed, all electrical and mechanical aspects related to the definition of this new pattern should be described and demonstrated in terms of practicability and technic of application, arranging various analyzes and testing procedures that guarantee it against the possible operations that the electrical system with voltage rating of 15 kV can be face. In carrying out the work, three softwares (ATP, FLUX 3D e DIgSILENT) were used for the simulation of electromagnetic transients, the simulation of electric fields and analysis of performance of the lines, respectively. For the methodology applied, the observed results highlight a significant safety margin in the length of the crossarm structure currently employed in the field, allowing the desired and reliable reduction for an alternative model.

This thesis is a combination of the development of numerical models regarding transient simulation of transmission lines and their advantages associated with fault location methods. The transmission line models presented in this work are in time-domain, which is a new approach considering traditional methods as being the phasor and traveling wave techniques. The use of phasors for this purpose has some technical difficulties: the presence of a damped DC component, greater influence of the fault impedance and metrological equipment layout. This work deals with single-phase AC and mono polar DC transmission lines. The proposed transmission line model has three main differentials compared to the traditional Bergeron model: full distribution of linear resistance; full distribution of leakage conductance; and just one recurrence of historical values. The first point is critical for evaluation of the exponential component of transient short circuit currents. The second point refers to the inclusion of the corona effect in the transmission line modeling. The single recurrence indicated in the third topic is given by the complete resolution of the telegrapher\'s equations, so there is no need of serial composition to improve waveform accuracy. The principle of fault location method is calculating the absolute difference between fault voltages seen by the transmission line ends. This technique guarantees a lower influence of the fault impedance and its electrical parameters. / Esta dissertação é uma combinação do desenvolvimento de modelos numéricos para simulação de transitórios eletromagnéticos em linhas de transmissão e suas benesses associadas à localização de faltas. Os modelos de linha de transmissão aqui apresentados estão no domínio do tempo, o que descaracteriza a abordagem tradicional de localização de faltas como técnicas fasoriais e ondas viajantes. A utilização de fasores para esse propósito admite algumas dificuldades técnicas: presença da componente DC amortecida, maior influência da impedância de falta e disposição dos equipamentos metrológicos. Abordam-se linhas de transmissão de sistemas alternado monofásico e contínuo monopolar. A modelagem proposta possui três principais diferenciais frente ao modelo de Bergeron: plena distribuição da resistência linear; plena distribuição da condutância transversal; e apenas uma recorrência a valores históricos. O primeiro ponto é fundamental para avaliação da componente exponencialmente amortecida das correntes transitórias de curto circuito. O segundo ponto se refere à inclusão do efeito corona no modelamento. A recorrência unitária apontada no terceiro tópico apresenta a vantagem de não ser necessária a composição em série do modelo para aprimorar a qualidade das formas de onda. O princípio de localização de faltas se dá pelo cálculo da diferença absoluta entre as tensões instantâneas de falta vistas pelos terminais da linha. Essa técnica garante uma menor influência de impedância de falta e dos parâmetros elétricos.

Orientador: Sérgio Kurokawa / Banca: Afonso José do Prado / Banca: Lourenço Matias / Resumo: O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de um modelo de linha de transmissão bifásica diretamente no domínio do tempo, que leve em consideração o efeito da freqüência sobre seus parâmetros longitudinais, utilizando os conceitos de variáveis de estado. Os parâmetros longitudinais, variáveis em relação à freqüência, serão aproximados por funções racionais, cujos pólos e resíduos deverão ser determinados por meio do algoritmo vector fitting. Em seguida, as funções racionais que descrevem o comportamento dos parâmetros longitudinais serão associadas com um circuito elétrico equivalente, que será inserido em cada um dos circuitos π, constituindo uma grande quantidade de cascata de circuitos π. O modelo será utilizado para a realização de simulações de transitórios resultantes das operações de manobras e chaveamentos que ocorrem em uma linha bifásica com plano de simetria vertical. Os resultados serão comparados com os resultados obtidos com programas computacionais do tipo EMTP (cascata de circuitos π inserida no EMTP). Ao término do projeto teremos a nossa disposição um modelo de linha de transmissão que não necessita do uso de simuladores do tipo EMTP. / Abstract: The objective of this work is to implement a computational model of two-phase transmission line in time domain taking into account its frequency dependent longitudinal parameters. The line is represented through a cascade of π circuits and the frequency dependence of the longitudinal parameters is approximated by a rational functions that can be associated with an equivalent circuit representation and this equivalent circuit is inserted in each π circuit. After that the cascade is described through state equations. Validating the model, a frequency dependent two-phase line is represented by a cascade of π circuits. The model will be use for typical switching transients in a two-phase transmission line with a vertical symmetrical plan. The simulations were carried out using state space techniques and an EMTP program (in this case, the cascade was inserted in the EMTP program). It is observed that the simulation results obtained with state space representation are in agreement with those results obtained with EMTP. / Mestre

O conceito de preservação ambiental dos dias atuais não permite que haja exageros na utilização dos bens naturais, fazendo com que as pessoas se adaptem e reduzam a utilização, ou promovam a reciclagem de materiais. Nessa conjuntura, esse trabalho de doutorado versa sobre a especificação e a necessidade de se obter novos padrões estruturais e elétricos de cruzetas a serem utilizados nas redes de distribuição de 15 kV e procurará desenvolver opções compatíveis com a preservação do meio ambiente. Neste sentido, o principal foco está direcionado à definição de novas geometrias para as cruzetas de madeira, induzindo a uma redução direta na utilização das madeiras retiradas de florestas tropicais. Cabe colocar que quando da proposição de uma nova geometria, todos os aspectos elétricos e mecânicos relacionados à definição deste novo padrão devem ser descritos e comprovados em termos da viabilidade prática e t´técnica de aplicação, dispondo-se de várias análises e procedimentos de testes que o garantam frente às possíveis operações que o sistema elétrico, na classe de tensão de 15 kV, venha a enfrentar. Na realização do trabalho, utilizou-se três softwares, o Alternative Transients Program (ATP), o FLUX 3D e o DIgSILENT PowerFactory, para as simulações dos transitórios eletromagnéticos, simulações de campos elétricos e análises de desempenho das linhas, respectivamente. Pela metodologia aplicada, os resultados observados ressaltam uma considerável margem de segurança no comprimento da estrutura da cruzeta atualmente empregada em campo, permitindo a diminuição desejada e confiável para um modelo alternativo. / The current concept of environmental preservation does not allow any exaggeration in the use of natural resources, leading people to adapt themselves and reduce the use, or promote the recycling of materials. At this juncture, this doctoral work focuses on the specification and the need to obtain new structural and electrical patterns for crossarms to be used in 15 kV distribution networks and seek to develop compatible options with the preservation of the environment. In this sense, the main focus is directed toward the definition of new geometries for wood crossarms, inducing an evident reduction in the use of wood taken from tropical forests. It is important to place that when a new geometry is proposed, all electrical and mechanical aspects related to the definition of this new pattern should be described and demonstrated in terms of practicability and technic of application, arranging various analyzes and testing procedures that guarantee it against the possible operations that the electrical system with voltage rating of 15 kV can be face. In carrying out the work, three softwares (ATP, FLUX 3D e DIgSILENT) were used for the simulation of electromagnetic transients, the simulation of electric fields and analysis of performance of the lines, respectively. For the methodology applied, the observed results highlight a significant safety margin in the length of the crossarm structure currently employed in the field, allowing the desired and reliable reduction for an alternative model.