The objective of this study is to show the analysis and behavior of symmetrical components and balanced faults in power transformers. Thus, the symmetric component methods solve directly the distribution of voltages and currents, allowing the correct verification of the procedure and the influence of earth circuit faults with the neutral point in distribution transformers. Therefore, the symmetric component analysis procedure has an innovative contribution to the determination of problem solving that solves practical cases and allows to determine the unbalanced failure analysis. / Revisión por pares

Orientador: Paulo José Amaral Serni / Banca: Claudionor Francisco do Nascimento / Banca: Fernando Pinhabel Marafão / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo dos fenômenos de desequilíbrio e assimetria que podem ocorrer em sistemas trifásicos, no qual foram estudadas duas abordagens. A primeira delas é a abordagem tradicional de análise de fenômenos de desequilíbrio e assimetria, proposta por Fortescue, denominadas Componentes Simétricas ou Componentes de Sequência. Essa proposta desenvolvida no domínio da frequência foi estudada também no domínio do tempo, após sua adaptação. Isso porque as componentes simétricas generalizadas, nova abordagem de análise de desequilíbrio, está desenvolvida no domínio do tempo. Ambas as propostas de análise do desequilíbrio e assimetria trifásicos são aplicadas à sistemas trifásicos periódicos não senoidais. Enquanto que as componentes simétricas de Fortescue, para serem calculadas, necessitam que o sistema trifásico não senoidal seja decomposto nas harmônicas da série de Fourier, as componentes simétricas generalizadas podem ser aplicadas diretamente ao sistema não senoidal. O desenvolvimento de ambas as abordagens para um sistema periódico não senoidal resulta em relação entre ambas as propostas de análise de desequilíbrio e assimetria As relações entre as componentes simétricas generalizadas e as componentes simétricas de Fortescue são a principal contribuição deste trabalho. Baseado nas componentes simétricas generalizadas, novos indicadores de desequilíbrio são propostos. Os novos indicadores são comparados com os indicadores de desequilíbrio clássicos, os quais foram desenvolvidos a partir da proposta de Fortescue. Por fim, uma aplicação é desenvolvida na qual foram aplicados os conceitos estudados. Nesta aplicação, uma tensão trifásica não senoidal desequilibrada alimenta um motor de indução trifásico / Abstract: This work presents a study of the phenomena of unbalance and asymmetry which may occur in three-phase systems which two approaches were studied. The first one is the traditional approach of analysis of phenomena of unbalance and asymmetry, proposed by Fortescue, called Symmetrical Components or Sequence Components. This proposal developed in the frequency domain was also studied in the time domain after adaptation. This because of the generalized symmetrical components, new approach to the analysis of unbalance and asymmetry is developed in the time domain. Both proposals for analysis if the unbalance and asymmetry in three-phase systems are applied to the periodic non-sinusoidal three-phase systems. While the symmetrical components of Fortescue, to be calculated, require that the non-sinusoidal three-phase system is decomposed into harmonic Fourier series, the generalized symmetrical components can be applied directly to the non-sinusoidal system. The development of both approaches to a periodic non-sinusoidal system results in relationships between both proposals for analysis of unbalance and asymmetry. The relationships between the symmetrical components and the generalized symmetrical components of Fortescue are the main contribution of this work. Based on the generalized symmetrical components, new indicators of unbalance are proposed. The new new indicators are compared with the classical indicators of unbalance, which were developed from the proposed Fortescue. Finally, an application is developed with the concepts studied. In this application, an unbalanced non-sinusoidal three-phase voltage supplies a three-phase induction motor / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-07-20Bitstream added on 2014-06-13T20:09:48Z : No. of bitstreams: 1 costa_llh_me_bauru.pdf: 1092988 bytes, checksum: 490b62551f9555ff7b869527de5680f6 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta um estudo dos fenômenos de desequilíbrio e assimetria que podem ocorrer em sistemas trifásicos, no qual foram estudadas duas abordagens. A primeira delas é a abordagem tradicional de análise de fenômenos de desequilíbrio e assimetria, proposta por Fortescue, denominadas Componentes Simétricas ou Componentes de Sequência. Essa proposta desenvolvida no domínio da frequência foi estudada também no domínio do tempo, após sua adaptação. Isso porque as componentes simétricas generalizadas, nova abordagem de análise de desequilíbrio, está desenvolvida no domínio do tempo. Ambas as propostas de análise do desequilíbrio e assimetria trifásicos são aplicadas à sistemas trifásicos periódicos não senoidais. Enquanto que as componentes simétricas de Fortescue, para serem calculadas, necessitam que o sistema trifásico não senoidal seja decomposto nas harmônicas da série de Fourier, as componentes simétricas generalizadas podem ser aplicadas diretamente ao sistema não senoidal. O desenvolvimento de ambas as abordagens para um sistema periódico não senoidal resulta em relação entre ambas as propostas de análise de desequilíbrio e assimetria As relações entre as componentes simétricas generalizadas e as componentes simétricas de Fortescue são a principal contribuição deste trabalho. Baseado nas componentes simétricas generalizadas, novos indicadores de desequilíbrio são propostos. Os novos indicadores são comparados com os indicadores de desequilíbrio clássicos, os quais foram desenvolvidos a partir da proposta de Fortescue. Por fim, uma aplicação é desenvolvida na qual foram aplicados os conceitos estudados. Nesta aplicação, uma tensão trifásica não senoidal desequilibrada alimenta um motor de indução trifásico / This work presents a study of the phenomena of unbalance and asymmetry which may occur in three-phase systems which two approaches were studied. The first one is the traditional approach of analysis of phenomena of unbalance and asymmetry, proposed by Fortescue, called Symmetrical Components or Sequence Components. This proposal developed in the frequency domain was also studied in the time domain after adaptation. This because of the generalized symmetrical components, new approach to the analysis of unbalance and asymmetry is developed in the time domain. Both proposals for analysis if the unbalance and asymmetry in three-phase systems are applied to the periodic non-sinusoidal three-phase systems. While the symmetrical components of Fortescue, to be calculated, require that the non-sinusoidal three-phase system is decomposed into harmonic Fourier series, the generalized symmetrical components can be applied directly to the non-sinusoidal system. The development of both approaches to a periodic non-sinusoidal system results in relationships between both proposals for analysis of unbalance and asymmetry. The relationships between the symmetrical components and the generalized symmetrical components of Fortescue are the main contribution of this work. Based on the generalized symmetrical components, new indicators of unbalance are proposed. The new new indicators are compared with the classical indicators of unbalance, which were developed from the proposed Fortescue. Finally, an application is developed with the concepts studied. In this application, an unbalanced non-sinusoidal three-phase voltage supplies a three-phase induction motor

É notável que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) está constantemente exposto a adversidades ocasionadas por forças da natureza ou desgastes naturais de seus componentes. A localização com certa exatidão de uma falta no Sistema de Transmissão de Energia Elétrica (STEE), ocasionada por uma destas adversidades, contribui para a confiabilidade e segurança da operação do SEP. Neste contexto, este trabalho apresenta um método computacional de Localização de Faltas (LDF), desenvolvido em ambiente MATLAB®, baseado na Impedância Aparente (IA), utilizando dados de apenas um terminal, sendo o equacionamento desenvolvido em componentes simétricas. Este método tem como dados de entrada as componentes fundamentais de tensão e corrente do terminal local e a Potência de Curto Circuito (SCC) do sistema equivalente conectado ao terminal remoto. Para validar o método proposto foram realizadas diversas simulações para todos os tipos de faltas shunt, contemplando inúmeras condições destas, utilizando para isso, o programa computacional ATP-EMTP, alimentado com dados de parâmetros reais de um sistema de transmissão. Objetivando analisar a eficiência deste método, realizou-se a comparação de seus resultados com os resultados obtidos por um método estado-da-arte. A partir de análises e comparações, os resultados alcançados pertencentes ao método de LDF proposto, apresentam-se promissores para a LDF em sistemas de transmissão. / Electric Power Systems (EPS) are constantly exposed to adversities caused by forces of nature and components lifetime. The precise fault location in the Transmission System (TEPS), caused by these adversities, contributes to the reliability and safety the operation of the EPS. In this context, this work presents a computational method for fault location (FL), developed in MATLAB ® environment, based on the Apparent Impedance (AI) of the transmission line. The proposed method uses only one terminal data and is developed in symmetrical components equations. This method has as input data the fundamental components of voltage and current of the local terminal and the short circuit power (SCP) of the equivalent system connected to the remote terminal. The proposed method is validated through several simulations for all fault types, covering many fault conditions, making use of the software ATP-EMTP, fed with data from the actual parameters of a real life transmission system. Aiming to analyze the efficiency of this method, a comparison was made against the an state-of-the-art method. From analysis and comparison of the results obtained, is observed that the proposed scheme is capable to obtain precise fault location estimations and presents as promising method for the FL in transmission systems.

É notável que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) está constantemente exposto a adversidades ocasionadas por forças da natureza ou desgastes naturais de seus componentes. A localização com certa exatidão de uma falta no Sistema de Transmissão de Energia Elétrica (STEE), ocasionada por uma destas adversidades, contribui para a confiabilidade e segurança da operação do SEP. Neste contexto, este trabalho apresenta um método computacional de Localização de Faltas (LDF), desenvolvido em ambiente MATLAB®, baseado na Impedância Aparente (IA), utilizando dados de apenas um terminal, sendo o equacionamento desenvolvido em componentes simétricas. Este método tem como dados de entrada as componentes fundamentais de tensão e corrente do terminal local e a Potência de Curto Circuito (SCC) do sistema equivalente conectado ao terminal remoto. Para validar o método proposto foram realizadas diversas simulações para todos os tipos de faltas shunt, contemplando inúmeras condições destas, utilizando para isso, o programa computacional ATP-EMTP, alimentado com dados de parâmetros reais de um sistema de transmissão. Objetivando analisar a eficiência deste método, realizou-se a comparação de seus resultados com os resultados obtidos por um método estado-da-arte. A partir de análises e comparações, os resultados alcançados pertencentes ao método de LDF proposto, apresentam-se promissores para a LDF em sistemas de transmissão. / Electric Power Systems (EPS) are constantly exposed to adversities caused by forces of nature and components lifetime. The precise fault location in the Transmission System (TEPS), caused by these adversities, contributes to the reliability and safety the operation of the EPS. In this context, this work presents a computational method for fault location (FL), developed in MATLAB ® environment, based on the Apparent Impedance (AI) of the transmission line. The proposed method uses only one terminal data and is developed in symmetrical components equations. This method has as input data the fundamental components of voltage and current of the local terminal and the short circuit power (SCP) of the equivalent system connected to the remote terminal. The proposed method is validated through several simulations for all fault types, covering many fault conditions, making use of the software ATP-EMTP, fed with data from the actual parameters of a real life transmission system. Aiming to analyze the efficiency of this method, a comparison was made against the an state-of-the-art method. From analysis and comparison of the results obtained, is observed that the proposed scheme is capable to obtain precise fault location estimations and presents as promising method for the FL in transmission systems.

É notável que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) está constantemente exposto a adversidades ocasionadas por forças da natureza ou desgastes naturais de seus componentes. A localização com certa exatidão de uma falta no Sistema de Transmissão de Energia Elétrica (STEE), ocasionada por uma destas adversidades, contribui para a confiabilidade e segurança da operação do SEP. Neste contexto, este trabalho apresenta um método computacional de Localização de Faltas (LDF), desenvolvido em ambiente MATLAB®, baseado na Impedância Aparente (IA), utilizando dados de apenas um terminal, sendo o equacionamento desenvolvido em componentes simétricas. Este método tem como dados de entrada as componentes fundamentais de tensão e corrente do terminal local e a Potência de Curto Circuito (SCC) do sistema equivalente conectado ao terminal remoto. Para validar o método proposto foram realizadas diversas simulações para todos os tipos de faltas shunt, contemplando inúmeras condições destas, utilizando para isso, o programa computacional ATP-EMTP, alimentado com dados de parâmetros reais de um sistema de transmissão. Objetivando analisar a eficiência deste método, realizou-se a comparação de seus resultados com os resultados obtidos por um método estado-da-arte. A partir de análises e comparações, os resultados alcançados pertencentes ao método de LDF proposto, apresentam-se promissores para a LDF em sistemas de transmissão. / Electric Power Systems (EPS) are constantly exposed to adversities caused by forces of nature and components lifetime. The precise fault location in the Transmission System (TEPS), caused by these adversities, contributes to the reliability and safety the operation of the EPS. In this context, this work presents a computational method for fault location (FL), developed in MATLAB ® environment, based on the Apparent Impedance (AI) of the transmission line. The proposed method uses only one terminal data and is developed in symmetrical components equations. This method has as input data the fundamental components of voltage and current of the local terminal and the short circuit power (SCP) of the equivalent system connected to the remote terminal. The proposed method is validated through several simulations for all fault types, covering many fault conditions, making use of the software ATP-EMTP, fed with data from the actual parameters of a real life transmission system. Aiming to analyze the efficiency of this method, a comparison was made against the an state-of-the-art method. From analysis and comparison of the results obtained, is observed that the proposed scheme is capable to obtain precise fault location estimations and presents as promising method for the FL in transmission systems.

Oberschwingungen als ein Merkmal der Elektroenergiequalität gewinnen durch die starke Netzintegration leistungselektronisch geregelter Anlagen wie Windenergieanlagen und nichtlineare Lasten zunehmend an Bedeutung. Bestehende Normen entsprechen nicht den zukünftigen Erfordernissen des Elektroenergiesystems und bedürfen diesbezüglich einer Überarbeitung. In der Arbeit werden wesentliche Einflussfaktoren auf das Oberschwingungsverhalten von Windparks identifiziert, beschrieben und modelliert. Dabei wird der stochastische Charakter der Oberschwingungen mithilfe von probabilistischen Ansätzen erfasst. Des Weiteren wird ein neuer Ansatz zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Windpark und dem vorgelagerten Netz entwickelt. Der Ansatz ermöglicht, die vom Windpark verursachte Änderung der Oberschwingungsspannung am Netzanschlusspunkt zu ermitteln. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Verbesserung bestehender Normen für die Anbindung von Windparks. / Harmonics, as one of the power quality criteria, are increasingly gaining attention due to the progressive contribution of renewable energy resources and the application of the nonlinear load in the power system. Current standards do not conform to the future requirements of the power system, thus requiring a revision. In this work, main influence factors on the harmonic behavior of wind farms are identified, explained, and modelled. Thereby, the stochastic nature of harmonics is taken into account using probabilistic approaches. Moreover, a novel approach is developed to investigate the interaction between the wind farm and the upstream grid. With the aid of this approach, it is possible to determine the voltage change caused by the wind farm at the point of connection. This work contributes to improve the existing standards for the connection of wind farms.

Les travaux de la thèse se focalisent sur la protection des réseaux de distribution HTA en présence des générateurs distribués (éoliennes, fermes solaires,...). Dans un premier temps, un état de l’art a été réalisé sur les comportements des générateurs en creux de tension, leurs impacts sur le système de protection et les pistes de solution proposées pour y remédier. L’étape suivante est la mise au point d’algorithmes directionnels de détection de défauts, sans mesure de tension. Ces algorithmes s’appuient sur la décomposition en composantes symétriques des courants mesurés. Ces relais doivent empêcher le déclenchement intempestif de protections de surintensité dû au courant de défaut provenant des générateurs distribués. Ils sont moins coûteux par rapport à ceux traditionnels car les capteurs de tension, qui sont indispensables pour ces derniers, peuvent être enlevés. Après détection d’un défaut sur critère de seuil simple (max de I ou max de I résiduel), la direction est évaluée à l’aide d’un algorithme en delta basé sur les rapports courants inverse-homopolaire ou inverse-direct, selon le type de défaut (monophasé ou biphasé). En se basant sur ces rapports, un classifieur SVM (Support Vector Machines), entrainé préalablement à partir des simulations, donne ensuite l’estimation de la direction du défaut (amont ou aval par rapport au relais). La bonne performance de ces algorithmes a été montrée dans la thèse pour différents paramètres du réseau et en présence de différents types de générateurs. Le développement de tels algorithmes favorise la mise en œuvre des protections en réseau, qui pourraient être installées dans les futurs Smart Grids. / This research focuses on the protection of MV distribution networks with Distributed Generators (DGs), such as wind farms or photovoltaic farms, etc. First, the state of art is carried out on fault behaviour of DGs, their impacts on protection system and the mitigation solutions. Next, algorithms are developed for directional relays without voltage sensors. Based on the symmetrical component method, these algorithms help the overcurrent protections to avoid the false tripping issue due to fault contribution of DGs. With the suppression of voltage sensors, such directional relays become cheaper in comparison with the traditional ones. Following the fault detection (the phase or residual current reaches the pick-up value) and depending on fault type (line-to-ground or line-to-line fault), the ratios between the variation (before and during fault) of negative-zero sequence or negative-positive sequence currents are calculated. From these ratios, a SVM (Support Vector Machines) classifier estimates the fault direction (upstream or downstream the detector). The classifier is trained beforehand from transient simulations. This survey shows good performances of the directional algorithms with different network parameters and different kinds of DGs. Such algorithms could be implemented in protections along the feeders in the future smart grids.

Asimetrinė fazinių įtampų sistema stipriai pablogina asinchroninių variklių darbą. Tyrimo tikslas – ištirti trifazio asinchroninio variklio darbą, esant įvairioms maitinimo įtampos fazorių modulių asimetrijoms. Asinchroninio variklio visi energetiniai rodikliai apskaičiuoti atlikus jų tuščiosios veikos ir apkrovos bandymus bei panaudojus atskirų galios nuostolių metodą. Įtampos asimetriškumo lygis gaunamas panaudojus simetrinių dedamųjų metodą. Atsiradus asimetrijai, asinchroninio variklio oro tarpe kuriamas elipsinis sukamasis magnetinis laukas, kuris sukelia variklyje ir sukimo, ir stabdymo momentus. Tik esant simetrinei fazinių įtampų sistemai (ka = 0 %), prie variklio nurodytosios apkrovos visi kiti dydžiai gaunami nurodytieji. Teoriškai ir eksperimentiškai ištyrus 1,1 kW galios asincroninį elektros variklį gauta, kad esant asimetrinei fazinių įtampų sistemai (ka = 11 %), prie nurodytosios apkrovos asinchroninio variklio iš tinklo vartojama galia P1 padidėjo 22,4 %, apsisukimai n sumažėjo, o slydimas s padidėjo 94,7 %, galios nuostoliai ΣP padidėjo 101 %, elektromagnetinis momentas Mem padidėjo 4,9 %, naudingumo koeficientas η sumažėjo 21,4 % ir galios koeficientas cos φ sumažėjo 0,9 %. / Asymmetrical phase system of voltages significantly degrades induction motors work. The study objective - to explore the three-phase asynchronous motor at different power supply modules vector asymmetry. All energetic indicators of the asynchronous motor winding were calculated after performing their no-load and load testing, and using the method of separate power loss. Asymmetry voltage level obtained by using the method of symmetrical components. The emergence of asymmetry in the induction motor air gap created elliptical rotary magnetic field, which caused an engine torque and braking points. Only a symmetrical phase voltage system (ka = 0%), the given load on the engine all the other values given are obtained. Theoretical and experimental study of 1,1 kW electric asynchronous motor revealed that in asymmetric phase voltage system (ka = 11%), at the given induction motor load from the mains power is used in P1 increased by 22,4%, n speed decreased and the slip increased by 94,7%, power ΣP loss has increased 101%, the electromagnetic torque Mem increased by 4,9%, the efficiency η decreased 21,4% and power factor cos φ decreased by 0,9%.

O presente trabalho apresenta estudos teóricos e uma revisão bibliográfica sobre diversos aspectos relevantes à qualidade da energia elétrica, principalmente os afundamentos de tensão em sistemas de energia elétrica. A avaliação da eficiência de um sistema elétrico de potência é quantificada por diversos fatores de qualidade, destacando-se a continuidade do fornecimento de energia elétrica aos consumidores. Nesse contexto, a análise de faltas é muito importante e demanda especial atenção quando do projeto do esquema de proteção e dos índices de qualidade do sistema elétrico de distribuição. Assim sendo, o presente trabalho apresenta uma comparação entre os métodos de cálculo de curtos circuitos convencionais: Método das Componentes Simétricas e o Método das Componentes de Fases. Também é apresentada uma nova aproximação da obtenção da matriz de impedância de cada elemento do sistema elétrico de potência, para a resolução pelo Método das Componentes Simétricas em sistemas desequilibrados. Usando um modelo particular de um sistema elétrico de distribuição são efetuadas simulações computacionais para avaliar o desempenho do algoritmo proposto. As simulações de curtos circuitos são realizadas com rotinas no ambiente MatLab e logo comparadas com os resultados do programa ATP/EMTP. Os cálculos de afundamentos de tensão são realizados para diferentes tipos de faltas: trifásica-terra (FFFT), fase-terra (FT), fase-fase (FF) e fase-fase-terra (FFT). Apesar de o trabalho estar centrado em sistemas de distribuição, as conclusões podem ser referidas a qualquer tipo de sistema de energia elétrica. Os resultados obtidos nessas simulações mostram que a aproximação proposta que consiste da obtenção da impedância de componentes simétricas de cada elemento, apresenta um ótimo desempenho. O objetivo desta comparação é identificar o método de cálculo de curto-circuito que ofereça a viabilidade de simplificação nos procedimentos de cálculo, como também na modelagem dos componentes do sistema elétrico de energia, mantendo continuamente uma boa precisão dos resultados dentro dos limites de tolerância. Com esta simplificação se pode reduzir significativamente o tempo das simulações, o processo de análise e tomada de decisão mais ágil e eficiente. / This work presents theoretical studies and a literature review on various aspects relevant to the quality of electric power, especially voltage sags in electric power systems. Assessing the efficiency of a power system is quantified by several quality factors, highlighting the continued supply of electricity to consumers. In this context, the analysis of faults is very important and demand special attention when designing the protection scheme and the quality indexes of the electrical system of distribution. Therefore, this work presents a comparison between the calculation methods of conventional short circuit: Method of Symmetrical Component and Method of Phases Components. It also presents a new approach to obtaining the impedance matrix of each element of the electric power system for the resolution by the Method of Symmetrical Components in unbalanced systems. Using a particular model of an electric distribution system computer simulations are carried out to evaluate the performance of the algorithm. Simulations of short circuits are performed with routines in MatLab environment and then compared with the results of the software ATP/EMTP. The calculations of voltage sags are performed for different types of faults: three-phase- ground (FFFT), phase-ground (FT), phase-phase (FF) and phase-phase- ground (FFT). Although the work is centered on distribution systems, the findings can be referred to any type of power system. The results obtained in these simulations show that the proposed approach consists of obtaining the impedance of symmetrical components of each element, presents a great performance. The purpose of this comparison is to identify the method of calculating short-circuit that provides the feasibility of simplifying the calculation procedures, but also in the modeling of system components, electric power, continuously keeping a good accuracy of results within the tolerance limits. With this simplification can significantly reduce the time of simulations, the process of analysis and decision making more agile and efficient.