Deeper analyses of fault location on electric power systems through the method of electromagnetic time reversal

Abstract

Fault location has been the object of research in electric power engineering for many decades. A great number of methods have been developed so far, exploring features regarding measured electrical quantities. Most of the methods can be classified into three or four types concerning the way the fault locations are estimated. The research of other methods for fault-location estimation led to the application of the method so-called electromagnetic time reversal (EMTR). The EMTR method was developed and applied to different areas and types of problems before the studies on fault location. The method is based on the time-reversibility property of the equations of the electromagnetic waves in linear, non-dissipative, and time- and frequency-invariant media. Electrical power systems are linear media and can be considered time- and frequency-invariant within a window of time relatively short. The non-dissipative condition is not fulfilled once real power systems have losses. However, previous studies have shown that the EMTR-based faultlocation method works even in the presence of losses. The fault-induced travelling waves form the electromagnetic transients (EMTs), whose signal, whether of electrical current or voltage, is taken for the time-reversal transformation. The method’s application is divided into direct- and reversed-time stages. In the former, the signal is recorded, and in the latter, the fault location is estimated by a metric. The present thesis aims to continue the research on the application of the EMTR method on fault location in power systems. Deeper analyses are performed to extend the knowledge in the literature about the method’s effectiveness and features that influence the method’s behaviour. The method is first applied to a simple system through analytical formulations in the frequency domain, as presented in the previous works. Then, the method is evaluated on the same simple system in the time domain, using the numerical model in one software of simulations of electromagnetic transients. More complex time-domain study cases are considered through two more complex power systems after. The first is a dc transmission link, and the second is a power distribution network. Sophisticated models are used for the underground and overhead cables of the systems. Many fault simulations are performed, where the fault location and the fault resistance are varied. The cut-off frequency used to filter the fault-induced EMTs is changed, in addition to the duration of the signal’s recording. The dependence of the performance of the method on these features is shown. The relation to the spectral content of the signal is observed. The distance of the fault to the point where the signals are recorded is the main feature that can hamper the correct estimation of the fault location. From the analyses, the overall conclusion is that the EMTR method has limited accuracy on fault location in conditions and systems like in the studies. The method could not correctly estimate the location of faults farther than around 30 km from one or two probes where the signals are recorded. More development of the method needs to be done for future applications in similar systems.

Localização de faltas tem sido objeto de pesquisa em engenharia de sistemas elétricos de potência por muitas décadas. Um grande número de métodos tem sido desenvolvido, explorando características relacionadas a grandezas elétricas medidas. A maioria dos métodos pode ser classificada em três ou quatro tipos, de acordo com a forma como a localização das faltas são estimadas. A pesquisa sobre outros métodos para estimar a localização de faltas levou à aplicação do método chamado de reversão do tempo eletromagnético (acrônimo EMTR em inglês). O método EMTR foi desenvolvido e aplicado à diferentes áreas e tipos de problemas antes dos estudos em localização de faltas. O método é baseado na propriedade de reversibilidade no tempo das equações de ondas eletromagnéticas em meios lineares, não dissipativos e invariantes no tempo e na frequência. Os sistemas elétricos de potência são meios lineares e podem ser considerados invariantes no tempo e na frequência dentro de uma janela de tempo relativamente curta. A condição não dissipativa não é satisfeita, uma vez que os sistemas de potência real tenham perdas. No entanto, estudos anteriores mostraram que a localização de falta através do método EMTR funciona mesmo na presença de perda. As ondas viajantes induzidas por falhas formam os transitórios eletromagnéticos (acrônimo EMTs em inglês), cujo sinal, seja de corrente elétrica ou tensão elétrica, é revertido no tempo. A aplicação do método é dividida em estágios de tempo direto e reverso. No primeiro, o sinal é registrado e, no segundo, a localização da falta é estimada por uma métrica. A presente tese visa dar continuidade à pesquisa sobre a aplicação do método EMTR na localização de faltas em sistemas de potência. Análises mais profundas são realizadas para ampliar o conhecimento na literatura sobre a eficácia do método e as características que influenciam seu comportamento. O método é primeiramente aplicado a um sistema simples através de formulações analíticas no domínio da frequência, conforme apresentado em trabalhos anteriores. Em seguida, o método é avaliado no mesmo sistema simples no domínio do tempo, utilizando o modelo numérico em um software de simulações de transitórios eletromagnéticos. Casos de estudo mais complexos no domínio do tempo são posteriormente considerados através de dois sistemas de potência mais complexos. O primeiro é um link de transmissão CC e o segundo é uma rede de distribuição de energia. Modelos sofisticados são usados para os cabos subterrâneos e aéreos dos sistemas. Muitas simulações de falta são realizadas, onde a localização da falta e a resistência da falta são variadas. A frequência de corte usada para filtrar os EMTs induzidos pelas faltas é mudada, bem como a duração do registro do sinal. A dependência do desempenho do método nessas características é mostrada. A relação com o conteúdo espectral do sinal é observada. A distância da falta até o ponto onde os sinais são registrados é a principal característica que pode dificultar a estimativa correta da localização das faltas. A partir das análises, a conclusão geral é que o método EMTR tem exatidão limitada na localização de faltas em condições e sistemas como nos estudos. O método não pôde estimar corretamente a localização de faltas a mais de 30 km de um ou dois medidores onde os sinais são registrados. É necessário maior desenvolvimento do método para aplicações futuras em sistemas reais.