background image

The method of symmetrical 

The method of symmetrical 

components

components

background image

2 / 48

Symmetrical system

Symmetrical system

       Voltages 

      

Currents

A

A

2

B

A

C

A

U

U

U

a U

U

aU

=

=

=

A

A

2

B

A

C

A

I

I

I

a I

I

aI

=

=

=

2

3

4

2

3

3

j

3

1

2

2

j

j

2

3

1

2

2

a e

j

a

e

e

j

p

p

- p

=

=- +

=

=

=- -

Phase notation: A, B, C  lub  R, S, 

Vector diagram of voltages in three-

phase system

complex rotational 

phasors:

background image

3 / 48

Linear component

Linear component

R

S

R

S

T

T

N

N

R

I

S

I

T

I

'

R

I

'

S

I

'

T

I

T

S

R

I

I

I

T

U

S

U

R

U

'

T

U

'

S

U

'

R

U

ELEMENT

TRÓJFAZOWY

OPISANY

MACIERZĄ Z

Equipment in power systems is represented by 
equivalent circuits, which are designed for the 
individual tasks of power system analysis. For the 
calculation of short-circuits, the equivqalent 
circuits iclude resistance and inductive reactance. 
Shunt elements, i.e. capacitive reactance are 
omitted.

The equivalent circuit has couplings in the three-
phase system which are of an inductive type.

background image

4 / 48

The equations of linear component

The equations of linear component

D

=

-

=

+

+

'

RR R

RS S

RT T

R

R

R

U

U

U

Z I

Z I

Z I

D

= -

=

+

+

'

SR R

SS S

ST T

S

S

S

U

U

U

Z I

Z I

Z I

D = -

=

+

+

'

TR R

TS S

TT T

T

T

T

U

U

U

Z I

Z I

Z I

D =

U ZI

D

-

� �

� �

D = D

=

-

� �

� �

D

-

� �

R

R

R

S

S

S

T

T

T

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

� �

� �

=��

� �

� �

R

S

T

I

I
I

I

=�

RR

RS

RT

SR

SS

ST

TR

TS

TT

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

The ralationship between voltages and currents of a 
three-phase system can be described by the 
following equations: 

In a matrix notation 

where 

Matrix Z is the matrix of self-impedances and mutual 
(coupling)  impedances  of  the  element.  Self-
impedances Zii (i = R, S, T) are located on the main 
diagonal,  and  mutual  impedances  outside  it.  For 
symmetrical  elements,  the  self-impedances  of 
individual phases are equal.

background image

5 / 48

The equations of linear component

The equations of linear component

Mutual  impedances  between  individual  phases 
depend on the type of element.  

Static  element  (line,  transformer,  reactor)  – 
impedances are reciprocal:

RS

RT

SR

ST

TR

TS

m

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

=

=

=

=

=

=

Rotating element (electric motor, generator) – 
impedances are circular:

Mutual impedances of a given phase in relation 
to the other phases are not equal because 
windings of these phases are differently 
positioned in relation to the rotor.

RS

RT

ST

SR

TR

TS

Z

Z Z

Z Z

Z

1

2

RS

ST

TR

m

RT

TS

SR

m

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

=

=

=

=

=

=

background image

6 / 48

Impedance matrix 

Impedance matrix 

Z

Z

=�

s

m

m

m

s

m

m

m

s

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

-

-

= -

-

-

-

1

2

2

1

1

2

s

m

m

m

s

m

m

m

s

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Thus the matrices of impedances can be written 

if the form:

for a static component

 

for a 

rotating component 

Sign – (minus) indicates that currents in the other 
phases induce in the given phase EMFs having the 
opposite sense in relation to self-induction EMFs, 
which results from the mutual location of stator 
phase windings.  

In the equations of 3-phase circuit the voltage loss in 
each phase of the component is dependent on all 
phase currents, and on the self-impedance of this 
phase and the mutual impedances between this 
phase and the other phases. 

background image

7 / 48

The equations of linear component

The equations of linear component

(

)

D =

+

+

=

+

+

=

-

2

s R

mS

mT

s R

m R

m R

s

m R

R

U

Z I

Z I

Z I

Z I

Z a I

Z aI

Z Z I

(

)

D =

+

+

=

+

+

=

-

2

mR

s S

mT

m S

s S

m

S

s

m S

S

U

Z I

Z I

Z I

Z aI

Z I

Z a I

Z Z I

(

)

D =

+

+

=

+

+

=

-

2

mR

mS

s T

m T

m T

s T

s

m T

T

U

Z I

Z I

Z I

Z a I

Z aI

Z I

Z Z I

For balanced load the set of equations 
receives the form:

Voltage drop in each 
phase depends only on 
the current of  this 
phase – the equations 
are 
mutually independent 
and Z impedance 
matrix is diagonal.

-

=

-

-

s

m

s

m

s

m

Z Z

0

0

0

Z Z

0

0

0

Z Z

Z

background image

8 / 48

The method of symmetrical components

The method of symmetrical components

Let us consider the three-phase RL symmetrical circuit in 

which currents and voltages may form unbalanced systems.

The multiplicity of couplings between phases complicates the 

circuit analysis. Therefore, a mathematical transformation is 

sought which transfers phase components to different 

system. The following conditions should apply for the 

transformation:

The transformed voltages should depend only on one 

transformed current.

The transformation should be linear - the linear 

relationship between current and voltage should be 

retained.

The desired transformation (transformation 0, 1, 2) consists in 

replacing the unbalanced systems of currents and phase 

voltages by their symmetrical components, i.e. by the three 

symmetrical vector systems – the zero-sequence (0), the 

positive sequence (1) and the negative-sequence system (2).

background image

9 / 48

The symmetrical component 

The symmetrical component 

transformation

transformation

The transformation diagonalising the matrix is introduced

-

D =

1

S U SZS SI

-

=

=

2

1

2

2

2

1 1 1

1 1 1

1

1 a a ;

1 a

a

3

1 a

a

1 a a

S

S

The  matrix  S  is  a  third-order  nonsingular 
(determinant S ≠ 0) matrix, whose elements shall be 
so selected that as a result of transformation S Z S

-1

 

the  impedance  matrix  is  diagonalised.  Matrix  S  is 
called 

the 

operator 

matrix 

of 

symmetrical 

components,  and  its  element  a  –  the  complex 
operator

p

p

- p

=

=- +

=

=

=- -

2

3

4

2

3

3

j

3

1

2

2

j

j

2

3

1

2

2

a e

j

a

e

e

j

background image

10 / 48

Symmetrical components method

Symmetrical components method

where I

– vector of sequence 

currents,
          ΔU

p

 – vector of sequence 

voltages:

D =

p

p p

U Z I

R

R

S

T

(0)

2

2

S

R

S

T

(1)

p

2

2

T

R

S

T

(2)

1 1 1

I

I

I I

I

1

1

1 a a

I

I

a I

a I

I

3

3

1 a

a

I

I

a I

a I

I

� �

+ +

���

� �

���

= =

� =

+

+

=� �

���

� �

���

+

+

���

� � �

I SI

R

R

S

T

(0)

2

2

S

R

S

T

(1)

p

2

2

T

R

S

T

(2)

1 1 1

U

U

U

U

U

1

1

1 a a

U

U

a U a U

U

3

3

1 a

a

U

U

a U a U

U

D

D +D +D

D

�� �

�� �

D = D =

�D

=

D + D + D

= D

�� �

�� �

D

D + D + D

D

�� �

� �

U S U

As a result of transformation the following 
equation is obtained:

background image

11 / 48

Transformation of impedances

Transformation of impedances

s

m

m

1

2

2

m

s

m

p

2

2

m

m

s

s

m

(0)

s

m

(1)

s

m

(2)

1 1 1

Z

Z

Z

1 1 1

1

1 a a

Z

Z

Z

1 a

a

3

1 a

a

Z

Z

Z

1 a a

Z 2Z

0

0

Z

0

0

0

Z Z

0

0

Z

0

0

0

Z Z

0

0 Z

-

��

��

��

��

=

=

=

��

��

��

��

��

��

+

=

-

=�

-

� �

Z SZS

For a static component:

background image

12 / 48

Transformation of impedances

Transformation of impedances

1

2

2

1

1

2

1

2

1

2

1

2

s

m

m

1

2

2

m

s

m

p

2

2

m

m

s

s

m

m

2

s

m

m

2

s

m

m

(0)

(1)

(2)

1 1 1

Z

Z

Z

1 1 1

1

1 a a

Z

Z

Z

1 a

a

3

1 a

a

Z

Z

Z

1 a a

Z Z

Z

0

0

0

Z a Z

a Z

0

0

0

Z a Z

a Z

Z

0

0

0

Z

0

0

0 Z

-

-

-

=

=

�-

-

=

-

-

-

-

=

-

-

=

-

-

=�

Z SZS

For a rotating component 

background image

13 / 48

Symmetrical component method

Symmetrical component method

Finally, the equations of 3-phase circuit may be 
written in the form: 

(0)

(0)

(0)

(1)

(1)

(1)

(2)

(2)

(2)

U

Z

0

0

I

U

0

Z

0

I

U

0

0 Z

I

� �

�� �

D

� �

�� �

D

=

� �

�� �

� �

�� �

D

�� �

(0)

(1)

(2)

'

(0)

(0)

(0)

'

(1)

(1)

(1)

'

(2)

(2)

(2)

U

U

Z

0

0

I

U

U

0

Z

0

I

0

0 Z

I

U

U

-

�� �

� �

�� �

-

=

�� �

� �

�� �

� �

�� �

-

The impedance matrix of symmetrical components is 
diagonal. 

Thus the coupled set of equations which described 
the 3-phase circuit in phase variables becomes an 
uncoupled set of equations in the symmetrical 
components.

background image

14 / 48

Interpretation of the symmetrical 

Interpretation of the symmetrical 

components system

components system

The reverse transformation of the 012-system to 
the RST-system is achieved by the matrix S

-1

 in 

accordance with:

-

-

=

=

1

1

p

p

I S I U S U

(2)

(2)R

(2)

(2)S

2

(2)

(0)

(0)R

(0)

(0)S

(0)

(

(1)

(1)R

2

(1)

(1)S

(1)

(

(2)T

R

S

T

0

1)

T

T

)

I

I

I

I

I

a

I

I
I

I

I

I

I

a

I

I

aI

I

a I

I

I

I

I

= + + =

+

+

=

+

+ =

+

+

=

+

+ =

+

+

(2)

(2)R

(2)

(2)S

2

(2)

(0)

(0)R

(0)

(0)S

(0)

(

(1)

(1)R

2

(1)

(1)S

(1)

(

(2)T

R

S

T

0

1)

T

T

)

U

U

U

U

U

a

U

U

U

U

U

U

U

a

U

U

aU

U

a U

U

U

U

U

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

Reference 

phase

The vectors of phase currents and voltages are 

the linear combination of sequence 

components.

background image

15 / 48

The invariance of power in 012-system

The invariance of power in 012-system

*

=

+

+

=

*

*

*

T

R

S

T

R

S

T

S U I

U I

U I

U I

*

* *

*

=

=

=

T

T T

T

P

P

1

1

S

3

3

U I

U S S I

U I

( )

=

=

T

T

T T

P

U

SU

U S

( )

=

=

*

*

* *

P

I

SI

S I

=

T

S

S

*

-

=

1

1

3

S

S

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

(

)

*

*

*

*

=

=

+

+

T

P

0

1

2

P

0

1

2

S 3

3 U I

U I

U I

U I

The transformation from RST-system to 012-

system is not invariant with respect to power.

In 012-system:

In RST-system:

because

Thus,

background image

16 / 48

Equivalent circuits for symmetrical 

Equivalent circuits for symmetrical 

components

components

R

S

R

S

T

T

R

N

R

I

S

I

T

I

T

S

R

I

I

I

TK

U

SK

U

RK

U

ELEM

EN

T

TRÓJFAZOW

Y

OPISAN

Y

M

ACIERZĄ 

Z

E

R

E

S

E

T

U

u

Z

u

U

K

 

= +D +D

u

E U

U

U

Earthing impedance

The voltage equation of the 

circuit:

background image

17 / 48

Equivalent circuits for symmetrical 

Equivalent circuits for symmetrical 

components

components

� �

� �

=� �

� �

� �

R

S

T

I

I
I

I

(

)

D =

+ +

u R

S

T

u

U

Z I

I

I

� �

� �

=� �

� �

� �

R

S

T

E

E
E

E

� �

� �

=� �

� �

� �

R

S

T

U

U
U

U

D

� � �

�� �

� � �

�� �

D = D

=

� � �

�� �

� � �

�� �

D

� �

� �

u

u

u

R

u

u

u

u

S

u

u

u

u

u

T

u

U

Z

Z

Z

I

U

Z

Z

Z

I

U

Z

Z

Z

I

U

= + +

u

E U ZI Z I

-

-

=

+

+

1

1

u

u

SE SU SZS S I SZ S S I

= +

+

P

P P

uP P

P

E

U

Z I

Z I

012-transformation yields:

The voltage matrix equation 
receive the form:

background image

18 / 48

Equivalent circuits for symmetrical 

Equivalent circuits for symmetrical 

components

components

The source EMF symmetrical components:

( )

( )

( )

� �

� �

� �

=

=

� �

� �

� �

0

P

1

2

E

E

E

E

SE

( )( )

( )( )

( )( )

-

=

=

0 0

1

P

1 1

2 2

Z

0

0

0

Z

0

0

0

Z

Z

SZS

-

=

=�

u

1

uP

u

3Z

0 0

0

0 0

0

0 0

Z

SZ S

The transformation of impedances:

for the 

element 

for the 

earthing

background image

19 / 48

Equivalent circuits for symmetrical 

Equivalent circuits for symmetrical 

components

components

We assume that the source is 

symmetrical:

2

S

R

E

a E

=

T

R

E

aE

=

=

+

+

=

+ + =

2

2

(0)

R

R

R

R

1

1

E

(E

a E

aE )

E (1 a

a) 0

3

3

=

+

+

=

=

2

2

(1)

R

R

R

R

R

1

1

E

(E

aa E

a aE )

3E

E

3

3

=

+

+

=

+ +

=

2 2

a

(2)

R

R

R

R

1

1

E

(E

a a E

aaE )

E (1 a a ) 0

3

3

In such a case the symmetrical component of EMF are the following:

( )

( )

( )

� �

� �

� �

� �

� �

=

=� �

� �

� �

� �

� �

� �

0

P

1

R

2

E

0

E

E

0

E

E

Thus:

The EMF of sources form the 

positive sequence system.

background image

20 / 48

Equivalent circuits for symmetrical 

Equivalent circuits for symmetrical 

components

components

( )

( )( ) ( )

(

)

( )

D

=

=

+

0 0 0

s

m 0

0

U

Z

I

Z 2Z I

( )

( )( ) ( )

(

)

( )

D

=

=

-

1 1 1

s

m 1

1

U

Z

I

Z Z I

( )

( )( ) ( )

(

)

( )

D

=

=

-

2 2 2

s

m 2

2

U

Z

I

Z Z I

( )

( )

u 0

u 0

U

3Z I

D

=

( )

u 1

U

0

D

=

( )

u 2

U

0

D

=

The equations of symmetrical components circuits:

( )

( )( ) ( )

( )

=

+

+

0 0 0

u 0

0

0 U

Z

I

3Z I

( )

( )

( )( ) ( )

=

+

1

1 1 1

1

E

U

Z

I

( )

( )( ) ( )

=

+

2 2 2

2

0 U

Z

I

( )

( )( )

(

)

( )

=-

+

0 0

u

0

0

U

Z

3Z I

( )

( )

( )( ) ( )

=

-

1

1 1 1

1

U

E

Z

I

( )

( )( ) ( )

=-

2 2 2

2

U

Z

I

or

Taking into account the Z

p

 and Z

pu

 matrices yield the following equations for 

voltage  drop ΔU and ΔU

in symmetrical components:

background image

21 / 48

Single-phase sequence networks

Single-phase sequence networks

 

 

1

I  

 

1

E

 

 

1

Z

 

 

1

U  

P

(1)

 

K

(1)

 

 

 

2

I  

 

2

Z

 

 

2

U  

K

(2)

 

P

(2)

 

 

 

0

I  

 

0

Z

 

 

0

U  

K

(0)

 

P

(0)

 

( )

( )

(

)

=

+

0

0

u

Z

Z

3Z

( )

( )( )

1

1 1

Z

Z

=

( )

( )( )

2

2 2

Z

Z

=

( )

( ) ( )

0 0

0

U

Z I

=-

( )

( )

( ) ( )

1

1 1

1

U

E

Z I

=

-

( )

( ) ( )

2 2

2

U

Z I

=-

Z

(0)

, Z

(1)

, Z

(2)

 – equivalent impedances of network for zero, positive and 

negative sequence components, respectively

Using the notation:

We can describe sub-

networks for each 

symmetrical 

component

background image

22 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

Assumptions:

The network is unloaded before a fault

Phase R is short-circuited

Boundary conditions  are:

R

U

0

=

( )

( )

( )

0

1

2

U

U

U

0

+

+

=

1

)

S

T

I

I

0

= =

( )

( )

( )

0

1

2

R

1

I

I

I

I

3

=

=

=

2

)

Using the inverse of 

symmetrical 

component 

transformation

Using the 

transformation 

itself

These two expressions describe the sequence 

network connection.

background image

23 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

1

1

2

0

1

2

0

E

I

I

I

Z

Z

Z

=

=

=

+

+

( ) ( ) ( )

( )

( )

( )

( )

1

R

1

2

0

1

2

0

3E

I

I

I

I

Z

Z

Z

= +

+

=

+

+

( )

( )

( )

( )

1

P

R

1

2

0

3E

I

I

Z

Z

Z

= =

+

+

Using the sequence 

network equations:

( )

( ) ( )

0 0

0

U

Z I

=-

( )

( )

( ) ( )

1

1 1

1

U

E

Z I

=

-

( )

( ) ( )

2 2

2

U

Z I

=-

The condition 1) gives:

( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

1

1 1

2 2

0 0

E

Z I

Z I

Z I

0

-

-

-

=

 from 

here:

Phase current can be 

expressed by

 Initial current

background image

24 / 48



1

I

 

1

E

 

1

Z



1

U

 

2

I

 

2

Z

 

2

U

P

(1)

K

(1)

K

(2)

P

(2)

 

0

I

 

0

Z

 

0

U

K

(0)

P

(0)

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

Sequence network 
connection for single 
phase short-circiut has 
all three sequence 
networks connected in 
series. 

background image

25 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( )

0

1

0 0

0

1

2

0

Z E

U

Z I

Z

Z

Z

=-

=-

+

+

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

2

0

1

1 1

1

1

1

2

0

Z

Z

U

E

Z I

E

Z

Z

Z

+

=

-

=

+

+

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( )

2

1

2 2

2

1

2

0

Z E

U

Z I

Z

Z

Z

=-

=-

+

+

 Voltage symmetrical 

components:

Phase voltages:

( )

( )

( )

R

0

1

2

U

U

U

U

0

=

+

+

=

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

1

2

2

2

2

0

S

0

1

2

1

2

0

E

U

U

a U

aU

a a Z

a 1 Z

Z

Z

Z

=

+

+

=

-

+

-

+

+

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

(

)

( )

(

)

( )

1

2

2

2

0

T

0

1

2

1

2

0

E

U

U

aU

a U

a a Z

a 1 Z

Z

Z

Z

=

+

+

=

-

-

+ -

+

+

background image

26 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

 

 

1

R

E

E 

 

S

E

 

T

E

 

 

 

1

U

 

 

 

2

U

 

 

 

0

U

 

 

R

I  

   

 

 

2

1

0

I

I

I

 

 

 

1

2

U

a 

 

 

 

2

U

a

 

 

 

0

U

 

 

S

U

 

 

 

1

U

a

 

 

 

2

2

U

a 

 

 

 

0

U

 

 

T

U

 

Vector diagram of currents 
and voltages for single phase 
short-circuit (network 
resistance is omitted)

background image

27 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

 

 

1

R

E

E 

 

S

E

 

T

E

 

 

R

I  

   

 

 

2

1

0

I

I

I

 

 

 

1

U

 

 

 

2

U

 

 

 

0

U

 

 

 

1

2

U

a 

 

 

 

2

U

a

 

 

 

0

U

 

 

S

U

 

 

 

1

U

a

 

 

 

2

2

U

a 

 

 

 

0

U

 

 

T

U

 

Vector diagram of currents 
and voltages for single phase 
short-circuit (network 
resistance is taken into 
account).

background image

28 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

 through 

 through 

an impedance

an impedance

Z R

R

U

Z I

=

S

T

I

I

0

= =

( )

( )

( )

0

1

2

R

1

I

I

I

I

3

=

=

=

( )

( )

( )

( )

Z 1

0

1

2

U

U

U

3Z I

+

+

=

( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

1

1 1

2 2

0 0

Z 1

E

Z I

Z I

Z I

3Z I

0

-

-

-

-

=

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

1

1

2

0

1

2

0

Z

E

I

I

I

Z

Z

Z

3Z

=

=

=

+

+

+

( ) ( ) ( )

( )

( )

( )

( )

1

R

1

2

0

1

2

0

Z

3E

I

I

I

I

Z

Z

Z

3Z

= +

+

=

+

+

+

Boundary conditions:

1

)

2

)

The condition 1) gives:

From 

here:

background image

29 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

 through 

 through 

an impedance

an impedance

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( )

0

1

0 0

0

1

2

0

Z

Z E

U

Z I

Z

Z

Z

3Z

=-

=-

+

+

+

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

2

0

Z

1

1 1

1

1

1

2

0

Z

Z

Z

3Z

U

E

Z I

E

Z

Z

Z

3Z

+

+

=

-

=

+

+

+

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( )

2

1

2 2

2

1

2

0

Z

Z E

U

Z I

Z

Z

Z

3Z

=-

=-

+

+

+

 Voltage symmetrical components:

background image

30 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

 through 

 through 

an impedance

an impedance

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

Z

1

R

0

1

2

1

2

0

Z

3Z

U

U

U

U

E

Z

Z

Z

3Z

=

+

+

=

+

+

+

( )

( )

( )

2

S

0

1

2

U

U

a U

aU

=

+

+

=

( )

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

1

2

2

2

2

0

Z

1

2

0

Z

E

a a Z

a 1 Z

3a Z

Z

Z

Z

3Z

=

-

+

-

+

+

+

+

( )

( )

( )

2

T

0

1

2

U

U

aU

a U

=

+

+

=

( )

( )

( )

( )

(

)

( )

(

)

( )

1

2

2

0

Z

1

2

0

Z

E

a a Z

a 1 Z

3aZ

Z

Z

Z

3Z

=

-

-

+ -

+

+

+

+

( )

( )

( )

( )

( )

u

u 0

1

u

1

2

0

Z

3Z

U

3Z I

E

Z

Z

Z

Z

D =

=

+

+

+

 Phase voltages:

background image

31 / 48

Single line-to-earth short-circuit

Single line-to-earth short-circuit

 through 

 through 

an impedance

an impedance

 

 

1

R

E

E 

 

S

E

 

T

E

 

 

R

I  

   

 

 

2

1

0

I

I

I

 

 

 

1

U

   

 

2

U

 

 

 

0

U

 

 

R

U

 

 

 

1

2

U

a 

  

 

1

U

a

 

 

 

0

U

 

 

S

U

 

 

 

1

U

a

 

 

 

2

2

U

a 

 

 

 

0

U

 

 

T

U

 

Vector diagram of currents 
and voltages for single phase 
short-circuit through an 
impedance (network 
resistance is omitted)

background image

32 / 48

Line-to-line short-circuit

Line-to-line short-circuit

S

T

U

U

=

R

I

0

=

S

T

I

I

=-

( )

(

)

2

1

S

S

1

3

I

a a I

j

I

3

3

=

-

=

( )

(

)

2

2

S

S

1

3

I

a a I

j

I

3

3

=-

-

=-

( )

(

)

0

S

1

I

1 1 I

0

3

=

-

=

( )

( )

1

2

I

I

=-

( )

0

I

0

=

Assumptions:

Load currents are omitted.

The fault involves the phases S and T

Boundary conditions:

1

)

2

)

Expressing these relationships in terms of the 

symmetrical components:

background image

33 / 48

Line-to-line short-circuit

Line-to-line short-circuit

( )

(

)

(

)

0

R

S

T

R

S

1

1

U

U

U

U

U

2U

3

3

=

+ +

=

+

( )

(

)

(

)

2

1

R

S

T

R

S

1

1

U

U

aU

a U

U

U

3

3

=

+

+

=

-

( )

(

)

(

)

2

2

R

S

T

R

S

1

1

U

U

a U

aU

U

U

3

3

=

+

+

=

-

( )

( )

1

2

U

U

=

Voltage sequence components:

background image

34 / 48

Line-to-line short-circuit

Line-to-line short-circuit

 

1

I

 

1

E

 

1

Z

 

1

U

 

2

I

 

2

Z

 

2

U

P

(1)

K

(1)

K

(2)

P

(2)

 

0

I

 

0

Z

 

0

U

K

(0)

P

(0)

 

( )

( ) ( )

( ) ( )

1

1 1

2 1

E

Z I

Z I

-

=

( )

( )

( )

( )

( )

1

1

2

1

2

E

I

I

Z

Z

=-

=

+

( )

( )

( )

1

S

T

1

2

E

I

I

j 3

Z

Z

=- =-

+

( )

( )

( )

1

S

T

P

1

2

E

I

I

I

3

Z

Z

= = =

+

Sequence network connection for 
line-to-line short-circiut has two 
sequence networks connected in 
parallel. 

background image

35 / 48

Line-to-line short-circuit

Line-to-line short-circuit

( )

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

2

1

1 1

2 2

1

1

2

1

2

Z

U

U

E

Z I

Z I

E

Z

Z

=

=

-

=-

=

+

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

2

1

R

0

1

2

1

1

2

2Z

U

U

U

U

2U

E

Z

Z

=

+

+

=

=

+

( )

( )

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

2

1

2

S

T

0

1

2

1

1

2

Z E

U

U

U

a U

aU

U

Z

Z

=

=

+

+

=-

=-

+

Phase voltages:

background image

36 / 48

Line-to-line short-circuit

Line-to-line short-circuit

 

 

1

R

E

E 

 

S

E

 

T

E

 

   

1

I

 

   

2

I

 

 

 

1

2

I

a 

 

 

 

2

I

a

 

 

S

I  

 

 

1

I

a

 

 

 

2

2

I

a 

 

 

T

I  

   

 

2

1

U

U 

 

 

 

1

2

U

a 

 

 

 

2

U

a

 

 

S

U

 

 

 

1

U

a

 

 

T

U

 

Vector diagram of 
currents and voltages 
for line-to-line short-
circuit (network 
resistance is omitted)

background image

37 / 48

Line-to-line short-circuit

Line-to-line short-circuit

 through an 

 through an 

impedance

impedance

Z S

S

T

U

U

Z I

-

=

R

I

0

=

S

T

I

I

=-

( )

( )

1

2

I

I

=-

( )

0

I

0

=

( )

( )

( )

( )

(

) (

)

( )

(

)

( )

2

2

2

2

S

T

1

2

1

2

1

2

U

U

a U

aU

aU

a U

a a U

a a U

-

=

+

-

+

=

-

-

-

=

( )

( )

(

)

( )

Z S

Z 1

1

2

j 3 U

U

Z I

j 3Z I

=-

-

=

=-

( )

( )

( )

Z 1

1

2

U

U

Z I

-

=

( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

1

1 1

2 1

Z 1

E

Z I

Z I

Z I

-

-

=

( )

( )

( )

( )

( )

1

1

2

1

2

Z

E

I

I

Z

Z

Z

=-

=

+

+

( )

( )

( )

1

S

T

1

2

Z

E

I

I

j 3

Z

Z

Z

=- =-

+

+

Boundary conditions

1

)

2

)

background image

38 / 48

Double line-to-ground short-circuit

Double line-to-ground short-circuit

S

T

U

U

0

=

=

R

I

0

=

( ) ( ) ( )

1

2

0

I

I

I

0

+

+

=

( )

( )

1

2

0

R

1

U

U

U

U

3

=

= =

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )

1

1 1

2 2

1

U

E

Z I

Z I

=

-

=-

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )

1

1 1

0 0

1

U

E

Z I

Z I

=

-

=-

( )

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

1

1

2

0

1

2

0

E

I

Z Z

Z

Z

Z

=

+

+

( )

( )

( )

( )

( )

0

2

1

2

0

Z

I

I

Z

Z

=-

+

( )

( )

( )

( )

( )

2

0

1

2

0

Z

I

I

Z

Z

=-

+

The short-circuit involves phases S, T and ground.
Initial relationship at the point of the fault:

From solving the equations it follows that:

Using the sequence 

transformation

background image

39 / 48

Double line-to-ground short-circuit

Double line-to-ground short-circuit

 

1

I

 

1

E

 

1

Z

 

1

U

 

2

I

 

2

Z

 

2

U

P

(1)

K

(1)

K

(2)

P

(2)

 

0

I

 

0

Z

 

0

U

K

(0)

P

(0)

 

Sequence network connection 
for double line-to-ground short-
circuit has three sequence 
networks connected in parallel. 

background image

40 / 48

Double line-to-ground short-circuit

Double line-to-ground short-circuit

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

2

2

2

S

0

1

2

1

2

0

2

0

Z

Z

I

I

a I

aI

a a

I

Z

Z

Z

Z

=

+

+

=

-

-

+

+

( )

( )

1

1

Z

jX

=

( )

( )

2

2

Z

jX

=

( )

( )

0

0

Z

jX

=

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

(

)

1

S

2

2

0

2

0

I

I

3X

j 3 X

2X

2 X

X

=-

+

+

+

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

(

)

1

T

2

2

0

2

0

I

I

3X

j 3 X

2X

2 X

X

=-

-

+

+

Phase currents:

background image

41 / 48

Double line-to-ground short-circuit

Double line-to-ground short-circuit

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

(

)

( )

( ) ( )

( )

( )

(

)

2

1

2

0

2

S

T

P

2

2

0

1

2

2

0

2

0

I

X X

I

I

I

9X

3 X

2X

I

3 1

2 X

X

X

X

= = =

+

+

=

-

+

+

Phase current magnitudes:

Voltages:

( )

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

2

0

2

0

1

1

2

0

2

0

1

2

0

Z Z

Z

Z

U

U

U

E

Z Z

Z

Z

Z

+

=

=

=

+

+

( )

R

1

U

3U

=

S

T

U

U

0

=

=

background image

42 / 48

Double line-to-ground short-circuit

Double line-to-ground short-circuit

 

S

 

E

 

T

 

E

 

  

1

 

R

 

E

 

E

 

 

  

  

  

0

 

2

 

1

 

U

 

U

 

U

 

 

 

  

2

 

I

 

  

0

 

I

 

  

1

 

I

 

a

 

  

1

 

2

 

I

 

a

 

  

2

 

I

 

a

 

  

2

 

2

 

I

 

a

 

  

0

 

I

 

  

0

 

I

 

S

 

I

 

T

 

I

 

 

1

I  

Vector diagram of 
currents and voltages 
for double line-to-
ground short-circuit 
(network resistance is 
omitted)

background image

43 / 48

Double line-to-ground short-circuit

Double line-to-ground short-circuit

 

 

through an impedance

through an impedance

(

)

Z Z

Z S

T

S

T

U

U

Z I

Z I

I

=

=

=

+

R

I

0

=

( )

( )

( )

( )

( )

Z Z

Z 0

1

2

0

0

U

U

U

Z I

U

3Z I

=

=

-

=

-

( ) ( ) ( )

1

2

0

I

I

I

0

+

+

=

Boundary 

conditions:

background image

44 / 48

Three-phase, three-phase with ground 

Three-phase, three-phase with ground 

short-circuit

short-circuit

R

S

T

U

U

U

0

=

=

=

R

S

T

z

I

I

I

I

+ + =

( )

( )

( )

1

2

0

U

U

U

0

=

=

=

( )

( )

2

0

I

I

0

=

=

( )

( )

( )

1

1

R

1

E

I

I

Z

= =

( )

( )

1

P

R

1

E

I

I

Z

= =

Boundary conditions:

background image

45 / 48

Initial current

Initial current

Positive sequence initial current for different 

types of short-circuits 

 

 
 

1

1

1

Z

E

I 

 

 

 

 

2

1

1

1

Z

Z

E

I

 

 

 

 

 

0

2

1

1

1

Z

Z

Z

E

I

 

 

 

   

 

 

0

2

0

2

1

1

1

Z

Z

Z

Z

Z

E

I

Three-phase short-circuit

Line-to-line 

short-circuit

Single phase line-to-earth short-circuit

Double line-

to-earth short-circuit

background image

46 / 48

Initial current

Initial current

0

Z 

 

2

Z

Z 

 

 

0

2

Z

Z

Z

   

 

 

0

2

0

2

Z

Z

Z

Z

Z

General 

formula:

 

 

 

Z

Z

E

I

1

1

1

where

Three-phase short-

circuit

Line-to-line short-

circuit

Single phase line-to-earth 

short-circuit

Double line-to-earth short-

circuit

background image

47 / 48

Initial current

Initial current

 

1

P

I

I 

 

1

P

I

3

I 

 

1

P

I

3

I 

 

 

 

 

 

1

2

0

2

0

2

P

I

X

X

X

X

1

3

I

 

1

P

I

m

I 

Three-phase short-

circuit

Line-to-line short-

circuit

Single phase line-to-earth short-

circuit

Double line-to-earth 

short-circuit

General 

expression:

background image

48 / 48

Currents and voltages in relation with 

Currents and voltages in relation with 

X

X

0

0

/X

/X

1

1

( )

( )

( )

1

2

0

R

R

R

0

=

=

=

( )

( )

1

2

X

X

=

1f

P

1

3f

P

I

3

k

2

I

=

=

+a

2f

P

2

3f

P

I

3

k

2

I

=

=

2fz

2

P

2z

3f

P

I

3 1

k

1 2

I

+a +a

=

=

+ a

( )

( )

0

1

X

X

a =

Assumptio

n:

( )

2

1f

1f

1

T

S

3 1

U

U

E

2

+a +a

=

=

+a

( )

2f

1

R

U

E

=

( )

2fz

1

R

3

U

E

1 2

a

=

+ a

If X

(0)

>X

(1)

 the 3-phase short-circuit current is the biggest one.

If X

(0)

<X

(1)

 the single-phase line –to-earth current is the biggest 

one.

If X

(0)

>X

(1)

 voltages of unfaulted (healthy) phases for single-phase 

and line-to-line short-circuits are > than EMF. 

If X

(0)

<X

(1)

 voltages of unfaulted (healthy) phases for single-phase 

and line-to-line short-circuits are < than EMF. 


Document Outline