background image

SHORT-CIRCUITS IN 

SHORT-CIRCUITS IN 

ELECTRICAL POWER 

ELECTRICAL POWER 

SYSTEMS

SYSTEMS

dr hab. Irena Wasiak, prof. 

Institute of Electrical Power 

Engineering

background image

2 /36 

Subject program

Subject program

Lecture

1.

General  information  on  short-circuits,  short-

circuit current time course

2.

Principles  of  calculating  asymmetrical  short-

circuits

3.

Equipment 

impedance 

in 

symmetrical 

components system

4.

Line-to-earth  short-circuits  in  networks  with 

an ineffective grounded neutral point 

Project

1.

Per unit method

2.

Normalized 

method 

of 

short-circuit 

calculations

background image

3 /36 

Principles of credit

Principles of credit

 The  lecture  is  passed  based  on  an  exam.  The 

exam  consists  of  two  parts:  the  first  one  is 
written test (in English). Students who will pass 
it  will  be  able  to  take  the  second  oral  part  in 
Polish. 

 The project is passed based on individual work 

concerning  calculating  short-circuit  quantities 
in a selected electrical power   system. 

background image

4 /36 

Literature

Literature

Basic 
1. Notes from the lecture
2. Kanicki A.: Wyznaczanie wielkości zwarciowych w 

systemie elektroenergetycznym. Available in e-
format.

Additional

1. Kacejko P., Machowski J.: Zwarcia w sieciach 

elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1993, 
2002 

2. Schlabbach J.: Short-circuit currents, IEE, London, 

2005

background image

Basic information

Basic information

background image

6 /36 

Importance of short-circuit currents

Importance of short-circuit currents

Electrical power systems have to be planned, projected 

and constructed in such a way to enable a safe, reliable 

and economic supply of loads.

The knowledge about the loading of the equipment is 

necessary for the design and determination of the 

equipment rating.

Short-circuits during the system operation cannot be 

avoided despite careful planning and good maintenance 

of the system. Therefore, short-circuit currents have an 

important influence on the design and operation of 

equipment and the power system a whole. 

Equipment and installations must withstand the 

expected thermal and electromagnetic effects of short-

circuits. Switchgear and fuses have to switch-off short-

circuit currents in a safe way. 

background image

7 /36 

Short-circuit classification

Short-circuit classification

Based on the number of connected points – 

     symmetrical and asymmetrical

Based on fault impedance – 

     

metallic

 (direct) i 

resistant

 (occurring through 

impedance, e.g. electrical arc)

Based on the short-circuit location – 

     

far-from-generator

 short-circuit and 

near-to-

generator

 short-circuit

Based on the number of short-circuit places – 

     

single

 and multiplace

Based on the location of short circuit places – 

     internal and 

exterior

Based on the moment of short-circuit origin –

     

simultaneous

 and non-simultaneous 

Based on the short-circuit duration –

     

lasting (durable)

 and going by

background image

8 /36 

Short-circuit statistics

Short-circuit statistics

Frequency of short-circuit occurrence:

Line-to-earth short-circuit –65% av.(from 30% to 97%)

Double line-to-earth short-circuit and line-to-line short-
circuit with earth –20% av. (from 0% to 55%)

Line-to-line short-circuit 10% av. (from 0% to 55%)

Three-phase short-circuit - 5% av. (from 0% to 35%)

Frequency  of  short-circuit  occurrence  depends  on 

nominal  voltage  of  the  network  and  the  type  of  line. 
The  bigger  voltage  in  the  network  and  the  bigger 
share  of  overhead  lines  the  bigger  share  of  line-to-
earth short-circuits.

background image

9 /36 

Causes of short

Causes of short

-

-

circuits

circuits

Electrical causes:

Lighting strokes 

Switching overvoltages

Switching mistakes

Long-lasting current overloading 

background image

10 /36 

Causes of short circuits

Causes of short circuits

Non-electrical causes:

Humidity and contamination of the insulation of 

lines, devices

Ageing of insulation material

Mechanical damages of cables, poles, isolators

Device factory defect

Interference of animals e.g. birds, rodents

Falling over or too high trees

Bringing conductors closer during wind

background image

11 /36 

Short-circuit currents effects

Short-circuit currents effects

Thermal effects

A short-circuit causes large current overloading, which are 

accompanied  by  thermal  energy  proportional  to  short-

circuit  duration.  The  short-circuit  duration  depends  on  the 

duration of protection operation.

Dynamic effects

Short-circuit  currents  cause  mechanical  forces  that  affect 

current  conductors;  this  may  lead  to  mechanical 

destruction 

of 

equipment. 

Short-circuits 

stimulate 

mechanical  oscillations  of  generators  which  can  cause 

problems with power transfer stability.

 Electric shock threat

Short-circuit  currents  flowing  through  earth  can  induce 

impermissible touch and step voltages.

Voltage dips and overvoltages 

The  high  value  of  short-circuit  current  causes  the  high 

voltage  of  voltage  drop  in  the  network,  which  results  in 

voltage  decreasing  in  the  network  nodes.  Overvoltages 

accompany line-to-earth short-circuits.

Displacement of the voltage neutral-to-eart

background image

12 /36 

Short-circuit currents effects

Short-circuit currents effects

Accidental contact of overhead line conductors with a 
crane.

 

Network and system effects

Resulting from switching off the parts of the network being embraced 

 with fault; economic effects

Threats caused by an electric arc

Cable melting-down

Insulating  materials  ignition  (oil,  paper-oil  insulation),  emission  of 

smoke and toxic gasses

Thermal and ultraviolet radiation of the arc

Air heating and blowing-out from the arc space

Reducing oxygen in the place where the arc is burning

background image

13 /36 

Minimal and maximal short-

Minimal and maximal short-

circuits

circuits

Depending on the purpose of engineering studies  
the maximal and minimal short-circuit currents 
are calculated. 

The maximal current is the main design criteria 
for the rating of equipment to withstand the 
effects of short-circuit currents, thermal and 
electromagnetic.

The minimal short-circuit current is needed for the 
design of protection and selection of settings of 
protection relays.

The short-circuit current depends on various 
parameters: voltage level, impedance of the 
network between any generator unit and 
the short-circuit location, number of generation 
units, fault impedance, etc. Determination of 
short-circuit currents requires detailed knowledge 
about the elements of electrical power system.

background image

14 /36 

(

)

w +g = +

0

di

2Esin t

Ri L

dt

( )

(

)

(

)

-

=

w +g - j

-

� g - j

R

t

L

0

z

0

z

2E

2E

i t

sin t

e

sin

Z

Z

( )

2

2

Z

R

L

=

+ w

w

j =

z

L

arctg

R

Short-circuit current time course

Short-circuit current time course

Case 1: W1 open – 

short-circuit from 

unloaded state

Initial condition:

-

=

=

i(t 0 ) 0

E – voltage
R – resistance
L – inductance
Z – impedance
γ

– initial voltage phase 

angle

z

 – short-circuit 

impedance angle

background image

15 /36 

( )

( )

( )

ok

nok

i t

i

t i

t

=

+

( )

(

)

(

)

=

w +g - j

=

w +g - j

ok

0

z

ok

0

z

2E

i

t

sin t

2I sin t

Z

( )

(

)

-

-

-

=-

� g - j

=

=

a

t

R

R

t

t

T

L

L

nok

0

z

nokm

nokm

2E

i

t

e

sin

i

e

i

e

Z

For the moment 
t=0:

i

ok

(0)= - i

nok

(0)

Short-circuit current time course

Short-circuit current time course

-

= = =

i(0) 0 i(t 0 )

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

i

ok

i

onk

i

ok

 – periodic component of short-

circuit current

i

nok

 – aperiodic component of short-

circuit current

The principle of current continuity 

in RL circuit

background image

16 /36 

Short-circuit current time course

Short-circuit current time course

 

 

 

Short-circuit current time 
course in three phases of 
the three-phase system,
when ɣ

0

=0, φ

z

=90°

 

Phase R

 

Phase T

 

Phase S

 

background image

17 /36 

( )

(

)

ob

0

ob

ob

2E

i

t

sin t

Z

=

� w +g - j

(

) (

)

=

+

+ +

2

2

ob

o

o

Z

R R

X X

+

j

=

+

o

ob

o

X X

arctg

R R

( )

( )

( )

( )

-

=

=

=

=

+

ob

ok

nok

i 0 i(0 ) i

0

i

0 i

0

( )

( )

( )

=

=

=- �

-

nok

nokm

ok

ob

i

0 i

i

0 i

0

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

Short-circuit current time course

Short-circuit current time course

Case 2: W1 closed – 

short-circuit from 

loaded state

Initial condition:

-

=

=

ob

i(t 0 ) i

background image

18 /36 

Voltage time course during short-circuit

Voltage time course during short-circuit

(

)

(

)

-

=

w +g - j +j

-

g - j

a

t

T

P

P

0

z

b

0

z

u

2U sin t

K sin

e

T

a

 – time constant

Voltage at the P point:

(

) (

)

+

=

+

+

+

2

2

b

b

P

2

2

a

b

a

b

R

X

U

E

R

R

X

X

+

j =

+

a

b

z

a

b

X

X

arctan

R

R

j =

b

b

b

X

arctan

R

background image

19 /36 

Voltage time course during short-circuit

Voltage time course during short-circuit

+

=

+

a

b

a

a

b

L

L

T

R

R

+

=

-

+

+

b

a

b

b

2

2

b

a

b

b

b

R

R

R

L

K

L

L

L

R

X

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

2

1

0

1

2

When R

a

/L

a

=R

b

/L

b

 , K=0, and the voltage time course does 

not include an aperiodic component. In practice, the K 

coefficient has a small value, and the aperiodic component 

is omitted.

γ

90°

γ

= 0°

Coefficient K:

background image

20 /36 

Taking into account the network 

Taking into account the network 

capacitance

capacitance

(

)

(

)

( )

-

-

w

=

w +g - j

-

g - j

-

w

w

p

a

t

t

T

T

ok

o

z

o

z

p

p

i

2I

sin t

sin

e

sin

t e

w = p =

p

p

1

2 f

LC

@

+

a b

a

b

L L

L

L

L

=

b

P

b

2L

T

R

f

p

 – the frequency of the circuit self-oscillations is from 

couple of hundred Hz to couple kHz, the efficient value of 

that component does not go over 20% I

ok

.  

i

t=0

C

u

)

t

Esin(

e

0

a

a

a

L

j

R

Z

b

b

b

L

j

R

Z

background image

21 /36 

Taking into account the network 

Taking into account the network 

capacitance

capacitance

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

10

5

0

5

10

The short-circuit current time course for the short-

circuit with voltage phase angle of 90°.

background image

22 /36 

Voltage time course during short-circuit

Voltage time course during short-circuit

(

)

(

) (

)

-

=

w +g - j +j

+

g - j

w

P

t

T

a

P

P

0

z

b

0

z

P

b

L

u

2U sin t

sin

sin

t e

L

=

b

P

b

2L

T

R

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

0.06

1

0.5

0

0.5

1

The voltage time course during a short-circuit  with the initial 

short-circuit angle of 90°.

background image

23 /36 

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

g

U

E

d

X

d

g

I

 

= +

d

r

ad

X

X X

= +

d

d

g

g

E

U

jX I

=

d

ud

d

E

I

X

Generator is the source of short circuit current.

The equivalent 
circuit diagram 
of the generator 
in steady-state

X

r

 – leakage 

reactance of stator 
windings

X

ad

 – mutual 

reactance of stator 
and rotor

I

ud

 – steady-state component of short-

circuit current

d-axis synchronous reactance

background image

24 /36 

Consider the sequence of events associated with a 
three-phase short-circuit on the unloaded generator. 
Before the fault occurs, the field produces an air gap 
flux entering the armature and produces time-varying 
flux linkages for all mutually coupled circuits 
consisting of three phase windings (a, b, c), a field 
winding (F) and two damper windings (Q, Q). 
A the instant t=0 the fault is applied. This forces flux 
linkages to change. By the principle of constant flux 
linkages the step change is not possible and all flux 
linkages must remained fixed at least for an instant. 

(According to magnetic inertia principle the step 
change of flux linkages would mean a step change of 
energy  accumulated in the magnetic field of the 
winding.

To counteract sudden flux changes transient dc fluxes 
are induced in each winding which maintain flux 
linkages constant. These transient fluxes decay to 
zero with time constants depending on the resistance 
and inductance of each circuit.

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

background image

25 /36 

The existence of additional fluxes in the generator 
circuits  changes  its  magnetic  state  and  a 
equivalent  reactance  which  represent  the 
generator at this state.
At  the  first  moment  of  the  fault  transient  fluxes 
appear  in  all  generator  windings;  this  state  is 
called  subtransient  and  the  generator  is 
represented  by  so  called  subtransient  reactance 
X”

d

. After the decaying of transient dc flux in rotor 

damper windings (time period of (

0,01-0,05

 s) the 

generator passes on to the transient state and is 
represented  by  transient  reactance.  Then,  when 
the  flux  at  the  field  winding  decays  (

0,6-1)

  s  the 

generator  reaches  steady  state  and  the 
representing reactance is X

d

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

background image

26 /36 

In short-circuit calculations

 we will analyze the 

currents at the initial moment of the short-
circuit. This is a subtransient state for 
generator, so it can be represented by the 
reactance X

d

 

Generator equivalent circuit 

Generator equivalent circuit 

diagram

diagram

"

2

d%

1n

g

n

X

U

X

100 S

=

U

n

 – rated generator voltage [kV]

S

n

 

rated generator power [MVA ]

[  ]

background image

27 /36 

 

r

X

 

ad

rf

�= +

+

rf ad

d

r

rf

ad

X X

X

X

X

X

 

g

U

 

d

E

 

g

'
d

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

Transient state

X

rf 

– leakage 

reactance of the field 
winding
X

r

 – leakage 

reactance of the 
armature winding

= +

d

d

g

g

E

U

jX I

Transient 
electromagnetic force 
(EMF)

background image

28 /36 

'

d

d

d0

d

X

T

T

X

� �

=

'

d

Z

d

d0

d

Z

X

X

T

T

X

X

+

� �

=

+

-

D =

-

'

d

t

'

T

'

d

d

d

'

d

d

E

E

I

e

X

X

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

An additional transient flux in the magnetizing 

winding decays with the time-constant T’

d

.

T’

d0 

– time-constant with 

the  armature circuits 
open 
(5-12) s

Typically, T’

d

 is about ¼ that of T’

d0.

 If the short-circuit occurs behind an outer 

reactance:

An additional direct flux in the field 
winding  causes a positive sequence 
additional current component in the 
armature

background image

29 /36 

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

Subtransient state

 

r

X  

rf

X  

rD

X  

ad

X

 

�= +

+

+

d

r

rD

rf

ad

1

X

X

1

1

1

X

X

X

X

rDf 

– leakage 

reactance of the 
rotor dumper 
winding

 

g

U

 

d

E

 

g

I

 

d

X

 

d q

d

q

E

U

jX I

= +

Subtransient 
electromagnetic 
force (EMF)

background image

30 /36 

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

An additional direct flux in the damper winding decays 

with time-constant T’

d

.

d

d

d0

d

X

T

T

X

� �

=

�+

� �

=

�+

d

Z

d

d0

d

Z

X

X

T

T

X

X

If the short-circuit occurs behind an outer reactance:

T”

d0 

– time-constant with the  armature 

circuits open (0,02-0,2) s

-

� �

D =

-

� �

d

t

T

d

d

d

d

d

E

E

I

e

X

X

An additional direct flux in the damper 

winding  causes a positive sequence 
additional current component in the 
armature

Typical value of T”

d

 is 2 

cycles

background image

31 /36 

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

Alternating short-circuit current in d-axis is the sum of steady and transient 

components:

� �

=D +D +

okd

d

d ud

I

I

I

I

-

-

� �

=

-

+

-

+

� �

d

d

t

t

T

T

d

d

d

d

d

okd

d

d

d

d

d

E

E

E

E

E

I

e

e

X

X

X

X

X

-

=

-

+

q

t

T

q

q

q

okq

q

q

q

E

E

E

I

e

X

X

X

Alternating short-circuit current in g-axis does not include 
the field component (no field winding in the q-axis)

background image

32 /36 

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

The time course of rms values of short-circuit ac current components.

Short-circuit at the terminals of unloaded generator.

 

Subtransie

nt 

component

Transient 

compone

nt

AC current

Steady 

state 

component

background image

33 /36 

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

The time course of rms values of short-circuit ac current components.

Short-circuit at the terminals of generator rating loaded.

Subtransie

nt 

component

Transient 

compone

nt

AC current

Steady 

state 

component

background image

34 /36 

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

Alternating-current component of short-circuit current for t=0 is 

called the initial current:

(

)

(

)

(

)

� �

� �

=

=

= �

=

�+

=

=

+� �

� �

� �

� �

� � � �

2

2

2

2

q

d

p

ok

okd

okq

d

q

E

E

I

I

t 0s

I

t 0s

I

t 0s

X

X

The forward wave moves at twice synchronous 

speed with respect to the armature and 
induces a second harmonic current in the 
armature circuit; amplitude (5-10)% I

n

.

 

 

+ 

- 

In the armature windings an aperiodic components appear as the result of 

direct transient flux occurrence (by the principle of constant stator flux 
linkage). It decays with the time-constant T

a

 = (0,3-5) s. It induces 

additional ac currents in the field winding, decaying to zero with time-
constant T

a

. Such an ac current produces a pulsating flux which is 

stationary with respect to waves, one is going forward and one backward. 
The backward is such as to oppose the stationary armature field. 

background image

35 /36 

a) Armature dc current 

component

b) Armature ac current 

component and  transient 
dc currents in rotor 
windings

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit

Transient 
current in 
the field 
winding

Transient 
current 
in 
damper 
winding

AC 

componen

t envelope

background image

36 /36 

The time course of the total stator current

Near-to-generator short circuit

Near-to-generator short circuit


Document Outline