Analysis of higher voltage harmonics at an early stages of single line-to-ground faults in electrical distribution grids

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The study aimed to assess the feasibility of using higher phase voltage harmonics as a means of detecting single-phase faults at an early stage of their development. An analysis of oscillograms obtained during emergency events was carried out for the medium-voltage distribution grids of Kaliningrad Oblast. The oscillograms were obtained using reclosers for the period from 2018 to 2023. Out of over 2,000 recorded oscillograms, the phase voltage oscillograms corresponding to the gradual development of a single line-toground fault were selected. These oscillograms were harmonically analyzed using the fast Fourier transform algorithm. The results of this analysis showed that the third voltage harmonic distortion begins to increase steadily several industrial frequency cycles before the occurrence of a single line-to-ground fault. The study revealed that in over half of the cases, the third phase voltage harmonic distortion exceeds the value permitted by the power quality standard as early as 200 ms before the fault occurs. Starting from 110 ms, the number of such exceedances reaches 75%. The identified regularity can be used to improve automatic grid restoration systems and protection against single line-to-ground faults. An increase in the third phase voltage harmonic can serve as one of the early signs of a single-phase insulation fault in power grid equipment and can be used to preventively run algorithms for localizing faulty grid sections as part of developing adaptive protection against single line-to-ground faults.

About the authors

I. E. Kazhekin

Kaliningrad State Technical University

Email: kazhekin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9510-5275

E. S. Starostin

Kaliningrad State Technical University

Email: starostin-es@list.ru
ORCID iD: 0009-0000-8439-514X

References

  1. Лебедев В.Д., Филатова Г.А., Петров А.Е. Исследование цифровых измерительных трансформаторов в условиях дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю с применением программно-аппаратного комплекса RTDS // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2024. Т. 24. № 2. С. 5–17. https://doi.org/10.14529/power240201. EDN: PUSOMM.
  2. Коржов А.В., Сафонов В.И., Бабаев Р.М., Коростелев Я.Е. Оценка эффективности средств защиты от перенапряжений в кабельной распределительной сети 10 кВ // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2024. Т. 24. № 2. С. 18–26. https://doi.org/10.14529/power240202. EDN: JCFEGG.
  3. Наумов И.В., Полковская М.Н. Аналитическая оценка функционирования распределительных электрических сетей ПАО «Россети Волга» – «Оренбургэнерго» // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 17. № 8. С. 988–1006. EDN: XTMYHD.
  4. Starostin E., Kazhekin I. Methodology for early prediction of single-phase ground faults in distribution networks // International Ural Conference on Electrical Power Engineering. 2024. P. 72–76. https://doi.org/10.1109/UralCon62137.2024.10718899.
  5. Шуин В.А., Винокурова Т.Ю., Шагурина Е.С. Математическая модель для оценки минимального уровня высших гармоник в токе однофазного замыкания на землю в компенсированных сетях 6–10 кВ // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2013. № 6. С. 35–41. EDN: RRYZSX.
  6. Kazhekin I.Е., Finko S.Р. Influence of non-linear load on single-phase fault current in electrical networks with isolated neutral // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (Magnitogorsk, 23–25 September 2022). Magnitogorsk: IEEE, 2022. P. 330–335. https://doi.org/10.1109/UralCon54942.2022.9906778.
  7. Майоров А.В., Челазнов А.А., Ильиных М.В. Экспериментальные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях в сети 20 кВ // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. № 6. С. 23–29. https://doi.org/10.17588/2072-2672.2015.6.023-029. EDN: VBWLXL.
  8. Shirkovets A.I. Modeling of transient processes at ground faults in the electrical network with a high content of harmonics // 2nd International Conference on Electric Power Equipment - Switching Technology ( Matsue, 20–23 October 2013). Matsue: IEEE Computer Society, 2013. P. 6804342. https://doi.org/10.1109/ICEPEST.2013.6804342. EDN: SLQEXH.
  9. Тютиков В.В. Кутумов Ю.Д., Шадрикова Т.Ю., Шуин В.А. Условия полной компенсации токов однофазного замыкания на землю в кабельных сетях напряжением 6-10 кВ с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2022. № 5. С. 24–32. https://doi.org/10.17588/2072-2672.2022.5.024-032. EDN: YTQCQE.
  10. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Суслов К.В. Определение места короткого замыкания на линиях электропередачи // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 6. С. 129–136. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-6-129-136.
  11. Аюурзана Э., Петров М.И., Кузьмин А.А. Экспериментальное исследование эффективности работы дугогасящих реакторов в Улан-Баторских городских электрических сетях 6-10 кВ // Вестник Чувашского университета. 2016. № 1. С. 30–38. EDN: VPZXJB.
  12. Крюков А.В., Овечкин И.С. Моделирование однофазных замыканий на землю в технологических ЛЭП железнодорожного транспорта // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2025. № 1. С. 53–67. https://doi.org/10.25729/ESI.2025.37.1.006. EDN: IWCJCG.
  13. Holcsik P., Pálfi J., Čonka Z., Bence K. I. Fault point location method, based on harmonics analysis of a distribution system // Acta Polytechnica Hungarica. 2022. Vol. 19. No. 4. P. 147–164. https://doi.org/10.12700/APH.19.4.2022.4.8. EDN: FZMRWF.
  14. Tong Ning, Liang Jihan, Li Hui, Lin Xiangning, Li Zhengtian. Single-phase earth fault location method based on harmonic analysis for the NUGS // Annual IEEE Systems Conference (Orlando, 18–21 April 2016). Orlando: IEEE, 2016. P. 7490539. https://doi.org/10.1109/SYSCON.2016.7490539.
  15. Fedotov A., Abdullazyanov R., Vagapov G., Grackova L. Detection of places of single-phase ground fault by frequency of the resonance // 57th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (Riga, 13–14 October 2016). Riga: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016. Vol. 57. Р. 7763116. https://doi.org/10.1109/RTUCON.2016.7763116. EDN: WINDWJ.
  16. Farshad M., Sadeh J. Accurate single-phase fault location method for transmission lines based on k-nearest neighbor algorithm using one-end voltage // IEEE Transactions on Power Delivery. 2012. Vol. 27. Iss. 4. P. 2360– 2367. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2012.2211898.
  17. Ощепков В.А. Разработка метода селективного определения отходящей линии и расстояния до места возникновения однофазного замыкания на землю // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2023. № 3. С. 127–135. https://doi.org/10.18822/byusu202303127-135. EDN: RHKYBD.
  18. Li Yuan, Gao Houlei, Du Qiang, Qi Xiaosheng, Pang Qingle, Zhu Guofang. A review of single-phase-to-ground fault location methods in distribution networks // 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (Weihai, 6–9 July 2011). Weihai: IEEE, 2011. P. 938–943. https://doi.org/10.1109/DRPT.2011.5994028.
  19. Федотов А.И., Вагапов Г.В., Абдуллазянов А.Ф., Шаряпов А.М. Цифровая система мониторинга повреждений на линиях электропередачи // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. Т. 23. № 1. С. 146–155. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-1-146-155. EDN: WOLXFG.
  20. Chen Jiaquan, Li Haifeng, Deng Chengjiang, Wang Gang. Detection of single-phase to ground faults in lowresistance grounded MV systems // IEEE Transactions on Power Delivery. 2021. Vol. 36. Iss. 3. P. 1499–1508. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2020.3010165.
  21. Krasnykh A.A., Krivoshein I.L., Kozlov A.L. Research of single-phase faults in 6–35 kV branched overhead distribution network // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2017. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076252.
  22. Долгих Н.Н., Осипов Д.С., Парамзин А.О. Идентификация однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ на основе вейвлет-преобразования // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2023. Т. 19. № 1. С. 139–146. https://doi.org/10.18822/byusu202301139-146. EDN: KUWHGM.
  23. Парамзин А.О. Разработка способа селективного определения линии с однофазным замыканием на землю для промышленных сетей 6-35 кВ с изолированной нейтралью при преобладании несинусоидальной нагрузки // Омский научный вестник. 2023. № 4. С. 100–108. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2023-188-100-108. EDN: WIUEEM.
  24. Солдатов А.В., Кудряшова М.Н., Антонов В.И., Иванов Н.Г., Иванов М.О. Методы распознавания высших гар- моник на фоне доминирующего гармонического шума для целей защиты от однофазного замыкания на землю // Электрические станции. 2021. № 7. С. 27–34. EDN: DCFFXI.
  25. Дмитриченко В.И., Ни Д.А., Джетписов М.А., Бауржан Б. Комбинированная релейная защита от замыканий на землю в электросетях 6–10 кВ // iPolytech Journal. 2022. Т. 26. № 1. С. 53–69. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2022-1-53-69.
  26. Wang Yi Fei, Li Yun Wei. A grid fundamental and harmonic component detection method for single-phase systems // IEEE Transactions on Power Electronics. 2013. Vol. 28. Iss. 5. P. 2204–2213. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2214445.
  27. Коровкин Н.В., Грицутенко С.С. О применимости быстрого преобразования Фурье для гармонического ана- лиза несинусоидальных токов и напряжений // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2017. № 2. С. 73–86. EDN: WFFWIZ.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).