Overcurrent Relay Co-Ordination for Double-Ended Industrial Substations

8/11/2019 Overcurrent Relay Co-Ordination for Double-Ended Industrial Substations

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4 7 1

EE E

TRANSACTIONS ON INDUSTRY

APPLICATIONS

VOL.

I A - 1 4 ,

NO .

6 ,

NOVEMBER/DECEMBER

1978

1 g

-

-9M0

\

p

1

l y b 7

b

( 5 I k - , 4

4

u

I ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ y

~

O v e r c u

t e ntRe

a y

ordnation f o r

D o u b l e - E n d e d

I n d u s t r i a l

S u b s t a t i o n s

GEORGE R .

HORCHER

SENIOR

MEMBER,

IEEE

A b s t r a c t - O v e r c u r r e n t c o o r d i n a t i o n d e t a i l s

f o r

p h a s e ,

g r o u n d ,

a n d

r e v e r s e

c u r r e n t

r e l a y s

a s

a p p l i e d

t o d o u b l e - e n d e d

s u b s t a t i o n s

s u p p l y i n g

t h r e e - w i r e

l o w - r e s i s t a n c e

g r o u n d e d

m e d i u m - v o l t a g e

i n d u s t r i a l

d i s t r i b u -

t i o n s y s t e m s

w i t h

p r e d o m i n a n t l y

i n d u c t i o n

motor

l o a d s a r e

d i s c u s s e d .

E m p h a s i s

i s

o n

t h e N a t i o n a l

E l e c t r i c

Code

( N E C )

l i m i t a t i o n s

t o

t h e

p i c k u p

o f

p h a s e

o v e r c u r r e n t

p r o t e c t i v e

d e v i c e s ,

t h e

p h a s e

c o o r d i n a t i o n

o f

t h e d o u b l e - e n d e d

s u b s t a t i o n

w i t h a

n o r m a l l y

c l o s e d

b u s

t i e

b r e a k e r ,

a n d t h e g r o u n d - f a u l t


o f

t h e

f o u r - w i r e

s o l i d l y g r o u n d e d

l o w - v o l t a g e d o u b l e - e n d e d s u b s t a t i o n .

INTRODUCTION

T

HE INTENT o f t h i s

p a p e r

i s t o

s u g g e s t g u i d e l i n e s

f o r t h e

d e v e l o p i n g

t i m e - c u r r e n t

r e l a y

c o o r d i n a t i o n c u r v e s

b a s e d

o n

t h e

e q u i p m e n t s t a n d a r d s , t h e

N a t i o n a l E l e c t r i c a l

C o d e ( N E C ) ,

a n d

t h e s t a n d a r d

t e c h n i q u e s

d e v e l o p e d

b y

p r o t e c t i o n s p e -

c i a l i s t s .

T h e

d o u b l e - e n d e d

o r

d u a l - f e d s u b s t a t i o n i s

p r o b a b l y

t h e

m o s t

p o p u l a r a r r a n g e m e n t

f o r

a c h i e v i n g

r e l i a b i l i t y

i n a n

i n d u s -

t r i a l p o w e r

s y s t e m

b o t h a t t h e

p o i n t

o f

u t i l i t y s u p p l y

a n d a t

t h e

d i s t r i b u t i o n l e v e l a n d

p r o v i d e s

a

p r a c t i c a l e x a m p l e

o f t h e

p r i n c i p l e s

i n v o l v e d

i n t h e


o f o v e r c u r r e n t

r e l a y s .

T h e

t e c h n i c a l l e v e l

o f

t h i s

p a p e r

i s

a i m e d

a t

t h e

e n g i n e e r

who i s

o n l y o c c a s i o n a l l y

c a l l e d

u p o n t o

d e t e r m i n e t h e

r e l a y

s e t t i n g s

f o r

a n

i n d u s t r i a l

p l a n t

a n d h e n c e

w i l l

b e

r a t h e r

f u n d a m e n t a l .

I t w i l l

b e a s s u m e d

t h a t

t h e

p o w e r

t r a n s f o r m e r s

a r e

e q u i p p e d

w i t h

d e l t a - c o n n e c t e d

p r i m a r y

a n d

w y e - c o n n e c t e d

s e c o n d a r y

w i n d i n g s

a n d

t h a t t h e

p r o t e c t i v e d e v i c e s a r e

c i r c u i t

b r e a k e r s c o n t r o l l e d

b y


r e l a y s

o r

t r i p

d e v i c e s w i t h

s i m i l a r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s .

I t

i s

f u r t h e r

a s s u m e d t h a t

t h e

kVA

r a t i n g ,

i m p e d a n c e ,

a n d

t a p s e t t i n g

o f t h e

t w o t r a n s f o r m -

e r s a r e

t h e s a m e

a n d

t h a t

t h e y

a r e

s u p p l i e d

f r o m

a

common

s o u r c e .

BACKGROUND

T o

a c h i e v e s e l e c t i v i t y

b e t w e e n

t w o

p r o t e c t i v e d e v i c e s

i n

s e r i e s ,

t h e i r


c u r v e s m u s t

m a i n t a i n

a

minimum


t i m e

o v e r

t h e

e n t i r e

r a n g e o f p o s s i b l e f a u l t c u r -

r e n t s .

C o n s i d e r i n g a n y

t w o

a d j a c e n t

p r o t e c t i v e

d e v i c e s

i n

P a p e r P I D 7 7 -1 1 ,

a p p r o v e d b y t h e P e tr o l e um a n d

C h e m i c a l I n d u s t r y

C o m m i t t e e

o f

t h e IEEE

I n du s t ry A p p li c a t i o n s

S o c i e t y f o r

p r e s e n t a t i o n

a t

t h e

2 4t h A n n u a l

P e t r o l e um a n d C h e m i c a l I n d u s t r y

T e c h n i c a l C o n -

f e r e n c e ,

D a l l a s , T X , S e p t e m b e r

1 2 - 1 4 ,

1 9 7 7 .

M a n u s c r i p t

r e l e a s e d f o r

p u b l i c a t i o n F e b r u a r y

1 6 , 1 9 7 8 .

T h e a u t h o r

i s

w i t h F l u o r

E n g i n e e r s a n d

C o n s t r u c t o r s , I n c . , I r v i n e ,

CA 9 2 7 3 0 .

s e r i e s ,

we f i n d t h a t

t h e a v a i l a b l e f a u l t c u r r e n t

a t

t h e

d o w n -

s t r e a m d e v i c e

d e t e r m i n e s t h e u p p e r l i m i t

o f

t h e r a n g e

o f

c o o r d i n a t i o n .

A s s u m i n g t h a t t h e

c h a r a c t e r i s t i c

o f t h e

p r o t e c -

t i v e

d e v i c e s

i s

i n v e r s e w i t h

a d j u s t a b l e p i c k u p c u r r e n t

a n d

t i m e

d e l a y ,

s h o w n i n

F i g .

1 ( a ) ,

we

c o u l d

e a s i l y

v e r i f y

t h e

f o l l o w i n g

s t a t e m e n t s

g r a p h i c a l l y .

1 )

W i t h

t h e

s a m e

p i c k u p s e t t i n g s a n d t i m e - c u r r e n t

c h a r a c -

t e r i s t i c

c u r v e s , t h e

e f f e c t

o f

h i g h e r

f a u l t

c u r r e n t s

i s t o

i n c r e a s e

t h e

r a n g e

o f

c o o r d i n a t i o n ,

r a i s e t h e t i m e d i a l

s e t t i n g ,

a n d

s l o w

down

t h e o v e r a l l

t r i p p i n g t i m e s .

T h i s

s t a t e m e n t

i s

t r u e

d u e

t o

t h e

i n h e r e n t

c o n v e r g e n c e

i n

t i m e w i t h

i n c r e a s e

i n

c u r r e n t

f o r

n e a r l y

a l l o f

t h e

e l e c t r o m a g -

n e t i c i n d u c t i o n - d i s k

( o r

s t a t i c )

i n v e r s e - t i m e

r e l a y s

o n

t h e

m a r k e t . A n o t h e r r e s u l t

o f t h i s

c o n v e r g e n c e

i s t h a t t h e

c o o r d i -

n a t i o n

t i m e ,

d e s i g n a t e d T i n t h e

f i g u r e s ,

c a n

b e f i x e d a t

t h e

maximum

f a u l t c u r r e n t

w i t h t h e

a s s u r a n c e

o f

s e l e c t i v i t y o v e r

t h e

r e m a i n i n g r a n g e

o f


p r o v i d e d

t h a t t h e

p r o t e c -

t i v e d e v i c e s h a v e t h e s a m e

t y p e o f

c h a r a c t e r i s t i c s

a n d t h a t

t h e

p i c k u p c u r r e n t

o f t h e

u p s t r e a m

d e v i c e

i s

t h e

s a m e a s o r

h i g h e r

t h a n t h e

p i c k u p

c u r r e n t

o f t h e

d o w n s t r e a m

d e v i c e .

2 ) W i t h t h e s a m e

p i c k u p

s e t t i n g s

a n d f a u l t l e v e l s t h e

i n v e r s e

r e l a y s w i t h t h e

s t e e p e r

s l o p e s

w i l l p r o d u c e

f a s t e r

t r i p p i n g

t i m e .

T h e

s i g n i f i c a n c e o f t h i s

s t a t e m e n t i s t h a t t h e i n v e r s e

r e l a y s

w i t h

s t e e p e r

s l o p e s a r e

f a s t e r , w h e r e a s t h e

d e f i n i t e - t i m e

r e l a y

( w h o s e


i s

n e a r l y

h o r i z o n t a l

a t t h e

h i g h e r

m u l t i -

p l e s

o f

p i c k u p ,

a s

s h o w n

i n F i g .

1 ( b ) ) , i s n o t

a s s u s c e p t i b l e

t o

v a r i a t i o n s

i n t h e f a u l t l e v e l

c a u s e d b y c h a n g e s

i n u t i l i t y

g e n e r a -

t i o n

a n d

l i n e

s w i t c h i n g . A

m o r e

o b v i o u s w a y o f

r e d u c i n g t h e

t r i p p i n g

t i m e

i s

t o

d e c r e a s e t h e c o o r d i n a t i o n

t i m e b y

r e q u i r i n g

f i e l d

t e s t i n g

o r

b y s p e c i f y i n g s t a t i c

r e l a y s

a n d

t r i p

d e v i c e s .

T y p i c a l

v a l u e s

o f r

u s e d

i n c o o r d i n a t i n g


b r e a k -

e r s w i l l

r a n g e f r o m

0 . 3 - 0 . 4 s

i f

c o n t r o l l e d

b y

i n d u c t i o n - d i s k

r e l a y s

a n d

f r o m 0 . 2 - 0 . 3

s i f c o n t r o l l e d b y

s t a t i c r e l a y s . C o o r d i -

n a t i o n t i m e s

f o r

l o w - v o l t a g e b r e a k e r s

w i l l v a r y f r o m

0 . 1 - 0 . 2

s .

A n o t h e r

common

m e t h o d o f s p e e d i n g u p

t h e

t r i p p i n g t i m e

i s

b y u s i n g a n

i n s t a n t a n e o u s t r i p

d e v i c e

w h e n e v e r

f e a s i b l e . T h e

i n s t a n t a n e o u s

t r i p ,

ANSI

d e v i c e

n o .

5 0 ,

c a n

b e

a p p l i e d

o n

t h e

f i n a l


p r o t e c t i v e d e v i c e

s u p p l y i n g t h e l o a d

o r o n

a n y


w i t h s u f f i c i e n t

c i r c u i t i m p e d a n c e

( i n d i -

c a t e d

b y

Z

i n t h e

f i g u r e ) b e t w e e n i t a n d

t h e

n e x t d o w n s t r e a -

p r o t e c t i v e

d e v i c e . F i g . l ( c )

i l l u s t r a t e s h o w

l o w e r t i m e

d i

s e t t i n g s

c a n

b e

a c h i e v e d w i t h i n v e r s e r e l a y s

p r o v i d e d

t h a t t

a v a i l a b l e

s t e a d y - s t a t e

f a u l t

c u r r e n t

a t a p r o t e c t i v e

d e v i c e

a p p r e c i a b l y

g r e a t e r

t h a n

t h e f i r s t h a l f c y c l e ,

a s y m m e t s

f a u l t

c u r r e n t

a v a i l a b l e a t

t h e n e x t

d o w n s t r e a m p r o t e c

d e v i c e . S i n c e

t h e

i n s t a n t a n e o u s t r i p i s

r e s p o n s i v e t o

t h (

o f f s e t

c u r r e n t ,

i t

m u s t b e

s e t

j u s t

a b o v e t h e asymme

0 0 9 3 - 9 9 9 4 / 7 8 / 1 1 0 0 - 0 4 7 1 0 0 . 7 5

©

I E E E 1 9 7 8



IEEE TRANSACTIONS ON

INDUSTRY APPLICATIONS

VOL.

I A - 1 4 ,

NO . 6 ,

NOVEMBER/DECEMBER

1978

CZ

_ l

- . f - -

L O G

CURRENT

f

3

( b )

a )

F i g .

1


l e v e l . T h e i n s t a n t a n e o u s

s e t t i n g o f t h e f i n a l

d o w n s t r e a m p r o t e c t i v e d e v i c e

must

e x c e e d

t h e n o r m a l

s h o r t -

t i m e

o v e r l o a d

c u r r e n t

a n d

t h e

i n i t i a l

a s y m m e t r i c a l

i n r u s h

c u r r e n t .

A

m o r e s o p h i s t i c a t e d

s c h e m e

u s e s

i n t e r l o c k i n g

b e t w e e n

h i g h - s p e e d s t a t i c

t r i p d e v i c e s t o

r e d u c e t h e c l e a r i n g

t i m e

o f

a r c i n g g r o u n d f a u l t s .

A l t h o u g h

e a c h

t r i p

u n i t i s e q u i p p e d

w i t h

a n

a d j u s t a b l e

p i c k u p a n d

t i m e

d e l a y

t o

o b t a i n

s e l e c t i v i t y

on a

l o w - v o l t a g e p r o t e c t i v e s y s t e m ,

t h e c i r c u i t b r e a k e r

i m m e d i a t e l y

u p s t r e a m f r o m t h e f a u l t

a l w a y s

t r i p s

i n s t a n t l y

r e g a r d l e s s o f t h e

t i m e d i a l s e t t i n g

o r f a u l t l o c a t i o n .

PICKUP SETTING

I d e a l l y ,

t h e

p i c k u p

c u r r e n t

s e t t i n g

s h o u l d

b e h i g h

e n o u g h

t o

p e r m i t

t h e c o n t i n u o u s f u l l - l o a d o p e r a t i n g

c a p a c i t y o f

t h e

c a b l e s a n d t h e e q u i p m e n t t h e y

s u p p l y ,

b u t

l o w e n o u g h

t o

p r o v i d e

f o r t h e i r

o v e r l o a d

p r o t e c t i o n ,

a n d b e l o w t h e s h o r t -

c i r c u i t

c u r r e n t

l e v e l

f o r a

b o l t e d

f a u l t a t

t h e

most r e m o t e

d o w n s t r e a m

p r o t e c t i v e

d e v i c e

u n d e r

minimum f a u l t

c o n d i t i o n s

w i t h t h e

f e w e s t

n u m b e r

o f

g e n e r a t o r s

a n d p a r a l l e l l i n e s

i n

o p e r a t i o n .

O v e r l o a d

p r o t e c t i o n

must

o f t e n

b e

s a c r i f i c e d

t o a t t a i n

s e l e c t i v i t y ,

e s p e c i a l l y

when

t h e c h a r a c t e r i s t i c

curves

are

d i s s i m i l a r .

NEC

p r e s c r i b e s

upper

l i m i t s

( e x c e e d i n g

1 0 0

p e r c e n t

o f

t h e

f u l l - l o a d

r a t i n g )

t o t h e

p i c k u p

s e t t i n g s

o f

p r o t e c t i v e

d e v i c e s

on

f e e d e r s

s u p p l y i n g

c e r t a i n

t y p e s

o f

l o a d s

t o

i n s u r e

t h a t

s o m e

d e g r e e

o f

o v e r l o a d

p r o t e c t i o n

i s

m a i n t a i n e d .

W i d e

s e p a r a t i o n

i n

p i c k u p

s e t t i n g s

c a u s e d

b y

c o n s i d e r a b l e

d i f f e r -

ences

i n f u l l - l o a d

c u r r e n t s ,

s u c h a s

b e t w e e n

t h e m a i n

b r e a k e r

a n d

i t s

l a r g e s t

f e e d e r

b r e a k e r ,

cannot

b e a vo i de d.

I t

s h o u l d

b e

r e a l i z e d

t h a t

t h e

b a c k u p

p r o t e c t i o n a f f o r d e d b y

t h e much

h i g h e r p i c k u p

o f t h e

u p s t r e a m

p r o t e c t i v e

d e v i c e

i s

l o s t

a t t h e

l o w e r f a u l t

l e v e l s . T h e f e e d e r

p r o t e c t i v e

d e v i c e

may

n o t

p i c k u p

d u r i n g

a

b r a n c h

c i r c u i t

f a u l t

d u e

t o c i r c u i t

i m p e d a n c e

c a u s e d

b y ,

f o r

e x a m p l e ,

a

s m a l l

l i g h t i n g

t r a n s f o r m e r ,

b u t

o b v i o u s l y

no

b a c k u p

p r o t e c t i o n

i s

p o s s i b l e

u n l e s s

t h e

p i c k u p

s e t t i n g

o f

t h e

: e e d e r

p r o t e c t i v e

d e v i c e

i s

w e l l

b e l o w

t h e

f a u l t

l e v e l

a t

t h e

n e x t

d o w n s t r e a m

p r o t e c t i v e

d e v i c e

u n d e r m i n i m um

f a u l t

c o n d i t i o n s .

I 2

3UR f ~ i 3

f

f 2

~ ~ L O G

C U R R E N T

f 3

f 2

A S Y M M .

LO D

( c )

TIME DIAL SETTING

I n

a d d i t i o n

t o

c o o r d i n a t i n g w i t h

t h e


c u r v e s

o f

t h e

u p s t r e a m a n d

d o w n s t r e a m

r e l a y s ,

t h e

t i m e

d i a l m u s t

b e

s e t

h i g h e n o u g h t o p e r m i t t h e

r e l a y

t o

r i d e

t h r o u g h

s t a r t i n g a n d

i n r u s h

c u r r e n t s

b u t

l o w

e n o u g h

t o t r i p

t h e b r e a k e r w h e n

t h e

s h o r t - c i r c u i t w i t h s t a n d r a t i n g o f

t h e

p r o t e c t e d

c a b l e s

o r

e q u i p -

ment

i s

e x c e e d e d .

CODE RESTRICTIONS

T h e

NEC

h a s

p r e s c r i b e d


t o t h e

p i c k u p c u r r e n t ,

s o m e o f w h i c h a r e a d d i t i o n s

o r c h a n g e s i m p l e m e n t e d

i n

t h e

1 9 7 5

e d i t i o n .

A c c o r d i n g

t o S e c t i o n 2 3 0 - 2 0 8 , t h e t r i p s e t t i n g

o f a

c i r c u i t

b r e a k e r

p r o t e c t i n g

s e r v i c e - e n t r a n c e c a b l e s e x c e e d -

i n g

6 0 0

V

c a n

b e

a s

h i g h

a s s i x

t i m e s

t h e i r

a m p a c i t y .

T h e

f i g u r e

s i x

i s

r e p e a t e d

i n S e c t i o n

2 4 0 - 1 0 0

f o r t h e

t r i p

s e t t i n g

o f

b r e a k e r s

p r o t e c t i n g

f e e d e r s

a b o v e

6 0 0

V .

I t

s h o u l d b e

r e m e m -

b e r e d

t h a t

t h e

c a b l e

a m p a c i t y

i s t h e

c u r r e n t

r a t i n g

a d j u s t e d

f o r

a m b i e n t

t e m p e r a t u r e ,

g r o u p

d e r a t i n g ,

s o i l t h e r m a l

r e s i s t i v i t y ,

e t c . ,

a n d

n o t n e c e s s a r i l y

a s r e a d d i r e c t l y f r o m

NEC

o r I P C E A

t a b l e s .

S e c t i o n

4 5 0 - 3

o n t ra ns f o r me r

p r o t e c t i o n w a s

r e v i s e d

i n

1 9 7 5 , a n d

a

c o n v e n i e n t t a b l e

w a s a d d e d f o r t r a n s f o r m e r s

w i t h

p r i m a r y v o l t a g e

o v e r

6 0 0

V

a n d

w i t h

p r i m a r y

a n d

s e c o n d -

a r y

o v e r c u r r e n t d e v i c e s .

T h e maximum

s e t t i n g

t a b u l a t e d f o r

a

p r i m a r y

c i r c u i t

b r e a k e r

p r o t e c t i n g

a

t r a n s f o r m e r

w i t h

n o t

m o r e t h a n

6

p e r c e n t

i m p e d a n c e

i s 6 0 0

p e r c e n t

o f

t h e t r a n s -

f o r m e r

r a t e d

c u r r e n t ,

w h i c h

i s

c o n s i s t e n t

w i t h

t h e

a b o v e

m a x i m u m

s e t t i n g s

f o r s e r v i c e s

a n d

f e e d e r s .

T h e

maximum

s e t t i n g s p e r m i t t e d

i n t h e t a b l e f o r t h e

m a i n b r e a k e r

i n t h e

s e c o n d a r y

o f

t h i s t r a n s f o r m e r a r e

3 0 0

p e r c e n t

f o r

v o l t a g e s

a b o v e

6 0 0

V

a n d

2 5 0

p e r c e n t

f o r

6 0 0

V o r

l e s s .

T h e r e s t r a i n t s

i m p o s e d

b y

t h e NEC

o n

p i c k u p

s e t t i n g s

a r e

c o n s i d e r a b l y

m o r e r e s t r i c t i v e

f o r d e v i c e s

p r o t e c t i n g

c a b l e s a n d


r a t e d

6 0 0

V o r

l e s s

t h a n f o r

t h e

s a m e

a p p a r a t u s

r a t e d

o v e r 6 0 0 V .

F o r

e x a m p l e ,

t h e c i r c u i t

b r e a k e r

s e t t i n g

f o r

l o w - v o l t a g e

s e r v i c e s

a n d f e e d e r s c a n n o t

e x c e e d

1 0 0

p e r c e n t

o f

t h e c a b l e

a m p a c i t y

i n

c o n t r a s t

t o

t h e

6 0 0

p e r c e n t

a l l o w e d f o r


s e r v i c e s a n d f e e d e r s .

I f

t h e

l o w - v o l t a g e p r o t e c -

t i v e

d e v i c e

i s

n o n a d j u s t a b l e ,

t h e

NEC

w i l l

p e r m i t

t h e

n e x t

47

1



IEEE

TRANSACTIONS ON

INDUSTRY APPLICATIONS VOL. I A - 1 4 ,

NO. 6 ,

NOVEMBER/DECEMBER 1978

h i g h e r

s t a n d a r d

r a t i n g p r o v i d e d

t h a t

t h e d ev i ce

r a t i n g

d o e s n o t

e x c e e d

8 0 0 A .

T h e

m a x i mu m s e t t i n g s

f o r c i r c u i t b r e a k e r s

p r o t e c t i n g l o w - v o l t a g e

t r a n s f o r m e r s i s 2 5 0

p e r c e n t

o f t h e

r a t e d


c u r r e n t f o r t h e

p r i m a r y

b r e a k e r a n d

1 2 5

p e r c e n t

f o r

t h e m a i n

s e c o n d a r y

b r e a k e r .

A l t h o u g h

a 250

p e r c e n t

s e t -

t i n g o n t h e

p r i m a r y

b r e a k e r

m e e t s t h e NEC

r e q u i r e m e n t s

f o r




t h e r e a d e r

i s r e m i n d e d

t h a t ,

i n

g e n e r a l ,

t h i s

s e t t i n g

d o e s n o t

meet

t h e

NEC

r e q u i r e -

ments

f o r

p r o t e c t i o n

o f l o w - v o l t a g e

f e e d e r

c a b l e s

s u p p l y i n g

a

t h r e e - p h a s e t r a n s f o r m e r

u n l e s s

t h e

c a b l e s

a r e o v e r s i z e d t o

c a r r y

tw o a n d

a

h a l f

t i m e s t h e r at ed c u r r e n t

o f t h e

t r a n s f o r m e r .

When

p l a n t power i s p u r c h a s e d a t t h e 4 8 0

V

l e v e l f r o m a

s o l i d l y g r o u n d e d s y s t e m ,

t h e

m a i n c i r c u i t b r e a k e r mu st b e

c o n s i d e r e d

a s

s e r v i c e e q u i p m e n t

r e q u i r i n g

t h e

g r o u n d - f a u l t

p r o t e c t i o n

t o

c o m p l y w i t h

NEC

S e ct i on 2 3 0 -9 5 ( a ). T h e

m a x i mu m s e t t i n g o f t h e g r o u n d - f a u l t p r o t e c t i v e d e v i c e i s

1 2 0 0

A

i f t h e b r e a k e r

i s

r a t e d a t

1 0 0 0

A o r m o r e . T h e

t i m e

d e l a y

was

l i m i t e d b y t h e

1 9 7 8 NEC t o

1

s

f o r g r o u n d - f a u l t

c u r r e n t s

3 0 0 0

A a n d h i g h e r .

T h e


p r o t e c t i o n

i s

n o t very

e f f e c t i v e

u n l e s s t h e s e t t i n g

on t h e

m a i n

b r e a k e r i s

much

l e s s

t h a n 1 2 0 0 A

( s u c h

as

3 0 0

A ) , a n d t h e

f e e de r b r e ak e r s

are

e a c h

e q u i p p e d

w i t h

a g r o u n d - f a u l t

t r i p

d e v i c e .

NORMALLY

OPEN BU S

T I E BREAKER

T h e

t y p i c a l



s u b s t a t i o n

w i t h

a

n o r m a l l y open

t i e b r e a k e r

i s

e q u i p p e d

w i t h c o n t r o l

d e v i c e s

t h a t

a u t o m a t i c a l l y open

t h e m a i n

b r e a k e r

a n d c l o s e

t h e t i e

i n

e v e n t

o f

l o s s

o f

p r i m a r y v o l t a g e

or t r a n s f o r m e r

f a u l t .

The t i e

b r e a k e r i s

u s u a l l y

n o t

e q u i p p e d

w i t h


r e l a y s .

How-

e v e r ,

t h e

n o r m a l l y

open

t i e

b r e a k e r f o r

a

d o u b l e - e n d e d l o w -

v o l t a g e

s u b s t a t i o n

i s

u s u a l l y

e q u i p p e d

w i t h


p r o t e c t i v e

d e v i c e s

( r e l a y e d )

b e c a u s e t h e

t r i p

d e v i c e s

ar e

m o u n t e d o n t h e

b r e a k e r

i t s e l f ,

a n d

f o r

re a so n s o f

o p e r a t i n g

e x p e d i e n c y

s u c h

a s

i n t e r c h a n g e a b i l i t y

a n d r e d u c t i o n

o f

s p a r e s ,

t h e t i e b r e a k e r

i s a

d u p l i c a t e

o f t h e

m a i n

b r e a k e r s .

T h e s t a n d -

a r d p r a c t i c e

i s

t o

use

t h e

same

l o n g

a n d s h o r t t i m e

s e t t i n g s

on

t h e

t i e

b r e a k e r a s

r e q u i r e d

f o r

t h e

m a i n

b r e a k e r s

[ 8 ] [ 1 2 ] .

E v i d e n t l y ,

t h e

c a p a b i l i t y

o f

s e c t i o n a l i z i n g

t h e m a i n

b u s

t o

c l e a r

f a u l t s on t h e

o p p o s i t e

s i d e

f r o m

t h e c l o s ed m a i n

b r e a k e r

w i t h o n e

s o u r c e d o w n d o e s n o t

j u s t i f y

t h e

a d d i t i o n a l t i m e

d e l a y .

T h e

p h a s e

a n d

g r o u n d


f o r

t h e t h r ee -w i re s u b -

s t a t i o n

w i t h a


t i e

i s

t h e r e f o r e

e s s e n t i a l l y

t h e

s a m e

a s

f o r

a

t h r e e -

or

f o u r - w i r e

r a d i a l

( s i n g l e - e n d e d )

s u b -

s t a t i o n .

P h a s e

c o o r d i n a t i o n o f

t h e

r a d i a l s u b s t a t i o n

h a s

b e e n

w e l l d o c u m e n t e d a n d i s r e v i e w e d

b r i e f l y

i n t h e

f o l l o w i n g

s e c t i o n s .

PRIMARY AND

MAIN SECONDARY PHASE

PROTECTIVE DEVICES

T h e t i m e

d i a l

o f

t h e

p r i m a r y


r e l a y

mu st b e

a d j u s t e d

t o r i d e

t h r o u g h

t h e i n r u s h

c u r r e n t ( t r a d i t i o n a l l y

a s s u m e d

t o

b e

e i g h t

t i m e s

t h e t r a n s f o r m e r

f u l l - l o a d s e l f - c o o l e d

c u r r e n t r a t i n g

f o r



a n d 1 2 t i m e s f o r

m e d i u m - v o l t a g e s u b s t a t i o n s ) p l o t t e d

a t

0 . 1

s

a n d t o

t i m e o u t

b e f o r e t h e t r a n s f o r m e r

s h o r t - c i r c u i t

w i t h s t a n d

c u r r e n t ,

t h e

I n s p e c t i o n

o f

F i g . 9 2 - 0 6 . 2 0 0

i n A p p e n d i x

C 5 7 . 9 2 r e v e a l s t h a t

t h e

p o i n t i n r e a l i t y i s a

s t r a i g h t

l i n e w h e n

p l o t t e d o n l o g - l o g

g r a p h p a p e r

a n d

c a n b e r e p r e s e n t e d

b y

t h e

r e l a t i o n I 2 t

=

1 2 0 0

w h e r e

I i s t h e m u l t i p l e o f t h e


s e l f - c o o l e d f u l l - l o a d

c u r r e n t a n d t i s t h e w i t h s t an d t i me

i n

s e c o n d s .

T h e a l l o w a b l e s h o r t - c i r c u i t t i m e - c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c

f o r

i n s u l a t e d c o p p e r o r a l u m i n u m c o n d u c t o r s

c a n b e d e t e r m i n e d

f r o m

f o r m u l a s

o r

c u r v e s

i n

[ 1 5 ]

b a s e d

o n

t h e

m a x i l n u m

c o n -

t i nu ou s o p e ra ti n g

t e m p e r a t u r e

a n d t h e maximum

a l l o w a b l e

s h o r t - c i r c u i t t e m p e r a t u r e o f t h e i n s u l a t i o n . T h e s e c u r v e s a r e

a l s o

1 2 t

t y p e

a n d

w i l l

b e

p a r a l l e l t o t h e s h o r t - c i r c u i t w i t h s t a n d

c u r r e n t

c u r v e

f o r

t h e o i l - i m m e r s e d

t r a n s f o r m e r . T h e s l o p e o f

t h e s e c u r v e s

i s

- 2 . 0 o n l o g - l o g g r a p h

p a p e r

i n t e r c e p t i n g t h e

c u r r e n t a x i s

a t

a n

a n g l e o f 6 3 . 4 0 . I f o n l y

o n e p o i n t o n b o t h o f

t h e s e c u r v e s

i s

p l o t t e d , t h e r e m a i n i n g p o rt i on o f

t h e

c u r v e s

c a n

b e

q u i c k l y

d r a w n

t h r o u g h t h e s e p o i n t s

p a r a l l e l t o a l i n e w h o s e

s l o p e

i s

t w o

c y c l e s a l o n g t h e t i m e

a x i s

a n d

o n e

c y c l e

a l o n g

t h e

c u r r e n t a x i s .

T h e

p r a c t i c a l l i m i t s f o r p l o t t i n g t h e s e c u r v e s a r e

b e t w e e n

1 0

s

a n d

t h e maximum t h r e e - p h a s e s y m m e t r i c a l

f a u l t

c u r r e n t

t o w h i c h

t h e p r i m a r y

c a b l e s

a n d


a r e

e x p o s e d .

T h e

p r i m a r y

r e l a y

i s

d e s i g n a t e d

P

a n d

t h e

r e l a t i o n

o f

i t s t i m e - c u r r e n t

c u r v e

t o t h e

c a b l e

a n d t r a n s f o r m e r

s h o r t -

c i r c u i t

w i t h s t a n d c u r v e s ,

C a n d

T x , r e s p e c t i v e l y ,

i s

i n d i c a t e d

i n

F i g .

2 .

T h e i n s t a n t a n e o u s t r i p o f

r e l a y

P m u s t

b e

s e t

s l i g h t l y

a b o v e

t h e


v a l u e

o f t h r e e - p h a s e ( b o l t e d )

f a u l t c u r r e n t o n

t h e s e c o n d a r y

s i d e

o f t h e


T h i s

s e t t i n g p r o v i d e s

i n s t a n t a n e o u s c l e a r i n g o f

p r i m a r y

f a u l t s a n d

d e l a y e d

t r i p p i n g

o f

s e c o n d a r y

f a u l t s , a l l o w i n g

t h e

f a s t e r

s e c o n d a r y

b r e a k e r s

t o

o p e n

f i r s t o n

f a u l t s

c l o s e

t o t h e s u b s t a t i o n

t h a t a r e a l s o

p i c k e d

u p b y

r e l a y P .

A

b o l t e d s i n g l e

l i n e - t o - g r o u n d f a u l t

o n t h e

s e c o n d a r y

o f

a

d e l t a - w y e

c o n n e c t e d

c o r e

t y p e


w i t h

a

s o l i d l y

g r o u n d e d

n e u t r a l

w i l l d e v e l o p

a s much s h o r t - t i m e


r i s e d u e t o s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t

i n

t h e f a u l t e d

l e g

a s

w o u l d

b e

d e v e l o p e d

w i t h a

t h r e e - p h a s e

b o l t e d f a u l t .

T h e

p r i m a r y r e l a y

s e e s o n l y

5 7 . 7 p e r c e n t a s

much c u r r e n t

d u r i n g

t h e

l i n e - t o -

g r o u n d

f a u l t

a s f o r

t h e t h r e e - p h a s e f a u l t

a n d

t h e r e f o r e

w i l l

b e

s l o w e r i n

c l e a r i n g

t h e

f a u l t ,

p e r m i t t i n g

t h e

s h o r t - t i m e

t e m p e r a -

t u r e

l i m i t t o b e e x c e e d e d .

To

c o m p e n s a t e

f o r

t h i s ,

t h e s h o r t -

c i r c u i t w i t h s t a n d c u r v e m u s t b e

s h i f t e d

t o t h e l e f t

t o

5 7 . 7

p e r c e n t

o f

t h e

c u r r e n t f o r t h e


A N S I

p o i n t [ 4 ] .

A

s i m i l a r

a d j u s t m e n t

m u s t b e m a d e

f o r

a d e l t a - d e l t a

c o n -

n e c t e d

t r a n s f o r m e r . I n

t h e

e v e n t

o f

a b o l t e d l i n e - t o - l i n e

s e c o n d a r y

f a u l t ,

t h e

p r i m a r y

r e l a y s

s e e

o n l y

8 6 . 6 p e r c e n t a s

much c u r r e n t

a s f o r

a


f a u l t .

S i n c e

o n e

l e g

o f t h e

t r a n s f o r m e r e x p e r i e n c e s

a s much

s h o r t - t i m e


r i s e

a s f o r a

t h r e e - p h a s e f a u l t ,

t h e s h o r t - c i r c u i t

w i t h s t a n d c u r v e

f o r

a d e l t a - d e l t a t r a n s f o r m e r m u s t

b e

s h i f t e d t o t h e

l e f t

t o

8 6 . 6

p e r c e n t

o f

t h e

c u r r e n t f o r

t h e


ANSI

p o i n t .

O n e

o f

t h e

r e l a y s

o n t h e

p r i m a r y

s i d e

o f

a

d e l t a - w y e

t r a n s -

f o r m e r s e e s

1 5 . 4 7

p e r c e n t

m o r e c u r r e n t

d u r i n g

a

l i n e - t o - l i n e

s e c o n d a r y

f a u l t

t h a n w o u l d b e

s e e n

b y

t h e

p r i m a r y r e l a y s

d u r i n g

a

t h r e e - p h a s e s e c o n d a r y

f a u l t

o f t h e

s a m e

c u r r e n t

m a g n i t u d e

a n d

a t

t h e s a m e l o c a t i o n .

To

p r e v e n t

a

m i s c o o r d i n a -

t i o n ,

t h e


o p e r a t i n g

t i m e

m u s t

b e

i n c r e a s e d

( s l o w e d d o w n ) .

T h e t i m e d i a l

s e t t i n g

o f t h e


i s

s e l e c t e d

t o c o o r d i n a t e w i t h

t h e c u r v e

o f

t h e

p r o t e c t i v e

d e v i c e

47 3

s o - c a l l e d ANSI

p o i n t ,

d e f i n e d

i n ANSI

C 5 7 . 1 2 . 0 0 i s

e x c e e d e d .



IEEE

TRANSACTIONS

ON INDUSTRY

A P P L I C A T I O N S ,

VOL.

I A - 1 4 ,

NO.

6 ,

NOVEMBER/DECEMBER

1978

o r r e l a y

M ,

f o r

t h e

m a i n

s e c o n d a r y

b r e a k e r

t h a t h a s b e e n

s h i f t e d

t o

t h e r i g h t b y 1

5 . 4 7 p e r c e n t

o f t h e a c t u a l

t i m e c u r r e n t

f o r


f a u l t s .

T h i s

i s s h o w n

b y

t h e

d a s h e d

c u r v e b e -

t w e e n

M a n d

P

i n F i g .

2 . A

l i n e - t o - l i n e f a u l t w i l l

d e v e l o p o n l y

a b o u t

8 6 . 6 p e r c e n t

a s

much

c u r r e n t

a s

a


f a u l t

o n

t h e s e c o n d a r y

s i d e

o f

t h e

s a m e t r a n s f o r m e r .

T h i s

a p p r o x i m a -

t i o n

i s v a l i d

i f

t h e p o s i t i v e

a n d

n e g a t i v e s e q u e n c e i m p e d a n c e s

t o t h e

f a u l t

p o i n t

a r e

n e a r l y

e q u a l .

N o t e

t h a t t h e d i f f e r e n c e

b e t w e e n

t h e l i n e - t o - l i n e

a n d


f a u l t

c u r r e n t s

i s t h e

s a m e

a s t h e

1 5 . 4 7

p e r c e n t

s h i f t i n c u r r e n t

o f

t h e

c u r v e

f o r

t h e

s e c o n d a r y

r e l a y .

FEEDER

PROTECTION

T h e

p r o t e c t i v e

d e v i c e f o r

t h e

b u s f e e d e r s

m u s t

c o o r d i n a t e

w i t h

e i t h e r

T o r

M

d e p e n d i n g

u p o n

t h e

t y p e

o f

s u b s t a t i o n .

T h e

l a r g e s t f e e d e r

i s

i n d i c a t e d

b y

F

i n

F i g .

2

a n d

i s

a s s u m e d

t o

s u p p l y

a

r e m o t e

s w i t c h g e a r a s s e m b l y

c o n s i s t i n g

o f m o t o r

c o n t r o l l e r s

a n d

s u b f e e d e r s

t o


a n d / o r

p r o c e s s

h e a t e r s . D e v i c e

F

s h o u l d

n o t b e

e q u i p p e d

w i t h a n

i n s t a n t a n e -

o u s

t r i p

e l e m e n t

s i n c e

n o r m a l l y

t h e r e

i s

n o t

s u f f i c i e n t

l i n e

i m p e d a n c e b e t w e e n i t a n d

t h e

d o w n s t r e a m p r o t e c t i v e

d e v i c e s

w i t h

w h i c h

i t

m u s t

c o o r d i n a t e .

MOTOR FEEDER

PROTECTION

When a


m o t o r f e e d e r s u p p l i e s

a

g r o u p o f c o n -

t r o l l e r s

s u c h a s a

m o t o r c o n t r o l

c e n t e r ,

t h e s e t t i n g

o f

i t s c i r c u i t

b r e a k e r

i s

l i m i t e d

b y

t h e NE C

( S e c . 4 3 0 6 2

t o

n o t

e x c e e d t h e

s e t t i n g

o f

t h e

h i g h e s t b r a n c h

c i r c u i t s h o r t - c i r c u i t

p r o t e c t i v e

d e v i c e

p l u s

t h e

sum

o f t h e f u l l - l o a d

c u r r e n t s

o f

t h e

r e m a i n i n g

m o t o r s .

T h i s

s e c t i o n c a n

b e

e x t e n d e d

t o

i n c l u d e

a

f e e d e r

s u p p l y i n g

a

l i n e u p

o f


s t a r t e r s

s i n c e t h e

p r o v i -

s i o n s

o f

A r t i c l e

4 3 0

a r e

a p p l i c a b l e

t o

A r t i c l e

7 1 0 .

A

s i m p l e

c h e c k

s h o u l d

a l s o

b e

p e r f o r m e d

o n t h e t i m e - c u r r e n t c u r v e o f a

c i r c u i t

b r e a k e r p r o t e c t i n g

a


m o t o r

f e e d e r

a n d

t h e

t i m e

d i a l s e t t i n g

o f

t h e

r e l a y

f o r a c i r c u i t

b r e a k e r

p r o t e c t i n g

a


m o t o r

f e e d e r . T h e s e c u r v e s

m u s t l i e

a b o v e a

p o i r r t

d e f i n e d b y

t h e a c c e l e r a t i o n

t i m e

o f t h e

l a r g e s t

m o t o r

a n d t h e s um o f t h e l o c k e d - r o t o r c u r r e n t f o r

t h i s

m o t o r

p l u s

t h e sum

o f t h e f u l l - l o a d

c u r r e n t s

o f t h e

r e m a i n i n g

o p e r a t i n g

m o t o r s . T h e

l a r g e s t

m o t o r

a c t u a l l y

m e a n s t h e

m o t o r

w i t h

t h e

l o n g e s t

a c c e l e r a t i o n

t i m e a n d

h i g h e s t s t a r t i n g

i n r u s h

c u r r e n t a n d

i s

u s u a l l y

a

l a r g e

t w o - p o l e

m o t o r

d r i v i n g

a h i g h -

i n e r t i a

l o a d .

T h e

c u r v e f o r a

g e n e r a l

f e e d e r

F

i n F i g . 2 c a n

a l s o

r e p r e s e n t

a m o t o r

f e e d e r

w i t h t h e

e x c e p t i o n

t h a t t h e NEC


o n

p i c k u p

a l r e a d y

d i s c u s s e d

a r e

d i f f e r e n t .

MOTOR STARTER

SUPPLIED DIRECTLY

FROM SUBSTATION

BUS

T h e

maximum s e t t i n g

o f

t h e

b r a n c h - c i r c u i t


p r o t e c t i v e

d e v i c e i n

a

c i r c u i t b r e a k e r

t y p e s t a r t e r f o r t h e

t y p i c a l i n d u s t r i a l s q u i r r e l c a g e

i n d u c t i o n m o t o r

i s

2 5 0

p e r c e n t

o f t h e

f u l l - l o a d c u r r e n t i n a c c o r d a n c e

w i t h NEC T a b l e

4 3 0 -

1 5 2 .

W h e n

t h e

a c c e l e r a t i n g

t i m e , l o c k e d - r o t o r

c u r r e n t

a n d

b r e a k e r


c u r v e

a r e

k n o w n ,

a q u i c k c h e c k c a n

d e t e r -

m i n e i f

t h e

v a l u e i n t h e

t a b l e

h a s

b e e n e x c e e d e d . S e t t i n g s

a s

h i g h

a s 4 0 0

p e r c e n t f o r m o t o r s w i t h

f u l l - l o a d c u r r e n t s

o f

1 0 0 A

o r

l e s s

o r 3 0 0 p e r c e n t f o r m o t o r s w i t h

f u l l - l o a d

c u r r e n t s l a r g e r

t h a n

1 0 0

A

a r e p e r m i t t e d

i n

NE C S e c t i o n 4 3 0- 5 2 , E x c e p t i on

e .

T h e


s e t t i n g

m u s t b e h i g h e n o u g h t o r i d e

t h r o u g h

t h e s t a r t i n g i n r u s h

c u r r e n t a n d

t o n o t t r i p

o n

t h e

f a u l t

c u r r e n t

c o n t r i b u t e d

b y

t h e

m o t o r

i t s e l f w h e n a

c l o s e i n

f a u l t o c c u r s o n

a n o t h e r

f e e d e r .

T h e l a t t e r r e s t r i c t i o n i s i n c l u d e d s i n c e i t

i s

p o s s i b l e f o r a n i n du ct i on m o t o r u n d e r

c e r t a i n c o n d i t i o n s , s u c h

a s

w i t h

a l a r g e

l i g h t l y

l o a d e d t w o -p o l e

m o t o r

s u p p l i e d

f r o m

a

s y s t e m

w i t h

a l o w X / R

r a t i o ,

t o g e n e r a t e a

f a u l t

c u r r e n t t h a t

e x c e e d s i t s s t a r t i n g

c u r r e n t . A

l u c i d d i s c u s s i o n o f t h e

s h o r t -

c i r c u i t c u r r e n t

c o n t r i b u t e d b y

i n d u c t i o n m o t o r s c a n b e

f o u n d

i n [ 2 ] .

T h e maximum s e t t i n g o f

t h e


t r i p d e v i c e

p e r m i t t e d i n t h e a b o v e NE C

T a b l e i s 7 0 0 p e r c e n t

o f t h e

f u l l -

l o a d

c u r r e n t . T h i s v a l u e a p p e a r s t o

i g n o r e

t h e a s y m m e t r i c a l d c

o f f s e t

p o r t i o n o f t h e i n r u s h c u r r e n t t o

w h i c h

t h e


t r i p d e v i c e i s

r e s p o n s i v e a n d

h e n c e

i s

u n r e a l i s t i c

f o r t h e m a j o r -

i t y o f t h e

m o t o r s

o p e r a t i n g i n i n d u s t r i a l

p l a n t s .

H o w e v e r ,

t h e

NEC i s

f l e x i b l e ,

a n d i n S e c t i o n

4 3 0 - 5 2 ,

E x c e p t i o n c , t h e

maximum


s e t t i n g i s

e x t e n d e d

u p w a r d s ,

i f n e c e s -

s a r y ,

t o 1 3 0 0

p e r c e n t

o f

t h e

m o t o r f u l l - l o a d c u r r e n t . T y p i c a l

s e t t i n g s

w i l l

r a n g e

f r o m

8

t o

1 1

t i m e s

t h e

f u l l - l o a d

c u r r e n t ,

d e p e n d i n g

a

l a r g e

e x t e n t

u p o n

t h e d c

o f f s e t ,

w h i c h i s a

f u n c t i o n

o f t h e m o t o r s i z e a n d

n u m b e r

o f

p o l e s .

T h e t i m e - d e l a y e l e m e n t i s n o r m a l l y a t h e r m a l - o v e r l o a d

d e v i c e ,

A N S I

d e v i c e

n o .

4 9 ,

d e s i g n e d

t o

m a t c h

t h e

m o t o r

h e a t i n g c u r v e . O f t e n t h e

t h e r m a l

r e l a y i s n o t f a s t

e n o u g h

t o

p r e v e n t t h e

w i n d i n g s o f t h e l a r g e r


m o t o r s

f r o m e x c e e d i n g t h e i r t e m p e r a t u r e l i m i t d u r i n g

a

s t a l l e d

r o t o r

c o n d i t i o n .

A

f a s t e r

m a g n e t i c

r e l a y ,

d e v i c e

n o .

5 1 , i s

o f t e n

a d d e d

t o t h e l o w e r

p o r t i o n

o f

F M ,

t h e c u r v e f o r t h e m o t o r

p r o t e c t i v e

d e v i c e

s h o w n i n

F i g .

2 . T h e

p i c k u p

f o r

t h e

s t a l l

p r o t e c t i v e

r e l a y

s h o u l d b e n o t

l e s s

t h a n

t w i c e t h e

f u l l - l o a d

c u r r e n t

o f

t h e

m o t o r

n o r m o r e

t h a n

h a l f o f

t h e l o c k e d

r o t o r

c u r r e n t ,

a n d

t h e

t i m e

d e l a y

i s

s e t

b e l o w

t h e

p o i n t i n d i c a t i n g

t h e m a n u f a c t u r e r ' s

l o c k e d

r o t o r

w i t h s t a n d

t i m e .

TRANSFORMER

FEEDER

T h e

s e t t i n g

o f t h e

p h a s e - o v e r c u r r e n t


o n


f e e d e r i s

l i m i t e d b y

t h e

s a m e

c o d e r e s t r i c t i o n s

o n

p i c k u p

a n d

t h e

s a m e

c o n s i d e r a t i o n s

o f i n r u s h a n d s h o r t -

c i r c u i t w i t h s t a n d

c u r r e n t

a s w a s

d e s c r i b e d f o r t h e

p r i m a r y

r e l a y P . T h e


s e t t i n g

w i l l b e

h i g h e r i f

t h e t i e i s

n o r m a l l y

c l o s e d

b e c a u s e a

f a u l t o n

t h e

s e c o n d a r y

i s

s u p p l i e d

f r o m t w o

s o u r c e s .

T h e p r o t e c t i v e d e v i c e

f o r

t h e


f e e d e r

i s

d e s i g n a t e d FT

i n

F i g .

2 .

T h e

c u r v e s

i n

F i g .

2 a r e i d e a l i z e d

a n d

s e p a r a t e d

f o r

c l a r i t y .

F o r e x a m p l e ,

F ,

F M , a n d

FT m u s t

c o o r d i n a t e

w i t h M o n l y a n d

n o t w i t h

e a c h o t h e r

a s

m i g h t

b e i n f e r r e d

f r o m

t h i s

s k e t c h .

P ,

F M ,

a n d

F T

w i l l b e

o m i t t e d f r o m

s u b s e q u e n t f i g u r e s .

T h e

p h a s e

c o o r d i n a t i o n c u r v e s

r e p r e s e n t

ANSI d e v i c e n o .

5 1 ,

t i m e -

d e l a y


r e l a y s

o r

p r o t e c t i v e d e v i c e s ,

a n d t h e

f a u l t

c u r r e n t s i n d i c a t e d a r e


s y m m e t r i c a l

u n l e s s

o t h e r -

w i s e

n o t e d .

NORMALLY

CLOSED

BUS

T I E

BREAKER

I n

t h e e v e n t

o f a b u s

f a u l t o r u n c l e a r e d f e e d e r

f a u l t

i n

t h e


s u b s t a t i o n

w i t h

a

n o r m a l l y

c l o s e d

b u s t i e

b r e a k e r ,

t h e t i e

b r e a k e r

a n d

t h e m a i n b r e a k e r o n

t h e

f a u l t e d

47 4



HORCHER: OVERCURRENT RELAY

COORDINATION

M A I N

Ig

J

MAIN

2

J T I E

K K

T

=

R

\ \ 1 7 r

L O G

f p

f l

f 2

C U R R E N T

F i g .

3 .

a p p r o a c h

i s

t o s e t t h e

c o o r d i n a t i o n t i m e a t

f ; , a l l o w i n g

e n o u g h

t i m e

f o r

t h e

f e e d e r

b r e a k e r t o c l e a r

t h e f a u l t b e f o r e

t h e

t i e

t r i p s

u n d e r

b o t h

o p e r a t i n g


A

s c h e m e t h a t i s

o f t e n

a p p l i e d

t o


g r o u n d e d

m e d i u m - v o l t a g e s u b s t a t i o n s

w i t h

a n o r m a l l y

c l o s e d

t i e

b r e a k e r ,

a s s h o w n

i n

F i g . 4 ,

i s c a l l e d

p a r t i a l

d i f f e r e n t i a l

r e l a y i n g .

T h e

m a i n

a d v a n t a g e

o f t h i s

m e t h o d i s t h a t

i n t h e

e v e n t

o f

a

b u s

f a u l t

o r u n c l e a r e d

f e e d e r

f a u l t ,

d i s c o n n e c t i o n o f

t h e

f a u l t e d

b u s

i s

a c h i e v e d

w i t h o u t

t h e a d d i t i o n a l

t i m e

d e l a y

i m p o s e d

b y

a

r e l a y e d t i e b r e a k e r .

T h e p h a s e


c u r v e s

a r e

d r a w n

i n

F i g . 4 ( a ) .

When

t h e

s u b s t a t i o n

l o a d i s

s u p p l i e d f r o m

o n e

s i d e

o f

t h e

m a i n b u s , t h e

M1 o r

M2 r c l a y s e e s

t h e

s u m

o f

t h e

c u r r e n t s

f r o m t h e t w o

s o u r c e s .

T h e

p i c k u p

s e t t i n g

o f

M1

a n d

M2

c o u l d

t h e r e f o r e b e

t h e

s u m o f t h e f u l l - l o a d c u r r e n t s

o f

t h e

t w o

m a i n

t r a n s f o r m e r s .

s i d e

o n l y

s h o u l d

open

t o

d i s c o n n e c t t h e

f a u l t e d

b u s

s e c t i o n .

B u s


can

b e

a c h i e v e d

b y s i m p l y

s e t t i n g

t h e

c h a r a c t e r -

i s t i c

curve o f t h e

p r o t e c t i o n

d e v i c e f o r t h e

t i e

b r e a k e r

b e t w e e n

t h a t

o f

t h e m a i n

b r e a k e r

a n d

l a r g e s t

f e e d e r

b r e a k e r .

T h e

p i c k u p

s e t t i n g

f o r

T

i s t h e s a m e a s f o r

M

a s

i n d i c a t e d

b y

t h e


curves

i n

F i g .

3 .

T h e


s u b s t a t i o n

w i t h

a

n o r m a l l y

c l o s e d t i e

i s

a

g o o d

e x a m p l e

o f o n e o f

t h e

m o r e

common

p r o b l e m s

i n v o l v i n g


c o o r d i n a t i o n ,

n a m e l y ,

t h a t


p r o t e c t i v e

d e v i c e s i n s e r i e s do

n o t

a l w a y s s e e

t h e

s a m e f a u l t

c u r r e n t . I n t h i s

c a s e F

s e e s

t h e

f a u l t

c u r r e n t

f r o m

tw o

sources

p l u s

c u r r e n t


b y

m o t o r s

s u p p l i e d

f r o m

t h e

m a i n

b u s ,

i d e n t i f i e d

a s

f a u l t l e v e l

f 2 ,

i n

t h e

f i g u r e s , w h e r e a s

M1 a n d

M2

s e e


f r o m

o n l y

o n e

s ou rce

d e s i g n a t e d

f i .

F a s t e r

c l e a r i n g

i s

p o s s i b l e

i f

t h e

c o o r d i -

n at i o n t i m e b e t w e e n

F

a n d T

i s

e s t a b l i s h e d a t

f2

i n

F i g .

3 .

H o w e v e r ,

t h e r i s k o f

l o s i n g

h a l f o f

t h e m a i n b u s i s

i n c u r r e d

w h e n

t h e s u b s t a t i o n i s

s u p p l i e d

f r o m

o n l y

o n e

s ou rce

w i t h

o n e

m a i n

b r e a k e r

open

a n d t h e

t i e

c l o s e d .

A

more

c o n s e r v a t i v e

NO

BUS T I E

BREAKER

T h e p h a s e


curves f o r a

d o u b l e - e n d e d s u b -

s t a t i o n w i t h n o b u s

t i e

b r e a k e r , o f t e n

c a l l e d a

s p o t

n e t w o r k

s y s t e m ,

a r e

d r a w n i n

F i g .

5 .

W h e n

t h e b u s

i s n o t

s e c t i o n a l i z e d ,

t h e


i s

s i m p l i f i e d

b u t

a n

u n c l e a r e d

f e e d e r

f a u l t

w i l l ,

o f

c o u r s e ,

s h u t

down t h e


REVERSE

CURRENT

T h e r e v e r s e - c u r r e n t

r e l a y

R must

c o o r d i n a t e

w i t h

T

w h e n

a p p l i e d t o s u b s t a t i o n s

w i t h a

n o r m a l l y c l o s e d

r e l a y e d

t i e

b r e a k e r

a n d

w i t h t h e M

f o r t h e

m a i n b r e a k e r o n

t h e

o p p o s i t e

s i d e w h e n

a p p l i e d

t o

s u b s t a t i o n s w i t h no

t i e or

w i t h a

nor-

m a l l y

c l o s e d

t i e c o n t r o l l e d

b y

t h e

p a r t i a l d i f f e r e n t i a l

m e t h o d .

T h e

d i r e c t i o n a l

u n i t i n

r e v e r s e - c u r r e n t

r e l a y

R

p r e v e n t s t h e

i n d u c t i o n d i s k

f r o m t i m i n g o u t d u e t o

a n y

d o w n s t r e a m cur-

r e n t , a n d

h e n c e

t h e

p i c k u p

i s much

l ow e r a n d t h e

t i m e

d i a l

i s

c o

CD

F i g .

2 .

47 5



IEEE

TRANSACTIONS

ON

INDUSTRY

APPLICATIONS

VOL.

I A - 1 4 ,

N O . 6 ,

NOVEMBER/DECEMBER

1978

I

M A I N 2

M

k ~ ~ ~ ~

-

M ( 5 1 G )

F

t o

L O G - -

L O G

CURRENT

( a )

f 2

C U R R E N T

f

( b )

F i g .

4.

X

\ \ M

X

~

~ ~ ~

X

-

L O G

CURRENT

f l

' 2

F i g .

5

s e t

f a s t e r

t h a n i s

necessary t o

c oo r d i n a t e w i t h

e i t h e r T o rM

a s

i s

i n d i c a t e d

i n F i g . 3 .

H o w e v e r ,

t h e

c o n t i n u o u s

( t h e r m a l )

r a t i n g

o f

t h e

r e l a y

c u r r e n t

c o i l

s h o u l d

b e

c h e c k e d

t o

i n s u r e

t h a t

i t

e x c e e d s t h e

f u l l - l o a d c u r r e n t

o f t h e


Under

c e r t a i n

c o n d i t i o n s , i t i s

p o s s i b l e

t h a t t h e

r e v e r s e - c u r r e n t

r e l a y

w i t h

a f a s t

t i m e

d i a l s e t t i n g

w o u l d t r i p

d u e t o a

f a u l t on a

p r i m a r y f e e d e r

b e f o r e

t h e

u p s t r e a m r e l a y

p r o t e c t i n g t h e

f e e d e r

c o u l d

t i m e

o u t

a n d c l e a r t h e

f a u l t .

T h i s can

occur when a

s i g n i f i c a n t p o r t i o n

o f

t h e

u p s t r e a m f a u l t

c u r r e n t

i s


b y b a c k f e e d

f r o m t h e



A p p r e c i a b l e

r e v e r s e

c u r r e n t i s

d e v e l o p e d

w h e n ,

f o r

e x a m p l e , one

o f

t h e

u t i l i t y

p r i m a r y l i n e s

i s

t a p p e d near

t h e i n d u s t r i a l

p l a n t t o

s u p p l y

t h e

f a u l t e d

s u b s t a t i o n

[ 5 ] ,

a n d

w h e n e i t h e r

t h e tw o

u t i l i t y

sources

t o t h e


s u b s t a t i o n are

s e p a r a t e d

o r

t h e i r

common s u p p l y p o i n t

i s

r e m o t e .

T h e


d e v i c e

i s a s s u m e d

t o b e d i r e c t i o n a l

a n d

i s

s e t

j u s t

a b o v e

t h e


c u r r e n t ,

b a c k f e d

f r o m t h e s u b -

s t a t i o n , f o r a

t h r e e - p h a s e f a u l t

o n t h e

p r i m a r y s i d e

o f

t h e

t r a n s f o r m e r , d e s i g n a t e d

f p

i n

F i g .

3 .

T h e

c o n n e c t i o n s

f o r

p o l a r i z i n g

t h e


p h a s e

r e l a y s

a r e

o m i t t e d

f r o m t h e

d i a g r a m s .

GROUND

OVERCURRENT

PROTECTION

I n

s o m e

r e s p e c t s , g r o u n d - f a u l t

r e l a y c o o r d i n a t i o n

i s

e a s i e r

t h a n f o r p h a s e f a u l t s .

S i n c e t h e r e a r e

n o

f u l l - l o a d

c u r r e n t s t o

m a t c h , t h e

i n t e r v a l b e t w e e n

t h e

p i c k u p

c u r r e n t s

i s e a s i e r

t o

p o s i t i o n .

I n f a c t , t h e p i c k u p

s e t t i n g s

f o r


p r o t e c -

t i v e

d e v i c e s

i n

s e r i e s

a r e o f t e n

t h e s a m e

[ 3 ] .

F u r t h e r m o r e , t h e

z e r o - s e q u e n c e

i n r u s h

c u r r e n t s a r e n o t

l a r g e

e n o u g h

t o

a f f e c t

t h e a d j u s t m e n t

o f t h e

t i m e d i a l

p e r m i t t i n g t h e

a p p l i c a t i o n

o f


r e l a y s

w i t h

t h e i r

s h o r t - t i m e d e l a y

a t

l o w - f a u l t

c u r r e n t s .

N e a r l y a l l

o f

t h e n e w e r


t i m e - d e l a y

t y p e


p r o t e c t i v e d e v i c e s a r e

h i g h - s p e e d

s o l i d - s t a t e

t y p e

w i t h a


c h a r a c t e r i s t i c .

F u r t h e r m o r e ,

a

g r o u n d -

f a u l t p r o t e c t i v e

d e v i c e o n t h e

s e c o n d a r y

s i d e

o f a

d e l t a - w y e


i s

n o t

r e q u i r e d t o c o o r d i n a t e

w i t h

a n o t h e r

r e l a y

o n t h e

p r i m a r y

s i d e . T h i s

s i m p l i f i e s t h e c o o r d i n a t i o n

a n d

r e s u l t s

i n

a

c o n s i d e r a b l e

r e d u c t i o n

i n t h e

o v e r a l l

t r i p p i n g

t i m e .

W i t h l o w - r e s i s t a n c e

g r o u n d i n g ,

t h e


r a n g e i s

m o r e o r l e s s

f i x e d s i n c e t h e

g r o u n d

r e s i s t a n c e d o m i n a t e s

t h e

c i r c u i t

i m p e d a n c e .

T h e


t i m e c a n t h e r e f o r e

b e

s e t

a t t h e

1 0 - s

c u r r e n t

r a t i n g

o f t h e

g r o u n d i n g

r e s i s t o r ,

a n d

n o


c a l c u l a t i o n

n e e d s t o

b e

p e r f o r m e d .

When

t h e

47 6



477

HORCHER:

OVERCURRENT

RELAY

COORDINATION

L O O

CURNINT

F i g . 6 .


n e u t r a l

o f

t h e


s u b s t a t i o n

i s s o l i d l y

g r o u n d e d ,

t h e b o l t e d


c u r r e n t s

a r e r e l a t i v e l y

h i g h ,

o f t e n

e x c e e d i n g

t h e


f a u l t

l e v e l

u n l e s s t h e r e

i s

a p p r e c i a b l e


c o n t r i b u t i o n

f r o m

m o t o r s

s u p p l i e d

f r o m

t h e

b u s .

I f

t h e

m o t o r s

a r e

i n d u c t i o n

t y p e ,

t h e e f f e c t

o f

t h e i r c o n t r i b u t i o n

t o

t h e s t e a d y - s t a t e


f a u l t l e v e l

o n

t h e

b u s

o r f e e d e r

ca n

b e n e g l e c t e d ,

a n d

a

s e p a r a t e


t o

d e t e r m i n e

t h e

maximum


c u r r e n t

i s

n o t

n e c e s s a r y .

I n

g e n e r a l ,

t h e

curves f o r g r o u n d - f a u l t


o f

a

t h r e e - w i r e

s u b s t a t i o n

a r e s i m i l a r

t o

t h e

p h a s e - f a u l t

c o o r d i n a -

t i o n

f o r

t h e s a m e

t y p e

o f s u b s t a t i o n ,

e x c e p t

t h a t

t h e

p i c k u p

s e t t i n g s

a r e

much

l o w e r

a n d t h e

t i m e

d e l a y s

a r e

s h o r t e r .

T h e

s y m b o l s

f o r

c u r r e n t


i n v o l v i n g

p h a s e

c o n d u c t o r s

i n

t h e


d i a g r a m s

r e p r e s e n t

e i t h e r

t h e

r e s i d u a l l y

c o n n e c t e d

o r

t h e

zero

sequence

c o r e - b a l a n c e

t y p e s .

T h e g r o u n d - f a u l t

p r o t e c t i v e

d e v i c e s

f o r

p r i m a r y

r e l a y

P ,

t h e

motor

c o n t r o l l e r ,

a n d

t h e


f e e d e r

a r e


o n l y ,

w i t h

minimum

s e t t i n g ,

a n d are

n o t s h o w n

i n

t h e

g r o u n d -

f a u l t c o o r d i n a t i o n

c u r v e s .

T h e g r o u n d - f a u l t


curves

f o r a

t h r e e - w i r e


s u b s t a t i o n

w i t h

a


t i e ,

s h o w n

i n

F i g .

6 ,

a r e

t h e s a m e

a s

f o r

a t h r e e -

o r f o u r - w i r e

r a d i a l

s u b -

s t a t i o n .

Tw o

g r o u n d

r e l a y s

a r e

s h o w n

f o r

e a c h

m a i n

b r e a k e r .

D e v i c e

Si G

i s

s u p p l i e d

f r o m

a c u r r e n t


i n

t h e

n e u t r a l

o f t h e

po wer

t r a n s f o r m e r ,

a n d

t h e

s e c o n d

g r o u n d

r e l a y

d e v i c e

51N

i s s h o w n

d o t t e d

a n d

i s

r e s i d u a l l y

c o n n e c t e d

i n

t h e

c i r c u i t

o f t h e p h a s e

c u r r e n t


l o c a t e d

i n t h e

s w i t c h g e a r .

B o t h s e e t h e

s a m e

d o w n s t r e a m g r o u n d - f a u l t

c u r r e n t ,

b u t

t h e

5 1 G

a l s o m o n i t o r s

g r o u n d

f a u l t s

i n


s e c o n d a r y

a n d

t h e

b u s

d u c t

b e t w e e n

t h e


a n d

s w i t c h g e a r

a n d must

t h e r e f o r e

t r i p

t h e

p r i m a r y

b r e a k e r

i n

a d d i t i o n

t o

t h e m a i n

s e c o n d a r y

b r e a k e r .

F u r t h e r m o r e ,

t h e

h i g h e r

t u r n s

r a t i o

o f

t h e

p h a s e

c u r r e n t


d e c r e a s e s

t h e

s e n s i t i v i t y

o f t h e 5iN

r e l a y

i n

c o m p a r i s o n

t o

t h e 5 1 G .

A

g r o u n d

r e l a y

i n

t h e


n e u t r a l

i s a l m o s t

m a n d a t o r y

o n

t h e m e d i u m - v o l t a g e


t h a t

a r e


g r o u n d e d

t h r o u g h

a

4 0 0

A

r e s i s t o r ,

b e c a u s e

t h e

p r i m a r y p h a s e -

o v e r c u r r e n t r e l a y s

may

n o t

p i c k u p

o n

a

g r o u n d

f a u l t

i n

t h e


s e c o n d a r y

or

b u s d u c t .

T h e

p i c k u p

o f

M

d e v i c e

n o .

5 1 G

s h o u l d

n o t e x c e e d

t h e

c o n t i n u o u s

r a t i n g

o f

t h e g r o u n d

r e s i s t o r

[ 1 4 ] . Common

p r a c -

t i c e

i s

t o s i z e t h e

p r i m a r y

o f

t h e c u r r e n t


i n t h e

g r o u n d

c o n n e c t i o n

o f

a


g r o u n d e d

s y s t e m

f r o m

2 5 p e r c e n t

[ 1 ]

t o

5 0

p e r c e n t

[ 1 4 ] o f

t h e

1 0 - s r a t i n g

o f t h e

r e s i s t o r

a n d

t o s e l e c t

t h e

0 . 5

A , m i n i m u m

t a p

s e t t i n g

f o r

t h e

r e l a y .

T h e

p r i m a r y

r a t i n g

o f

t h e

c u r r e n t


i n

t h e g r o u n d

c o n n e c t i o n

o f a

s o l i d l y

g r o u n d e d

s y s t e m

i s

c o n s i d e r a b l y

h i g h e r

b e c a u s e

t h e

h i g h e r

f a u l t

c u r r e n t

c a n

s a t u r a t e

t h e

c u r r e n t

t r a n s -

f o r m e r

o r b u r n

o u t t h e

c o i l

o f

a n i n d u c t i o n

d i s k r e l a y .

T h e

m i n i m u m

p r i m a r y

r a t i n g c a n

b e d e t e r m i n e d

b y

p e r f o r m i n g

a

s i m p l e

P 2 t c a l c u l a t i o n

b a s e d

o n

t h e

s h o r t - t i m e

1 - s

c u r r e n t

r a t i n g

o f

t h e r e l a y .

F o r

e s t i m a t i n g

p u r p o s e s ,

t h i s v a l u e

i s

f r o m

2 0 - 3 0

p e r c e n t

o f

t h e p h a s e

c u r r e n t t r a n s f o r m e r

p r i m a r y

r a t i n g

d e p e n d i n g

o n

t h e c h a r a c t e r i s t i c

o f

t h e

i n d u c t i o n

d i s k

r e l a y .

T h i s p e r c e n t a g e

w i l l b e h i g h e r

f o r r e l a y s

w i t h

a

s h o r t - t i m e


o r f o r

r e l a y s p r o t e c t i n g

s m a l l

f e e d e r s e x p o s e d

t o

h i g h g r o u n d - f a u l t

c u r r e n t s .

I n

t h e

p a r t i a l


m e t h o d

( F i g .

4 )

b u s


d u r i n g

a

g r o u n d

f a u l t

i s

o b t a i n e d

b y

t h e

5 1 N

r e l a y s .

A

5 1

G

r e l a y

w o u l d

b e o u t s i d e

t h e p a r t i a l


z o n e

a n d

c o u l d

n o t a l w a y s

s e l e c t

t h e f a u l t e d

s i d e .

F o r

e x a m p l e ,

a

g r o u n d

f a u l t

i n

t h e b u s

d u c t w o u l d

n o t b e s e e n

b y

t h e 5 I N

r e l a y s

s u p p l i e d

f r o m

c u r r e n t


i n

t h e s w i t c h g e a r

b u t

w o u l d

b e

s e e n

b y

t h e

5 1 G

r e l a y s

i n

t h e

n e u t r a l

o f

b o t h t r a n s f o r m e r s

a n d

w o u l d p r o b a b l y

t r i p

b o t h

m a i n

b r e a k e r s .

F o r

t h i s r e a s o n ,

a

g r o u n d


s c h e m e

i s

o f t e n a p p l i e d

b e t w e e n

t h e

r e s i d u a l

c u r r e n t

o f t h e

m a i n i n c o m i n g

c u r r e n t


i n

t h e s w i t c h g e a r

a n d t h e

c u r r e n t


i n

t h e

n e u t r a l

o f

t h e

p o w e r


I f

t h e

c u r r e n t


i n t h e

l i n e

s i d e o f

t h e m a i n

b r e a k e r s

c o u l d

b e r e l o c a t e d

i n

t h e b u s h i n g s

o r

n e a r

t h e

s e c o n d a r y

t e r m i n a l s

o f

t h e

p o w e r

t r a n s f o r m e r s ,

t h e

p a r t i a l d i f f e r e n t i a l

c o v e r a g e

w o u l d

b e

e x t e n d e d

t o

i n c l u d e t h e

b u s d u c t

a n d

t h e

p r o t e c t i o n

a f f o r d e d

b y

t h e

S I N

r e l a y s

w o u l d

p r o b a b l y

b e

a d e q u a t e .

I n F i g .

4 ( b ) ,

t h e c o o r d i n a t i o n

t i m e

b e t w e e n

5 1

G

a n d

5 1

N

i s

i n d i c a t e d

a t

f 2

a n d

f i

i n s t e a d o f o n l y

a t

f 1

b e c a u s e

5 I G

i s

n o t r e q u i r e d

t o c o o r d i n a t e w i t h

5 1 N

w h e n

t h e s u b s t a t i o n

i s

s u p p l i e d

f r o m

o n e

s o u r c e .

C u r r e n t - p o l a r i z e d


g r o u n d - o v e r c u r r e n t

r e l a y s ,

d e v i c e

n o . 6 7 N ,

a r e

s h o w n

d o t t e d

i n

F i g .

4 .

T h e s e r e l a y s

a r e

n o t

r e q u i r e d

b e c a u s e


l i m i t s

t h e i r

r e a c h

t o

t h e

s e c o n d a r y

w i n d i n g

a n d

t h e

b u s

d u c t

w h e r e c o v e r a g e

i s a l r e a d y

p r o v i d e d

b y

t h e

5 1

G o r

g r o u n d


r e l a y s

[ 3 ] .

T h e c o o r d i n a t i o n

c u r v e s

f o r


p r o t e c t i o n

o f a

t h r e e - w i r e


s u b s t a t i o n

w i t h a

n o r m a l l y

c l o s e d b u s

t i e

b r e a k e r

o r

w i t h

n o

t i e

b r e a k e r

a r e

d r a w n

i n

F i g .

7

a n d

8 ,

r e s p e c t i v e l y .

GROUND-FAULT

PROTECTION

OF

THE

FOUR-WIRE

DOUBLE-ENDED

SUBSTATION

S p e c i a l

p r o v i s i o n

m u s t

b e m a d e

t o a c h i e v e b u s


o f

a

f o u r - w i r e



s w i t c h g e a r

d u r i n g



When

b o t h e n d s

o f t h e

n e u t r a l

b u s a r e

g r o u n d e d

b y

t h e c o n v e n t i o n a l

d o u b l e

n e u t r a l - t o - g r o u n d

c o n -

n e c t i o n ,

a t

l e a s t t w o

p r o b l e m s

c a n

d e v e l o p

i n

e v e n t

o f a b u s

g r o u n d

f a u l t

o r

u n c l e a r e d

f e e d e r

g r o u n d

f a u l t .

I f b o t h

m a i n

b r e a k e r s

a r e c l o s e d

a n d

t h e

t i e b r e a k e r

i s

o p e n ,

a b o u t

h a l f o f



4 7 I E 8 E TRANSACTIONS

ON

INDUSTRY

APPLICATIONS

VOL.

I A - 1 4 , N O .

6 ,

NOVEMBER/DECEMBER

1 9 7 8

0~ ~~

I

_r

II

i g . 7 .

L O G

f

CURRENT

( a )

f 2

F i g . 9 .

CURRENT

( b )

LOG

CURRENT

f l

f 2

F i g .

8 .

t h e g r o u n d

c u r r e n t

w i l l

f l o w

t h r o u g h

t h e

n e u t r a l

b u s

a n d

t r i p

t h e

m a i n b r e a k e r

o n

t h e f a u l t e d

s i d e a s

w e l l

a s t h e m a i n

b r e a k e r

o n

t h e

f a u l t e d

s i d e , l o s i n g

t h e

e n t i r e

s t a t i o n .

F u r t h e r -

m o r e

i f

o n l y

o n e m a i n

b r e a k e r

i s

c l o s e d ,


c u r r e n t

f l o w i n g

i n

t h e n e u tr al

b u s

i s n o t seen

b y p r o t e c t i v e

d e v i c e

M .

S h u n t i n g

a

l a r g e p o r t i o n

o f

t h e


c u r r e n t

a w a y

f r o m

t h e

c u r r e n t

c o i l

o f M n o t

o n l y

r e d u c e s

i t s


t o

l o w - l e v e l g r o u n d f a u l t s ,

b u t a l s o

s i g n i f i c a n t l y

i n c r e a s e s

i t s

t r i p p i n g

t i m e .

T h e

s i m p l e s t

method

o f

s e c t i o n a l i z i n g

t h e

b u s

o f a f o u r -

w i r e



s w i t c h g e a r

a s s e m b l y

i n

t h e

e v e n t o f

a b u s

g r o u n d

f a u l t

o r

a n

u n c l e a r e d

f e e d e r

g r o u n d

f a u l t

i s

t h e s i n g l e

g r o u n d i n g

e l e c t r o d e c o n n e c t i o n

t o t h e t i e ( m i d )

p o i n t

o f

t h e i n s u l a te d b u s

[ 7 ]

[ 1 1 ] ,

l e g a l i z e d b y

t h e

1 9 7 5

NEC a n d s k e t c h e d

i n F i g . 9 .

T h i s s c h e m e i s v a l i d

f o r

o p e r a t i o n

w i t h

e i t h e r

a

n o r m a l l y

c l o s e d

o r

n o r m a l l y

open

t i e b r e a k e r .

To

a c h i e v e b u s


w i t h t h e

t i e

a n d b o t h m a i n b r e a k -

e r s

c l o s e d ,

t h e

t i e

b r e a k e r

must

t r i p

f i r s t . N o t e

t h a t

t h e Tand

F

p r o t e c t i v e

d e v i c e s w i l l

see

a b o u t t w i c e

a s

much g r o u n d - f a u l t

c u r r e n t

a s e i t h e r

o f

t h e M

p r o t e c t i v e

d e v i c e s .

T h e


curves

are

d r a w n

i n F i g . 9 ( a ) .

T h e


t i m e b e t w e e n

F

a n d T

i s

s e t

a t f a u l t

l e v e l

f 2

f o r

a

s u b s t a t i o n w i t h

b o t h o f

t h e

m a i n s

a n d t h e

t i e

c l o s e d .

I t i s

e v i d e n t

t h a t

w i t h t h e d e f i n i t e -

t i m e

c h a r a c t e r i s t i c t h e

o v e r a l l

t r i p p i n g

t i m e

w o u l d n o t

b e

a f f e c t e d

t o a n y g r e a t e x t e n t

w h e t h e r t h e s u b s t a t i o n i s

a s s u m e d

t o b e

s u p p l i e d

f r o m

b o t h s o u r c e s o r

f r o m

o n l y

a s i n g l e s o u r c e .

When t h e

t i e b r e a k e r i s c l o s e d

a n d e i t h e r o n e o r

b o t h

b r e a k e r s

a r e

c l o s e d ,

u n b a l a n c e d n e u t r a l c u r r e n t

d r a w n

b y

s i n g l e - p h a s e

l o a d s

c a n

c a u s e

A 1 l

a n d / o r

M2

t o p i c k u p a n d

i n a d v e r t e n t l y

t r i p o n e o r

b o t h m a i n b r e a k e r s .

T h e m o s t o b v i -

o u s

s o l u t i o n i s t o i n t e r l o c k t h e

t r i p c i r c u i t o f e a c h

m a i n

b r e a k e r

w i t h

a

b

a u x i l i a r y

c o n t a c t o n

t h e

t i e b r e a k e r .

B o t h

M 1 l

a n d

M2

c a n

b e

p i c k e d

u p

a n d

t i m e d

o u t b y

t h e

n e u t r a l c u r r e n t

b u t a r e b l o c k e d f r o m

t r i p p i n g t h e

m a i n

b r e a k e r s

b y t h e

b

c o n t a c t .

I f , h o w e v e r ,

a

f a u l t

s h o u l d

d e v e l o p

o n

o n e

s i d e

o f

t h e

b u s ,

t h e

b

c o n t a c t

m a y

c l o s e w h e n t h e t i e o p e n s

b e f o r e

t h e

M

c o n t a c t

o n

t h e u n f a u l t e d

s i d e c a n

o p e n

( r e s e t ) .

T h e l o s s

o f

b o t h s i d e s

i s

p r e v e n t e d b y s i m p l y

r a i s i n g

t h e p i c k u p o f M1 a n d

M2 a b o v e

t h e

maximum

u n b a l a n c e d n e u t r a l

c u r r e n t a t

t h e c o s t

o f r e d u c e d s e n s i t i v i t y

t o l o w - l e v e l g r o u n d f a u l t s .

I n

t h e

e v e n t

t h a t

t h e t i e b r e a k e r

f a i l s

t o t r i p d u r i n g

a b u s

g r o u n d f a u l t

o r u n c l e a r e d f e e d e r

g r o u n d

f a u l t , t h e m a i n b r e a k -

e r s a r e u n a b l e

t o

p r o v i d e b a c k u p p r o t e c t i o n ,

a n d

t h e

f a u l t

m u s t

b e

e v e n t u a l l y

c l e a r e d

b y

t h e

s l o w e r

p h a s e d e v i c e s .

An

a l t e r n a t i v e t o

t h e

b a c k u p

p r o t e c t i o n

a f f o r d e d

b y

t h e

p h a s e

r e l a y s

o n

t h e m a i n b r e a k e r s

c a n b e

p r o v i d e d b y

a d d i n g

a

s e c o n d

r e l a y

i n

t h e

s e c o n d a r y

c i r c u i t

o f t h e c u r r e n t t r a n s -

f o r m e r

i n

t h e

g r o u n d i n g

e l e c t r o d e

c o n n e c t i o n .

T h e

s e t t i n g

o f

t h i s

r e l a y

w i l l b e s l o w e r

t h a n t h e

r e l a y

M

t h a t

w o u l d n o r m a l l y

t r i p

t h e

m a i n b r e a k e r .

T h e

b a c k u p r e l a y

m u s t

t r i p

b o t h

m a i n

b r e a k e r s , t h e r e b y

l o s i n g

t h e

b u s

s e l e c t i v i t y .

A

v a r i e t y

o f

s c h e m e s

h a s

b e e n

d e v e l o p e d

b y

t h e

s w i t c h g e a r

m a n u f a c t u r e r s ,

s o m e o f

w h i c h w i l l

b e

d i s c u s s e d

b r i e f l y

t o

i n d i c a t e t h e i r e f f e c t

o n t h e c o o r d i n a t i o n .

I n

a t l e a s t

t w o

m e t h o d s t h e

t i m i n g o f

M

i s

d e l a y e d

u n t i l

a f t e r T h a s t i m e d

o u t . I n o n e

s y s t e m

j 1 O 1 ,

t h e

c o n t r o l

v o l t a g e

f o r

M

i s i n t e r -

l o c k e d

b y a c o n t a c t

i n

T

a n d

i n t h e s e c o n d

c a s e

[ 1

l I

t h e

s o l i d -

s t a t e t i m e r i s

b l o c k e d

b y

c o n n e c t i n g

a n

a

a u x i l i a r y

c o n t a c t

o n

t h e

t i e

c i r c u i t

b r e a k e r

a c r o s s

a

t i m i n g c a p a c i t o r .

478



HORCHER:

OVERCURRENT

RELAY COORDINATION

M A I N

1

F i g . 1 0 .

LU

LOG

CURRENT

f l

f 2

F i g .

1 2 .

f 2

F i g .

I 1 1 .

A n o t h e r

o b v i o u s

method o f

b l o c k i n g

t h e

n e u t r a l l o a d

cur-

r e n t

f r o m

t h e

M

d e v i c e s

i s

t o


t h e

s e c o n d a r y

o f

e a c h c u r r e n t

t r a n s f o r m e r i n

t h e n e u t r a l

b u s

w i t h a n

a

a u x i l i a r y

s w i t c h o n t h e t i e

b r e a k e r .

T h e

c o o r d i n a t i o n curves s h o w n

i n

F i g . 9 ( b ) a r e

b a s e d

on t h e

f o l l o w i n g :

M

d o e s

n o t

s t a r t

t i m i n g

o u t u n t i l a f t e r

T

h a s

t i m e d

o u t

a n d

t r i p p e d

t h e

t i e

b r e a k e r ;

T

must

c o o r d i n a t e

w i t h F

a t

f2

w h e n

t h e

t i e

i s

c l o s e d ;

a n d M

must

c o o r d i n a t e w i t h F

a t

f 1

when

t h e

t i e

i s

open.

I t

m i g h t

appear f r o m t h e


curves s h o w n i n

F i g .

9 ( b )

t h a t

f a s t

t r i p p i n g

i s a t t a i n e d

w i t h

t h i s

s c h e m e

s i n c e M

and

T h a v e

n e a r l y

t h e s a m e

s e t t i n g .

T h e c o o r d i n a t i o n

t i m e

between M and

T

i s

a c t u a l l y r 1

w h i c h i s

a p p r e c i a b l y

l o n g e r

t h a n

r

T h e

s y s t e m

[ 9 ] ,

[ 1 0 ]

s h ow n

i n

F i g .

1 0

uses

a n

i n d u c t i o n

d i s k

t i m e

d e l a y

( T D ) r e l a y

w i t h a

s e p a r a t e

i s o l a t e d i n s t a n t a n e -

o u s

( I N S T )

c o i l f o r

M1

a n d

M 2 ,

C o n n e c t e d

i n

t h e s e c o n d a r i e s

o f

tw o

c u r r e n t t r a n s f o r m e r s

a t

t h e

s i n g l e g r o u n d i n g

e l e c t r o d e

c o n n e c t i o n

( m i d p o i n t )

o f

t h e

n e u t r a l

b u s .

Th e

INST a n d TD

c o n t a c t s

o f

M1

a n d

M2

are c o n n e c t e d

i n

s e r i e s

s o

t h a t

t h e

m a i n

b r e a k e r

o n

t h e u n f a u l t e d

s i d e

w i l l

n o t

t r i p

a f t e r t h e

t i e

b r e a k e r

opens

a n d t h e

T D

u n i t

o f i t s

M

d e v i c e

h a s

t i m e d

o u t .

B a c k u p p r o t e c t i o n

i s

p r o v i d e d

b y

M

w i t h

t h i s scheme

w i t h o u t

t h e

a d d i t i o n a l


r e l a y .

Th e c o o r d i n a t i o n

curves

are

t h e

same

a s

shown

i n

F i g . 9 ( a ) .

A

s i m p l i f i e d d i a g r a m

o f a n u n u s u a l

s c h e m e

[ 1 3 ]

i s s k e t c h e d

i n

F i g .

1 1 .

T h e a

a u x i l i a r y

s w i t c h

( 2 4 )

on t h e

t i e b r e a k e r

p r e -

v e n t s

t h e

f l o w

o f u n b a l a n c e d

n e u t r a l

c u r r e n t f r o m

c i r c u l a t i n g

i n

t h e

M1

a n d

M2 c o i l s

w h e n

t h e t i e i s c l o s e d , a n d

t h e

a

a u x i l -

i a r y

s w i t c h ( 5 2 - 1

o r

5 2 - 2 ) o n t h e

m a i n

b r e a k e r s

b l o c k s

t h e


f r o m

t h e M c o i l o f t h e

m a i n

b r e a k e r w h e n t h e

s u b s t a t i o n

i s

s u p p l i e d f r o m o n l y

o n e

s o u r c e

w i t h t h e

t i e

c l o s e d .

B a c k u p p r o t e c t i o n

b y M1

a n d M2 i s

a g a i n

i n h e r e n t ,

a n d t h e


c u r v e s

i n F i g . 9 ( a ) a r e

a l s o a p p l i c a b l e ,

e x c e p t

t h a t

t h e

p i c k u p o f

M

c a n b e

r e d u c e d

t o

a

m i n i m u m

s i n c e i t i s

n o t a f f e c t e d

b y n e u t r a l

l o a d c u r r e n t .

A

s c h e m e

[ 1 0 ]

f o r

o b t a i n i n g

b u s


d u r i n g

g r o u n d

f a u l t s

o n a

f o u r - w i r e

s y s t e m w i t h o u t r e s o r t i n g

t o

t h e

s i n g l e

g r o u n d i n g

e l e c t r o d e

c o n n e c t i o n a t

t h e

t i e p o i n t

o f t h e n e u t r a l

b u s i s

s h o w n

i n

F i g . 1 2 .

N o t e

t h a t

t h e

M

d e v i c e s t r i p t h e

t i e

b r e a k e r

a s

w e l l

a s t h e i r

r e s p e c t i v e

m a i n b r e a k e r s i m i l a r t o

t h e

p a r t i a l


m e t h o d . T h e t i m e

d e l a y

o f

t h e t i e b r e a k e r i s

e l i m i n a t e d i n t h i s s c h e m e ,

w h i c h d o es n o t

r e s p o n d

t o n e u t r a l

l o a d c u r r e n t a n d i s

p e r h a p s a

l i t t l e

m o r e s o p h i s t i c a t e d

t h a n

t h e

o t h e r s .

H o w e v e r ,

t h e

h i g h e r

c o s t o f t h i s m e t h o d

may n o t b e

w a r r a n t e d

w i t h


e q u i p m e n t .

T h e


c u r v e s

f o r t h e


p r o t e c t i o n

o f

a

f o u r - w i r e

d o u b l e - e n d e d s u b s t a t i o n n o t e q u i p p e d w i t h

a t i e

b r e a k e r

a r e

s h o w n

i n

F i g .

1 3 . T h e

s i n g l e

n e u t r a l

b u s - t o - g r o u n d

c o n n e c t i o n

i s

r e q u i r e d

b e c a u s e

g r o u n d - f a u l t c u r r e n t

f l o w i n g

i n

t h e

n e u t r a l b u s

w h e n o n l y

o n e m a i n b r e a k e r i s

c l o s e d a n d b o t h

e n d s o f

t h e

n e u t r a l

b u s

a r e

g r o u n d e d

r e d u c e s t h e s e n s i t i v i t y o f

p r o t e c t i v e d e v i c e M a s

p r e v i o u s l y

d i s c u s s e d .

GROUND-FAULT

COORDINATION

OF

A

LOW-VOLTAGE

MOTOR

FEEDER

A

p r o b l e m

e x i s t s

i n t h e

c o o rd i na t i o n o f t h e

m o t o r b r a n c h

c i r c u i t


i n

t h e

s t a r t e r s f o r

m e d i u m - s i z e d

m o t o r s

s u p p l i e d f r o m a


f e e d e r b r e a k e r w i t h a

47 9



IEEE

TRANSACTIONS ON INDUSTRY

APPLICATIONS

VOL.

I A - 1 4 ,

NO.

6 ,

NOVEMBER/DECEMBER 1 9 7 8

C

LOG

CURRENT

f l

f 2

F i g .

1 3 .

a

F i g .

1 4 .


p r o t e c t i v e d e v i c e .

T h e

motor

b r a n c h - c i r c u i t

f a u l t

p r o t e c t i o n

i s o f t e n

p r o v i d e d b y

a

m o l d e d

case

b r e a k e r

t h a t i s

n o t

e q u i p p e d

w i t h

a n i n s t a n t a n e o u s

g r o u n d

t r i p d e v i c e . T h e

p i c k u p

o f

t h e

g r o u n d


p r o t e c t i o n

f o r t h e

power

c i r c u i t b r e a k e r i n t h e

s w i t c h g e a r

must b e

s e t a b o v e

t h e upper

l i m i t o f

t h e

t o l e r a n c e

b a n d

f o r

t h e

i n s t a n t a n e o u s t r i p

u n i t i n

t h e

m o l d e d - c a s e

b r e a k e r .

T h i s i s n o t

d i f f i c u l t t o a c h i e v e

w i t h

c i r c u i t - b r e a k e r

c o m b i n a t i o n

s t a r t e r s f o r s m a l l

m o t o r s .

T h e c i r -

c u i t b r e a k e r s

i n s t a r t e r s f o r t h e

l a r g e r

motors

ca n b e

e q u i p p e d

w i t h a n

i n t e g r a l s o l i d - s t a t e g r o u n d - f a u l t

t r i p d e v i c e . H o w e v e r ,

t h i s b r e a k e r

i s

p r e s e n t l y

n o t

a v a i l a b l e i n

a

f r a m e s i z e

s m a l l e r

t h a n

6 0 0

A a n d

h e n c e i s t o o

c o s t l y

f o r

m o t o r s

i n t h e

1

5 -

5 0

h p

range a n d

t o o

l a r g e

f o r

s i z e

2

a n d

3

s t a r t e r

e n c l o s u r e s .

T h e

f a c t

t h a t a n

a r c i n g g r o u n d

f a u l t

c a n n o t

p e r s i s t

below

a

c e r t a i n

v a l u e

o f

c u r r e n t ,

r e l a t e d

t o t h e

c i r c u i t

v o l t a g e ,

i s

g e n -

e r a l l y

a g r e e d

upon.

T h e

v a l u e o f t h i s

c u r r e n t

i s

c o m m o n l y

e x p r e s s e d

a s

a

p e r c e n t a g e o f

t h e

a v a i l a b l e

b o l t e d


f a u l t c u r r e n t .

I n v e s t i g a t o r s

i n

t h e

p a s t

[ 6 ] ,

[ 9 ] , [ 1 2 ] ,

h a v e

a r r i v e d

a t

f i g u r e s

f o r

48 0 V

s y s t e m

r a n g i n g

from 30 t o 5 0

p e r c e n t

d e p e n d i n g upon

a s s u m p t i o n s

m a de

i n

t h ei r c a l c u la -

t i o n s .

A

m e t h o d

p r o p o s e d

i n

[ 9 ]

uses t h e s e

v a l u e s t o

p e r m i t

a

m i c r o o r d i n a t i o n

b e t w e e n t h e f e e de r

g r o u n d - f a u l t p r o t e c t i v e

d e v i c e

a n d

p h a s e - o v e r c u r r e n t

p r o t e c t i v e

d e v i c e s i n

t h e s t a r t e r

b r e a k e r

i n

t h e

r e g i o n

w h e r e

a s u s t a i n e d

a r c i n g


c a n n o t e x i s t .

I f t h e most c o n s e r v a t i v e

v a l u e

o f

3 0

p e r c e n t

i s s e -

l e c t e d

a n d

a p p l i e d

t o a


f a u l t c u r r e n t o f

1 0

000

A ,


s e t t i n g

o f t h e

c i r c u i t

b r e a k e r i n

t h e

s t a r t e r

w o u l d

b e l e s s

t h a n 3000

A ,

a s

s h o w n i n

F i g .

1 4 .

W h a t

i s

n e e d e d ,

o f

c o u r s e ,

i s

a m o l d e d c a s e

b r e a k e r

i n

a 1 0 0

o r

1 5 0 A f r a m e s i z e

w i t h a s e n s i t i v e

i n t e g r a l


g r o u n d - f a u l t t r i p

d e v i c e

( i n

a d d i t i o n t o

p h a s e

t r i p

d e v i c e s ) ,

h i g h i n t e r r u p t i n g

c a p a c i t y ,

a n d

v e r y

l i t t l e

i n c r e a s e i n

s i z e o v e r

t h e

c o n v e n t i o n a l

b r e a k e r .

T o a s s u r e a

r e a s o n a b l e

c o s t , i t

s h o u l d n ot

n e e d a

s h u n t

t r i p o r

a n

e x t e r n a l c o n t r o l

p o w e r

s u p p l y .

U n t i l

a

m o l d e d

c a s e

b r e a k e r i s

a v a i l a b l e t h a t

m e e t s

t h e s e

r e q u i r e m e n t s , t h e

p r o t e c t i v e

e n g i n e e r

i s c o m p e l l e d

t o

c h o o s e

o n e

o f t h e f o l l o w i n g

s o l u t i o n s .

a )

S e t t h e

f e e d e r g r o u n d

p i c k u p h i g h e n o u g h

t o c l e a r t h e


p h a s e t r i p

d e v i c e

i n

t h e

s t a r t e r

b r e a k e r a t t h e

e x p e n s e

o f


i n

d e t e c t i n g

g r o u n d f a u l t s .

b ) A p p l y

t h e m e t h o d

d e s c r i b e d

a b o v e

i n v o l v i n g a m i s c o o r -

d i n a t i o n

w i t h a c a l c u l a t e d r i s k .

c )

S p e c i f y t h e 6 0 0 A

f r a m e

s i z e b r e a k e r

w i t h

i n t e g r a l

s o l i d -

s t a t e

g r o u n d


t r i p

d e v i c e .

d ) I n s t a l l

a g r o u n d

s e n s o r , g r o u n d

r e l a y ,

a n d

s h u n t

t r i p

d e v i c e f o r a s t a n d a r d 1 0 0

A f r a m e s i z e

b r e a k e r .

CONCLUDING

REMARKS

I n

t h i s

p a p e r ,

a n a t t e m p t

h a s

b e e n

m a d e t o p o i n t o u t s o m e

o f t h e

o p t i o n s a s

w e l l a s

t h e

r e s t r a i n t s

e n c o u n t e r e d i n

t h e

c o o r d i n a t i o n o f o v e r c u r r e n t

p r o t e c t i v e

d e v i c e s

a s t h e y r e l a t e

t o

t h e m o r e

common

t y p e s

o f

d o u b l e - e n d e d s u b s t a t i o n s . An

e f f o r t w a s

m a d e t o s h o w

t h a t w h e n a t i g h t


w i t h

i n v e r s e

t i m e

p r o t e c t i v e d e v i c e s i s

r e q u i r e d , a l l p o s s i b l e

o p e r a t -

i n g

c o n d i t i o n s m u s t b e

c o n s i d e r e d t o

d e t e r m i n e t h e

p r o p e r

f a u l t

l e v e l

a t w h i c h

t h e


t i m e i s a p p l i e d . I t

i s

r e a l -

i z e d

t h a t much o f w h a t h a s

b e e n s t a t e d

i s r a t h e r o b v i o u s ,

i n

k e e p i n g w i t h t h e

b a s i c n a t u r e o f

t h e p a p e r , a n d

e x ce p t i o n s c a n

b e

f o u n d

t o many o f t h e v i e w s

e x p r e s s e d s i n c e

u n i v e r s a l a g r e e -

m e n t

h a s

n o t b e e n

r e a c h e d

o n

t h e

s u b j e c t .

I f

t h e

o p i n i o n s

e x p r e s s e d

a r e

s o m e w h a t

i n a c c u r a t e d u e

t o

o v e r s i m p l i f i c a t i o n ,

i t i s

h o p e d

t h a t

t h e y

w i l l a t l e a s t

s t i m u l a t e f u r t h e r

d i a l o g u e .

ACKNOWLEDGMENT

T h e

a u t h o r g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e s

t h e

a s s i s t a n c e o f

R .

D a t t a ,

J .

S . D ud o r, a n d

S . S t o l l e r , e m p l o y e e s

o f

F l u o r

E n g i n e e r s a n d C o n s t r u c t o r s ,

I n c . ,

i n

t h e

p r e p a r a t i o n o f t h i s

p a p e r .

REFERENCES

[ 1 ]

F . P .

B r i g h t m a n , S e l e c t i n g

a c


p r o t e c t i v e

d e v i c e s f o r

i n d u s t r i a l

p l a n t s ,

AIEE

T r a n s . ,

p a p e r 5 2 - 1 8 4 ,

1 9 5 2 .

[ 2 1

W. C .

H u e n i n g ,

J r . ,

T i m e

v a r i a t i o n

o f i n d u s t r i a l

s y s t e m

s h o r t -

c i r c u i t c u r r e n t s a n d

i n d u c t i o n

motor

c o n t r i b u t i o n s , A p p l i c a -

t i o n s a n d

I n d . ,

AIEE

P a p e r

5 5 - 1 4 2 ,

p p . 9 0 - 9 9 , M a y

1 9 5 5 .

[ 3 1

IEEE Recommended

P r a c t i c e

f o r

P r o t e c t i o n

a n d

C o o r d i n a t i o n

o f I n d u s t r i a l a n d

C o m m e r c i a l

P o w e r

S y s t e m s ,

I E E E S t d

2 4 2 -

1 9 7 5 .

[ 4 1

R .

L .

S m i t h ,

J r . ,

P r o v i d i n g



P l a n t

E n g . ,

p p .

7 5 - 7 8 , S e p t . 4 ,

1 9 7 5 .

1 5 1

D . H .

S m i t h ,

P r o b l e m s

i n v o l v i n g

i n d u s t r i a l

p l a n t - u t i l i t y

power

s y s t e m i n t e r t i e s , P a p e r T O D - 7 5 - 1

1 ,

IEEE

T r a n s .

I n d .

A p p l . , v o l .

I A - 1 l ,

N o .

6 ,

N o v . / D e c .

1 9 7 5 .

48 0



TRANSACTIONS ON

INDUSTRY

APPLICATIONS

VOL.

I A - 1 4 ,

NO.

6 ,

NOVEMBER/DECEMBER

1978

6 ]

R . R . C o n r a d a n d

D .

D a l a s t a , A n ew

g r o u n d f a u l t

p r o t e c t i o n

s y s t e m

f o r e l e c t r i c a l d i s t r i b u t i o n

c i r c u i t s ,

IEEE

T r a n s . ,

I n d .

G e n . A p p l . ,

1 9 6 7 .

7 ] R . 0 .

D . W h i t t , T r e n d s a n d

p r a c t i c e s

i n g r o u n d i n g a n d

g r o u n d

f a u l t

p r o t e c t i o n u s i n g s t a t i c

d e v i c e s , P a p e r

T O D - 7 2 - 8 5 ,

IEEE

T r a n s . I n d .

A p p L ,

v o l .

I A - 9 ,

n o .

2 , p p . 1 4 9 - 1 5 7 ,

M a r . / A p r .

1 9 7 3 .

8 ] S e l e c t i o n a n d


o f


p o w e r c i r c u i t

b r e a k e r s ,

G E A - 8 7 3 3 , G e n e r a l

E l e c t r i c

C o .

9 1

T h e

i m p a c t

o f

a r c i n g g r o u n d

f a u l t s

on

l o w - v o l t a g e p o w e r

s y s t e m

d e s i g n , G E T - 6 0 9 8 , G e n e r a l E l e c t r i c

C o .

G r o u n d - f a u l t

p r o t e c t i o n

f o r

s o l i d l y

g r o u n d e d


s y s t e m s ,

G E T - 6 5 3 3 , G e n e r a l

E l e c t r i c

C o .

G r o u n d - f a u l t p r o t e c t i o n


g u i d e ,

B u l l e t i n 1 8 . 1 - 4 A ,

I T E

I m p e r i a l C o r p .

T y p e

DB A i r

c i r u c i t b r e a k e r s , C a t a l o g

S e c t i o n 3 3 - 7 6 0 , p .

1 6 ,

2 0 ,

W e s t i n g h o u s e

E l e c t r i c C o r p .

P o w e r c e n t e r s

i n c u d i n g t y p e DS

s w i t c h g e a r , C a t a l o g

S e c t i o n

3 2 - 8 5 0

D WE

A , P a g e 3 3 , D e c .

1 9 7 5 , W e s t i n g h o u s e

C o r p .

I n d u s t r i a l a n d

c o m m e r c i a l

p o w e r s y s t e m a p p l i c a t i o n s

s e r i e s ,


p r o t e c t i o n , P R S C - 3 ,

W e s t i n g h o u s e

E l e c t r i c C o r p .

S h o r t

c i r c u i t

c h a r a c t e r i s t i c s

o f

i n s u l a t e d

c a b l e s , IPCEA P u b l i c -

a t i o n

P - 3 2 - 3 8 2 ,

R e v i s e d M a r . 1 9 6 9 .

_

G e o r g e

R . H o r c h e r

( M ' 5 0 - S M ' 5 9 )

w as

A u g u s t

2 ,

1 9 2 0 ,

i n

W h e e l i n g ,

W V .

He

r e c

t h e

B . S .

d e g r e e

i n

m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a l

n e e r i n g f r o m t h e

L o u i s i a n a P o l y t e c h n i c

t u t e ,

R u s t o n ,

a n d

t h e

M . S .

d e g r e e

i n

e l e c t

4

~ ~ ~ e n g i n e e r i g f o

t h e I l l i n o i s I n s t i t u t e

u

T e c h n o l o g y ,

C h i c a g o .

S i n c e

1 9 6 6 ,

h e . h a s b e e n

e m p l o y e d

4 l

1 [

l u o r

E n g i n e e r s

a n d

C o n s t r u c t o r s ,

I n c . H

p r e s e n t l y

a

S e n i o r E l e c t r i c a l

E n g i n e e r

w r i t e s

s p e c i f i c a t i o n s

f o r s e l e c t i o n

a n d

a p p

t i o n o f m e d i u m - v o l t a g e

s w i t c h g e a r ,

t r a n s f o r m e r s , m o t o r

c o n t r o l

a n d

c a b l e s ;

p r o t e c t i v e

r e l a y

c o o r d i n a t i o n ;

a n d

f a u l t


p o w e r

d i s t r i b u t i o n s y s t e m s

i n

i n d u s t r i a l p l a n t s . He

h a s h el d

s i

d u t i e s

a s A s s i s t a n t

E l e c t r i c a l

E n g i n e e r w i t h

A l l i s - C h a l m e r s M a n u

t u r i n g

Company

W e s t

A l l i s , W I ; E l e c t r i c a l

D e s i g n E n g i n e e r

w i t h

C h e m i c a l

C o m p a n y ,

F r e e p o r t , TX ;

a n d

S e n i o r E l e c t r i c a l

E n g i

w i t h

K a i s e r

Aluminum

a n d C h e m i c a l C o r p o r a t i o n ,

R a v e n s w o

WV

a n d

O a k l a n d ,

C A .

M r .

H o r c h e r i s

a n a s s o c i a t e

member o f

t h e

A s s o c i a t i o n o f

a n d

S t e e l

E n g i n e e r s

a n d

a

member

o f E t a

K a p p a N u . He

i s

a

R e

t e r e d P r o f e s s i o n a l

E n g i n e e r

i n t h e S t at es o f

W e s t V i r g i n i a a n d

T e x a s

Modem AC G e n e r a t o r C o n t r o l

S y s t e m s :

Some

P l a i n

a n d

P a i n l e s s

F a c t s

M .

SHAN G R I F F I T H , SENIOR

MEMBER IEEE

A b s t r a c t - T h e

n o m e n c l a t u r e ,

h a r d w a r e

o p e r a t i n g

p r i n c i p l e s ,

a n d

c o n s i d e r a t i o n s

t h a t

i n f l u e n c e

t h e


a n d

s e l e c -

o f

m o d e r n

g e n e r a t o r

c o n t r o l

s y s t e m s

a r e

r e v i e w e d .

C e r t a i n c r i t i c a l

t f r e q u e n t l y m i s u n d e r s t o o d

t e r m s

a r e i d e n t i f i e d

a n d d e f i n e d . B a s i c

r e g u l a t o r ,

a n d g o v e r n o r

s y s t e m s

a r e

b r i e f l y

d e s c r i b e d a n d com-

W h i l e

g e n e r a l l y a p p l i c a b l e

t o c o n t r o l

s y s t e m s

f o r

g e n e r a t o r . s

o f

s i z e s ,

most

o f

t h e i n f o r m a t i o n

i s

p e r t i n e n t

t o i n s t a l l a t i o n s

i n v o l v i n g

t o

medium

( i n d u s t r i a l

s i z e ) d i e s e l ,

s t e a m ,

a n d

g a s

t u r b i n e

d r i v e n

I . EXCITATION

SYSTEMS

E

EXCITER i s t h e

b a c k b o n e

o f t h e

g e n e r a t o r

c o n t r o l

I t

i s

t h e

p o w e r

s o u r c e

t h a t

s u p p l i e s

t h e

( d c )

m a g -

c u r r e n t t o

t h e

r o t a t i n g

f i e l d

w i n d i n g s

o f

t h e

g e n e r a t o r

u l t i m a t e l y i n d u c i n g

a c

v o l t a g e ( a n d

c u r r e n t )

i n

t h e

a r m a t u r e . S e v e r a l

t y p e s

o f

e x c i t e r

s y s t e m s

a r e i n

u s e

T h e

o p e r a t i o n

a n d f e a t u r e s

a s s o c i a t e d

w i t h e a c h

w i l l

d e t e r m i n e

w h i c h

o n e

b e s t

f i t s

t h e

a p p l i c a t i o n b e i n g

P a p e r

I P S D

7 7 - 3 ,

a p p r o v e d

b y

t h e

P o w e r

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Overcurrent Relay Co-Ordination for Double-Ended Industrial Substations

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