186
(A UN PO A CONSTI NIVERSITY OWER DEPAR ITUENT CO T Y OF ENGI LAB M R SYST SUBM SUBM RTMENT O OLLEGE: R TECHNOLO INEERING MANU EM PR MITTED MITTED OF ELECT RACHNA C OGY GUJR & TECHN U AL ROTEC TO BY RICAL EN COLLEGE RANWALA NOLOGY LA CTION ENGR AS 2006R NGINEERIN OF ENGIN A) AHORE, PA R.M JUNA SAD NAE RCETEE NG NEERING & AKISTAN AID EEM E22 &

59926214 Power System Protection Lab Manual

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 59926214 Power System Protection Lab Manual

(A

UN

PO

A CONSTI

NIVERSITY

OWER

DEPARITUENT CO

TY OF ENGI

LAB M

R SYST

SUBM

SUBM

RTMENT OOLLEGE: RTECHNOLOINEERING

 MANU

EM PR

 

MITTED 

MITTED 

OF ELECTRACHNA COGY GUJR& TECHN

UAL 

ROTEC

 TO 

 BY 

RICAL ENCOLLEGE RANWALA

NOLOGY LA

CTION

 

ENGR

AS

2006­R

NGINEERINOF ENGIN

A) AHORE, PA

 

R.M JUNA

SAD NAE

RCET­EE

NG NEERING &

AKISTAN

AID 

EEM 

E­22 

 

&

Page 2: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXP#  TITLE01  Introduction to MATLAB and Electrical Transients 

Analyzer Program  ETAP  02  Introduction to Power System Protection  03 

IMPACT OF INDUCTION MOTOR STARTING ON POWER SYSTEM

 04 

SELECTION OF CIRCUIT BREAKER FOR DIFFERENT BRANCHES OF A GIVEN POWER SYSTEM USING ETAP

05  Transient stability analysis of a given power system using ETAP

06  Introduction to Ground Grid Modeling in ETAP07  Ground Grid Modeling of a Given System using ETAP08  Modeling of Single‐Phase Instantaneous Over‐Current 

Relay using MATLAB09  Modeling of a Three Phase Instantaneous Over‐Current 

Relay using MATLAB10  Modeling of a Differential Relay Using MATLAB11  Comparison between the Step and Touch Potential of a 

T‐Model and Square Model of Ground Grids under Tolerable and Intolerable in ETAP 

12  Modeling of an Over‐Current Relay using ETAP13  Modeling of a Differential Relay Using ETAP14  Modeling of Single‐Phase Definite Time Over‐Current 

Relay using MATLAB 

 

Page 3: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 01

Introduction to MATLAB and Electrical Transients Analyzer Program  ETAP  

MATLAB This is a very important tool used for making long complicated calculations and plotting graphs of different functions depending upon our requirement. Using MATLAB an m‐file is created in which the basic operations are performed which leads to simple short and simple computations of some very complicated problems in no or very short time. 

Some very important functions performed by MATLAB are given as follows: 

• Matrix computations • Vector Analysis  • Differential Equations computations • Integration is possible • Computer language programming • Simulation • Graph Plotation • 2‐D & 3‐D Plotting 

Benefits: 

Some Benefits of MATLAB are given as follows: 

• Simple to use • Fast computations are possible • Wide working range • Solution of matrix of any order • Desired operations are performed in matrices • Different Programming languages can be used • Simulation is possible 

 

Page 4: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Basic Commands: 

Some basic MATLAB commands are given as follows: 

Addition: 

A B 

Subtraction: 

A‐B 

Multiplication: 

A*B 

Division: 

A/B 

Power: 

A^B 

Power Of each Element individually: 

A.^B 

Range Specification: 

A:B 

Square‐Root: 

A sqrt B  

Where A & B are any arbitrary integers 

Basic Matrix Operations: 

This is a demonstration of some aspects of the MATLAB language. 

Page 5: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Creating a Vector: 

Let’s create a simple vector with 9 elements called a.  

a    1 2 3 4 6 4 3 4 5  a     1     2     3     4     6     4     3     4     5 

Now let's add 2 to each element of our vector, a, and store the result in a new vector.  

Notice how MATLAB requires no special handling of vector or matrix math. 

Adding an element to a Vector: b   a   2 b     3     4     5     6     8     6     5     6     7 

Plots and Graphs: 

Creating graphs in MATLAB is as easy as one command. Let's plot the result of our vector addition with grid lines. 

Plot  b  grid on 

MATLAB can make other graph types as well, with axis labels. 

bar b  xlabel 'Sample #'  ylabel 'Pounds'  

 

Page 6: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

MATLAB can use symbols in plots as well. Here is an example using stars to mark the points. MATLAB offers a variety of other symbols and line types. 

Creating a matrix: 

Creating a matrix is as easy as making a vector, using semicolons  ;  to separate the rows of a matrix. 

A    1 2 0; 2 5 ‐1; 4 10 ‐1  A        1     2      0      2     5     ‐1      4    10    ‐1  Adding a new Row: B 4,: 7 8 9  ans       1     2      0      2     5     ‐1      4    10    ‐1      7     8      9 Adding a new Column: C :,4 7 8 9  ans       1     2      0   7      2     5     ‐1   8      4    10    ‐1   9 Transpose: 

We can easily find the transpose of the matrix A.  

B   A' B        1     2     4      2     5    10      0    ‐1    ‐1 Matrix Multiplication: 

Now let's multiply these two matrices together. 

Page 7: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Note again that MATLAB doesn't require you to deal with matrices as a collection of numbers. MATLAB knows when you are dealing with matrices and adjusts your calculations accordingly.  

C   A * B C        5    12    24     12    30    59     24    59   117  Matrix Multiplication by corresponding elements: Instead of doing a matrix multiply, we can multiply the corresponding elements of two matrices or vectors using the’.* ‘operator. C   A .* B C        1     4       0      4    25   ‐10      0   ‐10     1 Inverse: 

Let's find the inverse of a matrix : 

X   inv A  X        5     2    ‐2     ‐2    ‐1     1      0    ‐2     1  And then illustrate the fact that a matrix times its inverse is the identity matrix. I   inv A  * A I        1     0     0      0     1     0      0     0     1 

MATLAB has functions for nearly every type of common matrix calculation. 

 

Page 8: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Eigen Values: 

There are functions to obtain Eigen values: 

eig A  ans       3.7321     0.2679     1.0000  Polynomial coefficients: The "poly" function generates a vector containing the coefficients of the characteristic polynomial. 

The characteristic polynomial of a matrix A is  

p   round poly A  

p        1    ‐5     5    ‐1 We can easily find the roots of a polynomial using the roots function.  

These are actually the eigenvalues of the original matrix. 

roots  p  

ans       3.7321     1.0000     0.2679 MATLAB has many applications beyond just matrix computation. 

Vector Convolution: 

To convolve two vectors : 

q   conv  p, p  q        1   ‐10    35   ‐52    35   ‐10     1 

Page 9: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Or convolve again and plot the result. 

r   conv  p, q  plot  r ; r        1   ‐15    90  ‐278   480  ‐480   278   ‐90    15    ‐1  

 

Matrix Manipulation: 

We start by creating a magic square and assigning it to the variable A. 

A   magic 3  A        8     1     6      3     5     7      4     9     2  

MATLAB IN POWER SYSTEM PROTECTION   

The MATLAB System: 

The MATLAB system consists of  five main parts: Development Environment.   This is the set of tools and facilities that help you use MATLAB functions and files. Many of these tools are graphical user interfaces. It includes the MATLAB 

Page 10: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

desktop and Command Window, a command history, an editor and debugger, and browsers for viewing help, the workspace, files, and the search path.  

The MATLAB Mathematical Function Library: 

This is a vast collection of computational algorithms ranging from elementary functions,  like  sum,  sine,  cosine,  and  complex  arithmetic,  to  more sophisticated  functions  like  matrix  inverse,  matrix  Eigen  values,  Bessel functions, and fast Fourier transforms.  

The MATLAB Language:   

This  is  a  high‐level  matrix/array  language  with  control  flow  statements, functions,  data  structures,  input/output,  and  object‐oriented  programming features.  It  allows  both  "programming  in  the  small"  to  rapidly  create  quick and  dirty  throw‐away  programs,  and  "programming  in  the  large"  to  create large and complex application programs.  

Graphics:  

MATLAB has extensive facilities for displaying vectors and matrices as graphs, as  well  as  annotating  and  printing  these  graphs.  It  includes  high‐level functions  for  two‐dimensional  and  three‐dimensional  data  visualization, image processing, animation, and presentation graphics. It also includes low‐level functions that allow you to fully customize the appearance of graphics as well  as  to  build  complete  graphical  user  interfaces  on  your  MATLAB applications.  

The MATLAB Application Program Interface  API :    

This  is  a  library  that  allows  you  to  write  C  and  FORTRAN  programs  that interact with MATLAB. It includes facilities for calling routines from MATLAB dynamic linking , calling MATLAB as a computational engine, and for reading and writing MAT‐files. 

 

Page 11: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

MATLAB Documentation: 

MATLAB  provides  extensive  documentation,  in  both  printed  and  online format,  to  help  you  learn  about  and use  all  of  its  features.  If  you  are  a  new user,  start with  this Getting Started book.  It  covers all  the primary MATLAB features  at  a  high  level,  including many  examples.  The MATLAB online  help provides  task‐oriented  and  reference  information  about  MATLAB  features. MATLAB documentation is also available in printed form and in PDF format.  

Working with Matrices: 

Generate  matrices,  load  matrices,  create  matrices  from  M‐files  and concatenation, and delete matrix rows and columns. 

More About Matrices and Arrays: 

Use  matrices  for  linear  algebra,  work  with  arrays,  multivariate  data,  scalar expansion, and logical subscripting, and use the find function. 

Controlling Command Window Input and Output: 

Change  output  format,  suppress  output,  enter  long  lines,  and  edit  at  the command line. 

Bioinformatics Toolbox: 

The  Bioinformatics  Toolbox  extends  MATLAB  to  provide  an  integrated software environment for genome and proteome analysis. Together, MATLAB and  the  Bioinformatics  Toolbox  give  scientists  and  engineer  a  set  of computational  tools  to  solve  problems  and  build  applications  in  drug discovery, genetic engineering, and biological research. You can use the basic bioinformatics  functions provided with  this  toolbox  to  create more  complex algorithms  and  applications.  These  robust  and well  tested  functions  are  the functions that you would otherwise have to create yourself. 

Connecting  to  Web  accessible  databases,  Reading  and  converting  between multiple  data  formats,  Determining  statistical  characteristics  of  data, 

Page 12: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Manipulating  and  aligning  sequences,  Modeling  patterns  in  biological sequences using Hidden Markov Model  HMM  profiles, Reading, normalizing, and visualizing microarray data creating and manipulating phylogenetic  tree data  interfacing  with  other  bioinformatics  software.  The  field  of bioinformatics  is rapidly growing and will become  increasingly  important as biology becomes a more analytical science.  

The  Bioinformatics  Toolbox  provides  an  open  environment  that  you  can customize  for  development  and  deployment  of  the  analytical  tools  you  and scientists will need. Prototype and develop algorithms Prototype new ideas in an  open  and  extendable  environment.  Develop  algorithms  using  efficient string processing  and  statistical  functions,  view  the  source  code  for  existing functions, and use the code as a template for improving or creating your own functions. See Prototype and Development Environment.  

Visualize  data  Visualize  sequence  alignments,  gene  expression  data, phylogenetic  trees,  and  protein  structure  analyses.  See  Data  Visualization. Share  and  deploy  applications  Use  an  interactive  GUI  builder  to  develop  a custom  graphical  front  end  for  your  data  analysis  programs.  Create  stand‐alone  applications  that  run  separate  from  MATLAB.  See  Algorithm  Sharing and Application Deployment.   

Control System Toolbox: 

Building Models Describes how  to build  linear models,  interconnect models, determine model  characteristics,  convert between  continuous‐  and discrete‐time  models,  and  how  to  perform  model  order  reduction  on  large  scale models. This chapter develops a DC motor model from basic laws of physics. Analyzing Models  Introduces  the LTI Viewer, graphical users  interface  GUI  that  simplifies  the  task  of  viewing  model  responses.  This  chapter  also discusses command‐line functions for viewing model responses.  

Designing Compensators  Introduces  the SISO Design Tool,  a GUI  that  allows you to rapidly iterate on compensator designs.  

Page 13: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

You can use this tool to adjust compensator gains and add dynamics, such as poles,  zeros,  lead  networks,  and  notch  filters.  This  chapter  also  discusses command‐line  functions  for  compensator  design  and  includes  examples  of LQR and Kalman filter design. 

Curve Fitting Toolbox: 

The Curve Fitting Toolbox  is  a  collection of  graphical  user  interfaces  GUIs  and M‐file functions built on the MATLAB® technical computing environment. The toolbox provides you with these main features: Data preprocessing such as sectioning and smoothing Parametric and nonparametric data  fitting: You can  perform  a  parametric  fit  using  a  toolbox  library  equation  or  using  a custom  equation.  Library  equations  include  polynomials,  exponentials, rationales, sums of Gaussians, and so on. Custom equations are equations that you  define  to  suit  your  specific  curve  fitting  needs.  You  can  perform  a nonparametric fit using a smoothing spine or various interpellants. Standard linear  least  squares,  nonlinear  least  squares,  weighted  least  squares, constrained least squares, and robust fitting procedures Fit statistics to assist you  in  determining  the  goodness  of  fit  Analysis  capabilities  such  as extrapolation,  differentiation,  and  integration  A  graphical  environment  that allows you to: Explore and analyze data sets and fits visually and numerically Save  your  work  in  various  formats  including  M‐files,  binary  files,  and workspace variables. 

Data Acquisition Toolbox:    

Introduction to Data Acquisition provides you with general information about making  measurements  with  data  acquisition  hardware.  The  topics  covered should  help  you  understand  the  specification  sheet  associated  with  your hardware.  Getting  started  with  the  Data  Acquisition  Toolbox  describes  the toolbox components,  and shows you how  to access your hardware,  examine your hardware resources, and get command line help. 

 

 

Page 14: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Database Toolbox:    

Overview of how databases connect to MATLAB, toolbox functions, the Visual Query Builder, major features of the toolbox, and the expected background for users  of  this  product.  System  Requirements  Supported  platforms,  MATLAB versions, databases, drivers, SQL commands, data types, and related products. Setting  Up  a  Data  Source  Before  connecting  to  a  database,  set  up  the  data source  for ODBC drivers  or  for  JDBC drivers.  Starting  the Database Toolbox Start  using  functions  or  the Visual Query Builder GUI,  and  learn how  to  get help for the product. 

Data feed Toolbox: 

This document describes the Data feed Toolbox for MATLAB®. The Data feed Toolbox  effectively  turns  your  MATLAB  workstation  into  a  financial  data acquisition terminal. Using the Data  feed Toolbox; you can download a wide variety  of  security  data  from  financial  data  servers  into  your  MATLAB workspace.  Then,  you  can  pass  this  data  to MATLAB  or  to  another  toolbox, such as the Financial Time Series Toolbox, for further analysis. 

Filter Design Toolbox: 

The  Filter  Design  Toolbox  is  a  collection  of  tools  that  provides  advanced techniques  for  designing,  simulating,  and  analyzing  digital  filters.  It  extends the capabilities of the Signal Processing Toolbox with filter architectures and design  methods  for  complex  real‐time  DSP  applications,  including  adaptive filtering and MultiMate filtering, as well as filters transformations. Used with the  Fixed‐Point  Toolbox,  the  Filter  Design  Toolbox  provides  functions  that simplify  the  design  of  fixed‐point  filters  and  the  analysis  of  quantization effects.  When  used  with  the  Filter  Design  HDL  Coder,  the  Filter  Design Toolbox lets you generate VHDL and Verilog code for fixed‐point filters. 

Key Features: 

Advanced  FIR  filter  design  methods,  including  minimum‐order,  minimum‐phase, constrained‐ripple, half band, Nyquist, interpolated FIR, and nonlinear 

Page 15: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

phase  Perfect  reconstruction  and  two‐channel  FIR  filter  bank  design Advanced  IIR  design  methods,  including  arbitrary  magnitude,  group‐delay equalizers,  constrained‐pole  radius,  peaking,  notching,  and  comb  filters Analysis and implementation of digital filters in single‐precision floating‐point and  fixed‐point  arithmetic  Support  for  IIR  filters  implemented  in  second‐order  sections,  including  design,  scaling,  and  section  reordering  Round‐off noise  analysis  for  filters  implemented  in  single‐precision  floating  point  or fixed point FIR and IIR filter transformations, including low pass to low pass, low  pass  to  high  pass,  and  low  pass  to  multiband.  Adaptive  filter  design, analysis, and implementation,  including LMS‐based, RLS‐based,  lattice‐based, frequency‐domain,  fast  transversal,  and  affine  projection  Multi‐rate  filter design,  analysis,  and  implementation,  including  cascaded  integrator‐comb CIC   fixed‐point  MultiMate  filters  VHDL  and  Verilog  code  generation  for fixed‐point filters. 

RF Toolbox: 

The RF Toolbox enables you to create and combine RF circuits for simulation in the frequency domain with support for both power and noise. You can read, write, analyze, combine, and visualize RF network parameters. Work Directly with Network Parameter Data You can work directly with your own network parameter  data  or  with  data  from  files.  Functions  enable  you  to:  Read  and write RF data in Touchstone® .snp, .ynp, .znp, and .hnp formats, as well as the Math Works .AMP format. Conversion among S, Y, Z, h, T, and ABCD network parameters  Plot  your  data  on  X‐Y  plane  and  polar  plane  plots,  as  well  as Smith® charts Calculate cascaded S‐parameters and de‐embed S‐parameters from  a  cascaded  network  Calculate  input  and  output  reflection  coefficients, and voltage standing‐wave ratio  VSWR  at the reflection coefficient. 

Wavelet Toolbox: 

Everywhere  around  us  are  signals  that  can  be  analyzed.  For  example,  there are  seismic  tremors,  human  speech,  engine  vibrations,  medical  images, financial  data, music,  and many other  types of  signals. Wavelet  analysis  is  a new and promising set of tools and techniques for analyzing these signals. The 

Page 16: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Wavelet Toolbox is a collection of functions built on the MATLAB® Technical Computing  Environment.  It  provides  tools  for  the  analysis  and  synthesis  of signals  and  images,  and  tools  for  statistical  applications,  using wavelets  and wavelet packets within the framework of MATLAB.  

The MathWorks  provides  several  products  that  are  relevant  to  the  kinds  of tasks you can perform with the Wavelet Toolbox.  

The  Wavelets  Toolbox  provides  two  categories  of  tools:  Command  line functions Graphical  interactive tools the  first category of  tools  is made up of functions.  

Simulink: 

Simulink®  is  a  software  package  for  modeling,  simulating,  and  analyzing dynamic systems.  

It  supports  linear  and  nonlinear  systems,  modeled  in  continuous  time, sampled time, or a hybrid of the two. Systems can also be MultiMate, i.e., have different  parts  that  are  sampled  or  updated  at  different  rates.  Simulink encourages you to try things out. You can easily build models from scratch, or take an existing model and add  to  it.  Simulations are  interactive,  so you can change parameters on the fly and immediately see what happens.  

A goal of Simulink is to give you a sense of the fun of modeling and simulation, through an environment that encourages you to pose a question, model it, and see  what  happens.  With  Simulink,  you  can  move  beyond  idealized  linear models  to  explore more  realistic  nonlinear models,  factoring  in  friction,  air resistance, gear slippage, hard stops, and the other things that describe real‐world phenomena. Simulink turns your computer into a lab for modeling and analyzing  systems  that  simply  wouldn't  be  possible  or  practical  otherwise, whether  the  behavior  of  an  automotive  clutch  system,  the  flutter  of  an airplane  wing,  the  dynamics  of  a  predator‐prey  model,  or  the  effect  of  the monetary supply on the economy.  

Page 17: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Simulink  is  also  practical.  With  thousands  of  engineers  around  the  world using  it  to model  and  solve  real problems,  knowledge of  this  tool will  serve you well throughout your professional career. 

Signal Processing Toolbox: 

The Signal Processing Toolbox is a collection of tools built on the MATLAB® numeric computing environment.  

The  toolbox  supports  a  wide  range  of  signal  processing  operations,  from waveform  generation  to  filter  design  and  implementation,  parametric modeling, and spectral analysis.  

The toolbox provides two categories of tools: Command line functions in the following categories:  

Analog  and  digital  filter  analysis  Digital  filter  implementation  FIR  and  IIR digital filter design Analog filter design Filter discretization Spectral Windows Transforms  Cepstral  analysis  Statistical  signal  processing  and  spectral analysis Parametric modeling Linear Prediction Waveform generation. A suite of interactive graphical user interfaces for Filter design and analysis Window design  and  analysis  Signal  plotting  and  analysis  Spectral  analysis  Filtering signals  Signal  Processing  Toolbox  Central  Features  The  Signal  Processing Toolbox functions are algorithms, expressed mostly in M‐files, that implement a variety of signal processing tasks.  

These  toolbox  functions  are  a  specialized  extension  of  the  MATLAB computational. 

 

ETAP is the most comprehensive analysis platform for the design, simulation, operation, control, optimization, and automation of generation, transmission, distribution, and industrial power systems. 

 

Page 18: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Project Toolbar 

The Project Toolbar contains icons that allow you to perform shortcuts of many commonly used functions in PowerStation. 

 

Create  Create a new project file 

Open    Open an existing project file 

Save    Save the project file 

Print    Print the one‐line diagram or U/G raceway system 

Cut  Cut the selected elements from the one‐line diagram or U/G raceway system to the Dumpster 

Copy  Copy the selected elements from the one‐line diagram or U/G raceway system to the Dumpster 

Paste  Paste elements from a Dumpster Cell to the one‐line diagram or U/G raceway   system 

Zoom In  Magnify the one‐line diagram or U/G raceway system 

Zoom Out  Reduce the one‐line diagram or U/G raceway system 

Zoom to Fit Page     Re‐size the one‐line diagram to fit the window 

Check Continuity  Check the system continuity for non‐energized elements 

Power Calculator  Activate PowerStation Calculator that relates MW, MVAR, MVA, kV, Amp, and PF together with either kVA or MVA units 

Help    Point to a specific area to learn more about PowerStation 

Page 19: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Mode Toolbar 

ETAP offers a suite of fully integrated software solutions including arc flash, load flow, short circuit, transient stability, relay coordination, cable ampacity, optimal power flow, and more. Its modular functionality can be customized to fit the needs of any company, from small to large power systems. 

  

Edit Mode 

Edit mode enables you to build your one‐line diagram, change system connections, edit engineering properties, save your project, and generate schedule reports in Crystal Reports formats.  The Edit Toolbars for both AC and DC elements will be displayed to the right of the screen when this mode is active.  This mode provides a wide variety of tasks including: 

• Drag & Drop Elements • Connect Elements • Change IDs • Cut, Copy, & Paste Elements • Move from Dumpster • Insert OLE Objects • Cut, Copy & OLE Objects • Merge PowerStation Project • Hide/Show Groups of Protective Devices • Rotate Elements • Size Elements • Change Symbols • Edit Properties • Run Schedule Report Manager 

 

 

Page 20: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Instrumentation Elements: 

 

AC Elements: 

 

 

 

Page 21: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

DC Elements: 

                      

Load Flow Analysis: 

 

 

Page 22: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Short Circuit Analysis: 

 

 

Motor Starting Analysis: 

 

Page 23: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

Harmonic Analysis: 

 

 

 

Page 24: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Transient Stability Analysis: 

 

 

Optimal Power Flow Analysis: 

 

Page 25: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

Reliability Assesment Analysis: 

 

 

DC Load Flow Analysis: 

 

Page 26: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

DC Short Circuit Analysis: 

 

 

Battery Sizing And Discharge Analysis: 

 

Page 27: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

 

 

COMMENTS: 

MATLAB is very useful and very easy to use software which is basically used for the matrices problems but it is also used for many applications like: 

• Matrix computations • Vector Analysis  • Differential Equations computations • Integration is possible • Computer language programming • Simulation • Graph Plotation • 2‐D & 3‐D Plotting 

ETAP is the most comprehensive analysis platform for the design, simulation, operation, control, optimization, and automation of generation, transmission, distribution, and industrial power systems. This software is used to analyze 

Page 28: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

very large power systems. ETAP is used for the following types of analysis of any power system: 

• Battery Sizing And Discharge Analysis • DC Short Circuit Analysis • DC Load Flow Analysis • Reliability Assesment Analysis • Optimal Power Flow Analysis • Transient Stability Analysis • Harmonic Analysis • Motor Starting Analysis • Short Circuit Analysis • Load Flow Analysis 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 29: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 02 

Introduction to Power System Protection 

Protection System 

A protection scheme in power system is designed to continuously monitor the power system to ensure maximum continuity of electrical supply with minimum damage to life, equipment and property. 

Isolation of faulty element 

                 The ill effects of faults are minimized by quickly isolating the faulty element from the rest of the healthy system, thus limiting the disturbance footprint to as small an area in time and space as possible. 

FAULTS AND ABNORMAL OPERATING CONDITIONS 

Shunt Fault: 

                “When the path of the load current is cut short because of breakdown of insulation, we say that a ‘short circuit’ has occurred.” These faults due to insulation flashover are many times temporary, i.e. if the arc path is allowed to de‐ionize, by interrupting the electric supply for a sufficient period, then there arc does not restrike after the supply is restored. This process of interruption followed by intentional re‐energization is known as “RECLOSURE”. In low voltage system up to 3 reclosure are attempted, after which the breaker is locked out. The repeated attempts at reclosure, at times, help in burning out the object, which is causing the breakdown of insulation. The reclosure may also be done automatically. 

EHV SYSTEM:     

               In these systems where the damage due to short circuit may be very large and the system stability at stake, only one reclosure is allowed. At times the short circuit may be total  sometimes called a dead short circuit  or it may be partial short circuit. 

Page 30: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

METALLIC FAULT:   

            “A fault which bypasses the entire load current through itself is called a metallic  fault”.  A  metallic  fault  presents  a  very  low,  practically  zero,  fault resistance. A partial short circuit can be modeled as a non‐zero resistance  or impedance  parallel with the intended path of current. 

ARC RESISTANCE: 

            Most  of  the  times,  the  fault  resistance  is nothing  but  the  resistance of the arc  that  is  formed as a  result of  flash over. The resistance  is highly non‐linear  in  nature.  Early  researches  have  developed models  of  arc  resistance. One  such  widely  used  model  is  due  to  Warrington,  which  gives  the  Arc Resistance as; 

Rarc 8750 S 3ut /I1.4 

Where 

• “S”  is the spacing in feet                                                                             •  “t”  is the time in seconds  • “U” is the velocity of air in mph                                                                 •  “I”  is the fault current in ampere 

CAUSES OF SHUNT FAULT: 

              Shunt fault is basically due to failure of insulation. The insulation may fail because of it’s own weakening, or it may fail due to over‐voltage the weakening of insulation may be due to one or more of following factors. 

• Ageing                                                                                                                   • Temperature • Rain, Hail, Snow                                                                                                        • Chemical pollution • Foreign objects                                                                                                       • Other causes 

Page 31: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

The over voltage may be either internal  due to switching  or external  due to lightening . 

EFFECTS OF SHUNT FAULTS  

If the power system just consisted of isolated alternators feeding their own load, then steady state fault currents would not be of much concern. 

ISOLATED GENERATOR EXPERINCES A THREE PHASE FAULT 

                   Consider an isolated turbo alternator with a three‐phase short circuit on it’s terminals as shown in fig: 

 

Assuming that; 

Internal voltage I p.u 

Synchronous impedance Xd    2 p.u 

Page 32: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Steady stat short circuit current   0.5 p.u 

This current is to small to cause any worry. 

However considering; 

                Sub‐transient impedance  Xd ”   0.1 p.u 

                Sub‐transient current will     I ”  10  p.u 

FOR INTERCONNECTED POWER SYSTEM 

               For these systems all the generators and motors will contribute towards the fault current, thus building up the value of the fault current to couple of tens of times to the normal full‐load current. Faults thus cause heavy current to flow. If these current persists for short duration they can cause serious damage to the equipment. 

OVERHEATING: 

               In faulted circuits the over‐current causes the over heating and attendant danger of fire, this over heating also causes the deterioration of the insulation, thus weakening it further. Transformers are known to have suffered mechanical damage to the windings due to fault. 

Some important points of inter‐connected power system are: 

• The generators in inter connected system must operate in synchronism at all instants. 

• The electric power out put from an alternator near the fault drops sharply. 

• The mechanical power input remains constant at its pre fault value. 

EFFECT OF FAULT: 

             As mechanical power input remains constant this causes the alternator to accelerate, along with the rotor angle ф starts increasing, thus the alternators start swinging with respect to each other. If the swing goes out of 

Page 33: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

control alternator will be tripped out. Thus system stability is at sake. Therefore fault need to be isolated and removed as quickly as possible. 

CLASSIFICATION OF SHUNT FAULT 

PHASE FAULT AND GROUND FAULT  

GROUND FAULT:  

             The fault which involves only one of the phase conductor and ground is called as ground fault. 

PHASE FAULT:  

             The  fault  which  involves  two  or  more  phase  conductors  with  or without ground is called as phase fault. 

FAULT STATICS WITH REFERENCE TO TYPE OF FAULT 

FAULT  PROBABILITY OF OCCURANCE SEVERITYL‐G  85% Least L‐L  8%  L‐L‐G  5%  L‐L‐L  2% Most 

 

FAULT STATICTICS WITH REFERENCE TO POWER SYSTEM ELEMENTS 

Further  the  probability  of  fault  on  different  elements  of  power  system  is different.  The  transmission  lines  which  are  exposed  to  the  vagaries  of  the atmosphere are most likely to be subjected to these faults. The fault statistics is shown in table: 

POWER SYSTEM ELEMENT PROBABILITY OF FAULT  %Overhead lines  50 

Underground Cables 09 Transformer  10 Generator  07 Switch Gears  12 

Page 34: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

CT, PT,Relays  12 Phasor Diagram of Voltages and Currents during Various Faults 

A fault is accompanied by a build‐up of current, which is obvious. At the same time there is a fall in voltage throughout the power system. If the fault is a metallic fault, the voltage at the fault location is zero. The voltage at the terminals of the generator will also drop, though not drastically. If the source is ideal, there will be no drop in voltage at the generator terminals. Normally the relay is away from the fault location. Thus, as seen from the relay location, a fault is characterized by a build‐up of current, and to a certain extent, collapse of voltage.  

 

 

Page 35: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Series Fault 

These faults occur simply when the path of current is opened. Practically most of the time series fault is converted into shunt fault. 

Abnormal Operating Conditions The boundary between the normal and faulty conditions is not crisp. There are certain operating conditions inherent to the operation of the power system which is definitely not normal, but these are not electrical faults either. Some examples are the magnetizing inrush current of a transformer, starting current of an induction motor, and the conditions during power swing.  

What are Protective Relays Supposed to Do? Relays are supposed to detect the fault with the help of current and voltage and selectively remove only the faulty part from the rest of the system by operating breakers. This, the relay has to do with utmost selectivity and speed. In a power system, faults are not an everyday occurrence. A typical relay, therefore, spends all of its life monitoring the power system. Thus, relaying is like an insurance against damage due to faults.  

Evolution of Power Systems Systems have evolved from isolated generators feeding their own loads to huge power systems spanning an entire country. The evolution has progressed systems to high‐voltage systems and low‐power handling capacities to high power capacities. The requirements imposed on the protective system are linked to the nature of the power system.  

Isolated Power System  The protection of an isolated power system is simpler because firstly, there is no concentration of generating capacity and secondly, a single synchronous alternator does not suffer from the stability problem as faced by a multi‐machine system. Further, when there is a fault and the protective relays remove the generator from the system, the system may suffer from a blackout unless there is a standby source of power. The steady‐state fault current in a single machine power system may even be less than the full‐load current. Such a fault will, however, cause other effects like speeding up of the generator because of the disturbed balance between the input mechanical power and the output electrical power, and therefore should be quickly attended to. Although, there are no longer any isolated power systems supplying residential or industrial loads, we do encounter such situations in case of emergency diesel generators powering the uninterrupted power supplies as well as critical auxiliaries in a thermal or nuclear power station.  Interconnected Power System  An interconnected power system has evolved because it is more reliable than an isolated power system. In case of disruption in one part of the system, 

Page 36: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

power can be fed from alternate paths, thus, maintaining continuity of service. An interconnected power system also makes it possible to implement an economic load dispatch.  The generators in an interconnected system could be of varied types such as turbo‐alternators  in coal fired, gas fired or nuclear power plants , generators in hydroelectric power plants, wind‐powered generators, fuel cells or even solar‐powered photovoltaic cells.  Figure shows a simple interconnected power system. Most of the generators operate at the voltage level of around 20 kV. For bulk transmission of power, voltage levels of the order of 400 kV or higher are used. At the receiving end, the voltage is stepped down to the distribution level, which is further stepped down before it reaches the consumers.  It can be seen that the EHV lines are the tie lines which interconnect two or more generators whereas the low voltage lines are radial in nature which terminate in loads at the remote ends.  There is interconnection at various EHV voltage levels.     

 

 

Page 37: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Disadvantages of an Interconnected System  • There are other undesirable effects of interconnection. It is  • Very difficult to maintain stability  • Disturbances quickly propagate throughout the system  • Possibility of cascade tripping due to loss of stability is always looming 

large • Voltage stability problem • Harmonic distortion propagate throughout the system  • Possibility of cyber‐attacks  

Various States of Operation of a Power System  A power system is a dynamic entity. Its state is likely to drift from one state to the other as shown in the figure.           When the power system is operating in steady state, it is said to be operating in normal state. In this state, there is enough generation capacity available to meet the load, therefore, the frequency is stable around the nominal 50Hz or 60 Hz. This state is also characterized by reactive power balance between generation and load. 

A Protection System and Its Attributes  Following figure shows a protection system for the distance protection of a transmission line, consisting of a CT and a PT, a relay and its associated circuit breaker. Every protection system will have these basic components.   

Page 38: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

         At this stage, we can consider the relay as a black‐box having current and voltage at its input, and an output, in the form of the closure of a normally‐open contact. This output of the relay is wired in the trip circuit of the associated circuit breaker s  so as to complete this circuit. The conceptual diagram of a generalized relay is shown in Figure:    

    

Basic Requirements of a Protection System 

Sensitivity  

The protective system must be alive to the presence of the smallest fault current. The smaller the fault current it can detect, the more sensitive it is.  

Selectivity  

In detecting the fault and isolating the faulty element, the protective system must be very selective. Ideally, the protective system should zero‐in on the faulty element and isolate it, thus causing minimum disruption to the system.  

Page 39: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Speed  

The longer the fault persists on the system, the larger is the damage to the system and higher is the possibility that the system will lose stability. Thus, it helps a lot if the entire process of fault detection and removal of the faulty part is accomplished in as short a time as feasible. Therefore, the speed of the protection is very important.  

Reliability and Dependability  

A protective system is of no use if it is not reliable. There are many ways in which reliability can be built into the system. In general, it is found that simple systems are more reliable. Therefore, we add features like back‐up protection to enhance the reliability and dependability of the protective system.  

System Transducers Current transformers and voltage transformers form a very important link between the power system and the protective system. These transducers basically extract the information regarding current and voltage from the power system under protection and pass it on to the protective relays.  

Current Transformer  The current transformer has two jobs to do.  

• Firstly, it steps down the current to such levels that it can be easily handled by the relay current coil. The standard secondary current ratings used in practice are 5 A and 1 A. This frees the relay designer from the actual value of primary current.  

• Secondly, it isolates the relay circuitry from the high voltage of the EHV system.  

A conventional electromagnetic current transformer is shown in Figure. Ideally, the current transformer should faithfully transform the current without any errors. In practice, there is always some error. The error creeps in, both in magnitude and in phase angle. These errors are known as ratio error and phase angle error.  

Page 40: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

            

 

Voltage Transformer  The voltage transformer steps down the high voltage of the line to a level safe enough for the relaying system  pressure coil of relay  and personnel to handle. The standard secondary voltage on line‐to‐line basis is 110 V. This helps in standardizing the protective relaying equipment irrespective of the value of the primary EHV adopted.  A PT primary is connected in parallel at the point where a measurement is desired, unlike a CT whose primary is in series with the line. A conventional electromagnetic VT is shown in Figure:        

  

Page 41: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Circuit Breaker  The circuit breaker is an electrically operated switch, which is capable of safely making, as well as breaking short‐circuit currents. The circuit breaker is operated by the output of its associated relay. When the circuit breaker is in the closed condition, its contacts are held closed by the tension of the closing spring. When the trip coil is energized, it releases a latch, causing the stored energy in the closing spring to bring about a quick opening operation.  

Organization of Protection  The protection is organized in a very logical fashion. The idea is to provide a ring of security around each and every element of the power system. If there is any fault within this ring, the relays associated with it must trip all the allied circuit breakers so as to remove the faulty element from the rest of the power system. This 'ring of security' is called zone of protection. This is depicted in Figure with the help of a simple relay for the protection of a transformer. Without going into the detailed of the differential relaying scheme, we can make the following statements:   

 Faults within the zone are termed internal faults whereas the faults outside the zone are called external faults. External faults are also known as through faults. The farthest point from the relay location, which is still inside the zone, is called the reach point.  

Zones of Protection Various zones for a typical power system are shown in Figure. It can be seen that the adjacent zones overlap; otherwise there could be some portion which is left out and remains unprotected.  

Page 42: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

 

Primary and back‐up Protection As already mentioned there are times when the primary protection may fail. This could be due to failure of CT, VT or relay, or failure of circuit breaker. One of the possible causes of the circuit breaker failure is the failure of the trip‐battery due to inadequate maintenance. We must have a second line of defense in such a situation. Therefore, it is a normal practice to provide another zone of protection which should operate and isolate the faulty element in case of primary protection failure. Further, the back‐up protection must wait for the primary protection to operate, before issuing the trip command to its associated circuit breakers. In other words, the operating time of the back‐up protection must be delayed by an appropriate amount over that of the primary protection. Thus, the operating time of the back‐up protection should be equal to the operating time of primary protection plus the operating time of the primary circuit breaker.  

Page 43: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Maloperation 

There should be proper coordination between the operating time of primary and back‐up protection. It can be seen that the back‐up protection in this case issues trip command to its breaker without waiting for the primary protection to do its job. This results in operation of both the primary and the back‐up, resulting in a longer and unnecessary disruption to the system. It is said that with every additional relay used, there is an increase in the probability of Maloperation. 

Various elements of power system that needs protection The power system consists of  

• Alternators • Bus bars • Transformers for transmission and distribution • Transmission lines at various voltage levels from EHV to 11kV cables • Induction and synchronous motors • Reactors  • Capacitors • Instrument and protective CTs and PTs • Various control and metering equipment etc  

Each of these entities needs protection. Each apparatus has a unique set of operating conditions.  

Various Principles of Power System Protection The most basic principles that are used in any protection system are following 

• Over current protection • Over voltage protection • Distance protection • Differential protection 

Normally used protection schemes for different elements 

Protection schemes used for different elements of any power system are completely dependant upon the nature of that element. We can not use all protection schemes for every element. Following table shows the protection schemes used for mentioned elements: 

 

Page 44: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

ELEMENT  Principle  Non‐directional 

over current

Directionalover current

Differential  Distance

Alternator  Primary protection 

yes yes  yes

Bus bar  Primary protection 

yes 

Transformer  Primary protection 

yes 

Transmission line 

Primary protection 

yes yes   yes

Large induction motor 

Primary protection  yes

 yes 

 

COMMENTS 

The knowledge about protection system is of great importance. In this experiment, we understand  

• What is a protection system? • Different kinds of faults and their effects • Classification of faults • Abnormal operating conditions • Function of a relay • Types of a power system • Properties of a good protection system • Zones of protection 

Indeed these necessary to select protection scheme for any power system element to understand the basics of fault effects and regarding protection system. 

 

 

Page 45: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 03 

IMPACT OF INDUCTION MOTOR STARTING ON POWER SYSTEM 

ELECTRIC MOTOR An electric motor uses electrical energy to produce mechanical energy, through the interaction of magnetic fields and current‐carrying conductors. The reverse process, producing electrical energy from mechanical energy, is accomplished by a generator or dynamo.  

Traction motors used on vehicles often perform both tasks. Many types of electric motors can be run as generators, and vice versa. 

INDUCTION MOTOR DEFINITION: 

An induction motor  or asynchronous motor or squirrel‐cage motor  is a type of alternating current motor, where power is supplied to the rotor by means of electromagnetic induction. 

POWER CONVERSION: 

An electric motor converts electrical power to mechanical power in its rotor  rotating part . There are several ways to supply power to the rotor. In a DC motor this power is supplied to the armature directly from a DC source, while in an induction motor this power is induced in the rotating device.  

ROTATING TRANSFORMER: 

An induction motor is sometimes called a rotating transformer because the stator  stationary part  is essentially the primary side of the transformer and the rotor  rotating part  is the secondary side. The primary side's current evokes a magnetic field which interacts with the secondary side's emf to produce a resultant torque, henceforth serving the purpose of producing mechanical energy.  

Page 46: 59926214 Power System Protection Lab Manual

 

 

 

APPLIC

Inm

Ind

Atom

 

 

POW

CATIONS: 

nduction mmotors, wh

nduction mdue to thei

Absence ofo modern motor. 

WER SYS

motors arehich are fr

motors arer rugged c

f brushes power ele

STEM PR

e widely urequently u

e now theconstructi

which areectronics t

ROTECTIO

used, espeused in in

 preferredon,  

e requiredthe ability

ON LAB M

cially polydustrial d

d choice fo

d in most Dy to contro

MANUAL

2

yphase indrives. 

or industri

DC motorsol the spee

ASAD NA2006‐RCET‐E

duction 

ial motors

s  and thaed of the 

AEEM EE‐22 

nks 

Page 47: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

HISTORY: 

The induction motor was first realized by Galileo Ferraris in 1885 in Italy. In 1888, Ferraris published his research in a paper to the Royal Academy of Sciences in Turin  later, in the same year, Tesla gained U.S. Patent 381,968  where he exposed the theoretical foundations for understanding the way the motor operates.  

The induction motor with a cage was invented by Mikhail Dolivo‐Dobrovolsky about a year later. Technological development in the field has improved to where a 100 hp  74.6 kW  motor from 1976 takes the same volume as a 7.5 hp  5.5 kW  motor did in 1897.  

Currently, the most common induction motor is the cage rotor motor. 

AC INDUCTION MOTOR Where 

n   Revolutions per minute  rpm  

f   AC power frequency  hertz  

p   Number of poles per phase  an even number  

Slip is calculated using: 

 Where “s” is the slip The rotor speed is: 

  

STARTING OF INDUCTION MOTOR THREE‐PHASE  Direct‐on‐line starting : The simplest way to start a three‐phase induction motor is to connect its terminals to the line. This method is often called "direct on line" and abbreviated DOL. 

Page 48: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

In an induction motor, the magnitude of the induced emf in the rotor circuit is proportional to the stator field and the slip speed  the difference between synchronous and rotor speeds  of the motor, and the rotor current depends on this emf.  

 

 A 3‐phase power supply provides a rotating magnetic field in an induction motor  

 

When the motor is started, the rotor speed is zero. The synchronous speed is constant, based on the frequency of the supplied AC voltage. So the slip speed is equal to the synchronous speed, the slip ratio is 1, and the induced emf in the rotor is large. As a result, a very high current flows through the rotor. This is similar to a transformer with the secondary coil short circuited, which causes the primary coil to draw a high current from the mains.  

When an induction motor starts DOL, a very high current is drawn by the stator, in the order of 5 to 9 times the full load current. This high current can, in some motors, damage the windings; in addition, because it causes heavy line voltage drop, other appliances connected to the same line may be affected by the voltage fluctuation. To avoid such effects, several other strategies are employed for starting motors. 

STAR‐DELTA STARTERS An induction motor's windings can be connected to a 3‐phase AC line in two different ways: 

1 Star   Wye  

Page 49: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

2 Delta 

Wye  star in Europe , where the windings are connected from phases of the supply to the neutral; 

Delta  sometimes mesh in Europe , where the windings are connected between phases of the supply. 

A delta connection of the machine winding results in a higher voltage at each winding compared to a wye connection  the factor is  .  

A star‐delta starter initially connects the motor in wye, which produces a lower starting current than delta, then switches to delta when the motor has reached a set speed.  

DISADVANTAGES: 

Disadvantages of this method over DOL starting are: 

Lower starting torque, which may be a serious issue with pumps or any devices with significant breakaway torque 

Increased complexity, as more contactors and some sort of speed switch or timers are needed 

Two shocks to the motor  one for the initial start and another when the motor switches from wye to delta  

VARIABLE FREQUENCY DRIVES Key information’s are: 

Variable‐frequency drives  VFD  can be of considerable use in starting as well as running motors.  

A VFD can easily start a motor at a lower frequency than the AC line, as well as a lower voltage, so that the motor starts with full rated torque and with no inrush of current.  

The rotor circuit's impedance increases with slip frequency, which is equal to supply frequency for a stationary rotor,  

So running at a lower frequency actually increases torque. 

Thus variable frequency drives are used for multiple purposes. 

Page 50: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

RESISTANCE STARTERS This method is used with slip ring motors where the rotor poles can be accessed by way of the slip rings. Using brushes, variable power resistors are connected in series with the poles. During start‐up the resistance is large and then reduced to zero at full speed. 

At start‐up the resistance directly reduces the rotor current and so rotor heating is reduced. Another important advantage is the start‐up torque can be controlled. As well, the resistors generate a phase shift in the field resulting in the magnetic force acting on the rotor having a favorable angle 

AUTO‐TRANSFORMER STARTERS Such starters are called as auto starters or compensators, consists of an auto‐transformer. 

SERIES REACTOR STARTERS In series reactor starter technology, an impedance in the form of a reactor is introduced in series with the motor terminals, which as a result reduces the motor terminal voltage resulting in a reduction of the starting current; the impedance of the reactor, a function of the current passing through it, gradually reduces as the motor accelerates, and at 95 % speed the reactors are bypassed by a suitable bypass method which enables the motor to run at full voltage and full speed. Air core series reactor starters or a series reactor soft starter is the most common and recommended method for fixed speed motor starting.  

SYNCHRONOUS MOTOR A synchronous motor always runs at synchronous speed with 0% slip. The speed of a synchronous motor is determined by the following formula: 

 For example a 6 pole motor operating on 60Hz power would have speed: 

  

Page 51: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Where 

“V” is the speed of the rotor  in rpm ,  

“f”  is the frequency of the AC supply  in Hz   And  

“n”  is the number of magnetic poles. Note on the use of p: Some texts refer to number of pole pairs per phase instead of number of poles per phase. For example a 6 pole motor, operating on 60Hz power, would have 3 pole pairs. The equation of synchronous speed then becomes: n 3 

 

  

  PARTS OF SYNCHRONOUS MOTOR A synchronous motor is composed of the following parts: 

The stator is the outer shell of the motor, which carries the armature winding. This winding is spatially distributed for poly‐phase AC current. This armature creates a rotating magnetic field inside the motor. 

The rotor is the rotating portion of the motor. it carries field winding, which is supplied by a DC source. On excitation, this field winding behaves as a permanent magnet. 

The slip rings in the rotor, to supply the DC to the field winding. 

 STARTING OF SYNCHRONOUS MOTOR Synchronous motors are not self‐starting motors. This property is due to the inertia of the rotor. When the power supply is switched on, the armature 

Page 52: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

winding and field windings are excited. Instantaneously, the armature winding creates a rotating magnetic field, which revolves at the designated motor speed. The rotor, due to inertia, will not follow the revolving magnetic field. In practice, the rotor should be rotated by some other means near to the motor's synchronous speed to overcome the inertia. Once the rotor nears the synchronous speed, the field winding is excited, and the motor pulls into synchronization. 

The following techniques are employed to start a synchronous motor: 

A separate motor  called pony motor  is used to drive the rotor before it locks in into synchronization. 

The field winding is shunted or induction motor like arrangements are made so that the synchronous motor starts as an induction motor and locks in to synchronization once it reaches speeds near its synchronous speed. 

ADVANTAGES OF SYNCHRONOUS MOTOR Synchronous motors have the following advantages over non‐synchronous motors: 

Speed is independent of the load, provided an adequate field current is applied. 

Accurate control in speed and position using open loop controls, eg. stepper motors. 

They will hold their position when a DC current is applied to both the stator and the rotor windings. 

Their power factor can be adjusted to unity by using a proper field current relative to the load. Also, a "capacitive" power factor,  current phase leads voltage phase , can be obtained by increasing this current slightly, which can help achieve a better power factor correction for the whole installation. 

Their construction allows for increased electrical efficiency when a low speed is required  as in ball mills and similar apparatus . 

 

Page 53: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

ONE LINE DIAGRAM 

 

POINT UNDER CONSIDERATION 

Mtr‐1  Bus‐7 

Page 54: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

LOAD FLOW ANALYSIS DIAGRAM 

 

 

 

 

 

Page 55: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

STATIC MOTOR STARTING ANALYSIS DIAGRAM 

 

 

 

 

Page 56: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

RESPONSE OF DIFFERENT PARAMETERS IN CASE OF STATIC MOTOR STARTING ANALYSIS 

MOTOR REACTIVE POWER DEMAND 

 

 

MOTOR REAL POWER DEMAND 

 

 

Page 57: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

MOTOR TERMINAL VOLTAGE 

 

 

MOTOR CURRENT 

 

 

Page 58: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

DYNAMIC MOTOR STARTING ANALYSIS DIAGRAM 

 

 

 

 

Page 59: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

RESPONSE OF DIFFERENT PARAMETERS IN CASE OF DYNAMIC MOTOR STARTING ANALYSIS 

MOTOR REACTIVE POWER DEMAND 

 

 

MOTOR REAL POWER DEMAND 

 

 

Page 60: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

ACCELERATION TORQUE 

 

 

MOTOR TERMINAL VOLTAGE 

 

 

Page 61: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

MOTOR CURRENT 

 

 

MOTOR SLIP 

 

 

Page 62: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMENTS: 

In this experiment, we investigate the effect of motor starting current on the power system as motor starting current is many times larger than the normal current. For this purpose, we first take the normal load flow analysis report and then perform motor starting analysis to compare the current value for both cases.  

In case of static motor starting analysis: 

Motor reactive power demand instantaneously increases from 40KVAR to 80KVAR then attains the previous value which is much lower 

Motor real power demand instantaneously increases from 108KW to 160KW then attains the previous value which is much lower 

Bus voltage becomes lower at starting instant to a value of 66KV and then achieves the previous high voltage that is 73KV 

Motor terminal voltage suddenly becomes lower at starting instant to a value of 48KV and then achieves the previous high voltage that is 64KV 

Motor current becomes very high at starting instant to a value of 280KA and then achieves the previous lower current value that is 160KA 

In case of dynamic motor starting analysis: 

Motor reactive power demand instantaneously increases to 165KVAR then slowly decreases  

Motor real power demand slowly exponentially  increases   Acceleration torque increases exponentially and after some time, it decreases exponentially 

Motor terminal voltage is almost at a constant level  Motor current becomes very high at starting instant to a value of 360KA and then decrease slowly 

 

 

 

Page 63: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 04 

SELECTION OF CIRCUIT BREAKER FOR DIFFERENT BRANCHES OF A GIVEN POWER SYSTEM USING ETAP  

INTRODUCTION POWER SYSTEM PROTECTION Power system protection is a branch of electrical power engineering that deals with the protection of electrical power systems from faults through the isolation of faulted parts from the rest of the electrical network. The objective of a protection scheme is to keep the power system stable by isolating only the components that are under fault, whilst leaving as much of the network as possible still in operation. Thus, protection schemes must apply a very pragmatic and pessimistic approach to clearing system faults. For this reason, the technology and philosophies utilized in protection schemes can often be old and well‐established because they must be very reliable. 

COMPONENTS OF PROTECTION SYSTEM 

Protection systems usually comprise five components: 

• Current and voltage transformers to step down the high voltages and currents of the electrical power system to convenient levels for the relays to deal with; 

• Relays to sense the fault and initiate a trip, or disconnection, order; 

• Circuit breakers to open/close the system based on relay and auto‐reclosure commands 

• Batteries to provide power in case of power disconnection in the system. 

• Communication channels to allow analysis of current and voltage at remote terminals of a line and to allow remote tripping of equipment. 

For parts of a distribution system, fuses are capable of both sensing and disconnecting faults. 

Page 64: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Failures may occur in each part, such as insulation failure, fallen or broken transmission lines, incorrect operation of circuit breakers, short circuits and open circuits. Protection devices are installed with the aims of protection of assets, and ensure continued supply of energy.  

CIRCUIT BREAKER A circuit breaker is an automatically‐operated electrical switch designed to protect an electrical circuit from damage caused by overload or short circuit. Its basic function is to detect a fault condition and, by interrupting continuity, to immediately discontinue electrical flow. Unlike a fuse, which operates once and then has to be replaced, a circuit breaker can be reset either manually or automatically  to resume normal operation.  

Circuit breakers are made in varying sizes, from small devices that protect an individual household appliance up to large switchgear designed to protect high voltage circuits feeding an entire city. 

OPERATION OF BREAKER 

All circuit breakers have common features in their operation, although details vary substantially depending on the voltage class, current rating and type of the circuit breaker. 

The circuit breaker must detect a fault condition; in low‐voltage circuit breakers this is usually done within the breaker enclosure. Circuit breakers for large currents or high voltages are usually arranged with pilot devices to sense a fault current and to operate the trip opening mechanism. The trip solenoid that releases the latch is usually energized by a separate battery, although some high‐voltage circuit breakers are self‐contained with current transformers, protection relays, and an internal control power source. 

Page 65: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Once a fault is detected, contacts within the circuit breaker must open to interrupt the circuit; some mechanically‐stored energy  using something such as springs or compressed air  contained within the breaker is used to separate the contacts, although some of the energy required may be obtained from the fault current itself. Small circuit breakers may be manually operated; larger units have solenoids to trip the mechanism, and electric motors to restore energy to the springs. 

The circuit breaker contacts must carry the load current without excessive heating, and must also withstand the heat of the arc produced when interrupting the circuit. Contacts are made of copper or copper alloys, silver alloys, and other materials. Service life of the contacts is limited by the erosion due to interrupting the arc. Miniature and molded case circuit breakers are usually discarded when the contacts are worn, but power circuit breakers and high‐voltage circuit breakers have replaceable contacts. 

When a current is interrupted, an arc is generated. This arc must be contained, cooled, and extinguished in a controlled way, so that the gap between the contacts can again withstand the voltage in the circuit. Different circuit breakers use vacuum, air, insulating gas, or oil as the medium in which the arc forms. Different techniques are used to extinguish the arc including: 

• Lengthening of the arc • Intensive cooling  in jet chambers  • Division into partial arcs • Zero point quenching • Connecting capacitors in parallel with contacts in DC circuits 

Finally, once the fault condition has been cleared, the contacts must again be closed to restore power to the interrupted circuit. 

ARC INTERUPTION 

Miniature low‐voltage circuit breakers use air alone to extinguish the arc. Larger ratings will have metal plates or non‐metallic arc chutes to divide and cool the arc. Magnetic blowout coils deflect the arc into the arc chute. 

Page 66: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

In larger ratings, oil circuit breakers rely upon vaporization of some of the oil to blast a jet of oil through the arc. 

Gas  usually sulfur hexafluoride  circuit breakers sometimes stretch the arc using a magnetic field, and then rely upon the dielectric strength of the sulfur‐hexafluoride  SF6  to quench the stretched arc. 

Vacuum circuit breakers have minimal arcing  as there is nothing to ionize other than the contact material , so the arc quenches when it is stretched a very small amount  2–3 mm . Vacuum circuit breakers are frequently used in modern medium‐voltage switchgear to 35,000 volts. 

Air circuit breakers may use compressed air to blow out the arc, or alternatively, the contacts are rapidly swung into a small sealed chamber, the escaping of the displaced air thus blowing out the arc. 

Circuit breakers are usually able to terminate all current very quickly: typically the arc is extinguished between 30 ms and 150 ms after the mechanism has been tripped, depending upon age and construction of the device. 

SHORT CIRCUIT CURRENT 

Circuit breakers are rated both by the normal current that are expected to carry, and the maximum short‐circuit current that they can safely interrupt. 

Under short‐circuit conditions, a current many times greater than normal can exist  see maximum prospective short circuit current . When electrical contacts open to interrupt a large current, there is a tendency for an arc to form between the opened contacts, which would allow the current to continue. Therefore, circuit breakers must incorporate various features to divide and extinguish the arc. 

In air‐insulated and miniature breakers an arc chutes structure consisting often  of metal plates or ceramic ridges cools the arc, and magnetic blowout coils deflect the arc into the arc chute. Larger circuit breakers such as those 

Page 67: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

used in electrical power distribution may use vacuum, an inert gas such as sulphur hexafluoride or have contacts immersed in oil to suppress the arc. 

The maximum short‐circuit current that a breaker can interrupt is determined by testing. Application of a breaker in a circuit with a prospective short‐circuit current higher than the breaker's interrupting capacity rating may result in failure of the breaker to safely interrupt a fault. In a worst‐case scenario the breaker may successfully interrupt the fault, only to explode when reset. 

Miniature circuit breakers used to protect control circuits or small appliances may not have sufficient interrupting capacity to use at a panel board; these circuit breakers are called "supplemental circuit protectors" to distinguish them from distribution‐type circuit breakers. 

TYPES OF CIRCUIT BREAKER 

Many different classifications of circuit breakers can be made, based on their features such as voltage class, construction type, interrupting type, and structural features. 

LOW‐VOLTAGE CIRCUIT BREAKER 

Low voltage  less than 1000 VAC  types are common in domestic, commercial and industrial application, include: 

• MCB  Miniature Circuit Breaker —rated current not be more than 100 A. Trip characteristics normally not adjustable. Thermal or thermal‐magnetic operation. Breakers illustrated above are in this category. 

• MCCB  Molded Case Circuit Breaker —rated current up to 1000 A. Thermal or thermal‐magnetic operation. Trip current may be adjustable in larger ratings. 

• Low voltage power circuit breakers can be mounted in multi‐tiers in LV switchboards or switchgear cabinets. 

The characteristics of LV circuit breakers are given by international standards such as IEC 947. These circuit breakers are often installed in draw‐out 

Page 68: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

enclosures that allow removal and interchange without dismantling the switchgear. 

Large low‐voltage molded case and power circuit breakers may have electrical motor operators, allowing them to be tripped  opened  and closed under remote control. These may form part of an automatic transfer switch system for standby power. 

Low‐voltage circuit breakers are also made for direct‐current  DC  applications, for example DC supplied for subway lines. Special breakers are required for direct current because the arc does not have a natural tendency to go out on each half cycle as for alternating current. A direct current circuit breaker will have blow‐out coils which generate a magnetic field that rapidly stretches the arc when interrupting direct current. 

Small circuit breakers are either installed directly in equipment, or are arranged in a breaker panel. 

 

The 10 ampere DIN rail‐mounted thermal‐magnetic miniature circuit breaker is the most common style in modern domestic consumer units and commercial electrical distribution boards throughout Europe. The design includes the following components: 

1. Actuator lever ‐ used to manually trip and reset the circuit breaker. Also indicates the status of the circuit breaker  On or Off/tripped . Most breakers are designed so they can still trip even if the lever is held or locked in the "on" position. This is sometimes referred to as "free trip" or "positive trip" operation. 

2. Actuator mechanism ‐ forces the contacts together or apart. 

3. Contacts ‐ Allow current when touching and break the current 

Page 69: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

when moved apart. 4. Terminals 5. Bimetallic strip 6. Calibration screw ‐ allows the manufacturer to precisely adjust the trip 

current of the device after assembly. 7. Solenoid 8. Arc divider/extinguisher 

MAGNETIC CIRCUIT BREAKER 

Magnetic circuit breakers use a solenoid electromagnet  that’s pulling force increases with the current. Certain designs utilize electromagnetic forces in addition to those of the solenoid. The circuit breaker contacts are held closed by a latch. As the current in the solenoid increases beyond the rating of the circuit breaker, the solenoid's pull releases the latch which then allows the contacts to open by spring action. Some types of magnetic breakers incorporate a hydraulic time delay feature using a viscous fluid. The core is restrained by a spring until the current exceeds the breaker rating. During an overload, the speed of the solenoid motion is restricted by the fluid. The delay permits brief current surges beyond normal running current for motor starting, energizing equipment, etc. Short circuit currents provide sufficient solenoid force to release the latch regardless of core position thus bypassing the delay feature. Ambient temperature affects the time delay but does not affect the current rating of a magnetic breaker. 

THERMAL MAGNETIC CIRCUIT BREAKER 

Thermal magnetic circuit breakers, which are the type found in most distribution boards, incorporate both techniques with the electromagnet responding instantaneously to large surges in current  short circuits  and the bimetallic strip responding to less extreme but longer‐term over‐current conditions. 

 

Page 70: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMON TRIP CIRCUIT BREAKER 

 

Three pole common trip breaker for supplying a three‐phase device. This breaker has a 2A rating 

When supplying a branch circuit with more than one live conductor, each live conductor must be protected by a breaker pole. To ensure that all live conductors are interrupted when any pole trips, a "common trip" breaker must be used. These may either contain two or three tripping mechanisms within one case, or for small breakers, may externally tie the poles together via their operating handles. Two pole common trip breakers are common on 120/240 volt systems where 240 volt loads  including major appliances or further distribution boards  span the two live wires. Three‐pole common trip breakers are typically used to supply three‐phase electric power to large motors or further distribution boards. 

Two and four pole breakers are used when there is a need to disconnect the neutral wire, to be sure that no current can flow back through the neutral wire from other loads connected to the same network when people need to touch the wires for maintenance. Separate circuit breakers must never be used for disconnecting live and neutral, because if the neutral gets disconnected while the live conductor stays connected, a dangerous condition arises: the circuit will appear de‐energized  appliances will not work , but wires will stay live and RCDs will not trip if someone touches the live wire  because RCDs need power to trip . This is why only common trip breakers must be used when switching of the neutral wire is needed. 

Page 71: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

MEDIUM VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS 

Medium‐voltage circuit breakers rated between 1 and 72 kV may be assembled into metal‐enclosed switchgear line ups for indoor use, or may be individual components installed outdoors in a substation. Air‐break circuit breakers replaced oil‐filled units for indoor applications, but are now themselves being replaced by vacuum circuit breakers  up to about 35 kV . Like the high voltage circuit breakers described below, these are also operated by current sensing protective relays operated through current transformers. The characteristics of MV breakers are given by international standards such as IEC 62271. Medium‐voltage circuit breakers nearly always use separate current sensors and protection relays, instead of relying on built‐in thermal or magnetic over‐current sensors. 

Medium‐voltage circuit breakers can be classified by the medium used to extinguish the arc: 

• Vacuum circuit breaker 

With rated current up to 3000 A, these breakers interrupt the current by creating and extinguishing the arc in a vacuum container. These are generally applied for voltages up to about 35,000 V, which corresponds roughly to the medium‐voltage range of power systems. Vacuum circuit breakers tend to have longer life expectancies between overhaul than do air circuit breakers. 

• Air circuit breaker—rated current up to 10,000 A. Trip characteristics are often fully adjustable including configurable trip thresholds and delays. Usually electronically controlled, though some models are microprocessor controlled via an integral electronic trip unit. Often used for main power distribution in large industrial plant, where the breakers are arranged in draw‐out enclosures for ease of maintenance. 

• SF6 circuit breakers extinguish the arc in a chamber filled with sulfur hexafluoride gas. 

Medium‐voltage circuit breakers may be connected into the circuit by bolted connections to bus bars or wires, especially in outdoor switchyards. Medium‐voltage circuit breakers in switchgear line‐ups are often built with draw‐out construction, allowing the breaker to be removed without disturbing the 

Page 72: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

power circuit connections, using a motor‐operated or hand‐cranked mechanism to separate the breaker from its enclosure. 

HIGH VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS 

Electrical power transmission networks are protected and controlled by high‐voltage breakers. The definition of high voltage varies but in power transmission work is usually thought to be 72.5 kV or higher, according to a recent definition by the International Electro‐technical Commission  IEC . High‐voltage breakers are nearly always solenoid‐operated, with current sensing protective relays operated through current transformers. In substations the protection relay scheme can be complex, protecting equipment and busses from various types of overload or ground/earth fault. 

High‐voltage breakers are broadly classified by the medium used to extinguish the arc. 

• Bulk oil • Minimum oil • Air blast • Vacuum • SF6 

Some of the manufacturers are ABB, GE  General Electric  , AREVA, Mitsubishi‐Electric, Pennsylvania Breaker, Siemens , Toshiba, Končar HVS, BHEL and others. 

Due to environmental and cost concerns over insulating oil spills, most new breakers use SF6 gas to quench the arc. 

Circuit breakers can be classified as live tank, where the enclosure that contains the breaking mechanism is at line potential, or dead tank with the enclosure at earth potential. High‐voltage AC circuit breakers are routinely available with ratings up to 765 kV. 

High‐voltage circuit breakers used on transmission systems may be arranged to allow a single pole of a three‐phase line to trip, instead of tripping all three poles; for some classes of faults this improves the system stability and availability. 

Page 73: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

ONE LINE DIAGRAM 

 

FAULTED POINTS 

• BUS‐7 • BUS‐13 

Page 74: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

LOAD FLOW ANALYSIS DIAGRAM 

  

 

Page 75: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

SHORT CIRCUIT ANALYSIS DIAGRAM 

 

BREAKERS OPERATED 

• CB‐1 • CB‐3 

BREAKERS DATA 

Breaker ID  Before BUS  Normal CurrentAmp

Short Circuit Current

Breaker Interrupting Current 

Breaker State

CB‐1  BUS‐7  249 1.2KA 0.5KA  OPENCB‐2  BUS‐6  19 0.1KA  CLOSEDCB‐3  BUS‐13  9 15KA 0.1KA  OPENCB‐5  BUS‐17  243 0.5KA  CLOSEDCB‐6  BUS‐6  19 0.1KA  CLOSED

Page 76: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

ALERT DIAGRAM 

 

COMMENTS: 

We find the normal current flowing through BUS‐7 for which we have to design a circuit breaker. 

Normal current flowing through BUS‐7 is 246Ampere while through BUS‐13 is 9Amperes. 

After that we perform the short circuit analysis to check that how much current can flow in case of fault. 

Fault current obtained from short circuit analysis is 1.3KAmpere that is many times larger than the normal operating current 

As fault current is greater in magnitude at the fault occurrence event and reduces up to some extent. Keeping in mind this fact, we connect a circuit breaker of suitable operating value of current at which circuit breaker will operate. 

In this experiment, we have selected interrupting breaker current as 0.5KAmpere for CB‐1 and 0.1KAmpere for CB‐3 that can be varied to any required value of current. 

After connecting the circuit breaker, we again perform the short circuit analysis and observe that the breaker connected to faulty bus is operated and faulty system is isolated. 

Page 77: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 05 Transient stability analysis of a given power system using ETAP 

Transients in Electrical power system 

Lightning has long fascinated the technical community. Ben Franklin studied lightning's electrical nature over two centuries ago and Charles R Steinmetz generated artificial lightning in his General Electric laboratory in the 1920's. As someone concerned with premises data communications you need to worry about lightning. Here I will elaborate on why, where and when you should worry about lightning. I'll then discuss how to get protection from it. 

It is unfortunate, but a fact of life, that computers, computer related products and process control equipment found in premises data communications environments can be damaged by high‐voltage surges and spikes. Such power surges and spikes are most often caused by lightning strikes. However, there are occasions when the surges and spikes result from any one of a variety of other causes. These causes may include direct contact with power/lightning circuits, static buildup on cables and components, high energy transients coupled into equipment from cables in close proximity, potential differences between grounds to which different equipment’s are connected, miss‐wired systems and even human equipment users who have accumulated large static electricity charge build‐ups on their clothing. In fact, electrostatic discharges from a person can produce peak Voltages up to 15 kV with currents of tens of Amperes in less than 10 microseconds. 

A manufacturing environment is particularly susceptible to such surges because of the presence of motors and other high voltage equipment. The essential point to remember is, the effects of surges due to these other sources are no different than those due to lightning. Hence, protection from one will also protect from the other. 

When a lightning‐induced power surge is coupled into your computer equipment any one of a number of harmful events may occur. 

Page 78: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

Semiconductors are prevalent in such equipment. A lightning induced surge will almost always surpass the voltage rating of these devices causing them to fail. Specifically, lightning induced surges usually alter the electrical characteristics of semiconductor devices so that they no longer function effectively. In a few cases, a surge may destroy the semiconductor device. These are called "hard failures." Computer equipment having a hard failure will no longer function at all. It must be repaired with the resulting expense of "downtime" or the expense of a standby unit to take its place. 

LIGHTENING SURGES: 

In several instances, a lightning‐derived surge may destroy the printed traces in the printed circuit boards of the computer equipment also resulting in hard failures. 

Along with the voltage source, lightning can cause a current surge and a resultant induced magnetic field. If the computer contains a magnetic disk then this interfering magnetic field might overwrite and destroy data stored in the disk. Furthermore, the aberrant magnetic field may energize the disk head when it should be quiescent. To you, the user, such behavior will be viewed as the "disk crashing." 

Page 79: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Some computer equipment may have magnetic relays. The same aberrant magnetic fields which cause disk crashes may activate relays when they shouldn't be activated, causing unpredictable, unacceptable performance. 

Finally, there is the effect of lightning on program logic controllers  PLCS  which are found in the manufacturing environment. Many of these PLCs use programs stored in ROMS. A lightning‐induced surge can alter the contents of the ROM causing aberrant operation by the PLC. 

So these are some of the unhappy things which happen when a computer experiences lightning.  

This is a typical reaction and unfortunately it is based on ignorance. True, people may never, or rarely, experience, direct lightning strikes on exposed, in‐building cable feeding into their equipment.  

However, it is not uncommon to find computer equipment being fed by buried cable. In this environment, a lightning strike, even several miles away, can induce voltage/current surges which travel through the ground and induce surges along the cable, ultimately causing equipment failure. The equipment user is undoubtedly aware of these failures but usually does not relate them to the occurrence of lightning during thunderstorm activity since the user does not experience a direct strike. 

In a way, such induced surges are analogous to chronic high blood pressure in a person; they are "silent killers." In the manufacturing environment, long cable runs are often found connecting sensors, PLCs and computers. These cables are particularly vulnerable to induced surges. 

LIGHTENING ARRESTORS: 

Metal oxide varistors  MOVS  provide an improvement over the response time problem of gas tubes. But, operational life is a drawback. MOVs protection characteristic decays and fails completely when subjected to prolong over voltages. 

Page 80: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Silicon avalanche diodes have proven to be the most effective means of protecting computer equipment against over voltage transients. Silicon avalanche diodes are able to withstand thousands of high voltage, high current and transient surges without failure. While they can not deal with the surge peaks that gas tubes can, silicon avalanche diodes do provide the fastest response time. Thus, depending upon the principal threat being protected against, devices can be found employing gas tubes, MOVS, or silicon avalanche diodes. This may be awkward, since the threat is never really known in advance. Ideally, the protection device selected should be robust, using all three basic circuit breaker elements. The architecture of such as device is illustrated in Figure 20. This indicates triple stage protection and incorporates gas tubes, MOVs and silicon avalanche diodes as well as various coupling components and a good ground.  

With the architecture shown in Figure 20 a lightning strike surge will travel, along the line until it reaches a gas tube. The gas tube dumps extremely high amounts of surge energy directly to earth ground. However, the surge rises very rapidly and the gas tube needs several microseconds to fire. 

As a consequence, a delay element is used to slow the propagation of the leading edge wave front, thereby maximizing the effect of the gas tube. For a 90 Volt gas tube, the rapid rise of the surge will result in its firing at about 650 Volts. The delayed surge pulse, now of reduced amplitude, is impressed on the avalanche diode which responds in about one nanosecond or less and can dissipate 1,500 Watts while limiting the voltage to 18 Volts for EIA‐232 circuits. This 18 Volt level is then resistively coupled to the MOV which clamps to 27 Volts. The MOV is additional protection if the avalanche diode capability is exceeded.  

As previously mentioned, the connection to earth ground can not be over emphasized. The best earth ground is undoubtedly a cold water pipe. 

Page 81: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

However, other pipes and building power grounds can also be used. While cold water pipes are good candidates you should even be careful here. A plumber may replace sections of corroded metal pipe with plastic. This would render the pipe useless as a ground. 

TRANSIENT STABILITY ANALYSIS IN ETAP 

The PowerStation Transient Stability Analysis program is designed to investigate the stability limits of a power system before, during and after system changes or disturbances. The program models dynamic characteristics of a power system, implements the user‐defined events and actions, solves the system network equation and machine differential equations interactively to find out system and machine responses in time domain.  From these responses, users can determine the system transient behavior, make stability assessment, find protective device settings, and apply the necessary remedy or enhancement to improve the system stability. The Transient Stability Toolbar section explains how you can launch a transient stability calculation, open and view an output report, select display options, and view plots.  The Study Case Editor section explains how to create a new study case, to define parameters for a study case, to create a sequence of switching events and disturbances, to globally define machine dynamical modeling method, to select plot/tabulation devices, etc.   

The Display Options section explains what options are available for displaying some key system parameters and the output results on the one‐line diagram, and how to set them.   

The Calculation Methods section provides some theoretical backgrounds and quick reference for the fundamentals on transient stability study, which are very helpful for users who do not have extensive experience on running transient stability studies. The Required Data section is a very good reference for you to check if you have prepared all necessary data for transient stability calculations.  

The Output Reports section explains and demonstrates the format and organization of the transient stability text reports. The One‐Line Diagram 

Page 82: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Displayed Results section explains the available one‐line displaying results and provides one example. The Plots section explains what plots for transient stability are available and how to select and view them. 

TRANSIENT STABILITY TOOLBAR 

 

The Transient Stability Toolbar will appear on the screen when you are in the Transient Stability Study mode.  

Run Transient Stability 

Select a study case from the Study Case Toolbar.  Then click on the Run Transient Stability button to perform a transient stability study.  A dialog box will appear to ask you to specify the output report name if the output file name is set to Prompt.  The transient stability study results will appear on the one‐line diagram and stored in the output report, as well as in the plot file. 

 

 

Page 83: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Display Options 

Click the Display Options button to customize the one‐line diagram annotation options under the transient stability study mode. Also to edit the one‐line diagram display for transient stability calculation results.  

Report Manager 

Click on Report Manager Button to select a format and view transient stability output report.  Transient stability analysis reports are current provided in ASCII formats only, which can be accessed from the Report Manager. 

 

 

 

 

Page 84: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Transient Stability Plots 

Click on the Transient Stability Plots button to select and plot the curves of the last plot file. The plot file name is displayed on the Study Case Toolbar.  The transient stability plot files have the following extension: .tsp. For more information see plotting section. 

 

 

 

Page 85: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Starting Generator Data 

To perform a generator start‐up analysis, the following synchronous generator model needs to be selected.  This model is adapted from the latest IEEE Standard 1110 “IEEE Guide for Synchronous Generator Modeling Practices in Stability Analyses.”  It has one damping winding on each of the direct and quadratic axis.  

 

 

Turbine ‐ Governor Models 

Practically any type of turbine‐governor model in PowerStation can be used in the generator start‐up study, provided there are no other special control functions required.   

Page 86: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

ONE LINE DIAGRAM: 

 

Page 87: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

WAVEFORMS FOR GENERATOR  Generator Exciter Current  

 Generator Exciter Voltage  

  Explanation  As it  is clear from graph that as transients occur in system there is a sudden dip in generator excitation voltage at start, this dip in voltage then gets higher value after dipping and as long as transients exists it shows some fluctuations and get stable value when transients get eliminated.   

Page 88: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Generator Electrical power  

 Explanation The effect of transients on generator electrical power is shown in figure. there is  slight  dip  and  then  alternation  in  the  power  values  due  to  alternation  in voltage values due to transients, and as transients are being controlled we get stable value of electrical power as obvious from graph.  Generator Mechanical Power  

  Explanation  The same is the case with mechanical power as was with electrical power.     

Page 89: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Generator Frequency  

   Generator Rotor Angle:  

  Explanation As  graph  shows  that  there  is  vibration  occurance  in  rotor  of  a  generator  at start due to transient,but as soon as value or effect of transient becomes small the  rotor  angle  degree  slows  down  or  it  advances  towards  stable  value  in synchronous with other generators of the system,    

Page 90: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Generator Terminal Current:  

 Explaination :  The  effect  of  transients  on  generator  terminal  current  is  clear  from  the graph,where  it  is quite  clear  that  there  is  sudden almost  steep  increment  in the  current  magnitude  of  generator,and  then  it  becomes  less  than  original value and then again comes to the same original current level.  

BUS WAVEFORMS Bus Voltages 

  Explanation   The machine current graph shows that the value of current increases sharply at start unlike machine voltage and then it gradually have decline in sinusoidal magnitude  variation  of  current  and  finally  levels  off  to  the  original  value  as clear  from graph. As concerned  to bus voltage,  it  is obvious  from graph  that the bus voltage dips to zero and remain at zero as shown in circuit graph. 

Page 91: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Bus Voltage Angle  

  

SYNCHRONOUS MOTOR WAVEFORMS  Electrical Power 

   Explanation  The electric power of  synchronous motor after a  slight  increment decreases and  then  there  is a dip  in value which  then again  increases and after  that  it changed  sinusoidaly  but  gradually  decreasing  value  and  at  last  becomes stable.  

Page 92: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Mechanical power 

  Machine Frequency 

  Rotor Angle  

 

Page 93: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Machine Connected Voltage  

  Explanation  It  is  clear  from  graph  that machine  connected  voltage  decreases  rapidly  as shown by graph and  then  it  got much value  to become equal  to  the original value, but that value slightly increases in magnitude as time proceed as shown in graph.  Machine Current  

  

 

Page 94: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMENTS: 

Transients are very fast increase in voltage value that exists for a very short interval of time but can damage the system to such an extent, that power failure may occur due to component failure. Transients are of two types, external due to cloud discharging and internal due to switching. However both these cause the system voltage to rise to a dangerous value limits, that must be avoided. The internal occur due to switching out inductive load or switching in capacitive load in the system. Because capacitor provide var’s to our system. Due to transient’s some values relating to voltage and current parameters of different components have different effects. The excitation voltage of the generator decreases while excitation current decreases.  The synchronous motor current increases while voltage decreases rapidly for small time and then levels off. As concerned to the frequency it just fluctuates in its original value by just a smaller magnitude which almost negligible. But remain constant for most of the time. The rotor of the generator starts vibrating and is not more synchronized with the system this could lead to more severe vibrations and may lead to more rotors to vibrate. This is very dangerous situation for the health of our system. However after the transients the rotor is brought to the same rotor angle in order to synchronize with the system, to avoid any unwanted situation in the power system. As bus bar is a protecting device so whenever a transient occurs in the system, the bus bar voltage instantly drop to zero as shown in graph. Thus transient either internal or external are very harmful for our system and they must be diminished as soon as possible by proper grounding and other safety measurements.           

Page 95: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 06 Introduction to Ground Grid Modeling in ETAP 

GROUND GRID 

An effective substation grounding system typically consists of  driven ground rods,  buried  interconnecting  grounding  cables  or  grid,  equipment  ground mats,  connecting  cables  from  the  buried  grounding  grid  to metallic  parts  of structures and equipment, connections to grounded system neutrals, and the ground  surface  insulating  covering  material.  Currents  flowing  into  the grounding grid from lightning arrester operations, impulse or switching surge flashover  of  insulators,  and  line‐to‐ground  fault  currents  from  the  bus  or connected  transmission  lines  all  cause  potential  differences  between grounded  points  in  the  substation  and  remote  earth.    Without  a  properly designed  grounding  system,  large  potential  differences  can  exist  between different points within the substation itself.  Under normal circumstances, it is current  flowing  through  the  grounding  grid  from  line‐to‐ground  faults  that constitutes the main threat to personnel. 

OBJECTIVES OF GROUNDING 

An effective grounding system has the following objectives: 

Ensure such a degree of human safety that a person working or walking in  the  vicinity  of  grounded  facilities  is  not  exposed  to  the  danger  of  a critical electric  shock. The  touch and step voltages produced  in a  fault condition  have  to  be  at  safe  values.  A  safe  value  is  one  that  will  not produce enough current within a body to cause ventricular fibrillation. 

Provide means to carry and dissipate electric currents into earth under normal  and  fault  conditions  without  exceeding  any  operating  and equipment limits or adversely affecting continuity of service. 

Provide grounding for lightning impulses and the surges occurring from the  switching  of  substation  equipment,  which  reduces  damage  to equipment and cable. 

Page 96: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Provide  a  low  resistance  for  the  protective  relays  to  see  and  clear ground  faults,  which  improves  protective  equipment  performance, particularly at minimum fault. 

IMPORTANT DEFINITIONS 

DC Offset 

Difference  between  the  symmetrical  current  wave  and  the  actual  current wave  during  a  power  system  transient  condition  is  called  DC‐offset.  Mathematically, the actual fault current can be broken into two parts: 

Symmetrical alternating component and   Unidirectional  dc  component 

 The unidirectional  component  can be of  either polarity,  but will not  change polarity and will decrease at some predetermined rate. 

Earth Current 

It is the current that circulates between the grounding system and the ground fault current source that uses the earth as the return path. 

Ground Fault Current 

It  is  the current  flowing  into or out of  the earth or an equivalent conductive path during a fault condition involving ground. 

Ground Potential Rise  GPR  

The  maximum  voltage  that  a  ground  grid  may  attain  relative  to  a  distant grounding point  assumed  to be at  the potential  of  remote earth. The GPR  is equal to the product of the earth current and the equivalent impedance of the grounding system. 

Mesh Voltage 

It is the maximum touch voltage within a mesh of a ground grid. 

 

Page 97: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Soil Resistivity 

It  is  the electrical  characteristic of  the  soil with  respect  to  conductivity. The value is typically given in ohm‐meters. 

Step Voltage 

The  difference  in  surface  potential  experienced  by  a  person  bridging  a distance  of  1  meter  with  his  feet  without  contacting  any  other  grounded object. 

Touch Voltage 

It is the potential difference between the ground potential rise and the surface potential  at  the  point  where  a  person  is  standing  while  at  the  same  time having his hands in contact with a grounded structure. 

Transferred Voltage 

It is a special case of the touch voltage where a voltage is transferred into or out of the substation from or to a remote point external to the substation site. 

AREA OF THE GROUND GRID 

The area of the ground grid should be as large as possible, preferably covering the entire substation site. 

All  of  the  available  area  should  be  used  since  this  variable  has  the  greatest effect in lowering the grid resistance.  Measures such as adding additional grid conductor are expensive and do not  reduce  the grid resistance  to  the extent that increasing the area does. 

In general, the outer grid conductors should be placed on the boundary of the substation site with the substation fence placed a minimum of 3 feet inside the outer  conductors.  This  results  in  the  lowest  possible  grid  resistance  and protects persons outside the fence from possibly hazardous touch voltages. It is  therefore  imperative  that  the  fence  and  the  ground  grid  layout  be coordinated early in the design process. 

Page 98: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

The  simplified  design  equations  require  square,  rectangular,  triangular,  T‐shaped,  or  L‐shaped  grids.    For  preliminary  design  purposes,  on  a  layout drawing  of  the  substation  site,  draw  in  the  largest  square,  rectangular, triangular,  T‐shaped,  or  L‐shaped  grids  that  will  fit  within  the  site.    These represent the outer grid conductors and will define the area of the grid to be used  in  the  calculations.    A  square,  rectangular,  triangular,  T‐shaped,  or  L‐shaped grid site generally requires no additional conductors once the design is  complete.    For  irregular  sites,  once  the  design  has  been  completed, additional conductors will be run along the perimeter of the site that were not included in the original grid design and connected to the grid. 

This will  take advantage of  the entire  site area available and will  result  in a more conservative design. 

GROUND FAULT CURRENTS 

When a substation bus or  transmission  line  is  faulted  to ground,  the  flow of ground current in both magnitude and direction depends on the impedances of  the  various  possible  paths.    The  flow  may  be  between  portions  of  a substation ground grid, between the ground grid and surrounding earth, along connected overhead ground wires, or along a combination of all these paths. 

The  relay  engineer  is  interested  in  the  current  magnitudes  for  all  system conditions  and  fault  locations  so  that  protective  relays  can  be  applied  and coordinating settings made.  The designer of the substation grounding system is  interested primarily  in  the maximum amount of  fault  current  expected  to flow  through  the  substation  grid,  especially  that  portion  from  or  to  remote earth, during the service lifetime of the installed design.  

Figure illustrates a case governing ground fault current flow.   The worst case for fault current flow between the substation grounding grid and surrounding earth in terms of effect on substation safety has to be determined.   

Page 99: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

The maximum symmetrical rms fault current at the instant of fault initiation is usually obtained from a network analyzer study or by direct computation.   

Symmetrical Grid Current 

That portion of the symmetrical ground fault current that flows between the grounding grid and surrounding earth may be expressed by: 

Ig   If . Sf 

Where: 

Ig   rms symmetrical grid current in amperes 

If   rms symmetrical ground fault current in amperes 

Sf   Fault current division factor 

For the assumption of a sustained flow of the initial ground fault current, the symmetrical grid current can be expressed by: 

Ig    3Io . Sf 

Where: 

Io   Symmetrical rms value of Zero Sequence fault current in amperes 

For transmission substations, calculate the maximum Io for a single‐phase‐to‐ground  fault  for  both  the  present  station  configuration  and  the  ultimate station configuration.   Obtain values for all voltage  levels  in the station.   Use the largest of these fault current values. 

Page 100: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

For  distribution  stations,  since  the  fault  current  at  distribution  stations will not  increase  significantly  over  the  life  of  the  station  as  a  result  of  the  high impedance  of  the  34  and  69  kV  feeders,  the  future  fault  current  can  be modeled using a suitable growth factor  suggest value of 1.1 x For distribution stations,  since  the  fault  current  at  distribution  stations  will  not  increase significantly over the life of the station as a result of the high impedance of the 34 and 69 kV feeders, the future fault current can be modeled using a suitable growth factor  suggest value of 1.1 x For distribution stations, since the fault current at distribution stations will not  increase significantly over  the  life of the station as a result of the high impedance of the 34 and 69 kV feeders, the future  fault  current  can  be modeled  using  a  suitable  growth  factor  suggest value of 1.1 x Io . 

For  an  extremely  conservative  design,  the  interrupting  rating  of  the equipment  can  be  used  for  Io.  This  value  may  be  as  high  as  ten  times  the ultimate single‐phase‐to‐ground fault current. Use of such a large safety factor in  the  initial  design  may  make  it  difficult  to  design  the  grid  to  meet  the tolerable touch and step voltage criteria by any means.  

Determine the Split Factor, Sf 

The  split  factor  is  used  to  take  into  account  the  fact  that  not  all  the  fault current uses the earth as a return path.  Some of the parameters that affect the fault current paths are: 

Location of the fault  Magnitude of substation ground grid impedance  Buried pipes  and  cables  in  the  vicinity  of  or  directly  connected  to  the substation ground system 

Overhead ground wires, neutrals, or other ground return paths 

The most  accurate method  for  determining  the  percentage  of  the  total  fault current that flows into the earth is to use a computer program such as EPRI’s SMECC, Substation Maximum Earth Current Computation.  

 

Page 101: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

For the purposes of this Bulletin, the graphical method will be used. 

Two types of graphs will be presented: 

100 percent remote, 0 percent local fault current contribution  25,  50,  and  75  percent  local,  which  corresponds  to  75,  50,  and  25 percent remote fault current contribution 

The Decrement Factor, Df 

The decrement factor accounts for the asymmetrical fault current wave shape during the early cycles of a fault as a result of the dc current offset.  In general, the  asymmetrical  fault  current  includes  the  sub‐transient,  transient,  and steady‐state  ac  components,  and  the dc offset  current  component.   Both  the sub‐transient  and  transient  ac  components  and  the  dc  offset  decay exponentially,  each  having  a  different  attenuation  rate.    However,  in  typical applications of this guide, it is assumed that the ac component does not decay with time but remains at its initial value. 

The decrement factor can be calculated using: 

 

Where: 

tf   Time duration of fault in seconds 

Ta   X/  wR    the dc offset time constant in seconds 

Maximum Grid Current 

During a system fault, the fault current will use the earth as a partial return path to the system neutral. 

The current that is injected into the earth during a fault results in a ground potential rise.  Typically, only a fraction of the total fault current flows from 

Page 102: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

the grounding system into the earth.  This is due to the transfer of current onto metallic paths such as overhead static shields, water pipelines, etc. 

Faults occurring within the substation generally do not produce the worst earth currents since there are direct conductive paths that the fault current can follow to reach the system neutral  assuming the substation has a grounded‐wye transformer .  The faults that produce the largest ground currents are usually line‐to‐ground faults occurring at some distance away from the substation. 

The maximum grid current is the current that flows through the grid to remote earth and is calculated by: 

Where: 

 

IG  Maximum grid current in amperes 

Df  Decrement factor for the entire duration of fault t , found for t, given in seconds 

Ig   rms symmetrical grid current in amperes  

Asymmetrical Fault Current 

The asymmetrical fault current includes the sub‐transient, transient, and steady‐state ac components, and the dc offset current component and can be defined as shown: 

 

Where: 

IF   Effective asymmetrical fault current in amperes 

If    rms symmetrical ground fault current in amperes 

Df   Decrement factor  

Page 103: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

The dc offset in the fault current will cause the conductor to reach a higher temperature for the same fault conditions  fault current duration and magnitude .  In addition, if present, dc offset could result in mechanical forces and absorbed energy being almost four times the value of an equivalent symmetric current case. 

GROUND GRID MODELING IN ETAP The Ground Grid Systems program calculates the following:  

The Maximum Allowable Current for specified conductors.  Warnings are issued if the specified conductor is rated lower than the fault current level 

The Step and Touch potentials for any rectangular/triangular/L‐shaped/T‐shaped configuration of a ground grid, with or without ground rods  IEEE Std 80 and IEEE Std 665   

The tolerable Step and Mesh potentials and compares them with actual, calculated Step and Mesh potentials  IEEE Std 80 and IEEE Std 665   

Graphic profiles for the absolute Step and Touch voltages, as well as the tables of the voltages at various locations  Finite Element Method  

The optimum number of parallel ground conductors and rods for a rectangular/triangular/L‐shaped/T‐shaped ground grid. The cost of conductors/rods and the safety of personnel in the vicinity of the substation/generating station during a ground fault are both considered.  Design optimizations are performed using a relative cost effectiveness method  based on the IEEE Std 80 and IEEE Std 665  

The Ground Resistance and Ground Potential rise  GPR  

Ground Grid Systems Presentation  

The GGS presentation is composed of the Top View, Soil View, and 3D View.  The Top View is used to edit the ground conductors/rods of a ground grid.  The Soil View is used to edit the soil properties of the surface, top, and lower layers of soil.  The 3D View is used for the three‐dimensional display of the ground grid.  The 3D View also allows the display of the ground grid to rotate, 

Page 104: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

offering views from various angles.  The GGS presentation allows for graphical arrangement of the conductors and rods that represent the ground grid, and to provide a physical environment to conduct ground grid design studies.  

 Each GGS presentation is a different and independent ground grid system.  This concept is different from the multi‐presentation approach of the One‐Line Diagram, where all presentations have the same elements.  There is no limit to the number of GGS presentations that can be created. 

Create a New Ground Grid Presentation  

To create a GGS presentation, a ground grid must first be added to the One‐Line Diagram.  Click on the Ground Grid component located on the AC toolbar, and drop the GGS symbol anywhere on the One‐Line Diagram.  

 Right‐click on any location inside the ground grid box, and select Properties to bring up the Grid Editor.  The Grid Editor Dialog box is used to specify grid information, grid styles, equipment information, and to view calculation results.  Click on the Grid Presentation button to bring up a GGS presentation. 

 

Page 105: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Double‐clicking on the ground grid box located on the One‐Line Diagram will bring up the Ground‐Grid Project Information dialog box, used to select an IEEE or FEM ‐ Finite Element Method Study Model. 

 

After selecting the IEEE or FEM Study Model, the Ground Grid Systems graphical user interface window will be displayed.  Below is a GGS presentation of a ground grid for the FEM Study Model case. 

 

Page 106: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

FEM Editor Toolbar  

The FEM Editor Toolbar appears when the FEM Study Model is selected, and when in the Ground Grid Systems Edit mode.  This toolbar has the following function keys: 

 

Pointer  

The cursor takes the shape of the element selected from the Edit Toolbar.  Click on the Pointer icon to return the cursor to its original arrow shape, or to move an element placed in the Top View of the GGS presentation.  

Conductor  

Click on the Conductor icon to create a new conductor and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on conductors see the Conductor/Rod Editor section  for FEM .  

Rod  

Click on the Rod icon to create a new rod and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on rods see the Conductor/Rod Editor section  for FEM .  

Page 107: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

FEM Rectangular Shape  

Click on the FEM Rectangular Shape icon to create a new FEM grid of rectangular shape and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on grids see the FEM Group Editor section.  

FEM T‐Shape  

Click on the FEM T‐Shape icon to create a new FEM T‐shaped grid and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on grids see the FEM Group Editor section. 

FEM L‐Shape  

Click on the FEM L‐Shape icon to create a new FEM L‐shaped grid and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on grids see the FEM Group Editor section.   

FEM Triangular Shape  

Click on the FEM Triangular Shape icon to create a new FEM grid of triangular shape and to place it in the Top View.  For more information on grids see the FEM Group Editor section. 

IEEE Edit Toolbar  

The IEEE Editor Toolbar appears when the IEEE Study Model is selected, and when in the Ground Grid Systems Edit mode.  This toolbar has the following function keys: 

Pointer  

The cursor takes the shape of the element selected from the Edit Toolbar.  Click on the Pointer icon to return the cursor to its original arrow shape, or to move an element placed in the Top View of the GGS presentation.  

 

Page 108: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

IEEE Rectangular Shape  

Click on the IEEE Rectangular Shape icon to create a new IEEE grid of rectangular shape and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on grids see the IEEE Group Editor section.  

IEEE T‐Shape  

The IEEE T‐Shape grid is valid only for the IEEE Std. 80‐2000 method.  Click on the IEEE T‐Shape icon to create a new IEEE T‐shaped grid and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on grids see the IEEE Group Editor section.  

IEEE L‐Shape  

The IEEE L‐Shape grid is valid only for the IEEE Std 80‐2000 method.  Click on the IEEE L‐Shape icon to create a new IEEE L‐shaped grid and to place it in the Top View of the GGS.  For more information on grids see the IEEE Group Editor section.  

IEEE Triangular Shape  

The IEEE Triangular Shape grid is valid only for the IEEE Std 80‐2000 method.  Click on the IEEE Triangular Shape icon to create a new IEEE grid of triangular shape and to place it in the Top View.  For more information on grids see the IEEE Group Editor section. 

Page 109: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Ground Grid Study Method Toolbar 

The Ground Grid Study Method Toolbar appears when the GGS Study mode is selected.  This toolbar has the following function keys: 

 

Ground‐Grid Calculation  

Click on the Ground‐Grid Calculation button to calculate:  

Step and Touch  mesh  Potentials    Ground Resistance    Ground Potential Rise    Tolerable Step and Touch Potential Limits    Potential Profiles  only for the FEM method   

 

Page 110: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Optimized Conductors   

Click on the Optimized Conductors button to calculate the minimum number of conductors  that satisfy the tolerable limits for the Step  and  Touch  potentials  for a fixed number of ground rods.  This optimization function is for IEEE Std methods only.  

Optimized Conductors and Rods  

Click on the Optimized Conductors button to calculate the optimum numbers of conductors and ground rods needed to limit the Step and Touch potentials.  This optimization function is for IEEE Std methods only.  

Summary and Warning  

Click on this button to open the GRD Analysis Alert View dialog box of Summary and Warning for the Ground Grid Systems Calculation. 

 

Page 111: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Plot Selection 

This function is valid only for the FEM method.  Click on this button to open the Plot Selection dialog box to select a variety of potential profile plots to review, and click OK to generate the output plots. 

 

 

 

 

Report Manager  

Click on this button to open the Ground Grid Design Report Manager dialog box to select a variety of pre‐formatted output plots to review.  Select a plot type and click OK to bring up the output plot. 

Output Report files can be selected from the Output Report List Box on the Study Case Toolbar shown below: 

Page 112: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

Stop  

The Stop Sign button is normally disabled, and becomes enabled when a Ground Grid Systems Calculation is initiated.  Clicking on this button will terminate calculations in progress, and the output reports will be incomplete.  

Edit A GGS Conductors, rods, and grids of various shapes are the elements available for adding to the Top View of the Ground Grid Systems presentation.  These elements are located on the Edit Toolbar of the GGS module.  

Select Elements  

Place the cursor on an element located on the Edit toolbar and click the left mouse button.  Note that when a grid shape is selected, regardless of the number of conductors or rods it contains, the shape is considered to be one element.  If a selected shape is deleted or copied, the shape and its contents will also be deleted or copied.  Press the  Ctrl  key and click on multiple elements to either select or de‐select them.  

Add Elements  

To add a new element to the GGS presentation, select a new element from the Edit Toolbar by clicking on the appropriate element button.  Notice that the shape of the cursor changes to correspond to that of the selected element.  

 Place the selected element by clicking the mouse anywhere in the Top View section of the GGS presentation, and note that the cursor returns to its original shape.  Double‐click on any element in the Edit Toolbar to place multiple copies of the same element in the Top View section of the GGS presentation. 

Page 113: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Rules   

Elements can be added ONLY in Edit mode    Two conductors/rods cannot be added on top of each other    Elements cannot be added in the Study mode    Only one IEEE shape can be added in the Top View    FEM group shapes can overlap each other 

Add Conductors  

Click on the Conductor button on the FEM Edit Toolbar, move the cursor to the GGS presentation, and click to place the element in the Top View. PowerStation creates the new conductor using default values.  

Add Rods  

Click on the Rod button on the FEM Edit Toolbar, move the cursor to the GGS presentation, and click to place the element in the Top View.  PowerStation creates the new rod using default values.  

Add Grid Shapes  

Click on the desired Shape button on the FEM Edit Toolbar, move the cursor to the GGS presentation, and click to place the element in the Top View.  PowerStation creates the new grid shape using default values.  

Add Conductors by Ungrouping FEM Shapes  

An FEM shape added in the Top View of a  GGS  presentation  can  be  ungrouped  into  individual conductors.  To ungroup, move the cursor inside the selected shape, right‐click and select “Ungroup”. 

Move / Relocate Elements  

When an element is added to a GGS presentation its position coordinates  x, y and z  are updated automatically in the editor/spreadsheet and in the Help line at the bottom of your screen.  The element may be relocated to new coordinates by changing the coordinate values at the editor/spreadsheet  x’s, yes and z’s for conductors/rods, and Lx, Ly, Depth, # of Rods and # of 

Page 114: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Conductors in X/Y Directions for various typical grid shapes  or by dragging the element and watching the Help line change to the desired position. 

 To drag an element, first select the element to be moved. Place the cursor on top of the selected element, Click and hold the left mouse button, drag the element to the desired position, and release the left button.  

Move Conductors/Rods  

Select the element, click and hold the left mouse button, drag the element to the new position and release the left button.  

Move Shapes  

Shapes can be graphically moved within the Top View.  Select the shape, click and hold the left mouse button, drag the shape to the new location and release the left button. 

Cut  Delete  Elements  

Select the element or group of elements and press the Delete key on the keyboard.  

Copy Elements  

Select an element or group of elements, click the right mouse button, and select Copy.  

Paste  

Use the Paste command to copy the selected cells from the Dumpster into the GGS presentation. 

Size of Elements 

When an element is added to a GGS presentation, its size is set by default.  The width and height of grid shapes and the length of conductors can be graphically changed.  Select the element and move the cursor to a corner or edge of the element.  Once the cursor changes its form, click and hold the left 

Page 115: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

mouse button to drag the element to its new size. Release the left mouse button once the desired size has been obtained.   

Conductor/rod sizes can be change from the spreadsheet or shape editors.  When the Length is altered, X1, Y1 and Z1 will remain unchanged, and X2, Y2 and Z2 will change accordingly.  The cross‐sectional area of a conductor, the outside diameter and/or length of a rod can only be changed from the conductor or rod Editor.  

Rules   

Sizing elements can be done in Edit mode ONLY    Elements cannot overlap each other 

Study Case Editor  

The GGS Study Case Editor contains Average Weight, Ambient Temperature, Current Projection Factor, Fault Current Durations, option to input or compute Fault Current Parameters  i.e., zero‐sequence fault current, current division factor, and X/R ratio , and Plot Parameters  for the Finite Element Method only .   

PowerStation allows for the creation and saving of an unlimited number of study cases for each type of study, allowing the user to easily switch between different GGS study cases.  This feature is designed to organize the study efforts and to save time. To create a new GGS study case, go to the Study Case Menu on the toolbar and select Create New to bring up the GGS Study Case Editor. 

 

Page 116: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

Study Case ID 

 A study case can be renamed by simply deleting the old Study Case ID and entering a new one.  The Study case ID can be up to 25 alphanumeric characters.  Use of the Navigator button at the bottom of the Study Case Editor allows the user to go from one study case to another. 

Options  

In this section, select the average body weight for the person working above the ground grid, and the ambient temperature.  The weight is used to calculate the tolerable Step and Touch potentials. 

Page 117: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Reports & Plots  

Specify the report/plot parameters.  

Report Details 

Check this box to report intermediate results for an IEEE Std. Method or voltage profiles for the Finite Element Method.  

Auto Display of Summary & Alert 

Check this box to automatically show the result window for Summary & Warning.  

Plot Step 

Plot Step is valid only for the FEM Study Model.  This value is entered in m/ft, and it is used to find the points  or locations  where Absolute/Step/Touch potentials need to be computed and plotted.  Note that the smaller this number, the more calculations are required, increasing calculation time, but yielding smoother plots. The recommended value is 1 meter.  If higher resolution is needed, decrease this number.  

Boundary Extension 

Enter the boundary extension in m/ft.  This value is used to extend the grid boundaries inside which the Absolute/Step/Touch potentials need to be computed.  

Fault Durations 

Allows the user to specify Fault Current durations 

tf  

Enter the duration of fault current in seconds to determine decrement factor.  The Fault duration  tf , tc , and Shock duration  ts  are normally assumed to be equal, unless the Fault duration is the sum of successive shocks.  

 

Page 118: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

tc 

Enter in seconds the duration of Fault Current for sizing ground conductors. 

ts  

Enter in seconds the duration of Shock Current to determine permissible levels for the human body.  

Grid Current Factors 

 In this section, the Corrective Projection Factor and the Current Division Factor can be specified. 

Cp  

Enter the Corrective Projection Factor in percent, accounting for the relative increase of fault currents during the station lifespan.  For a zero future system growth, Cp   100.  

Sf  

Enter the Current Division Factor in percent, relating the magnitude of Fault current to that of its portion flowing between the grounding grid and the surrounding earth. 

Update  

 Check this box to update/replace the number of conductors/rods in the Conductor/Rod Editor, with the number of conductors/rods calculated by using optimization methods.  This box is only valid with the IEEE methods. 

Required Data To run a Ground Grid Systems study, the following related data is necessary: Soil Parameters, Grid Data, and System Data.  A summary of these data for different types of calculation methods is given in this section.  

 

Page 119: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

System Data  

System Frequency    Average Weight of Worker    Ambient Temperature    Short Circuit Current    Short Circuit Current Division Factor    Short Circuit Current Projector Factor    Durations of Fault   System X/R Ratio    Plot Step  for FEM model only     Boundary Extension  for FEM model only  

Soil Parameters   

Surface Material Resistivity    Surface Material Depth   Upper Layer Soil Resistivity    Upper Layer Soil Depth    Lower Layer Soil Resistivity  

Ground Conductor Library   

Material Conductivity    Thermal Coefficient of Resistivity    Ko Factor   Fusing Temperature    Ground Conductor Resistivity    Thermal Capacity Factor 

Grid Data  IEEE Std.’s Only    

Shape    Material Type    Conductor Cross Section    Grid Depth    Maximum Length of the Grid in the X Direction   

Page 120: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Maximum Length of the Grid in the Y Direction    Minimum Length of the Grid in the X Direction  for IEEE Std 80‐2000 L‐Shaped or T‐Shaped Grids Only    

Minimum Length of the Grid in the Y Direction  for IEEE Std 80‐2000 L‐Shaped or T‐Shaped Grid Only    

Number of Conductors in the X Direction    Number of Conductors in the Y Direction    Cost 

Rod Data  IEEE Std.’s Only    

Material Type    Number of Rods    Average Length    Diameter    Arrangement    Cost  

Conductor Data  FEM model only    

Material Type    Insulation    Cross Section     X, Y and Z Coordinates of One End of Conductor    X, Y and Z Coordinates of Other End of Conductor    Cost  

Rod Data  FEM model only    

Material Type    Insulation    Diameter     X, Y and Z Coordinates of One End of Rod    X, Y and Z Coordinates of Other End of Rod    Cost 

 

Page 121: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Optional FEM Model Grid Group Data   

Shape    Material Type    Conductor Cross Section    Grid Depth    Maximum Length of the Grid in the X Direction    Maximum Length of the Grid in the Y Direction    Minimum Length of the Grid in the X Direction  for L‐Shaped or T‐Shaped Grids    

Minimum Length of the Grid in the Y Direction  for L‐Shaped or T‐Shaped Grids    

Number of Conductors in the X Direction    Number of Conductors in the Y Direction    Cost 

Ground Grid Systems Report Manager  

Click on the Report Manager Button on the Ground Grid Study Method Toolbar to open the Ground Grid Systems Report Manager dialog box.  The Ground Grid Systems Report Manager consists of four pages and provides different formats for the Crystal Reports. 

 

 

 

 

 

Page 122: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Plot Selection  

Plots are used only with the FEM method, and are available for Absolute/Step/Touch Voltages.  To select a plot, open up the Plot Selection dialog box by clicking on the Plot Selection button located on the Ground Grid Systems Toolbar.  

 

 

 

 

Plot Selection  

The following 3‐D Potential profiles are available for analysis of GGS study case results:  

Absolute Voltage   

Select to plot an Absolute Potential profile.  

Touch Voltage   

Select to plot a Touch Potential profile.  

Step Voltage   

Select to plot a Step Potential profile.  

Plot Type  

The following plot types are available for analysis of GGS study case results:  

 

Page 123: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

3‐D  

Plot a 3‐D Potential profile for the Absolute/Touch/Step voltage.  

Contour  

Plot a Contour Potential profile for the Absolute/Touch/Step voltage. 

Display over Limit Voltage  

Show areas with potentials exceeding the tolerable limits for 3‐D Touch/Step Potential profiles.  This function is disabled when the Contour plot type is selected.  A set of sample plots is shown below. 

 

 

 

Page 124: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMENTS: 

Some of the main features of the Ground Grid Systems Analysis Study are summarized below:  

Calculate the tolerable Step and Touch potentials    Compare potentials against the actual, calculated Step and Touch potentials  

Optimize number of conductors with fixed rods based on cost and safety  Optimize number of conductors & rods based on cost and safety    Calculate the maximum allowable current for specified conductors    Compare allowable currents against fault currents    Calculate Ground System Resistance    Calculate Ground Potential Rise    User‐expandable conductor library    Allow a two‐layer soil configuration in addition to the surface material   Ground grid configurations showing conductor & rod plots  Display 3‐D/contour Touch Voltage plots  Display 3‐D/contour Step Voltage plots    Display 3‐D/contour Absolute Voltage plots    Calculate Absolute, Step & Touch potentials at any point in the configuration   

Conductor/Rod can be oriented in any possible 3‐Dimensional direction    Handle irregular configurations of any shape 

 

 

 

 

 

 

Page 125: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 07 Ground Grid Modeling of a Given System using ETAP 

GROUND GRID 

An effective substation grounding system typically consists of  driven ground rods,  buried  interconnecting  grounding  cables  or  grid,  equipment  ground mats,  connecting  cables  from  the  buried  grounding  grid  to metallic  parts  of structures and equipment, connections to grounded system neutrals, and the ground  surface  insulating  covering  material.  Currents  flowing  into  the grounding grid from lightning arrester operations, impulse or switching surge flashover  of  insulators,  and  line‐to‐ground  fault  currents  from  the  bus  or connected  transmission  lines  all  cause  potential  differences  between grounded  points  in  the  substation  and  remote  earth.    Without  a  properly designed  grounding  system,  large  potential  differences  can  exist  between different points within the substation itself.  Under normal circumstances, it is current  flowing  through  the  grounding  grid  from  line‐to‐ground  faults  that constitutes the main threat to personnel. 

GROUND GRID MODELING IN ETAP 

The Ground Grid Systems program calculates the following:  

The Maximum Allowable Current for specified conductors.  Warnings are issued if the specified conductor is rated lower than the fault current level 

The Step and Touch potentials for any rectangular/triangular/L‐shaped/T‐shaped configuration of a ground grid, with or without ground rods  IEEE Std 80 and IEEE Std 665   

The tolerable Step and Mesh potentials and compares them with actual, calculated Step and Mesh potentials  IEEE Std 80 and IEEE Std 665   

Graphic profiles for the absolute Step and Touch voltages, as well as the tables of the voltages at various locations  Finite Element Method  

The optimum number of parallel ground conductors and rods for a rectangular/triangular/L‐shaped/T‐shaped ground grid. The cost of 

Page 126: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

conductors/rods and the safety of personnel in the vicinity of the substation/generating station during a ground fault are both considered.  Design optimizations are performed using a relative cost effectiveness method  based on the IEEE Std 80 and IEEE Std 665  

The Ground Resistance and Ground Potential rise  GPR  

ONE LINE DIAGRAM 

 

Create a New Ground Grid Presentation  

To create a GGS presentation, a ground grid must first be added to the One‐Line Diagram.  Click on the Ground Grid component located on the AC toolbar, and drop the GGS symbol anywhere on the One‐Line Diagram.  

Page 127: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

DIAGRAM WITH GROUND GRID 

 

 

Right‐click on any location inside the ground grid box, and select Properties to bring up the Grid Editor.  The Grid Editor Dialog box is used to specify grid information, grid styles, equipment information, and to view calculation results.  Click on the Grid Presentation button to bring up a GGS presentation. 

Page 128: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

Double‐clicking on the ground grid box located on the One‐Line Diagram will bring up the Ground‐Grid Project Information dialog box, used to select an IEEE or FEM ‐ Finite Element Method Study Model. 

 

After selecting the IEEE Study Model, the Ground Grid Systems graphical user‐interface window will be displayed as shown below. Select the T‐shape grid. 

Page 129: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

Right click on the T‐shape and adjust the dimensions and number of conductors in the following window: 

 

Page 130: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

After completing this process, we get the following shape of ground grid: 

 

Ground Grid Study 

The Ground Grid Study Method Toolbar appears when the GGS Study mode is selected.   

Clicking on the Ground‐Grid Calculation tab and the following shown Alert View window is displayed. 

 

 

Page 131: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Summary and Warning 

 

Observations: 

  Calculated Volts Tolerable VoltsTouch  1260.6 427.1Step  2209.3 1216.4 GPR  5677.9 VoltsRg  2.83 Ohm

 

 

 

Page 132: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Summary and Warnings after Complete designing 

 

Using FEM method 

The FEM Editor Toolbar appears when the FEM Study Model is selected, and when in the Ground Grid Systems Edit mode.  If we use this method, then we get following plots of touch potential and step potential as shown below: 

Page 133: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

 

COMMENTS: 

Ground‐Grid Calculations are used to calculate:  

Step and Touch  mesh  Potentials    Ground Resistance    Ground Potential Rise    Tolerable Step and Touch Potential Limits    Potential Profiles  only for the FEM method   

In this experiment: 

We perform ground grid modeling with low number of rods   We observe that the step voltage and the touch voltage are out of tolerable limits as shown in alert view 

Then we perform the analysis after adding more number of rods  Finally we achieve a position where we do not get any alert and the step voltage and the touch voltage are within tolerable limits 

That means that we have modeled the Ground‐Grid according to our requirements 

Page 134: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

EXPERIMENT NO: 08 Modeling of Single‐Phase Instantaneous Over‐Current Relay using MATLAB 

RELAY 

A relay is an electrically operated switch. Many relays use an electromagnet to operate a switching mechanism, but other operating principles are also used. Relays find applications where it is necessary to control a circuit by a low‐power signal, or where several circuits must be controlled by one signal. The first relays were used in long distance telegraph circuits, repeating the signal coming in from one circuit and re‐transmitting it to another.  

TYPES OF RELAYS 

Over current Relay 

Distance Relay 

Differential Relay 

And many more… 

Over‐Current Relay 

The  protection  in  which  the  relay  picks  up when  the magnitude  of  current exceeds  the  pickup  level  is  known  as  the  over‐current  protection.  Over current  includes  short‐circuit  protection;  Short  circuits  can  be  Phase  faults, Earth faults, Winding faults. Short‐circuit currents are generally several times 5  to 20   full  load  current. Hence  fast  fault  clearance  is  always desirable on short  circuits.  Primary  requirements  of  over‐current  protection  are:  The protection should not operate for starting currents, permissible over current, current surges. To achieve this, the time delay is provided  in case of inverse relays. The protection  should be  coordinated with neighboring over  current protection. Over current relay is a basic element of over current protection. 

Page 135: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

In  order  for  an  over  current  protective  device  to  operate  properly,  over‐current protective device ratings must be properly selected.  

These ratings include voltage, ampere and interrupting rating.   

Of  the  three  of  the  ratings,  perhaps  the  most  important  and  most  often overlooked is the interrupting rating.  

If  the  interrupting  rating  is  not  properly  selected,  a  serious  hazard  for equipment and personnel will exist.  

Current limiting can be considered as another over current protective device rating, although not all over  current protective devices are  required  to have this characteristic. 

 

Types of Over‐Current Relay 

Instantaneous Time over Current Relay:  

It  operates  in  a  definite  time when  current  exceeds  its  pick‐up  value.  It  has operating time is constant. In it, there is no intentional time delay. It operates in 0.1s or less 

Definite Time over Current Relay:  

It operates after a predetermined  time, as current exceeds  its  pick‐up value. Its operating time is constant.  Its operation is  independent of the magnitude of  current  above  the  pick‐up  value.  It  has  pick‐up  and  time  dial  settings, desired  time  delay  can  be  set  with  the  help  of  an  intentional  time  delay mechanism. 

Inverse Time over Current Relay:  

Over  current  relay  function monitors  the  general  balanced  overloading  and has  current/time  settings.  This  is  determined  by  the  overall  protective discrimination scheme. There advantage over definite time relays is that they 

Page 136: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

can have much shorter tripping times can be obtained without any risk to the protection  selection  process.  These  are  classified  in  accordance  with  there characteristic curves, this indicates the speed of the operation. Based on this they  are  defined  as  being  inverse,  very  inverse  or  extremely  inverse.  The typical  settings  for  these  relays  are  0.7‐2In  normal  or  rated  generator current  in 1‐10 second.  

Inverse Definite Minimum Time over Current Relay:  

It  gives  inverse  time  current  characteristics  at  lower  values  of  fault  current and definite time characteristics at higher values. An inverse characteristic is obtained if the value of plug setting multiplier is below 10, for values between 10  and  20;  characteristics  tend  towards  definite  time  characteristics.  It  is widely used for the protection of distribution lines. 

Very Inverse Time over Current Relay:  

It gives more inverse characteristics than that of IDMT. It is used where there is  a  reduction  in  fault  current,  as  the  distance  from  source  increases.  It  is particularly effective with ground faults because of their steep characteristics 

Extremely Inverse Time over Current Relay:  

It has more inverse characteristics than that of  IDMT and very  inverse over‐current relay. It is suitable for the protection of machines against overheating. It is for the protection of alternators, transformers, expensive cables, etc 

 

 

 

 

 

Page 137: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Simulink Diagram in MATLAB for Single Phase Instantaneous Time Over‐Current Relay 

 

 

  

 

 

 

Page 138: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Waveform Results in MATLAB for Single Phase Instantaneous Time Over‐Current Relay 

 

 

 

 

 

 

 

Page 139: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMENTS: 

In  this  experiment,  we  designed  an  instantaneous  over‐current  relay  in MATLAB Simulink and then observed the behavior of this relay. 

We  observed  that  the  normal  current  flowing  through  the  system  is  100 Amperes,  but  when  the  fault  occurs  in  the  system,  the  current  flowing  is increased from 100 Amperes. 

We  modeled  the  circuit  such  that  the  breaker  must  be  open  just  after  the current level is increased over 100 Amperes. 

In  this  experiment,  we  take  the  results  on  scope  and  observed  that  when current  exceeds  over  100  Amperes,  the  breaker  is  opened  instantaneously and our required results are verified. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 140: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Experiment#09  Modeling  of  a  Three  Phase  Instantaneous Over‐Current Relay  using MATLAB 

Relay: 

A relay is an electrically operated switch. Many relays use an electromagnet to operate a switching mechanism, but other operating principles are also used. Relays  find  applications where  it  is  necessary  to  control  a  circuit  by  a  low‐power signal, or where several circuits must be controlled by one signal. The first relays were used in long distance telegraph circuits, repeating the signal coming in from one circuit and re‐transmitting it to another.  

Type of Relays 

 

Over current Relay 

Distance Relay 

Differential Relay 

And many more… 

 

Page 141: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Functions of Relays:  

To detect the presence of fault 

Identify the faulted components 

Initiate appropriate circuit breaker 

Remove the effective component from circuit 

 

Over‐Current Relay The  protection  in  which  the  relay  picks  up when  the magnitude  of  current exceeds  the  pickup  level  is  known  as  the  over‐current  protection.  Over current  includes  short‐circuit  protection;  Short  circuits  can  be  Phase  faults, Earth faults, Winding faults. Short‐circuit currents are generally several times 5  to 20   full  load  current. Hence  fast  fault  clearance  is  always desirable on short  circuits.  Primary  requirements  of  over‐current  protection  are:  The protection should not operate for starting currents, permissible over current, current surges. To achieve this, the time delay is provided  in case of inverse relays. The protection  should be  coordinated with neighboring over  current protection. Over current relay is a basic element of over current protection. In order for an over current protective device to operate properly, over current protective  device  ratings  must  be  properly  selected.  These  ratings  include voltage, ampere and interrupting rating.   Of the three of the ratings, perhaps the most important and most often overlooked is the interrupting rating. If the interrupting  rating  is not properly,  selected, a  serious hazard  for equipment and personnel will exist. Current  limiting can be considered as another over current  protective  device  rating,  although  not  all  over  current  protective devices are required to have this characteristic. 

 

 

Page 142: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Types of Over Current Relay 

Instantaneous Time over Current Relay:  

It  operates  in  a  definite  time when  current  exceeds  its  pick‐up  value.  It  has operating time is constant. In it, there is no intentional time delay. It operates in 0.1s or less. 

Definite Time over Current Relay:  

It operates after a predetermined  time, as current exceeds  its  pick‐up value. Its operating time is constant.  Its operation is  independent of the magnitude of  current  above  the  pick‐up  value.  It  has  pick‐up  and  time  dial  settings, desired  time  delay  can  be  set  with  the  help  of  an  intentional  time  delay mechanism. 

Inverse Definite Minimum Time over Current Relay:  

It  gives  inverse  time  current  characteristics  at  lower  values  of  fault  current and definite time characteristics at higher values. An inverse characteristic is obtained if the value of plug setting multiplier is below 10, for values between 10  and  20;  characteristics  tend  towards  definite  time  characteristics.  It  is widely used for the protection of distribution lines. 

Very Inverse Time over Current Relay:  

It gives more inverse characteristics than that of IDMT. It is used where there is  a  reduction  in  fault  current,  as  the  distance  from  source  increases.  It  is particularly effective with ground faults because of their steep characteristics 

Extremely Inverse Time over Current Relay:  

It has more inverse characteristics than that of  IDMT and very  inverse over‐current relay. It is suitable for the protection of machines against overheating. It is for the protection of alternators, transformers, expensive cables, etc. 

 

 

Page 143: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Simulink Diagram in MATLAB for Three‐Phase Instantaneous Time Over‐Current Relay 

 

Subsystem: 

 

Page 144: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Inst.Relay: 

 

 

Waveform Results in MATLAB for Three Phase‐Instantaneous Time Over‐Current Relay 

 

 

 

 

Page 145: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMENTS: 

In this experiment, we implimented a three phase instantaneous over current relay in MATLAB Simulink. 

In this experiment we have used terminators at the outputs that are not needed. 

We have implimented a three phase fault at a specified time to ensure the breaker operation at 0.02 on time axis. 

When a three phase fault occurs in the system, current exceeds from this value. 

Breaker is operated instantaneously at the time when fault occurs and system is protected against the very high current. 

This three phase relay can operate also for single phase or two phases fault. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 146: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Experiment#10  Modeling of a Differential Relay Using MATLAB 

WHAT IS A RELAY? 

A relay is an electrically operated switch. Many relays use an electromagnet to operate a switching mechanism, but other operating principles are also used. Relays  find  applications where  it  is  necessary  to  control  a  circuit  by  a  low‐power signal, or where several circuits must be controlled by one signal. The first relays were used in long distance telegraph circuits, repeating the signal coming  in  from  one  circuit  and  re‐transmitting  it  to  another.  Relays  found extensive use in telephone exchanges and early computers to perform logical operations.  

 

 

A  type of  relay  that can handle  the high power required  to directly drive an electric motor is called a contractor. Solid‐state relays control power circuits with  no  moving  parts,  instead  using  a  semiconductor  device  to  perform switching.    Relays  with  calibrated  operating  characteristics  and  sometimes multiple operating coils are used to protect electrical circuits from overload or faults;  in modern  electric  power  systems  these  functions  are  performed  by digital  instruments  still  called  protection  relays.  A  protective  relay  is  a 

Page 147: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

automatic  sensing  device  which  senses  an  abnormal  condition  and  causes circuit  breaker  to  isolate  faulty  element  from  system.  Protective  relaying  is necessary with almost every electrical power system and no part of  it  is  left unprotected choice of protection depends upon several aspects like  

Type and rating of protected equipment and its importance 

Location 

Probable abnormal condition 

Cost  

Selectivity ,Sensitivity , Stability ,Reliability ,Fault clearance time 

Functions of Relays 

To detect the presence of fault 

Identify the faulted components 

Initiate appropriate circuit breaker 

Remove the effective component from circuit 

Purpose of Relay 

Control 

Protection 

Regulation 

Type of Relays  

Over current Relay 

Distance Relay 

Differential Relay etc. 

Page 148: 59926214 Power System Protection Lab Manual

 

 

Differencompara  transside.   Wthat  duthat  thand  theby  tbreakerlarge  tpower‐plant  acircuits

Princip

The opecirculatare  equzero.   Adetecte

Design 

A numbmeet th

POW

ntial  protres the cusformer  wWhere  a  due  to  the he  transfore  plant  is tripping rs.  The prtransforme‐in equals and  equips. 

le of Oper

erating prting curreual  and  opAn  interned by the r

Considera

ber of  fachese objec

WER SYS

ection  is  arrent on twith  that difference voltage  rarmer  has automatithe 

rinciple ofers  are  vpower‐oument  with

ation 

rinciple emnt systempposite  sunal  fault  prelay, lead

ations 

tors have ctives.  The

STEM PR

Differ

a  unit  schthe primaon  the  sexists  otatio   it  is developeically  discrelevant f operationvery  efficiut.  Differehin  the  p

mployed bm as shownuch  that  tproduces ing to ope

to be  takese includ

ROTECTIO

ential Re

heme  that ry side of secondary ther  than assumed ed  a  fault connected 

circuit n is made ient  and ential protprotected 

y transforn below.  Uthe  resultaan  unba

eration. 

ken  into ae: 

ON LAB M

elay 

f

t

possible bhence  untection detzone,  incl

rmer differUnder norant  currenalance  or 

ccount  in 

MANUAL

2

by virtue onder  normtects faultluding  int

rential prormal condint  through'spill'  cu

designing

ASAD NA2006‐RCET‐E

of the fact mal  operats on all ofter‐turn  s

otection isitions I1 anh  the  relaurrent  tha

 

g a  schem

AEEM EE‐22 

that ation f the hort 

s the nd I2 ay  is at  is 

me  to 

Page 149: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

  The matching of CT ratios

  Current imbalance produced by tap changing

  Dealing with zero sequence currents

  Phase shift through the transformer

  Magnetizing inrush current

Each of these is considered further below: 

The Matching of CT Ratios 

The  CTs  used  for  the  Protection  Scheme  will  normally  be  selected  from  a range of current  transformers with standard ratios such as 1600/1, 1000/5, 200/1 etc.  This could mean that the currents fed into the relay from the two sides  of  the  power  transformer  may  not  balance  perfectly.   Any  imbalance must be compensated for and methods used include the application of biased relays and/or the use of the interposing CTs. 

Current Imbalance Produced by Tap Changing 

A transformer equipped with an on‐load tap changer  OLTC  will by definition experience a change in voltage ratio as it moves over its tapping range.  This in turn changes the ratio of primary to secondary current and produces out‐of‐balance  or spill   current  in  the relay.  As  the  transformer  taps  further  from the balance position, so the magnitude of the spill current increases. To make the situation worse, as the load on the transformer increases the magnitude of the spill current increases yet again.  And finally through faults could produce spill  currents  that  exceed  the  setting  of  the  relay.   However,  none  of  these conditions  is  'in zone' and therefore the protection must remain stable  i.e.  it must not operate.  Biased relays provide the solution. 

Magnetizing Inrush Current 

When  a  transformer  is  first  energized, magnetizing  inrush  has  the  effect  of producing a high magnitude current  for a  short period of  time.  This will be seen  by  the  supply  side  CTs  only  and  could  be  interpreted  as  an  internal 

Page 150: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

fault.   Precautions  must  therefore  be  taken  to  prevent  a  protection operation.  Solutions  include building a time delay  feature  into the relay and the  use  of  harmonic  restraint  driven,  typically,  by  the  high  level  of  second harmonic associated with inrush current. 

Other Issues 

Biased Relays 

The use of a bias  feature within a differential relay permits  low settings and fast  operating  times  even when  a  transformer  is  fitted with  an  on‐load  tap‐changer. The effect of the bias is to progressively increase the amount of spill current  required  for  operation  as  the  magnitude  of  through  current increases.   Biased  relays  are  given  a  specific  characteristic  by  the manufacturer. 

Interposing CTs 

The main function of an interposing CT is to balance the currents supplied to the relay where  there would otherwise be an  imbalance due  to  the ratios of the main CTs.  Interposing CTs are equipped with a wide range of taps that can be selected by the user to achieve the balance required. 

As  the name suggests,  an  interposing CT  is  installed between  the  secondary winding of the main CT and the relay.  They can be used on the primary side or  secondary  side  of  the  power  transformer  being  protected,  or both.   Interposing  CTs  also  provide  a  convenient  method  of  establishing  a delta  connection  for  the elimination of  zero sequence currents where  this  is necessary. 

Modern Relays 

It should be noted that some of the newer digital relays eliminate the need for interposing CTs by enabling essentials such as phase shift, CT ratios and zero sequence current elimination to be programmed directly into the relay. 

 

Page 151: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Simulink Diagram in MATLAB for Differential Relay 

 

 

 

SUBSYSTEM 

 

 

 

Page 152: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

SUBSYSTEM‐1 

 

Waveform Results in MATLAB for Differential Relay 

 

Page 153: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Comments: 

It is important to note the direction of the currents as well as the magnitude as they are vectors. It requires a set of current transformers  smaller transformers that transform currents down to a level which can be measured  at each end of the power line or each side of the transformer. 

In this experiment, we modeled a differential relay in MATLAB which provides the essential protection against transformer internal faults and it is useful in power transformers like 500,220 and 132KV. 

However it can also be used for the protection of distribution transformer.  

First of all we have applied a fault on the secondary side of transformer and ensure the operation of circuit breaker at the instant of fault that was set by us through the timer block. 

Then we applied a fault on the primary side and again verify the tripping of circuit breaker.  

It was observed that breaker takes a little more time when the fault is on the secondary side as compared to the fault occurrence on primary side of transformer due to larger distance. 

It is verified that the differential relay modeled can detect three phase fault as well as fault on any single phase on each side of transformer. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 154: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Experiment#11  Comparison between the Step and Touch Potential of a T‐Model and Square  Model  of  Ground  Grids  under  Tolerable  and  Intolerable  in ETAP 

THEORY 

GROUND GRID 

An effective substation grounding system typically consists of  driven ground 

rods,  buried  interconnecting  grounding  cables  or  grid,  equipment  ground 

mats,  connecting  cables  from  the  buried  grounding  grid  to metallic  parts  of 

structures and equipment, connections to grounded system neutrals, and the 

ground  surface  insulating  covering  material.  Currents  flowing  into  the 

grounding grid from lightning arrester operations, impulse or switching surge 

flashover  of  insulators,  and  line‐to‐ground  fault  currents  from  the  bus  or 

connected  transmission  lines  all  cause  potential  differences  between 

grounded  points  in  the  substation  and  remote  earth.    Without  a  properly 

designed  grounding  system,  large  potential  differences  can  exist  between 

different points within the substation itself.  Under normal circumstances, it is 

current  flowing  through  the  grounding  grid  from  line‐to‐ground  faults  that 

constitutes the main threat to personnel. Currents flowing into the grounding 

grid from lightning arrester operations, impulse or switching surge flashover 

of  insulators,  and  line‐to‐ground  fault  currents  from  the  bus  or  connected 

transmission lines all cause potential differences between grounded points in 

the substation and remote earth.   

 

Page 155: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

GROUND GRID MODELING IN ETAP 

The Ground Grid Systems program calculates the following:  

The Maximum  Allowable  Current  for  specified  conductors.   Warnings 

are issued if the specified conductor is rated lower than the fault current 

level 

The  Step  and  Touch  potentials  for  any  rectangular/triangular/L‐

shaped/T‐shaped  configuration  of  a  ground  grid,  with  or  without 

ground rods  IEEE Std 80 and IEEE Std 665   

The tolerable Step and Mesh potentials and compares them with actual, 

calculated Step and Mesh potentials  IEEE Std 80 and IEEE Std 665   

Graphic profiles for the absolute Step and Touch voltages, as well as the 

tables of the voltages at various locations  Finite Element Method  

The  optimum  number  of  parallel  ground  conductors  and  rods  for  a 

rectangular/triangular/L‐shaped/T‐shaped  ground  grid.  The  cost  of 

conductors/rods  and  the  safety  of  personnel  in  the  vicinity  of  the 

substation/generating  station  during  a  ground  fault  are  both 

considered.    Design  optimizations  are  performed  using  a  relative  cost 

effectiveness method  based on the IEEE Std 80 and IEEE Std 665  

The Ground Resistance and Ground Potential rise  GPR  

OBJECTIVES OF GROUNDING 

An effective grounding system has the following objectives: 

Page 156: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Ensure such a degree of human safety that a person working or walking 

in  the  vicinity  of  grounded  facilities  is  not  exposed  to  the  danger  of  a 

critical electric  shock. The  touch and step voltages produced  in a  fault 

condition  have  to  be  at  safe  values.  A  safe  value  is  one  that  will  not 

produce enough current within a body to cause ventricular fibrillation. 

Provide means to carry and dissipate electric currents into earth under 

normal  and  fault  conditions  without  exceeding  any  operating  and 

equipment limits or adversely affecting continuity of service. 

Provide grounding for lightning impulses and the surges occurring from 

the  switching  of  substation  equipment,  which  reduces  damage  to 

equipment and cable. 

Provide  a  low  resistance  for  the  protective  relays  to  see  and  clear 

ground  faults,  which  improves  protective  equipment  performance, 

particularly at minimum fault. 

Step Voltage 

The  difference  in  surface  potential  experienced  by  a  person  bridging  a 

distance  of  1  meter  with  his  feet  without  contacting  any  other  grounded 

object. 

Touch Voltage 

It is the potential difference between the ground potential rise and the surface 

potential  at  the  point  where  a  person  is  standing  while  at  the  same  time 

having his hands in contact with a grounded structure. 

Page 157: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

SINGLE LINE DIAGRAM 

 

 

 

 

 

Page 158: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

INTOLERABLE RECTANGULAR SHAPE GROUND GRID 

 

 

ALERTS 

 

Page 159: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

TOLERABLE RECTANGULAR SHAPE GROUND GRID 

 

ALERTS 

 

Page 160: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

INTOLERABLE T‐SHAPE GROUND GRID 

 

 

ALERTS 

 

Page 161: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

TOLERABLE T‐SHAPE GROUND GRID

  

ALERTS 

 

Page 162: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Comments 

There are following major types of ground grids according to their shape: 

Rectangular  Triangular  L‐shaped  T‐shaped 

In  this  experiment,  we  have  used  two  types  of  ground  grid  for  comparison that are Rectangular‐shaped and T‐shaped.  

First we perform the analysis  for  intolerable  limits  for both  types of ground grids. Then perform the analysis for tolerable limits. 

We observed  that  the number of  rods used  in  case of T‐shaped ground grid are  required  in  greater  quantity  for  tolerable  limits  as  compared  to Rectangular‐shaped ground grid. 

Due  to  greater  number  of  rods  requirement,  T‐shaped  ground  grid  is much expensive than the Rectangular shaped ground grid. That  is why we can say that the Rectangular shaped ground grid is better than T‐shaped. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 163: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Experiment#12  Modeling of an Over‐Current Relay using ETAP 

WHAT IS A RELAY? 

A relay is an electrically operated switch. Many relays use an electromagnet to operate a switching mechanism, but other operating principles are also used. Relays  find  applications where  it  is  necessary  to  control  a  circuit  by  a  low‐power signal, or where several circuits must be controlled by one signal. The first relays were used in long distance telegraph circuits, repeating the signal coming in from one circuit and re‐transmitting it to another.  

Type of Relays 

Over current Relay 

Distance Relay 

Differential Relay 

And many more… 

 

 

Page 164: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Functions of Relays: 

To detect the presence of fault 

Identify the faulted components 

Initiate appropriate circuit breaker 

Remove the effective component from circuit 

Over‐Current Relay The  protection  in  which  the  relay  picks  up when  the magnitude  of  current exceeds  the  pickup  level  is  known  as  the  over‐current  protection.  Over current  includes  short‐circuit  protection;  Short  circuits  can  be  Phase  faults, Earth faults, Winding faults. Short‐circuit currents are generally several times 5  to 20   full  load  current. Hence  fast  fault  clearance  is  always desirable on short  circuits.  Primary  requirements  of  over‐current  protection  are:  The protection should not operate for starting currents, permissible over current, current surges. To achieve this, the time delay is provided  in case of inverse relays. The protection  should be  coordinated with neighboring over  current protection. Over current relay is a basic element of over current protection. In order for an over current protective device to operate properly, over current protective  device  ratings  must  be  properly  selected.  These  ratings  include voltage, ampere and interrupting rating.   Of the three of the ratings, perhaps the most important and most often overlooked is the interrupting rating. If the interrupting rating  is not properly; Selected, a serious hazard  for equipment and personnel will exist. Current  limiting can be considered as another over current  protective  device  rating,  although  not  all  over  current  protective devices are required to have this characteristic. 

Types of Over Current Relay 

Instantaneous Time over Current Relay:  

It  operates  in  a  definite  time when  current  exceeds  its  pick‐up  value.  It  has operating time is constant. In it, there is no intentional time delay. It operates in 0.1s or less. 

Page 165: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Definite Time over Current Relay:  

It operates after a predetermined  time, as current exceeds  its  pick‐up value. Its operating time is constant.  Its operation is  independent of the magnitude of  current  above  the  pick‐up  value.  It  has  pick‐up  and  time  dial  settings, desired  time  delay  can  be  set  with  the  help  of  an  intentional  time  delay mechanism. 

Inverse Definite Minimum Time over Current Relay:  

It  gives  inverse  time  current  characteristics  at  lower  values  of  fault  current and definite time characteristics at higher values. An inverse characteristic is obtained if the value of plug setting multiplier is below 10, for values between 10  and  20;  characteristics  tend  towards  definite  time  characteristics.  It  is widely used for the protection of distribution lines. 

Very Inverse Time over Current Relay:  

It gives more inverse characteristics than that of IDMT. It is used where there is  a  reduction  in  fault  current,  as  the  distance  from  source  increases.  It  is particularly effective with ground faults because of their steep characteristics. 

Extremely Inverse Time over Current Relay:  

It has more inverse characteristics than that of  IDMT and very  inverse over‐current relay. It is suitable for the protection of machines against overheating. It is for the protection of alternators, transformers, expensive cables, etc. 

CURRENT TRANSFORMER  CT  

In electrical engineering, a current transformer  CT  is used for measurement of electric currents. Current transformers, together  with  voltage  transformers  VT   potential transformers  PT , are known as  instrument transformers. When  current  in  a  circuit  is  too  high  to  directly  apply  to measuring  instruments,  a  current  transformer  produces  a reduced  current  accurately  proportional  to  the  current  in 

Page 166: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

the circuit, which can be conveniently connected to measuring and recording instruments.  A  current  transformer  also  isolates  the measuring  instruments from  what  may  be  very  high  voltage  in  the  monitored  circuit.  Current transformers  are  commonly  used  in  metering  and  protective  relays  in  the electrical power industry. 

Accuracy of CT 

The accuracy of a CT is directly related to a number of factors including: 

Burden 

Burden class/saturation class 

Rating factor 

Load 

External electromagnetic fields 

Temperature and 

Physical configuration. 

The selected tap, for multi‐ratio CT's 

CIRCUIT BREAKER 

A  circuit  breaker  is  an  automatically‐operated  electrical  switch  designed  to protect an electrical circuit from damage caused by overload or short circuit. Its basic function is to  detect  a  fault  condition  and,  by  interrupting continuity, to immediately discontinue electrical flow.  Unlike  a  fuse,  which  operates  once  and then has to be replaced, a circuit breaker can be reset  either  manually  or  automatically   to resume  normal  operation.  Circuit  breakers  are made  in  varying  sizes,  from  small  devices  that 

Page 167: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

protect an individual household appliance up to large switchgear designed to protect high voltage circuits feeding an entire city. 

 

SINGLE LINE DIAGRAM 

 

 

 

 

 

 

 

Page 168: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

SINGLE LINE DIAGRAM WITH FAULT‐1  

 

ALERTS DIAGRAM 

 

 

 

 

 

Page 169: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

SINGLE LINE DIAGRAM WITH FAULT‐2 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ALERTS DIAGRAM 

 

 

 

Page 170: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMENTS: 

An "overcurrent relay" is a type of protective relay which operates when the load  current  exceeds  a  preset  value.  The  ANSI  device  number  is  50  for  an instantaneous  over  current  IOC ,  51  for  a  time  over  current  TOC .  In  a typical application the overcurrent relay is connected to a current transformer and calibrated to operate at or above a specific current level. When the relay operates,  one  or  more  contacts  will  operate  and  energize  to  trip  open   a circuit breaker. 

In this experiment we have used one current transformer that is connected to the over current relay. 

When a fault occur in the system, the amount of current flowing through that section increases and current transformer provides the relay a sense of fault by changing its current. 

After sensing  the  fault,  the relay operates  the circuit breaker and  isoltes  the faulty system from the normal system. 

We have verified that the relay is operating for both faults added in the system by selecting two different faulty points. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 171: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Experiment#13  Modeling of a Differential Relay Using ETAP 

WHAT IS A RELAY? 

A relay is an electrically operated switch. Many relays use an electromagnet to operate a switching mechanism, but other operating principles are also used. Relays  find  applications where  it  is  necessary  to  control  a  circuit  by  a  low‐power signal, or where several circuits must be controlled by one signal. The first relays were used in long distance telegraph circuits, repeating the signal coming  in  from  one  circuit  and  re‐transmitting  it  to  another.  Relays  found extensive use in telephone exchanges and early computers to perform logical operations.  

 

 

A  type of  relay  that can handle  the high power required  to directly drive an electric motor is called a contractor. Solid‐state relays control power circuits with  no  moving  parts,  instead  using  a  semiconductor  device  to  perform switching.    Relays  with  calibrated  operating  characteristics  and  sometimes multiple operating coils are used to protect electrical circuits from overload or faults;  in modern  electric  power  systems  these  functions  are  performed  by digital  instruments  still  called  protection  relays.  A  protective  relay  is  a 

Page 172: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

automatic  sensing  device  which  senses  an  abnormal  condition  and  causes circuit  breaker  to  isolate  faulty  element  from  system.  Protective  relaying  is necessary with almost every electrical power system and no part of  it  is  left unprotected choice of protection depends upon several aspects like  

Type and rating of protected equipment and its importance 

Location 

Probable abnormal condition 

Cost  

Selectivity ,Sensitivity , Stability ,Reliability ,Fault clearance time 

Functions of Relays 

To detect the presence of fault 

Identify the faulted components 

Initiate appropriate circuit breaker 

Remove the effective component from circuit 

Purpose of Relay 

Control 

Protection 

Regulation 

Type of Relays  

Over current Relay 

Distance Relay 

Differential Relay etc. 

Page 173: 59926214 Power System Protection Lab Manual

 

 

Differencompara  transside.   Wthat  duthat  thand  theby  tbreakerlarge  tpower‐plant  acircuits

Princip

The opeMerz‐Pconditithroughcurrent

Design 

A numbmeet th

POW

ntial  protres the cusformer  wWhere  a  due  to  the he  transfore  plant  is tripping rs.  The prtransforme‐in equals and  equips. 

le of Oper

erating prPrice  circuons  I1 andh  the  relat that is de

Considera

ber of  fachese objec

WER SYS

ection  is  arrent on twith  that difference voltage  rarmer  has automatithe 

rinciple ofers  are  vpower‐oument  with

ation 

rinciple emulating  cud  I2  are  eay  is  zero.etected by

ations 

tors have ctives.  The

STEM PR

Differ

a  unit  schthe primaon  the  sexists  otatio   it  is developeically  discrelevant f operationvery  efficiut.  Differehin  the  p

mployed burrent  syqual  and    An  intery the relay,

to be  takese includ

ROTECTIO

ential Re

heme  that ry side of secondary ther  than assumed ed  a  fault connected 

circuit n is made ient  and ential protprotected 

y transforystem  as opposite rnal  fault , leading t

ken  into ae: 

ON LAB M

elay 

f

t

possible bhence  untection detzone,  incl

rmer differshown  bsuch  thatproduces o operatio

ccount  in 

MANUAL

2

by virtue onder  normtects faultluding  int

rential probelow.   Ut  the  resuan  unbalon. 

designing

ASAD NA2006‐RCET‐E

of the fact mal  operats on all ofter‐turn  s

otection isUnder  norultant  curance  or  's

 

g a  schem

AEEM EE‐22 

that ation f the hort 

s the rmal rent spill' 

me  to 

Page 174: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

  The matching of CT ratios

  Current imbalance produced by tap changing

  Dealing with zero sequence currents

  Phase shift through the transformer

  Magnetizing inrush current

Each of these is considered further below: 

The Matching of CT Ratios 

The  CTs  used  for  the  Protection  Scheme  will  normally  be  selected  from  a range of current  transformers with standard ratios such as 1600/1, 1000/5, 200/1 etc.  This could mean that the currents fed into the relay from the two sides  of  the  power  transformer  may  not  balance  perfectly.   Any  imbalance must be compensated for and methods used include the application of biased relays and/or the use of the interposing CTs. 

Current Imbalance Produced by Tap Changing 

A transformer equipped with an on‐load tap changer  OLTC  will by definition experience a change in voltage ratio as it moves over its tapping range.  This in turn changes the ratio of primary to secondary current and produces out‐of‐balance  or spill   current  in  the relay.  As  the  transformer  taps  further  from the balance position, so the magnitude of the spill current increases. To make the situation worse, as the load on the transformer increases the magnitude of the spill current increases yet again.  And finally through faults could produce spill  currents  that  exceed  the  setting  of  the  relay.   However,  none  of  these conditions  is  'in zone' and therefore the protection must remain stable  i.e.  it must not operate.  Biased relays provide the solution. 

Magnetizing Inrush Current 

When  a  transformer  is  first  energized, magnetizing  inrush  has  the  effect  of producing a high magnitude current for a short period of time.   

Page 175: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

This will be seen by the supply side CTs only and could be interpreted as an internal  fault.   Precautions must  therefore  be  taken  to  prevent  a  protection operation.  Solutions  include building a time delay  feature  into the relay and the  use  of  harmonic  restraint  driven,  typically,  by  the  high  level  of  second harmonic associated with inrush current. 

Other Issues 

Biased Relays 

The use of a bias  feature within a differential relay permits  low settings and fast  operating  times  even when  a  transformer  is  fitted with  an  on‐load  tap‐changer. The effect of the bias is to progressively increase the amount of spill current  required  for  operation  as  the  magnitude  of  through  current increases.   Biased  relays  are  given  a  specific  characteristic  by  the manufacturer. 

Interposing CTs 

The main function of an interposing CT is to balance the currents supplied to the relay where  there would otherwise be an  imbalance due  to  the ratios of the main CTs.  Interposing CTs are equipped with a wide range of taps that can be selected by the user to achieve the balance required. 

As  the name suggests,  an  interposing CT  is  installed between  the  secondary winding of the main CT and the relay.  They can be used on the primary side or  secondary  side  of  the  power  transformer  being  protected,  or both.   Interposing  CTs  also  provide  a  convenient  method  of  establishing  a delta  connection  for  the elimination of  zero sequence currents where  this  is necessary. 

Modern Relays 

It should be noted that some of the newer digital relays eliminate the need for interposing CTs by enabling essentials such as phase shift, CT ratios and zero sequence current elimination to be programmed directly into the relay. 

Page 176: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

CURRENT TRANSFORMER  CT  

In electrical engineering, a current transformer  CT  is used for measurement of electric currents. Current transformers, together  with  voltage  transformers  VT   potential transformers  PT , are known as  instrument transformers. When  current  in  a  circuit  is  too  high  to  directly  apply  to measuring  instruments,  a  current  transformer  produces  a reduced  current  accurately  proportional  to  the  current  in the circuit, which can be conveniently connected to measuring and recording instruments.  A  current  transformer  also  isolates  the measuring  instruments from  what  may  be  very  high  voltage  in  the  monitored  circuit.  Current transformers  are  commonly  used  in  metering  and  protective  relays  in  the electrical power industry. 

Accuracy of CT 

The accuracy of a CT is directly related to a number of factors including: 

Burden 

Burden class/saturation class 

Rating factor 

Load 

External electromagnetic fields 

Temperature and 

The selected tap, for multi‐ratio CT's 

CIRCUIT BREAKER 

A  circuit  breaker  is  an  automatically‐operated  electrical  switch  designed  to protect an electrical circuit from damage caused by overload or short circuit. Its basic function is to detect a fault condition and, by interrupting continuity, to immediately discontinue electrical flow. Unlike a fuse, which operates once 

Page 177: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

and  then  has  to  be  replaced,  a  circuit  breaker can be  reset  either manually or automatically  to  resume  normal  operation.  Circuit  breakers are  made  in  varying  sizes,  from  small  devices that  protect  an  individual  household  appliance up  to  large switchgear designed to protect high voltage circuits feeding an entire city. 

 

 

SINGLE LINE DIAGRAM 

 

 

Page 178: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

SINGLE LINE DIAGRAM WITH FAULT‐1  

 

ALERTS DIAGRAM 

 

Page 179: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

SINGLE LINE DIAGRAM WITH FAULT‐2 

 

ALERTS DIAGRAM 

 

Page 180: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Comments: 

It is important to note the direction of the currents as well as the magnitude as they are vectors. It requires a set of current transformers  smaller transformers that transform currents down to a level which can be measured  at each end of the power line or each side of the transformer. 

In this experiment, we modeled a differential relay in ETAP which provides the essential protection against transformer internal faults and it is useful in power transformers like 500,220 and 132KV. 

However it can also be used for the protection of distribution transformer.  

Here we have used two CT’s, one on primary side of transformer and the other on secondary side. These CT’s are directly connected to the differential relay that is sensing the difference between the secondary side currents of both CT’s. 

First of all we have applied a fault on the secondary side of transformer and ensure the operation of circuit breaker at the instant of fault through the signal provided by the relay. 

Then we applied a fault on the primary side and again verify the tripping of circuit breaker through the relay signal.  

It is verified that the differential relay modeled can detect three phase fault as well as fault on any single phase on each side of transformer. 

Moreover the differential relay can only sense the faults that are present in the internal zone of both CT’s. 

 

 

 

 

Page 181: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Experiment#14  Modeling of a Definite Time Over‐Current Relay using MATLAB 

WHAT IS A RELAY? 

A relay is an electrically operated switch. Many relays use an electromagnet to operate a switching mechanism, but other operating principles are also used. Relays  find  applications where  it  is  necessary  to  control  a  circuit  by  a  low‐power signal, or where several circuits must be controlled by one signal. The first relays were used in long distance telegraph circuits, repeating the signal coming in from one circuit and re‐transmitting it to another.  

Type of Relays 

Over current Relay 

Distance Relay 

Differential Relay 

And many more… 

 

 

Page 182: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Functions of Relays:  

To detect the presence of fault 

Identify the faulted components 

Initiate appropriate circuit breaker 

Remove the effective component from circuit 

 

Over‐Current Relay The  protection  in  which  the  relay  picks  up when  the magnitude  of  current exceeds  the  pickup  level  is  known  as  the  over‐current  protection.  Over current  includes  short‐circuit  protection;  Short  circuits  can  be  Phase  faults, Earth faults, Winding faults. Short‐circuit currents are generally several times 5  to 20   full  load  current. Hence  fast  fault  clearance  is  always desirable on short  circuits.  Primary  requirements  of  over‐current  protection  are:  The protection should not operate for starting currents, permissible over current, current surges. To achieve this, the time delay is provided  in case of inverse relays. The protection  should be  coordinated with neighboring over  current protection. Over current relay is a basic element of over current protection. In order for an over current protective device to operate properly, over current protective  device  ratings  must  be  properly  selected.  These  ratings  include voltage, ampere and interrupting rating.   Of the three of the ratings, perhaps the most important and most often overlooked is the interrupting rating. If the interrupting rating  is not properly; Selected, a serious hazard  for equipment and personnel will exist. Current  limiting can be considered as another over current  protective  device  rating,  although  not  all  over  current  protective devices are required to have this characteristic. 

 

 

Page 183: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Types of Over Current Relay 

Instantaneous Time over Current Relay:  

It  operates  in  a  definite  time when  current  exceeds  its  pick‐up  value.  It  has operating time is constant. In it, there is no intentional time delay. It operates in 0.1s or less. 

Definite Time over Current Relay:  

It operates after a predetermined  time, as current exceeds  its  pick‐up value. Its operating time is constant.  Its operation is  independent of the magnitude of  current  above  the  pick‐up  value.  It  has  pick‐up  and  time  dial  settings, desired  time  delay  can  be  set  with  the  help  of  an  intentional  time  delay mechanism. 

Inverse Definite Minimum Time over Current Relay:  

It  gives  inverse  time  current  characteristics  at  lower  values  of  fault  current and definite time characteristics at higher values. An inverse characteristic is obtained if the value of plug setting multiplier is below 10, for values between 10  and  20;  characteristics  tend  towards  definite  time  characteristics.  It  is widely used for the protection of distribution lines. 

Very Inverse Time over Current Relay:  

It gives more inverse characteristics than that of IDMT. It is used where there is  a  reduction  in  fault  current,  as  the  distance  from  source  increases.  It  is particularly effective with ground faults because of their steep characteristics. 

Extremely Inverse Time over Current Relay:  

It has more inverse characteristics than that of  IDMT and very  inverse over‐current relay. It is suitable for the protection of machines against overheating. It is for the protection of alternators, transformers, expensive cables, etc. 

 

 

Page 184: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Simulink Diagram in MATLAB for Definite Time Over‐Current Relay 

 

 

 

 

 

 

 

Page 185: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

Waveform Results in MATLAB for Definite Time Over‐Current Relay 

 

 

 

 

 

 

Page 186: 59926214 Power System Protection Lab Manual

POWER SYSTEM PROTECTION LAB MANUAL  

ASAD NAEEM 2006‐RCET‐EE‐22 

 

COMMENTS: 

As clear from the name, the definite time over‐current relay operates after a predetermined time, as current exceeds its pick‐up value. Its operating time is constant.  Its operation is independent of the magnitude of current above the pick‐up value. It has pick‐up and time dial settings, desired time delay can be set with the help of an intentional time delay mechanism. 

The relay modeled in this experiment has a constant time delay of 1 second. 

When any fault occurs in the power system, the relay senses the occurrence of fault  and  check  it  upto  the  time delay  provided  in  the  setting.  If  the  fault  is removed in between that time, then relay will not operate the circuit breaker. 

Relay will operate the circuit breaker if fault occurrence time is greater than the time delay given in the setting. 

For  example  in  this  experiment,  there  is  a  fault  in  the  system  from 0  to  0.5 second but this fault time is smaller than the time delay 1 second  that is why the relay does not operate during this fault. After that another fault occur from 1  to  2.1  seconds,  now  the  fault  time 1.1  second   is  greater  than  the  delay time 1 second . It is observed that the relay is operated during this fault time which verifies the definite time relay operation.