8/11/2019 Development of HVDC Circuit Breaker Based on Hybri Interruption Scheme

1/2

E 1 0E

^ 5c oi n< D

t o

w a t e r - t r e e - r e t a r d a n tX L P E

ooo^

n o r m a l X L P E

E . T. 3 m m - t h i c ki n s u l a t i o n ,i n w a t e r , r o o m t e m p .

11 0 1 0 50 4

t i m et o b r e a k d o w n hF i g .2 . C o m p a r i s o no f v o l t a g el i f eo f E -T t y p ec a b l e s .

| 1 0 5 h n o r m a lX L P E

< B o

r e 5

w a t e r - t r e e - r e t a r d a n tX L P E

E . E . 3 m m - t h i c ki n s u l a t i o n ,i n w a t e r , 7 0 *C1

1 0 31 0 41 0 st i m et o b r e a k d o w n h

F i g .3 . C o m p a r i s o no f v o l t a g el i f eo f E - Et y p ec a b l e s .

8 3 S M 5 0 1 - 4M a r c h1 9 8 4 ,p p . 5 4 5 - 5 5 2

D e v e l o p m e n to f HVDCC i r c u i tB r e a k e rB a s e do n H y b r i dI n t e r r u p t i o nSchemeT .S e n d aE l e c t r i cP o w e rD e v e l o p m e n tC o . ,L t d . ,To k y o ,J a p a nT .T a m a g a w a ,K .H i g u c h i ,T .H o r i u c h i ,a n dS .Ya n a b i i ,S e n i o rM e m b e r ,I E E ETo s h i b aC o r p o r a t i o n ,K a w a s a k i ,J a p a n

HVDCc i r c u i tb r e a k e r H V D CC B )h a s b e e ne x a m i n e dt o b e u se di nam u l t i t e r m i n a lt r a n sm i ss i on n e t w o rk .I ti sb e l i e v e dt h a tHVDCCB t ob e u s e d i nf u t u r en e t w o r kw i l lb e r e q u i r e dt o i n t e r r u p tr e l a t i v e l yh i g hc u r r e n t . F o rt h i sr e a s o n s ,e m p h a s i sh a s b e e np u ton t h e f o r c e dh i g hf r e q u e n c yc o u n t e rp u l s ec u r r e n ti n j e c t i o nm e t h o d ,i no ur s t u d y.

T o c o v e r t h ed i s a d v a n t a g e s

o ft h e c o n v e n t i o n a lHVDCC B ,

we

d e s i g n e da d e c u r r e n t i n t e r r u p t i o ns y s t e ma s s h o w ni nF i g .1 .I t so p e r a t i n gp r i n c i p l ei sas f o l l o w s :f i r s t ,t h e c o m m u t a t i n gc a p a c i t o r C ci sc h a r g e d .A t t h e t i m eo fi n t e r r u p t i o n ,t h e i n t e r r u p t i n gp a r t( C B )i so p e n e dt o g e n e r a t ea r c s . N e x t ,t h e t r i g g e rg a p { gi so p e r a t e dt o i n j e c tt h e c o u n t e r p u l s ec u r r e n t i n t ot h e i n t e r r u p t i n gp a r t( C B )t h r o u g ht h e p u l s et r a n s f o r m e r( P T r )a n d t h e b l o c k i n gc a p a c i t o r C - | ) .Thent h i sc u r r e n t i ss u p e r i m p o s e do n t h e d e c u r r e n tt o c r e a t e ac u r r e n tzero i nt h e C B.T h ec u r r e n t i st h u s i n t e r r u p t e d .C o n s e q u e n t l y ,t h i sm e t h o da l l o w st h e c h a r g i n gu n i ta n dt h e t r i g g e rg a pt o b e p l a c e di nt h e r e l a t i v e l yl o wv o l t a g ec i r c u i te v e n u n d e rt h e g r o u n dp o t e n t i a la n d t o b e e a s i l yc o n s t r u c t e du s i n gl o w c o s t p a r t st h a th a v e b e e nv e r i f i e da n da re s u f f i c i e n t l yr e l i a b l e .

F o l l o w i n gtwo c h a r a c t e r i s t i c sw i l lb e r e q u i r e df o rt h e i n t e r r u p t i n gp a r t .N a m e l y ,i tmust i n t e r r u p tc u r r e n t a t t h e zero p o i n tc r e a t e db yh i g h - f r e q u e n c ys u p e r i m p o s e dc u r r e n t ,a n d i t must w i t h s t a n dh i g hd ev o l t a g ea f t e ri n t e r r u p t i o n .

T h i sr e q u i r e m e n th a s l e dus t o t h e h y b r i dCBw h i c hc o n s i s t so fo neS F * g a sCB( G C B )a n do ne v a c u u m C B( V C B )c o n n e c t e di ns e r i e s .T h eV C Bi sp r o v i d e dw i t h a n o n l i n e a rr e s i s t o rR Na n d t h e GCBw i t h ac a p a c i t o rC Di np a r a l l e l ,a i m i n ga t d r a w i n gt h e e f f i c i e n te f f e c t so fb o t h t h e C B s .

Wec o n d u c t e dt h e i n t e r r u p t i n gt e s t sa s s h o w ni nF i g .1 i no r d e rt op r o v et h a tt h i sH V D C - C Bh a s t h e most e x c e l l e n ti n t e r r u p t i n gc a p a b i l i t y . u c c e s s f u lt e s t r e s u l t sw e r e d e m o n s t r a t e de v e n u n d e ra cond i t i o nt h a tr e c o v e r yv o l t a g e ,i n t e r r u p t i n gc u r r e n t ,a v e r a g er a t e o fd e c r e a s eo f

c u r r e n t ,a v e r a g er a t e o f r i s eo f t r a n s i e n t

r e c o v e r yv o l t

a g e , were 4 2 0k V ,4 k A1 0 0 2 5 0A / j u s ,2 k V / j i s ,r e s p e c t i v e lT h e c o n c e p to ft h e h y b r i dCBw h i c hc o n t a i n sd i f f e r e n tC B scon

n e c t e d i ns e r i e si sb a s e du p o nt h e s p e c i a lf e a t u r e so ft h e tw o i n t e r r u p t i n gm e d i a .

Te s t s h a v eb e e nc o n d u c t e dt o c l a r i f yt h e p h e n o m e n ai nt h e v i c i n i t yo ft h e c u r r e n tzero p o i n t .F i g .2 s h o w st y p i c a lo s c i l l o g r a m so fv o l t a g e sw h i c ha p p e a r e d

across b o t h C B s .F i g .2 ( S i st r a n s i e n tr e c o v e r yv o l t a g ea n d d i ss h a r i n gv o l t a g eo f t h e G C B .T h es h a r i n gv o l t a g eo ft h e VCBi ss u b t r a c t i o no ft h e s h a r i n gv o l t a g eo f t h e GCBf r o mt h e w h o l ev o l t a g e .

T h eVCBa n d t h e GCBa re s i m u l t a n e o u s l yo p e n e d ,w h i l et h e c u r r e n t zero p o i n ti sp r o d u c e dt o i n t e r r u p tc u r r e n t ,i m m e d i a t e l yf o l l o w e db yt h e a p p l i c a t i o no ft r a n s i e n tr e c o v e r yv o l t a g eacross t h eC B s .

R Na c t s a s h i g hi m p e d a n c ef o rup t o i t sr e s i d u a lv o l t a g e ,t h e w h o l et r a n s i e n tr e c o v e r yv o l t a g eb e i n ga p p l i e dt o t h e V C B .Whent h e w h o l et r a n s i e n tr e c o v e r y

v o l t a g er e a c h e st h e r e s i d u a l

v o l t a g eo f

R N ,i t s

i n c r e m e n ti sf e dt h r o u g hR N t ot h e v o l t a g ed i v i d i n gc a p a c i t o rC D.F o ra c e r t a i np e r i o da f t e rc u r r e n t i n t e r r u p t i o n ,t h e V C Bs h a r e s t r a n s i e n tr e c o v e r yv o l t a g e ,a n d t h e n t h e GCBmost p a r t so fi t .And t h e mosti m p o r t a n tc o n c l u s i o ni nt h i ss t u d yi st h a tt h e i n s u l a t i o no ft h e VCBi sr e c o v e r e di nt h e p e r i o dd u r i n gw h i c hp o s tarc c u r r e n t o f VCBf l o w s ,w h i l et h e i n s u l a t i o no ft h e GCBb e g i n st o b e r e c o v e r e da f t e rp o s ta rcc u r r e n to f VCBs t o p sf l o w i n g .

T o r e v i e wt h ea c h i e v e m e n t so fo ur s t u d yc o n c e r n i n gt h e HVDCC B ,a 2 5 0k V- 1 , 2 0 0Ap r o t o t y p eHVDCCBh a s b e e nm a n u f a c t u r e dw h i c ha i m sa t c o m m e r c i a la v a i l a b i l i t y .T o c o m m e r c i a l i z et h e HVDCC B ,an u m b e ro fc o n d i t i o n smust b e m e t . A sa r e s u l to fmanye v a l u a t i o n s ,t h e f o l l o w i n gi t e m sh a v eb e e nd e c i d e da s t h e r e q u i r e m e n t s :r e l i a b i l i t y,s i m p l i c i t y ,m a i n t a i n a b i l i t y ,e a s y h a n d l i n g ,h i g hi n t e r r u p t i n gp e r f o r m a n c e ,e t c .F i g .3 s h o w st h e m a n u f a c t u r e d2 5 0k V- 1 , 2 0 0Af u l lG I Sp r o t o t y p eHVDCC B .T h i sCBwas s u b j e c t e dt o a n i m p u l s ew i t h s t a n dt e s t w h i c ha p p l i e da v o l t a g eo f9 0 0 k V a g a i n s tt h e g r o u n da n d a

v o l t a g eo f

1 , 0 5 0k Vb e t w e e nt h e t e r m i n a l sa n dt o a d e w i t h s t a n dt e s t

w h i c ha p p l i e d v o l t a g eso fd e 4 5 0k Vf o r3 0 m i n .T h e n ,t h e i n t e r r u p t i n gt e s t was c a r r i e do u t b yt h e a b o v e - m e n t i o n e ds y n t h e t i ct e s tm e t h o d .B yt h e s e t e s t s ,i th a s b e e nv e r i f i e dt h a tt h e m a n u f a c t u r e dHVDCCBmeets t h e r e q u i r e m e n t so fd e s i g n .

D i s c u s s e r :D r . l l a nG r e e n w o o d .

r n T J ~ ZD C L

Gen S iM S f e

mar^ > H h - - ( ~ ~ ^

H l - g S . | r

_ . 3 _F i g .1 .S y n t h e t i ct e s tc i r c u i t .

4 0 k V / d i v

4 0 v i s / d i v

F i g .2 . Vo l t a g es h a r i n g d u r i n gt r a n s i e n tr e c o v e r yv o l t a g e p e r i o d3 2 I E E EP o w e rE n g i n e e r i n gR e v i e w,M a r c h1 9 8 4

8/11/2019 Development of HVDC Circuit Breaker Based on Hybri Interruption Scheme

2/2

F i g .3 . 2 5 0M , 1 , 2 0 0Ap r o t o t y p eHVDCC B .

8 3S M4 5 5 - 3M a r c h1 9 8 4 ,p p . 5 5 3 - 5 6 0

M e a s u r e m e n t sa n dC o m p u t a t i o no fF a u l tC u r r e n tD i s t r i b u t i o no nO v e r h e a dT r a n s m i s s i o nL i n e sF .O a w a l i b i ,S e n i o rM e m b e r ,I E E ES a f e E n g i n e e r i n gS e r v i c e sL t d . ,M o n t r e a l ,C a n a d aG .B .N i l e s ,S e n i o rM e m b e r ,I E E EB a l t i m o r eG a s E l e c t r i cC o . ,B a l t i m o r e ,MD

A b s t r a c t .I m p r o v e da n a l y t i c a lm e t h o d sf o ra s s e s s i n gt h e e f f e c t so fa g r o u n df a u l to a t r a n s m i s s i o nl i n ea re d i s c u s s e d .B o t hs i m p l i f i e da n d more c o m p l e xc a l c u l a t i o nt e c h n i q u e sare showna n dc o m p a r e dw i t h s t a g e df a u l tt e s t s .T h es i m p l ef o r m u l al e n d s t o c a l c u l a t o rus ew h e r e a st h e c o m p l e xc a l c u l a t i o ni sg e a r e df o ra c o m p u t e r .I n t r o d u c t i o n

C o n v e n t i o n a ls h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o nt e c h n i q u e so f t e n d o n o ti n c l u d ee a r t hi m p e d a n c ei nc a l c u l a t i n gf a u l tc u r r e n t s a n d e v e n i fi n c l u d e dd o e sn o t a l l o wf o rt h e d i v i s i o no ft h e f a u l tc u r r e n tb e t w e e nn e u t r a lc o n d u c t o r sa n d t h e e a r t hv i at h e s t r u c t u r e . A k n o w l e d g eo ft h i s f a u l tc u r r e n td i s t r i b u t i o ni si m p o r t a n tf o ra t l e a s ttwo i m p o r t a n tr e a s o n s .T h ef i r s ti sf o rt h e s i z es e l e c t i o no f a n o v e r h e a dg r o u n dw i r e O H G W )i no r d e rt o w i t h s t a n da n t i c i p a t e df a u l tc u r r e n t s . T h es e c o n dreason i sf o rt h e e v a l u a t i o no fv o l t a g er i s eo ff a u l t e ds t r u c t u r e s a n dt h e r e l a t e dp o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m .T h ee x i s t i n gw o r kr e l a t e dt o t h i ss u b j e c ti sc o m p r e h e n s i v e ,r e a s o n a b l y c o m p l e t e ,a n dr e f l e c t se i t h e rac o n s t a n t l i n ep a r a m e t e ra p p r o a c ho r a v a r y i n gl i n ep a r a m e t e ra p p r o a c h .T h i sp a p e ru p d a t e sb o t h a p p r o a c h e s .

O n eo ft h e most c l a s s i c a lm e t h o d su s i n g u n i f o r m l yd i s t r i b u t e dc o n s t a n t l i n ep a r a m e t e r swas p r e s e n t e db yE n d r e y n ii n1 9 6 7 .A l t e r n a t i v ea p p r o a c h e sh a v es i n c eb e e np r o p o s e d .I na l lc a s e s h o w e v e r ,t h e f i n a le q u a t i o n sd e v e l o p e db yt h e a u t h o r s a re v a l i do n l yf o r l o n gt r a n s m i s s i o nl i n e s .I nt h i sp a p e r , a m e t h o di ss h o w nu s i n gac o n s t a n t l i n ep a r a m e t e ra p p r o a c hw h i c hc a n b e a p p l i e dt o s h o r tl i n e s ,i . e . ,l i n e sc o n s i s t i n go fa f e ws p a n sb e t w e e nt h e f e e d i n gs t a t i o na n df a u l t e ds t r u c t u r e . T h i sm e t h o di smore a c c u r a t et h a n t h e d i s t r i b u t e dp a r a m e t e ra p p r o a c ha n d c a n b e u s e d f o rs h o r tl i n e sw i t h t h ec a p a b i l i t yo ft h e f a u l t e ds t r u c t u r e g r o u n dr e s i s t a n c ed i f f e r e n tt h a nt h er e s to ft h e s t r u c t u r e s i nt h e l i n e .

M o r ee x a c t m e t h o d sw h i c hp e r m i tv a r y i n gs t r u c t u r e r e s i s t a n c e sa l o n ga t r a n s m i s s i o nl i n eh a v eb e e n d e s c r i b e db yS e b o ,D u b a n t o na n dD a w a l i b i .T h ev a r y i n gl i n ep a r a m e t e ra p p r o a c hd e s c r i b e di nt h i sp a p e ri st h e g e n e r a l i z a t i o no ft h e w o r kd e s c r i b e db yD a w a l i b ie t a l .I ti sd e s c r i b e di nd e t a i li na r e c e n t E P R Ir e p o r ta n dwas t h e b a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h e c o m p u t e rp r o g r a mPAT H S .T h i sp r o g r a mi sp a r to f t he E P RId i s t r i b u t e dGATL( g r o u n d i n ga n a l y s i so ft r a n s m i s s i o nl i n e ss o f t w a r ep a c k a g ew h i c hc a n b e run i n b o t h i n t e r a c t i v ea n db a t c hm o d e s .T h ec o m p u t a t i o nr e s u l t so fPATHSare i ng o o da g r e e ment w i t h t he measurement r e s u l t so f r e c e n t s t a g e df a u l tt e s t sc o n d u c t e dw i t h i nt h es c o p eo ft h e r e f e r e n c e dE P R Ip r o j e c t .C o m p a r i s o nB e t w e e nM e a s u r e m e n t sa n dC o m p u t a t i o n s

I no r d e rt o v e r i f yt h e a n a l y t i c a ld e r i v a t i o n sa n d h e n c et h e c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a mPAT H S ,a s e r i e so fs t a g e df a u l tt e s t sw r p e r f o r m e d .A l t h o u g ht h e t e s t s w e r e c a r r i e do u t t o a c h i e v es e v e r a lg o a l s ,o ne o f t h e m a i no b j e c t i v e so ft h e t e s t s was t o d e t e r m i n et h e d i s t r i b u t i o no f t h e f a u l tc u r r e n tb e t w e e nt h e OHGWa n dt h es t r u c t u r e s .

T h e t e s t s w e r e c o n d u c t e do n t h e T e n n e s s e eVa l l ey A u t h o r( T VA )5 0 0 k Vs y s t e mw i th t hef a u l td i s t r i b u t i o nt e s t s s u p p o r t e db yE P R I .

T h e t e s t s were a n a l y z e du s i n gc o m p u t e rp r o g r a mPATHSb a s e do n t h e a c t u a lt h r e e - p h a s ec i r c u i ta n da s s u m i n ga s i n g l e - p h a s ec i r c u i t( p h a s e sB a n d C i g n o r e d .D e t a i l e de x a m i n a t i o no fTa b l e s h o w sg o o da g r e e m e n tb e t w e e nm e a s u r e da n dc a l c u l a t e dr e s u l t s .F r o ma n

e n g i n e e r i n gp o i n to fv i e w ,c o m p u t a t i o n sb a s e d o n t he t hr e e ass u m p t i o n s ,a ,b ,a n dc a re e q u i v a l e n t .P a r t i c u l a r l yg o o da g r e e m e n twas o b t a i n e d b e t w e e nm e a s u r e d

a n d c a l c u l a t e dg r o u n dp o t e n t i a lr i s e( G P R )o ft h e f a u l t e dtowerw h i c hi st h e r e f e r e n c ev a l u ei nt r a n s m i s s i o nl i n eg r o u n d i n ga n a l y s i s .T h em e a s u r e dp o t e n t i a lr i s ev a l u e s s h o w ni nTa b l eI )w e r e o b t a i n e dw i t h r e s p e c tt o r e f e r e n c ep o i n t ssome 6 0 ( 2 0 0f t awayf r o mt h ef a u l t e dT o w e r1 3 0 .

C o n c l u s i o nT w oi m p r o v e da n a l y t i c a lm e t h o d sh a v e b e e nd e v e l o p e dt o d e t e r

m i n ef a u l tc u r r e n td i s t r i b u t i o nb e t w e e no v e r h e a dg r o u n dw i r e sa n dt r a n s m i s s i o nl i n es t r u c t u r e s .

S t a g e df a u l tt e s t s w e r e c o n d u c t e da n d s h o w e dt h a tt h e c o m p u t a t i o n r e s u l t sa re i ng o o da g r e e m e n tw i t h t h emeasurements

M e a s u r e m e n t sa n dc o m p u t a t i o n ss h o wt h a tt h e r e s i s t a n c e so ft h ef a u l t e ds t r u c t u r e a n d i t sa d j a c e n ts t r u c t u r e s i n f l u e n c e

s i g n i f i c a n tt h e f a u l tc u r r e n t d i s t r i b u t i o n .C o n s e q u e n t l y ,o v e r h e a dg r o u n dw i r es i z i n g ,t r a n s m i s s i o nl i n er e l a y i n g ,a n ds a f e t ya n a l y s e smust t a k e i n t oc o n s i d e r a t i o nt h e s e r e s i s t a n c e s .

I E E EP o w e rE n g i n e e r i n gR e v i e w,M a r c h1 9 8 4 3 3