TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3754 ~ 37 6 0   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.5101          3754     Re cei v ed  No vem ber 1 1 , 2013; Re vi sed  De cem ber 2 6 ,  2013; Accep t ed Jan uary 9 ,  2014   Voltage Deviation in Breaker-testing Station Study  Using ADPSS      Zhenan Z h a ng, Hua Wan g , Qionglin Li, Xiaomeng  Li*  Hen an Electric  Po w e r R e sear ch Institute, Z hengz ho u cit y ,  Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : xmli 97@ 12 6.com      A b st r a ct     W i th  the   fast deve l op ment o f   Chi na pow er grid,  more an d   more   pow er   s ystem dev ices such as   break ers ar e  a ppli ed.  Break er  testing  a l so  be comes v e ry  i m portant. At th e  same ti me th e  testing  proc ed ur e   w ill cause volt age d e viati on  arou nd t he br eaker-testi ng s t ation. Big volt age d e viati on  can make sev e re   dam a ge for the power custom ers.  Bas ed on the power system  sim u la tion software ADPSS developed by  Chin a E l ectric  Pow e r Res e a r ch Institute ( C EPRI), this p aper  bu ilt u p  t he si mul a tion   mo de l us ing  th e   electro m echa ni cal-el ectro m a g netic tra n sie n t hybri d   meth o d , an d si mu lat ed th e vo ltag e dev iati on  in  a   Hen an br eaker -testing statio n .  T he simu lati o n  results  sh ow ed that w i th the hig her  testin g break er curr ent   level, b i g ger vo ltage  devi a tio n  is cause d . F i na lly this  p a p e r sugg ested a tes t ing br eaker c u rrent leve l for t h e   break er-testing  station w i th  Pow e r Quality Criteria.     Ke y w ords :    power system ,  voltage  dev iation, ADPSS, electrom echanic a l-electrom agnetic transient hybrid  simulation        Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Brea kers  are  widely u s e d  i n  po we r  syst em. To  en sure the  bre a ker quality, testi ng of th e  power  bre a ke rs i s  n eed ed.  At the sam e  time,  the testi ng p r o c ed ure  will  cau s e vo ltage deviatio n   arou nd th e b r ea ke r-te s ting  station. Big  volt age d e viation  can  m a ke  severe   damag e fo r the   power  cu sto m ers [1, 2]. Thus  du rin g  the plan ni ng of the b r eaker-tes tin g  station, like  th e   sele ction  of  common  coupl ing p o int (CCP), the ev al u a tion of volta ge d e viation i s  imp o rta n t [3,  4].  In Henan, a 420V-level breake r-testing  station will be  built in  the southeast part of urban  area. T he  CCP of the bre a k er-te s ting  station is  sel e cted at the 10 kV level of th e nea rby 11 0 k V   publi c  su bsta tion. The 11 0kV pu blic  substatio n  is  con n e c ted wi th the uppe r 220kV p ubli c   sub s tation vi a two 11 0kV transmi ssi on line s .  Th e power  system geog rap h ical  con n e c tion   diagram is  shown in Figu re 1. So it is nece s sa ry to model the  brea ke r-t e s tin g  station a n d  its  surro undi ng a r ea, and eval uate the voltage  deviation whe n   testing the  brea ke rs.          Figure 1. The  Power Syste m  Geog rap h i c al Conn ectio n  Diag ram       2. Simulation En v i roment and Cri t eri a   In this pape r the modelin g and si mula tion work i s  done  with Advance d  Digit a l Powe r  System Simulator (A DPSS) dev eloped  by CEPRI. ADPSS is based on  high  perform a nce P C - clu s ter usi ng multi-no de structure  a nd  p a rallel   co mp u t ation tech niq ue [5, 6]. It is a po we rful to ol  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Voltage Devi ation in Breaker-testing St ation Study Using ADPSS (Zhenan Zhang)  3755 for elect r ome c ha nical-el ect r oma gneti c  transi ent hy bri d  simulatio n  of large scal e power sy ste m   up to 10 000  buses [7]. Wi th the incre a s ing  com put e r  technolo g y, the ele c trom agneti c  tran si ent   hybrid  simul a tion is  wid e l y used i n  p o we r  system  analysi s  [8,  9]. This p a per  built up  the  simulatio n  m odel fo r the  b r ea ke r-te s ting  station  an d it s  surro undi ng  are a  in  ADP SS. Simulation  diagram is  sh own in Fi gure  2. The bre a ker-te s ti ng  station and 1 1 0 k V public  sub s tation is built in  electroma gne tic simul a tion  environm ent, sho w n in the  squa re bl ock. The Hen an  220 kV and u p   power g r id is  built in electromechani cal  simulati o n  en vironme n t wh ich is o u tsid e of the block.          Figure 2. Simulation Di agram fo r the Breaker-testin g  Station      The inte rface  betwe en the   electrome c h a n ical  and ele c trom agn etic parts  is at  the   110 kV  output of the   220 kV up per  sub s tation, a s   sho w n i n  th e Figu re  2. Detailed  simul a tion dia g ram  is  in Figure 3.      Figure 3. Det a iled Simulati on Dia g ra m for Brea ke r-te s ting Station       Acco rdi ng to  Chin a nation a l crite r ia  “Po w er   quality –  Deviation  of supply voltage ” (GB/T   1232 5-2 008 )  [10, 11], for t he 20 kV a nd  lowe r voltag e  level the volt age d e viation  com pared  wi th   the stand ard  voltage sh oul d be within ±7%. The voltage deviation  equatio n is:     ta n ta n (%) 1 00% me asur e s dar d s dard VV VD V                                                                       (1)    Whe r e  m e asure V  is the measu r e d  voltage,  ta n s da rd V  is the stand ard volt age.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3754 – 37 60   3756 3. Simulation Parameters  The  simul a tion u s e s   201 4 Hena n 2 2 0 kV a nd  up  po wer g r id  as  ele c trom e c ha nical  simulatio n  en vironme n t. The 110 kV pu blic su bstatio n  transfo rme r s’ paramete r s are  sho w n  in   Table 1.       Table 1. 110 kV Public Sub s tation #1 a n d  #2 Tra n sfo r mers’ Param e ters  Transform er MV A  40MVA  Winding ratio  110kV/10kV  Y G / D   Short-circuit loss  158kW  Shor t-circuit voltage (% )   14.7%   No-load loss  28.8kW  No-load circuit ( % )   0.12%       The brea ker-testing statio n is con n e c ted  at the #1 transfo rme r  of the 110kV  publi c   sub s tation,  a s   sho w n  in  Figure 3. T h e brea ke r-t e s ting statio n,  whi c h  simul a tion structu r e  is   sho w n in Fi gure 4, con s ists of 10 kV distribut io n line, 10kV/42 0V sho r t-ci rcuit transfo rm er,  curre n t-limitin g re sisto r , and  sho r t-circuit faul t po int. The 10 kV sh ort-ci rcuit transfo rm er’   para m eters a r e sh own in T able 2.     Figure 4. Bre a ke r-te s ting  Station Simulation Structu r e      Table 2. 10 kV Short-ci rcui t Transfo rme r ’s Param e ters  Transform er MV A  30MVA  Winding ratio  10kV/420V   Y G / D   Short-circuit loss  68kW  Shor t-circuit voltage (% )   7.5%   No-load loss  15kW  No-load circuit ( % )   0.12%       The  sho r t ci rcuit te sting  pro c ed ure is done  usi n g  three - ph ase  to gro und f ault. By  cha ngin g  the cu rre nt-lim iting re sisto r , different  sh ort-circuit cu rre nt level and ca pa city is  obtaine d. During the  sim u l a tion the  com m on  cou p ling  point  (CCP),  10 kV  side  voltage  deviati on  of the 110kV  #1 tran sform e r is  che c ked .       4. Results a nd Discu ssi on  The si mulatio n  run n ing tim e  is 2  se con d s. At one  seco nd the th ree - ph ase to grou nd   fault is applie d. The fault lasts for 0.5 s . T w o shor t - ci rcuit current lev e l: 50kA and  25kA, is te ste d .    4.1. Short-cir cuit Cur r en t Lev e l  is 50kA  The  station’ s sh ort-ci rcuit  curre n t is sh own  in   Figu re 5. Its mag n itude i s   0.5 1  in  p.u.,  whi c h in phy sical unit is 5 0 k A (RMS value). The calcul ating equ atio n is:    /3 / * / 2 sc sy s L L p u IS U I                                                                         (2)    Whe r e s ys S  is sim u lation sy ste m  MVA rating  (100MVA),  L L U is line to line RMS voltage (420V).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Voltage Devi ation in Breaker-testing St ation Study Using ADPSS (Zhenan Zhang)  3757   Figure 5. The  Station’s Short-circuit Cu rrent du ring th e Test Pro c e dure  (50 k A)      The  com m on  co uplin g p o i nt (CCP ), 1 0 kV  sid e  vol t age  waveform of the  11 0kV  #1   transfo rme r  i n  p.u. is  sho w n in Fi gure  6, the  amplifi ed voltage d e viation waveform i s  sho w n in   Figure 7.      Figure 6. 110 kV #1 Tran sforme r’s 1 0 kV  Side Vo ltage  Waveform  (p .u.) when Sh ort-circuit  Current is  50k A     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3754 – 37 60   3758   Figure 7. Amplified Voltag e Deviation  Wave fo rm wh en Short-ci rcuit Current is  50kA       From Fi gure 7 whe n  short - circuit current  is  50 kA, the CCP voltag e deviation pe rcenta g e   cal c ulate d  by  Eq. 1 i s  (0.8 4-0.66 )/0.84* 100%=21% .  This  re sult s b e yond the  lim it of the natio nal  crite r ia (GB/T 12325 -20 0 8 ) . So the 50kA shor t - ci rcuit curre n t level can’t be a c ce pted.    4.2. Short-cir cuit curr ent l e v e l is 25kA  The  station’ s sh ort-ci rcuit  curre n t is sh own  in   Figu re 8. Its mag n itude i s   0.2 6  in  p.u.,  whi c h in phy sical unit is 2 5 k A (RMS value) by Equatio n (2).     Figure 8. The  Station’s Short-circuit Cu rrent du ring th e Test Pro c e dure  (25 k A)      The  com m on  co uplin g p o i nt (CCP ), 1 0 kV  sid e  vol t age  waveform of the  11 0kV  #1   transfo rme r  i n  p.u. is  sho w n in Fi gure  9, the  amplifi ed voltage d e viation waveform i s  sho w n in   Fig ure 1 0 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Voltage Devi ation in Breaker-testing St ation Study Using ADPSS (Zhenan Zhang)  3759   Figure 9. 110 kV #1 Tran sforme r’s 1 0 kV  Side Vo ltage  Waveform  (p .u.) when Sh ort-circuit  Current is  25k A     Figure 10. Amplified Volta ge Deviatio n Wave fo rm wh en Short-ci rcuit Current is  25kA       From Fi gure  10 when  sho r t-circuit  curre n t is 2 5 kA, the CCP voltage  deviation   percenta ge calcul ated by Equation (1 )  i s  (0.84 - 0.79 )/ 0.84*10 0%=6 .0%. Comp ared  with Fi gure.  5-7, th ese  re sults satisfy t he limit  of the  nation a l crite r ia (GB/T 123 25-2 008 ).  So  the  25 kA sh o r t- circuit cu rrent  level can be  accepte d .      5. Conclusio n   With the  brea kers  wid e ly u s ed  in p o wer  syst em te stin g of the  po we r b r ea ke rs is  need ed.  The te sting   pro c ed ure  wi ll ca use volt age  deviati o n  a r oun d th e b r ea ke r-te s ting  station.  Big   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3754 – 37 60   3760 voltage devia tion can m a ke seve re da mage for  th e  powe r  custo m ers. Base d  on the po wer  s y s t em  s i mulation s o ftware ADPSS developed by  China Elec t r ic  Power Res e arc h  Ins t itute  (CEPRI ) , this pap er  built u p  the  evaluati on mo del usi ng  the   ele c tromechani cal - electroma gne tic  transi ent hybrid method, an d simulate d the volt age de viation in a Henan b r ea ke r-testing  statio n.  The si mulatio n  re sults  sh o w ed th at with  the high er te sting b r ea ke r curre n t level ,  bigger volta ge  deviation i s  caused. Fin a lly this  pa per  sugge sted  a te sting b r e a ker  curre n t level f o r the  brea ke r- testing statio n with Powe r  Quality Crite r i a ．       Referen ces   [1]    T ao Shun, Xi a o  Xian gn ing, L i u  Xia o ju an.  Study on  distrib u tion re lia bil i ty  consid erin g v o ltag e sags .   Procee din g s of  the Chin ese S o ciet y for Elec t r ical En gin eeri ng. 200 5; 25(2 1 ): 63-69.   [2]    W ang B i n, P a n Z h e n cu n,  Xu  Bin g y in.  Ana l ysi s of v o lta g e   sags  in  distri b u tion  s y stem.  Power System   T e chno logy . 2 004; 28( 2): 56- 59..  [3]    Li  W e i, Li  Y u c hun, Li Xian g y ang.  S i mul a tio n  of effect  of b r eakers s hort c i rcuit test o n  s ystem v o lta ge.   Journ a l of Nort h Chi na Electri c  Po w e r Un iver sit y . 20 06; 33( 5): 25-28.   [4]    Z hang W e i. T he Electrom ag netic Interfere n ce  Mod e l An al ysis of the  Po w e r S w itc h i ng Dev i ces .   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (1): 1 67-1 72.   [5]   T ang  Yong.  Present situati o n  and dev el o p m ent of pow er system si mu lati on techn o l ogi e s .  Automation  of Electric Po w e r S y stems. 20 02; 26(1 7 ): 66- 70.   [6]    Chin a  E l ectric Po w e r Res ear ch  Institute.  T e chn i cal  Su mmary  Re port  o n  Dev e l o p m e n t  of Adva nced   Digita l  Pow e r System Si mu la tor.  2004.   [7]    F ang T i an, C h eng ya n  Yue, Z hon g x i W u  a n d  Xia o x in  Z h o u .  Real i z a t i on of Electro m ec han ical  T r a n si ent   and E l ectro m a gnetic T r a n si e n t Rea l  T i me  H y brid S i mul a tio n  in  Pow e r Sys t em.  Proc.  of the IEEE/PES  T r ansmission a nd Distri butio n Confer ence  an d Exhi b i tion As ia Pacific, Da li an, Chi na. 20 0 5 .  [8]    Shadr eck Mpa nga, W a n g  F eng, C hen  Ch un. El ectrom a gnetic F i eld E v alu a tion  of a  500kV  Hig h   Voltag e Overh ead  Lin e .   T E L K OMNIKA Indones ian J our n a l of El ectrical  Engi neer in g . 2 013; 1 1 (2): 7 8 9 - 796.   [9]    Ding Sh u y e, Z han g Nin g. Anal ysis of Electr om ag netic Pro perties of D o u b l y -fed T u rbin e Generator .   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (2): 7 83-7 88.   [10]   Chin a nati o n a l  criteria.  Pow e r qua lity – Devi a t ion of sup p ly v o ltag e . (GB/T  1 232 5-20 08).   [11]   State Grid Co r porati on of Ch i na.  T e chnic a l g u id e for pow er qua lity assess me nt . Q/GDW651. 2011.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.