TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7092  ~ 709 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.533 8          7092     Re cei v ed  De cem ber 1 1 , 2013; Re vi sed  Jun e  19, 201 4; Acce pted July 15, 20 14   The Method for Measuring Loop Resistance in Gas  Insulated Substation      Li Zhou*, Tiecheng Lu, Bo Zhang, Gu angkai Yu, Jia w e i  Wa n   Schoo l of Elect r ical En gin eeri ng, W uhan U n i v ersit y , CHINA 7 T eaching Bu i l din g , 20 2 Roo m , School of El ectrical En gin e e rin g , W uhan  Univers i t y , L u o jia Hi ll,   W u chan g Distri c t, W uhan 430 072, Hu be i, Ch ina   *Corress po ndi ng auth o r, e-mail: 20 10 282 07 020 5@ w h u.e d u .cn       A b st r a ct   T h is p aper  stu d ies  the  metho d  for  measur in g the   lo op   resis t ance of  GIS  c ond uctor pol e basi ng o n   the su per ca pa citor pro duci n g  impu lse c u rre nt up to  sever a l tho u sa nd  a m p e res. T h is   meth od  overc o me s   the l i m itatio ns  of conv ent i ona l  di agn ostic  method. T y p i cal  GIS con ductor  p o l es  are c hos en . Based  o n  F E A   and l ab tests, the effect of  differ ent for m s  of current an d contact  con d itio n, relatio n s hip b e tw een  the   temp eratur e of contact and th e loo p  resistan ce is res earc h ed. In full-scal e  testing und er realistic  oper ati n g   cond itions  o n  t he  new  2 20kV  GIS usin g  prot otype  instru me ntation  a  very  goo d se nsitiv ity in  an  e a rly st a g e   w a s obtain ed.      Ke y w ords : co ntact resistanc e, contacts, impact current, g a s insu late d su bstation      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  In the opera t ion of powe r  system, ga s in sulated  sub s tation (GIS) con d u c tor pole   inse rtion d ept h is not e nou gh und er the  pro c e ssi on  of installation , thus the surface of conta c prod uces oxi de film an d b u rr. It cau s e s   the loop  re si stance  of GIS  con d u c tor  pol e incre a ses  a n d   lead s to the tempe r ature o f  contact increases. In  add ition, the temperatu r e of contact in cre a s e s   cau s e s  the l o op re si stan ce  of GIS con d u ctor pole   f u r t her in cr ea se s.  Wh en  ca s e  get se riou s,  it  will influen ce  the ope rated  safety of power sy stem . So accu rately measuri ng th e loop resi sta n ce   of GIS is necessary.   Although the  conventio nal  diagno stic  method,  su ch  as the meth od of dc voltage drop   has  sta b le current  a nd can  g r eatly simplifie s th e  re sista n ce  measurement s. It rate d f o r   kiloam pe re s tend to beco m e very bulky and expen sive, so dc e x citation is n o t found to be  a   viable option  [1-6].  The studying  method   for m easurin the   l oop re sista n ce of GIS  co n ducto pole i s  ba sed  on the  sup e r cap a cito r p r odu ce  kiloam pere s  im pul se  cu rrent. Similar to fou r -point re si stan ce  measurement s, the metho d  relie s on te sting p a ss ing  electri c   currents throug the se ction a n d   recording the  asso ciated vo ltage dro p s. T he feasi b ility of method an d the accuracy of results a r e   verified by experim ent.  Based o n  the analysi s  of  typical GIS con d u c tor pol e, a thermal  model of co n t actor i s   prop osed i n  t h is  pap er. T h e tempe r atu r e di stribut io n of  the  GIS co ndu ctor pole  wa a c hi eved   by  FEM sim u lati on a nd the  re sults were  p r oved by  expe riment s .  The  effec t  of the different forms o f   curre n t and d i fferent conta c t con d ition o f  contac t on the temperatu r e of conta c t are rese arch ed.  Furthe rmo r e,  the relatio n s hip  betwee n  the te mpe r ature of co ntact surfa c e  and the l o op   resi stan ce of  GIS cond ucto r pole a r e an alyzed.       2. Resistanc e  Measur e m e nt  The p r op ose d  metho d  for  measuri ng th e loop  re si sta n ce  of GIS co ndu ctor  pole i s  ba se on the impu lse current. The supe r capa citor,  sta ndard re si sta n ce a nd tests com pone n t constitute second-order ci rcui t  of non  oscillation  and produce  kA-level  impul s e current.  T he  pea k current  and the  corre s po ndin g  voltage d r o p  of t he GIS  con d uctor pol e a r e used to  get  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Metho d  for Mea s u r ing  Loop  Re sista n ce in G a s In sulate d Subst a tion (Li Zh ou 7093 loop resi stan ce, in o r d e r to  eliminate the  impact  of  the  indu ctan ce o n  the me asurement result [7- 9].          Figure 1. The  Main Disch a rge Circuit Eq uivalent Circu i     The  relatio n s hip  bet wee n  voltage  d r op a nd  cu rrent a c ross t he GIS  se ct ion a r determi ned b y  the Equation (1).     () () ( , ) ( ) di t ut R i t i t L dt  .                                                                                        (1)    Whe r R an d L are th e resi stan ce  a nd indu ctan ce, respe c tively, of the part of the circuit  betwe en the  voltage pro b e s , see Fi gure 1.           Figure 2. Voltage Drop M e asu r ed a c ro ss a GIS  Section (solid line )  when a  Current Pulse  (broken line )  is Passed T h rough       As can be  se en from  Figu re 2, the de rivative  of the current is l a rg e and  po sitive in the   first milli se co nds, th e in du ctive pa rt of v o ltage  dro p  i s  sig n ifica n tly greate r  th an t he resi stive p a rt.  Whe n  the  cu rre nt ha s it maximum val ue,  / di dt   equal s zero and   the voltage  d r op  is  p u rely  resi st iv e.     () ( 1 ) ( ) () () () u n in in Rn L in in t   .                                                                                      (2)    Whe r C  rep r es e n t s  th e s u pe r   c a pac ito r R  is t he total ci rcuit resi stan ce incl uding   sup e cap a cito r re si stan ce, wire resi stan ce, sh unt  re si stan ce an d th e m e asu r ed  GIS  condu ctive p o le   loop re si stan ce, and  L  i s  indu ctan ce of GIS cond ucto r pole.   Having determined  L , th e  indu ctive pa rt of the volt age d r op  is  cal c ulate d  an d then   subtracte d  from  () un  for all  n .By dividing this re sult  with  () in , a t i me se rie s   () R n  being the   resi stan ce of  the GIS secti on, is found.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  709 2  – 7098   7094 () Rn  is, h o wever,  not  con s tant , due to  vari a t ions i n  the  current p enetration d epth. I n   orde r to avoi d this  sou r ce  of error, the  resi stan ce val u e from  a me asu r em ent is  alway s  taken  as  the value found at the sa me point  of the cu rre nt pulse, nam ely, as the curre n t pulse is at  its  pea k value.   Thus, a  se cti on of a GIS is examined by  passi ng  cu rrent pulses  of different mag n itude s,    cal c ulatin g th e re si stance  whe n   the  current pul se  is at its p e a k  value  ea ch  time. And, as  descri bed  ea rlier, if the  resi stan ce va rie s , this i ndi cate s that o ne  or  more  of the  contact s  ha s t oo  high of a re si stan ce.       3. Modeling and Simulation  3.1. Ph y s ics  of He at Sour ces   In the FEM thermal - ele c tri c al coupl ed sim u latio n  analysi s make th e followin g   assumptions  to facilitate the cal c ulation [10].  In order to fi nd the  el ectrical  re si stan ce at th e m a i n  conta c ts, t he  radi us  e a  of th e   elasti cally def orme d co ntact area is exp r essed by:     22 1 12 3 12 1 2 11 31 1 () ( ) 4 ek aF EE r r    .                                                                  (3)    Whe r k F  is  the c o n t ac t fo rc e,  i E  and  i  are th e mod u li of el asticity an d t he Poi s son’ ratios,  respe c tively, and  i r  are radii  of the sphe ri cal mem bers  in conta c t. Th e radiu s   e a  is then used to   cal c ulate the  conta c t re sist ance.    2 k e R a .                                                                                                         (4)    Accordi ng to  Holm’ s  ellipsoid  model. The average speci c el ect r ical re sistivity of the two   different mate rials in  conta c t is denoted b y    It is known th at the impact of heating is con s id ere d  in the resist ance chan ge s. Therefo r e   the tempe r at ure  dep end e n t term:  whe r  is coefficient of  res i s t ivity,  T  is   tem peratu r e   differen c e.     2 (1 ) 3 kk o RR T  .                                                                                        (5)    An applie curre n o w i ng in the  el ectri c ally co ndu c ting p a th ca uses  Jo ule he at  2 PR I  to be gene ra ted. This he a t  incre a ses th e te mperature of the con d u cting p a rt s. Due to  the re sultin temperature   differen c e s , h eat is tr an sp orted  by mea n s of  co ndu ction, conve c ti on   and ra diation.     3.2. Simulation Model       a) physi cal m odel     b) sim u lation  model     Figure 3. Typical GIS Co nd uctor Pol e  Model   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Metho d  for Mea s u r ing  Loop  Re sista n ce in G a s In sulate d Subst a tion (Li Zh ou 7095   Cho o se typical sp ring  con ductive conn ector  as  simu lation model  it contact s  by spri ng   deform a tion  on eve r y poi nt of co ntact  pre s sure, en sure the  co ntact  well. As  sho w n i n  Fig u re   3(a ) , where t he mate rial  of  No.1 -No.3 a nd  No.5 i s   al uminum, th material  of  No.4 is copp er,  and   the material o f  No.6 is insulating. In this model , co mpl e tely insertio n depth is 55 mm, as sh own in   Figure 3(b ) .     3.3. Result o f  Simulation   3.3.1.  Differen t for m s of curre n t   Thro ugh the f o rmul a cal c ul ate the conta c t resi stan ce  of GIS condu ctor pol e that conta c well. Accordi ng to the basi s  of the experiment  mea s u r ed the impul se cu rr ent (current amplit ude   is 24 24A, time is 1 s ). In th e sam e  condi tions  of  curre n t amplitude  and du ratio n , GIS cond uct o pole  can  be  use d  for th ermal sim u latio n . Figure  sho w s the te mperature  is effected of  dc  slightly gre a ter than the im pact current.       a) cu rrent so urce is d c     b) cu rrent so urce is imp u lse curre n   Figure 4. Cal c ulatio n Re su lts of the Tem peratu r e of Di fferent Form s of Current       3.3.2. Diffe re nt Con t a c t Condition   Thro ugh the  formula  cal c ulate th e contact re si st ance of different conta c t con d ition.   Und e r the co ndition s of impulse cu rrent, GIS condu ct or pole  can b e  use d  for thermal  simulat i on.  Figure 5 sh o w s the tem p e r ature is hig h e r wh en the contact conditi on is worse.               a) co ntact resistan ce is 1 0     b) co ntact resistan ce is 1 5     c)  cont a c t  re s i st an ce is 2 0     Figure 5. Cal c ulatio n Re su lts of the Tem peratu r e of Di fferent Conta c t Con d ition       4. Experiment Tes t s   4.1. Labora t or y  Tests   Table 1 sho w s different test method of  measu r ing  GIS condu ctor pole that conta c well. T w o m e thods of testing  hav e the stability of test  results.  What’s more the  result s are  basi c ally iden tical. It is means that two  method s of measuri ng are accurate. Furthe rmo r e, the   result of  te m peratu r e  is a l i ttle influen ce  , due  to  the   amplitude  of  dc   is not la rg e; as well a s  t h e   amplitude of  impact cu rre n t   is  larg but the  time  of d u ration i s   sho r t, so a s  the t e mpe r ature i s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  709 2  – 7098   7096 The re sults also proved   the  co rre c tness of th e  simul a tion  ca l c ulatio n. The p r ototyp ical   instrumentati on, shown in  Figure 6, is built  to verify the feasi b ility of this method.  Table 1. Diffe rent Te st Method of Mea s u r ing Resi stan ce   current source is  dc  current  source is  impulse current  current( A resistance( current( A resistance( 100 16.10   1000   15.98   200 16.15   1500   15.99   300 16.23   2000   15.91   400 16.27   2500   16.00   500 16.30   3000   16.06           Figure 6. Prototypical Instrumentation       Table  sho w s diffe rent te st meth od s o f  mea s uri ng  GIS co ndu cto r  pol e u nde different   conta c con d i t ions. Th result of d c  volta ge d r op  have n't ch ang ed  much. It  sho w s that un de r the  con d ition  i s  b ad,  the co nve n tional diagn ostic  meth o d   can't  find th defect  of GIS  co ndu ctor po le.  Ho wever, the  result of the conta c t re sist ance increa ses alo ng with  the risin g  of the test cu rren t in   the method  o f  impact  current voltage d r op. It m ean s that this met hod  can  re sp onse the  cont act  con d ition of GIS cond ucto r pole effectiv ely.      Table 2. Diffe rent Te st Method of Mea s u r ing GIS Co n ducto r Pole u nder  Differe nt Conta c Condition  current source is  dc  current  source is  impulse current  insertion depth ( mm)   resistance( insertion depth ( mm)   resistance( 55 16.25   55 16.01   50 16.43   50 17.43   45 17.55   45 18.55   40 18.17   40 19.17   35 18.53   35 22.53   30 18.55   30 24.55   25 18.58   25 27.58       4.2. Full-Scale Tests   Duri ng th comprehe nsiv e lab o rato ry  measurement s a s   well  a s   full-scale  test s u nde reali s tic cond itions on GIS s  install ed in  220kV  g r id s, a few results will be prese n ted in th is  se ct ion.       Table 3. Diffe rent Te st Method of Mea s u r ing Resi stan ce   current( A resistance( 1000  256.52   1500  256.89   2000  257.03   2500  257.43   3000  257.63   3500  257.87   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Metho d  for Mea s u r ing  Loop  Re sista n ce in G a s In sulate d Subst a tion (Li Zh ou 7097 Table 3 sh o w s resi stan ce values me asu r ed o n  a new 22 0kV  GIS by applying cu rre nt  pulses with  p eak value s  u p  to a r ou nd  3 . 5kA. The  re sistan ce s in  thi s   se ction  are   the same fo all  curre n ts withi n  stand ard d e viations of 0 . 5%. Henc e t he co ntact s  in this se ction  sho w  no sig n s of  aging.   Test s have  also  ca rrie d   out on an 8 - m-lon g  labo ratory mo cku p of a GIS condu ctor  se ction co nsi s ting of  two  con c e n tric  al uminum  tube s of  50  and  10 cm di am eters.  The  to tal  resi stan ce   wa s in crea se d t o  ap proximately 300    by a dding  a  sh ort  stainle s stee l se ction.  A  some wh at po or co ntact (around 4 0 ) made by partiall y  unscre w ing  the bolts wa s inserted in   the circuit. Figure 7 sho w s resi stan ce pl otted as  a function of cu rrent when 9 current pulses of  varying am pli t ude were  pa ssed throug this mod e si mulating a  GIS se ction wit h  a po or  cont act.  Re sista n ces obtaine d whe n   current pul ses of  diffe rent  amplitud es  were p a sse d   throug h a  mo del  of a GIS cont aining a  poo r conta c t. The  resi stan ce  i n cre a s e wit h  i n cr ea sing  cu r r ent s i ndi cat i ng  that the conta c t spot s be co me si gnifi cant ly heated at high cu rrents.       Figure 7. Re sistan ce s Obta ined when  Cu rre nt  were Pa ssed Th rou g h  GIS Containi ng a Poor  Conta c t       5. Conclusio n   The followi ng  con c lu sion can b e  dra w n  from this pap er.   This metho d  can   not  o n ly provide   excit a tion current u p   to seve ral kiloam pe res  , but  also  can ma ke the devi c e of portabl e. What’s  m o re, it can  accurately measure the l oop   resi stan ce of  GIS cond ucto r pole.   Thro ugh the  simulatio n  re sults p r oved t hat wh e n  GIS condu cto r  pole conta c ts well, the  variation  of tempe r ature i s  n o t obviou s . Howeve r whe n   GIS co ndu ctor pole  conta c ts  ba d,  the   temperature i s  high er whe n  the conta c t con d ition is  worse.  Thro ugh  exp e rime nt re sult s p r oved  that   wh en  GIS condu ctor pol e  ha s a  go od  conta c t,  two meth od of testing  ca n  accu rately m easure    resi st ance. Ho wev e whe n  GIS  con d u c tor  pol e   has  a po or  contact, the m e thod of imp a ct cu rrent v o ltage d r op  can be  used t o  dete c t co ntact  degradatio n in GIS at an early stage.       Referen ces   [1]  Magn e Ru nde,  Odd Lil l evik,  Vegar d Lars e n .  Condi ti on As sessment of  Contacts i n  Gas-Insul a te d   Substations.  IEEE Transactions on Power Delivery . 2 004; 1 9 (2): 609- 61 7.  [2]  H F u jin ami, T   T a kuma,  T  Kaw a moto. Dev e l opme n t of detection meth od  w i t h  a mag neti c  field sens o r   for incomp lete  contacts in g a s insu lated s w itc hes a nd b u s conn ectin g  parts.  IEEE Trans.  Power  Deliv ery . 199 5; 10(1): 229 –2 3 6 [3]  Michel  La ndr y,  Olivier T u rcotte, F ouadBrikc iA. Co mpl e te  Strateg y  f o r C ond uctin g  D y n a mic Co ntact  Resista n ce Me asurem ents on  HV Circuit Breakers.  IEEE Tr ansactions on Power Deliv ery . 2008; 23(2 ) :   710- 716.   [4]  A Matasuza wa. Lo w - V o ltag e an d Lo w - P o w e r C i rcuit  Desig n  for Mi xe dAn a lo g/Di gi tal S y st em i n   Portabl e Equ i p m ent.  IEEE Journal of So lid State Circuits.  1 994: 14 0-1 45.   [5]  Gamb y J, T aberna P L , Simo n P, etal. Stu d i es a nd  Char a c terizatio n s of  vario u s activat ed C a rbo n s   used for Car b o n /Carb on Su pe rcapac itors.  Journa l of Pow e r Sources . 20 01:  109-1 16.   50 0 100 0 15 00 2 000 25 00 300 0 35 00 4 000 310 315 320 325 330 335 340 345 350 355 Cu r r e n t A ) R e s i s t anc e( μΩ ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  709 2  – 7098   7098 [6]  Shen g y i Liu, Dou gal   RA.  D e sig n  a nd  an a l ysis of  a C u rr ent-mod e  co ntrolle battery/u ltra-cap acito r   hybri d Co nfer ence  Rec o rd  o f  the 20 04  IEEE Industr y   A p plicati ons  Co nferenc e. 20 04;  28(2): 1 1 4 0 - 114 5.  [7]  Hary ono V, Sirait K,  T u miran, Berahim, Hamzah.  T h Co mp uter Si mulati on for  Hi g h  A m pl itud e   Impu lse C u rre nt Desig n Inte rnatio nal Conf erenc eon Hig h   Voltag e Eng i n eeri nga nd A ppl icatio n. 200 8;   18(5): 20 7-2 1 0 .   [8] Johal  H.  Co il  Current A nalys is Metho d  for  Predi ctiv e Mai n tena nce  of Ci rcuit Break ers . T r ansmission  and D i stributi o n Confer enc e and E x p o siti on , 2008: 14 0-14 5.   [9]  Yong pe ng M e ng. T he Detec t ion of th e C l o s ing M o ments  of a Vac uum  Circuit  Br eaker  b y  Vi bratio n   Anal ys is.  IEEE Transactions  on Power Deliv e ry . 2006; 2 1 (2 ): 652-65 8.  [10]  Monze l  C, H e nne berg e r G.  T e mperature s o lver fo r  hi ghl y non li near  ferr omag netic m a terials  for thi n   movin g  she e ts in transv e rsal fl ux  in ductio n  h e a ting.  IEEE Tra n sactio n o n  Ma gnetics . 2 0 0 2 ; 38(3): 9 37- 940.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.