I nt er na t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 ,   p p .   1 9 3 ~ 2 0 6   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e. v 1 0 . i3 . p p 1 9 3 - 206          193       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a p e. ia esco r e. co m   c o mpa ra tive  s t udy  on AC/D a n a ly sis  of an  o pera tiona l o v o ltag d istributi o s y stem       Ciha n K a t a r 1 ,   Ceng iz  P o la t   Uzuno ğ lu 2   1 El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g   De p a rtme n t,   T u rk ish - G e rm a n   Un iv e rsity ,   Ista n b u l ,   Tu rk e y     2 El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g   De p a rtme n t,   Ista n b u Un i v e rsity - Ce rra h p a sa ,   Ista n b u l,   Tu r k e y       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 1 ,   2 0 2 0   R ev is ed   Dec   1 6 ,   2 0 2 0   Acc ep ted   Feb   2 2 ,   2 0 2 1       In   th e   n e a fu tu re ,   t h e   d i g it a li z i n g   wo r ld   will   c o n ti n u e   t o   imp r o v e   a n d   t h e   n e e d   fo r   DC  b a se d   d e v ice w il b e   in c re a se d   b e y o n d   d o u b t .   To d a y ’s  e lec tri c a g rid   is  strictly   d e p e n d e n o n   AC - DC  re c ti fiers .   Eac h   c o n v e rsio n   p ro c e ss   m e a n a d d it io n a p o we lo ss e a n d   sig n a q u a li t y   d e terio r a ti o n fo r   th e   n e tw o rk .   I n   a d d it i o n ,   n e two rk wh ich   a re   fe d   b y   b a tt e ries   a n d   re n e wa b le  so u rc e su c h   a s o lar  p a n e ls,   a n d   wi n d   t u rb i n e a re   su ffe rin g   fro m   c o n v e rsio n - b a se d   p o we lo ss e s.   I n   th is  re sp e c t,   t h e   id e a   o sw it c h in g   t o   DC  o n   th e   l o v o l tag e   sid e   o th e   n e t wo rk h a b e c o m e   a n   in tri g u i n g   s u b jec t.   In   th is  stu d y ,   t h e   a p p li c a b il it y   a n d   e fficie n c y   o th e   l o v o lt a g e   d ir e c c u rre n t   (LVDC)  c o n c e p fo lo v o l tag e   d istri b u ti o n   sy ste m is  d isc u ss e d   a n d   a   sa m p le  LVDC  d istri b u ti o n   sy st e m   is  a n a ly z e d .   I n   th is  o p e ra ti o n a l   re sid e n ti a l   a p p li c a ti o n   e lec tri c a tran si e n a n a ly z e p ro g ra m   (ET AP)  is  e m p lo y e d   f o c o m p a riso n   o d iffere n v o lt a g e   l e v e ls  su c h   a 1 1 0   V DC ,   2 5 0   V DC ,   3 2 0   V DC   a n d   c o n v e n ti o n a 2 2 0 /3 8 0   V AC .   As   a   n o v e a p p r o a c h   d iffere n DC  v o lt a g e   lev e ls  a re   c o m p a re d   with   ty p ica AC  sy ste m   in   d e tail.   Co m p a ra ti v e   a n a ly sis  is co n d u c ted   fo sa fe ty   re g u latio n s,  v o lt a g e   d ro p s,  c u rre n c a rry i n g   c a p a c it ies ,   p o we c o n s u m p ti o n   a n d   h a rm o n i c   c a lcu latio n   o th e   p r o p o se d   sy st e m .   In   th is   re sp e c a p p li c a b il i ty ,   p o ss ib le  d ra wb a c k a n d   fu tu re   a sp e c ts  o LVDC   sy ste m s a re   in terp re ted .   K ey w o r d s :   L o v o ltag DC   s y s tem s     Po wer   d is tr ib u tio n   Po wer   m an ag em e n t   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   C en g iz  Po lat  Uzu n o ğ lu     E lectr ic al  an d   E lectr o n ics E n g in ee r in g   Dep a r tm en t   I s tan b u l U n iv er s ity - C er r ah p aşa   3 4 3 2 0   Av cılar s tan b u l ,   T u r k e y   E m ail:  p o lat@ is tan b u l.e d u . tr       1.   I NT RO D UCT I O N   b ig   d eb ate  was  p r esen ted   ce n tu r y   ag o   b y   E d is o n   an d   T e s la,   wh ich   was   b ased   o n   th d is cu s s io n   ab o u t h i d ea   o f   E d is o n ' s   d ir ec cu r r en ( DC )   an d   th e   id ea   o f   T esla’ s   alter n a tin g   cu r r e n ( AC )   f o r   tr an s m is s io n   o f   elec tr ical  en er g y   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   At  th tim e ,   th AC - DC   d is cu s s io n   r esu lted   in   s u p er io r ity   o f   AC ,   s in ce   elec tr ical  en er g y   co n v er s io n   in   te r m s   o f   h i g h   v o ltag e   ( HV)   an d   lo v o ltag e   ( L V)   ca n   b e   ea s ily   ad j u s ted   b y   th ai d   o f   tr an s f o r m er s   in   th AC   s y s tem   b r illi an tly .   As  r esu lt  o f   ad v a n tag es  s u ch   a s   v o ltag d r o p   a n d   o p tim u m   ca b le  cr o s s - s ec tio n al  ar ea ,   th elec tr ical  g r id   is   d o m in an tly   d e p en d e n o n   th AC   s y s tem   [ 3 ] .   So ,   AC - b ased   d is tr ib u tio n   s y s tem s   h av b ee n   in s talled   an d   u s ed   f o r   ce n tu r y   ef f icien tly .   W ith   th in cr ea s ed   im p r o v em e n ts   in   p o wer   elec t r o n ics,  AC - DC   d eb ate  in   th e   p o wer   tr a n s m is s io n   o f   elec tr icity   n etwo r k s   h as   b ee n   r eiss u ed   d u to   in cr ea s in g   n ee d   f o r   b atter ies,  th ex p an s io n   o f   elec tr ic  v eh icles  an d   th ad v an ce m en ts   o f   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s   [ 4 ] - [ 6 ] .     Ma n y   ad v an tag es  o f   DC   s y s tem s   co m p ar e d   to   AC   s y s tem s   ca n   b u n d e r lin ed   wh e r th i d ea   o f   DC   d is tr ib u tio n   d r aws  atten tio n .   Sin ce   th AC   ca u s es  ex ce s s iv m u s cle   co n tr ac tio n   wh e n   elec tr ical  co n tact  is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   1 9 3     206   194   estab lis h ed   with   liv in g   b ei n g s ,   it  is   m u ch   m o r e   d an g er o u s   t h an   th e   DC   wh ich   h as  th s a m elec tr ical  s tr ess   with   AC   [ 7 ] .   E lectr ical  in s tallatio n   m alf u n ctio n s   m a y   r esu lt  in   d ea th   o r   s ev er i n ju r y ,   wh ich   ar e   o b s er v e d   f r eq u e n tly   in   AC   n etwo r k s .   A   m o r e   s ec u r in s tallatio n   ca n   b f u lf illed   b y   r ed u cin g   th v o ltag lev el  with   t h e   DC   s y s tem   [ 8 ] .   Ma n y   eq u ip m en th at  r eq u ir es  an   en er g y   s to r ag s y s tem   n ee d   ad d itio n al  co n v er ter s   to   b e   co n n ec ted   to   th g r id   wh er e   e ac h   co n v e r ter   h as  its   o wn   a d d itio n al  p o wer   lo s s   an d   c o s [ 9 ] - [ 1 1 ] .   R en ewa b le   s o u r ce s   s u ch   as  p h o to v o ltaic  s o lar   p an els  a r m u ch   m o r c o h er en to   in teg r ate  in to   th L VDC  d is tr ib u tio n   n etwo r k ,   wh ich   o n ly   r eq u ir es  d ir ec co n n ec tio n   to   th s y s te m s .   T h n ee d   f o r   co n v er t er s   i n   p o wer   s y s tem s   ar e   r ed u ce d   b y   h elp   o f   DC   in s tall m en ts   wh er en er g y   s av in g s   o f   th s y s tem   is   ab o u t 2 - 3 % [ 1 2 ] .   AC   n etwo r k s   ar f ac ed   with   p r o b lem s   s u ch   as  h a r m o n ic  d is to r tio n   ca u s ed   b y   u n wan ted   o s cillatio n s ,   s k in   ef f ec an d   r ea ctiv p o wer   lo s s es  [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   T h in te g r a tio n   o f   elec tr ical  tr a n s p o r tatio n   v eh icles  is   ea s ier   th an   AC   n etwo r k s .   Netwo r k   i n teg r atio n   o f   tech n o lo g ies  s u ch   as  u n in ter r u p ted   p o wer   s u p p ly   ( UPS),   ce n tr al   b atter y   s y s tem   ( C B S) ,   will  r e d u ce   lo s s es  in   th D C   s y s tem   [ 1 5 ] .   T h p o wer   ca lcu lat io n s   o f   th DC   n etwo r k s   ar m ath em atica lly   s im p le   i n   co n t r ast  to   co n v en tio n al  AC   s y s tem s .   T h d em an d   f o r   r e n ewa b le  en e r g y   s o u r ce s   ca n   b in cr ea s ed   b y   g r o win g   th n u m b er   o f   DC   n etwo r k s ,   wh ich   lead   to   r e d u c ed   ca r b o n   em is s io n s   [ 1 6 ] .   I n   a d d itio n   to   ad v an tag es,   n u m b e r   o f   d is ad v a n tag e s   o f   DC   s y s tem s   ar n o ted   s u ch   as  th lack   o f   s tan d ar d izatio n s   f o r   L VDC  d i s tr ib u tio n   n etwo r k s ,   all  th el ec tr ical  eq u ip m en h as  b ee n   d esig n ed   f o r   th e   AC   s y s tem   f o r   a   ce n tu r y .   B esid es  in teg r atio n   o f   L VDC  n etwo r k s   to   th e   m ed iu m   v o lta g ( M V)   AC   d is tr ib u tio n   r eq u ir es  co n v er ter s   wh er h a r m o n ics  an d   o th er   s ig n al  q u ality   r elate d   is s u es  ar a v ail ab le.   Alth o u g h   DC   tr an s m is s io n   in   HV  tr an s m is s i o n   lin es is   g r o win g   tr en d ,   th er ar s till   h esit atio n s   ab o u L VDC d is tr ib u tio n .   I n   th is   s tu d y ,   a n   o r d in ar y   h o u s is   m o d elled   f o r   lo w   v o lta g alter n atin g   cu r r en t   ( L VAC)  with   th e   lev el  o f   2 2 0 /3 8 0 an d   v ar i o u s   L VD C   ( 1 1 0   V,   2 5 0   an d   3 2 0   V)   v o ltag es  as  p r ac tical  ex am p le.   Dif f er en t   DC   v o ltag lev els  ar in v esti g ated   f o r   v a r io u s   p er f o r m an c an d   ap p licab ili ty   m etr ics  b y   E T AP  p r o g r am   [ 1 7 ] .   ty p ical  h o u s a n d   lo ad s   s u ch   as  wash in g   m ac h i n e ,   elec t r ical  o v e n ,   d r y e r .   ar e   em p lo y ed   to   v er if y   s y s tem   co m p ar is o n s .   B ased   o n   th d is cu s s io n   m en tio n ed   ab o v e,   th p o wer   lo s s es  in   L VDC   n etwo r k s ,   v o ltag d r o p s   u p   to   en d   u s er s ,   v ar iatio n s   o f   ca b le   cr o s s - s ec tio n al  ar ea s ,   ef f icien cy   an d   a p p licab ilit y   o f   p r o p o s ed   L VDC  s y s tem   is   an al y ze d .       2.   DC  SYS T E M   P RE F E R E NC E   T O   AC  SY ST E M     Sin ce   th elec tr icity   is   tr an s p o r ted   o v er   l o n g   d is tan ce s ,   it  is   v er y   ec o n o m ical  s o lu tio n   t o   u s less er   cr o ss - s ec tio n al  ca b les  as  m u c h   as  p o s s ib le.   I n cr ea s ed   v o lta g lev els  in   tr an s m is s io n   lin e s   m ea n s   d ec r ea s ed   cu r r en ts   ( c o n s tan p o wer )   a n d   h en ce   s m all  cr o s s - s ec tio n al  c ab les  with   less er   cu r r en t   ca r r y in g   ca p ac ity   ca n   b e   u s ed   in   th n etwo r k   ef f icien tl y   an d   ec o n o m ically .   I n   th A C   s y s tem   th is   co n ce p is   ef f ici en tly   ap p lied   b y   th e   aid   o f   tr an s f o r m er s   in   wh i ch   v ar y in g   m a g n etic  f ield s   ar em p lo y ed   to   v o ltag tr a n s f o r m ati o n   ac co r d in g   to   t h Far ad ay   law.   T h alter n atin g   c u r r en t p r o d u ce s   v ar iab le  m a g n etic  f ield ,   wh ich   allo ws tr an s f o r m er s   to   o p e r ate   o n   alter n atin g   cu r r e n t.   No wad ay s ,   it  is   clea r l y   p r e s en ted   th at  t h er a r m an y   ad v a n tag es  to   s witch in g   t h p o wer   tr an s m is s io n   lin es  to   DC   lin es  o n   th e   HV  an d   MV   s id in   m an y   r esp ec ts .   Stu d ies  h a v e   r ev ea led   th at  AC   p o wer   lo s s es   ar in cr ea s ed   i n   co n tr ast  to   DC   p o wer   lo s s es  wh en   lin len g th s   ex ce ed   1 0 0   k m   [ 1 8 ] [ 1 9 ] .   Fu r t h er m o r e ,   in   th r ee   p h ase  tr an s m is s io n   th r ee   p er   ca b le  is   n ee d ed   to   AC   d is tr ib u tio n   n et wo r k s ,   wh ile  o n   th e   o th er   h an d   two   p er   ca b le  is   en o u g h   f o r   DC   d is tr ib u tio n   n e two r k s .   On   th L s id e,   th e   en er g y   ef f icien c y   ac h iev ed   b y   th DC   d is tr ib u ti o n   n etwo r k ,   wh ich   i s   f ed   b y   an   en er g y   s to r ag s y s tem ,   h as  b ee n   in cr e ased   b y   1 5 -   3 0 [ 2 0 ] [ 2 1 ] .   T h wi n d   tu r b i n an d   p h o t o v o ltaic  p a n els  ar co n n ec ted   t o   th g r i d   as  s h o wn   in   Fig u re   1   in   th co n v e n tio n al  AC   d is tr ib u tio n   n etwo r k .   I n   o r d er   t o   s to r en er g y   in   th b atter ie s ,   i n itially   A C /D C   co n v er s io n   is   co n d u cted   an d   th en   it  is   r ec o n v er ted   to   th AC   ag ain   f o r   th b u s   b ar   co n n ec tio n .   I n   th e   co n v en tio n al  AC   s y s tem ,   lo ad in g   is   f u lf illed   ac co r d in g   t o   th en er g y   r eq u i r em en ts   o f   th eq u ip m en wh ic h   will b en er g ized ,   w h er DC   co n v er s io n   is   n ee d ed   a g ain .   T h en er g y   s to r ed   in   th b atter ies  ca n   b tr an s m itted   d ir ec tly   to   th b u s   b ar   with o u ad d itio n a l   co n v er ter s .   Af ter war d s ,   o n ly   DC /D C   co n v er te r s   ar em p lo y ed   f o r   DC   b ased   eq u ip m en p o wer   d em an d   wh ic h   ar th m ajo r ity   o f   d o m esti u s e.   I n   Fig u r e   2 ,   n u m b e r   o f   o p tim izatio n s   ca n   b m ad f o r   eq u ip m en t to   r ed u ce   DC /A C   co n v er s io n .   W h en   th e   n etwo r k ' s   d is tr ib u tio n   s tr u ctu r is   m o d elled   as  a   DC   d is tr ib u t io n   s y s tem   as  in   Fig u r 2 ,   th n ee d   f o r   co n v e r ter s   is   r ed u ce d .   Fo r   in s tan ce ,   d ev ices  s u ch   as  w ash in g   m ac h in es,  d r y er s   an d   d is h wash er s   ca n   o p er ate  in   b o th   cu r r en ty p es  wh en   u n iv er s al  m o to r s   ar u s ed .   R ef r ig er at o r s   ca n   b p r o d u ce d   with   DC   m o to r s .   T h m icr o w av in d u ctio n   h ea ter s   h av to   co n v er th DC   to   AC   f o r   th AC   b ased   m ag n etic  f ield   g en er ated   h ea t,  h o wev er ,   r esis tan ce - b ased   h ea ter s   ca n   b o p er ated   in   b o th   DC   an d   AC .   I n   s u m m ar y ,   we   ca n   r ed u ce   th n ee d   f o r   DC /A C   co n v er s io n   if   th e   DC   r ea d y   d ev ices  ar em p l o y ed   in   th s y s tem   as  m u ch   as  p o s s ib le.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       A   co mp a r a tive  s tu d o n   A C /DC   a n a lysi s   o f a n   o p era tio n a l l o w   vo lta g d is tr ib u tio n   s ystem  ( C ih a n   K a ta r )   195       Fig u r 1 .   L VAC d is tr ib u tio n   n etwo r k   s tr u ctu r e           Fig u r 2 .   L VDC d is tr ib u tio n   s y s tem   s tr u ctu r e       3.   I NT RO D UCING   L VDC  D I ST R I B U T I O F O R E SI D E NT AL   AP P L I CA T I O N   Alth o u g h   t h er is   n o   s tan d a r d izatio n ,   two   b asic  d is tr ib u tio n   s tr u ctu r es  ar e   in tr o d u ce d   f o r   DC   tr an s m is s io n   lin es.  T h f ir s o n is   th u n i p o lar   a n d   th e   s ec o n d   o n is   th b ip o lar   s y s tem .   I n   u n ip o lar   s y s tem s ,   en er g y   is   ca r r ied   o v er   s in g l ca b le  p air   with   th p o ten tia d if f er en ce   o f   +2   V DC   [ 2 2 ] [ 2 3 ] .   T h u n ip o l ar   d is tr ib u tio n   s tr u ctu r is   g i v en   i n   Fig u r e   3.           Fig u r 3 .   L VDC Un ip o lar   d is tr ib u tio n   s tr u ctu r e       I n   b i p o lar   s y s tem s ,   e n er g y   is   tr an s f er r ed   to   th e   p o s itiv an d   n eg ati v e   en d   with   n e u tr al   r ef er e n ce .   B y   th is   way ,   th v o ltag e   lev e is   r ed u ce d   an d   two   d i f f er en t   v o ltag le v els  as  +   V DC   an d     V DC   (2   V DC )   ar e   g iv en   in   th s y s tem   [ 2 4 ] .   T h e   b ip o lar   d is tr ib u tio n   s tr u ctu r is   g iv en   in   Fig u r e   4 .   I n   ad d iti o n ,   b ip o la r   s y s tem s   ar ab le   to   o v er c o m p o wer   o u tag es  s in ce   th e   s y s tem   is   d esig n ed   to   b e   en er g ized   o n   a   s in g le   s id o f   t h e   b ip o lar   s y s tem   wh ich   will p r e v en t sy s tem   f ailu r e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   1 9 3     206   196       Fig u r 4 .   B ip o lar   d is tr ib u tio n   s tr u ctu r e       3 . 1 .     F e a s ibi lity   a nd   ef f iciency   o f   v o lt a g lev el  o n L VDC  dis t ributio n sy s t em   Dete r m in in g   th e   v o ltag e   lev el  in   th p lan n ed   L VDC  n etwo r k   is   th m o s t   im p o r tan p a r am et er   f o r   th n etwo r k   an al y s is .   T h p r o p o s ed   v o ltag lev el  s h o u l d   p r o v id an   o p tim al  s o lu tio n   f o r   b o th   ec o n o m ic  an d   s af ety   is s u es   s in ce   v o ltag d r o p s   an d   cu r r en t d em an d   b y   th lo ad s   ar d eter m in ed   b y   v o ltag lev el.   Acc o r d in g   to   th ca lcu late d   cu r r en v alu e,   th ca b le  cr o s s   s ec tio n al  ar ea s   ar o p tim ize d   an d   h e n ce   v o lt ag d r o p   o f   th e   s y s tem   is   ca lcu lated   [ 2 5 ] .   I n   a d d itio n ,   s izes  o f   cir cu it   p r o tectio n   elem en ts   ar e   ch a n g ed   b y   th cu r r en r atin g s   o f   th s y s tem .   Fu r th er m o r e,   th s h o r t - cir cu it  cu r r e n ts   th at  m ay   o cc u r   in   th in s tallatio n   ar d ir ec tly   d ep en d e n t   o n   th ca b le  le n g th   a n d   v o ltag lev el.     I n   ca s o f   an y   co n tact  with   e lectr icity ,   wh ich   en d a n g er s   h u m an   life   is   ch a r ac ter ized   b y   th r ated   v o ltag lev el   ac co r d in g   to   s af ety   is s u es.  T h ef f ec ts   o f   d if f e r en v o ltag lev els  f o r   t h h u m an   b o d y   ar e   s h o wn   in   T ab le  1 .   AC   ca u s es   m u s cle   co n tr ac tio n s   d u to   o s cillatio n s   o f   AC   s ig n als  an d   wh ich   s h o u ld   b p r ev en ted .   T h er ef o r e,   th th r esh o ld   o f   h a za r d o u s   v o ltag lev el  o f   AC   is   lo wer   th an   DC .   As  s h o wn   in   T ab le  1 ,   wh ile  th e   m u s cle  co n tr o l   is   lo s at  1 5   m i lliam p er e   ( mA )   lev els  in   th e   AC ,   m u s cle  co n tr o l   is   lo s at  lev el  o f   7 5   m in   th e   DC   [ 2 6 ] .       T ab le  1 .   Ph y s ical  ef f ec ts   o f   el ec tr icity   in   v ar io u s   cu r r en ts   P h y s i c a l   e f f e c t o f   e l e c t r i c i t y   DC   A C   ( 5 0 - 6 0 h z )   S e n sa t i o n   a n d   p e r c e p t i o n   1   mA   0 . 4 - 0 . 5   mA   S l i g h t   s h o c k   5   mA   1 - 1 . 5   mA   P a i n f u l   sh o c k ,   m u sc l e   c o n t r o l   ma i n t a i n e d   55   mA   10   mA   P a i n   w i t h   l o ss m u sc l e   c o n t r o l   75   mA   15   mA   S e v e r e   p a i n   d i f f i c u l t y   b r e a t h i n g   90   mA   25   mA   H e a r t h   f i b r i l l a t i o n   5 0 0   mA   1 0 0   mA       I n   co n tact  with   elec tr icity ,   th cu r r e n th r o u g h   th e   b o d y   is   lar g ely   d ep e n d en t   o n   b o d y   r esis tan ce .   B o d y   r esis tan ce   ca n   b e   d iv id e d   in to   two   m ai n   g r o u p s ,   wh ic h   ar e   s k in   r esis tan ce   a n d   i n ter n al  b o d y   r esis tan ce .   Du r in g   t h elec tr ical  s h o ck ,   c u r r en t   p ass es  th r o u g h   t h s k i n   an d   co n tin u es  th r o u g h   th i n ter n al  o r g an s   an d   th en   co m e s   b ac k   o u o f   th s k in   an d   co m p letes  its   p ath .   T o tal  r esis tan ce   i s   d eter m in ed   b y   p ath   o f   cu r r en t   s in ce   it c o n tain s   s k in   r esis tan ce   an d   in ter n al  r esis tan ce   to g et h er .     T h s k in   r esis tan ce   is   d eter m i n ed   b y   v ar io u s   f ac to r s .   W h ile  th r es is tan ce   o f   a   d r y   s k in   is   at  1 0 0   k   lev els,  m o is s k in   is   ab o u 1   k   [ 2 7 ] .   I n   ad d itio n   to   th e   s k in   r esis tan ce ,   th av er ag in ter n al  r esis tan ce   wh ich   is   r elate d   to   in te r n al  o r g an s   is   ab o u t 3 0 0 - 5 0 0   k .   Du r in g   th elec tr ical  c o n t ac h i g h er   s k in   r esis tan ce   is   b r o k e n   d o wn   d u e   to   th e   ac ce le r ated   v o ltag s tr ess   an d   ex ce s s iv cu r r en ts   o b s er v ed   t h r o u g h o u th e   b o d y .   W ith   th in cr ea s ed   v o ltag e   lev els,  b r ea k d o wn   o f   th e   r elate d   r es is tan ce s   co u ld   b m u ch   ea s ier .   T h is   p h en o m e n o n   r ed u ce s   th e   e f f e ct  o f   s k in   r esis tan ce   an d   h en ce   to tal  r esis tan ce .   B ased   o n   th e   av e r ag e   v alu e s ,   b o d y   r esis tan ce s   v ar y   d ep en d in g   o n   t h v o ltag lev el  an d   th f au lt  cu r r en v alu r esu ltin g   f r o m   h a n d - to - f o o m ea s u r e m en ts ,   wh ich   ar s h o wn   i n   T ab le  2 .       T ab le  2 .   Haz ar d o u s   h a nd - to - f o o t c u r r e n ts   an d   r elate d   r esis tan ce s   f o r   AC   an d   DC   v o ltag es   C u r r e n t   so u r c e   V o l t a g e   ( V )   H a n d   t o   f o o t   c u r r e n t   ( mA )   To t a l   b o d y   r e si s t a n t   ( o h m)     1 1 0   8 2 . 1   1 3 4 0   DC   2 5 0   2 6 3 . 2   9 5 0     3 2 0   3 8 1 . 0   8 4 0   AC   2 2 0   2 2 0 . 0   1 0 0 0       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       A   co mp a r a tive  s tu d o n   A C /DC   a n a lysi s   o f a n   o p era tio n a l l o w   vo lta g d is tr ib u tio n   s ystem  ( C ih a n   K a ta r )   197   As  s h o wn   in   T ab le  1 ,   th m u s cle  co n tr o is   lo s at  8 0 - 9 0   m A   in   DC   v o ltag [ 2 8 ] .   T h is   v alu g iv es  u s   th m ax im u m   p o s s ib le  v o ltag v alu wh ich   is   n o ted   as  s a f ety   th r esh o ld .   T h e   er r o r   cu r r e n ts   ca lcu lated   with   th b o d y   r esis tan ce   ar at  th m o s r eliab le  lev el  f o r   1 1 0   V DC   as  s h o wn   in   T ab le  2 .   S in ce   th alter n atin g   cu r r en ex ce ed s   3 0   m lev els,  an   o p er atio n al  s af ety   is s u i s   em er g ed   an d   s o m m ea s u r e s   s h o u ld   b tak en .   Fo r   th is   p u r p o s e,   th r esid u al   cu r r e n r ela y s ,   wh ich   ar m a n u f ac tu r e d   to   co m p ar e   p h ase  cu r r en t   an d   n eu t r al  c u r r en f o r   d etec tin g   p o s s ib le  leak ag cu r r e n ts   ar u s ed   [ 2 9 ] .   I n   DC   s y s tem   n ee d   f o r   r esid u al  cu r r e n r elay s   is   d ec r ea s ed   in   wh ich   DC   s y s tem   is   s aid   to   b e   m u c h   m o r e   ec o n o m ical.   Alth o u g h   t h 1 1 0   V DC   s y s tem   is   th e   m o s n o n - h az ar d o u s   d is tr ib u ti o n   in   th e   p r o p o s ed   s ce n ar io s ,   d if f e r e n DC   lev els  ( 2 5 0   V DC   an d   3 2 0   V DC )   ar in v esti g ated   f o r   p r o p er   co m p a r is o n .     3 . 2 .     pra c t ica l r esid ent ia l buil d ing   m o del   E T AP  p o wer   f lo an al y s is   is   co n d u cte d   f o r   ty p ical  h o u s m o d els  an d   ca lcu latio n s   ar i n v esti g ated .   AC   an aly s is   o f   3 8 0   2 2 0 h o u s d is tr ib u tio n   m o d el,   wh er s in g le  lin d iag r am   ( SLD)   i s   g iv en   in   Fig u r 5 .   T h 3 3   k MV   n etwo r k   is   co n v er ted   to   L o f   0 . 4   kV   with   5 0 0   k VA  tr an s f o r m er   an d   th en   co n v er ted   to   DC   with   r ec tifie r .   T h d is tan ce   b etwe en   th e   tr an s f o r m er   an d   t h b u ild in g   is   co n s id er ed   as   2 0 0 m .   I n   a d d itio n   to   r eg u lar   l o ad s ,   lig h t - em itti n g   d io d e   ( L E D)   lu m in air es   o f   1 1   u n its ,   ea c h   h as  2 5   W   p o wer   a n d   1 5 0 0   lu m en   ar e   u s ed   f o r   lig h tin g .   T h lu m in ai r es  ar en er g ize d   b y   two   lin es,  wh er th f ir s lin h as  f iv ar m atu r es   an d   th e   s ec o n d   lin h a s   s ix   ar m at u r c o n n ec tio n s .   T o tal  illu m in atio n   p o wer   f o r   b o th   lin es is   3 3 0   W.           Fig u r 5 .   E T AP SL o f   3 8 0 /2 2 0   V AC   d is tr ib u tio n       Sm all  p o wer   d is tr ib u tio n   h as  b ee n   n o ted   f o r   th u s o f   g en er al  s o ck et  an d   k itch en   eq u ip m en t.  W ith   s m a ll  p o wer   d is tr ib u tio n ,   elec tr o n ic  d ev ices  s u ch   as  co m p u t er s ,   telev is io n s   an d   telep h o n e s   ca n   b en er g ized .   T h s m all  p o wer   d is tr ib u tio n   m o d el  ass u m es  an   av er ag p o wer   co n s u m p tio n   o f   1 5 0 - 3 0 0   watts  p er   s o ck et.   T wo   lin es  ar g iv en   f o r   g en e r al  u s e,   wh er o n o f   th em   is   in ten d ed   to   b e   u s ed   f o r   th k itch en   eq u ip m e n t.   B esid es  a   to tal  o f   1 . 5   k W   p o wer   co n s u m p tio n   is   esti m ated   f o r   two - lin co m m o n   s o ck et s   an d   co n s eq u en tly   to tal  p o wer   co n s u m p tio n   is   p r ed icted   as 1 . 5 6   k W   f o r   k itch en   eq u ip m e n t.   T h r e m ain in g   eq u ip m en t   d em an d s   h i g h - p o wer   an d   ea c h   o f   th is   e q u ip m en is   en er g ized   with   s ep ar ate  lin es.  B r ief ly   b o th   m o d els  ( AC   an d   DC )   co n tain   m u ltip le  co n n ec tio n s   f o r   s m all  p o wer   co n s u m p tio n ,   lig h tin g   co n s u m p tio n   an d   h ig h - p o wer   co n s u m p tio n s   as  well.   T h m ain   p r o b lem   is   th co m p ati b ilit y   o f   th e   eq u ip m en t   to   th DC   co n n ec tio n   ( DC   r ea d y   o r   n o t) .   SLD  an aly s is   o f   1 1 0   V DC   d is tr ib u tio n   m o d el  is   g iv en   in   Fig u r e   6 .   SLD  an aly s is   o f   2 5 0   V DC   d is tr ib u tio n   m o d el  an d   3 2 0   V DC   d is tr ib u tio n   m o d el  ar g iv en   in   Fig u r e   an d   Fig u r e   8   r esp ec tiv ely .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   1 9 3     206   198       Fig u r 6 .   E T AP SL o f   1 1 0   V DC   d is tr ib u tio n           Fig u r 7 .   E T AP SL o f   2 5 0   V DC  d is tr ib u tio n       All  ca b les  an d   eq u ip m en m u s b p r o tecte d   f r o m   s h o r t - cir cu it  an d   o v e r cu r r e n f au lts .   I n   o r d er   t o   p r o tect  th lig h tin g   cir c u its   in   DC   n etwo r k s ,   m in iatu r cir c u it  b r ea k er s   with   1 0 o v e r l o ad   p r o tectio n   a n d   4 . 5   k s h o r cir c u it  p r o tectio n   ar u s ed .   Min iatu r e   cir cu it  b r e a k er   with   1 6   o v er lo a d   an d   4 . 5   k s h o r cir cu it   cu r r en ar u s ed   f o r   p r o tectio n   o f   2 5 0   V DC   an d   3 2 0   V DC   n e two r k s .   T h ty p ical  p r o tectio n   v alu es   f o r   th 1 1 0   V DC   n etwo r k   ar s i m ilar   to   2 5 0   V DC   an d   3 2 0   V DC   n etwo r k s   in   th E T AP  m o d el,   h o wev er   o n ly   two   f ee d e r   lin es  with   ap p r o x im ately   2   k W   p o wer   r atin g s   ar e   p r o tecte d   b y   m in iatu r cir c u it  b r ea k er s   with   th o v er lo a d   ca p ac ity   o f   2 0   in   t h 1 1 0   V DC   n etwo r k   wh en   co m p a r ed   to   o th er   n etwo r k s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       A   co mp a r a tive  s tu d o n   A C /DC   a n a lysi s   o f a n   o p era tio n a l l o w   vo lta g d is tr ib u tio n   s ystem  ( C ih a n   K a ta r )   199       Fig u r 8 .   E T AP SL o f   3 2 0   V DC  d is tr ib u tio n       T h r eq u ir ed   to tal  c u r r e n ca n   b d r awn   f r o m   th m ai n   b o ar d   to   th s ec o n d ar y   b o ar d   b y   c ab le  with   5 0   m m 2   cr o s s   s ec tio n al  ar ea ,   wh ich   is   s u itab le  f o r   v o ltag d r o p   a n d   cu r r en ca r r y in g   ca p ac ity .   Af ter   ca b le  o p tim izatio n ,   it  is   n ec ess ar y   to   d eter m in th p ar am ete r s   o f   th cir cu it  p r o tectio n   elem en ts   to   p r o tect  th e   n etwo r k   f r o m   o v e r lo ad   an d   s h o r cir cu it  f au lt  c u r r e n ts .   I n   ad d itio n ,   t h er m al  p r o tec tio n   an d   m ag n etic  p r o tectio n   ar r eq u ir e d   to   p r e v en o v er lo ad   an d   s h o r cir cu its   r esp ec tiv ely .   Fo r   th is   r ea s o n ,   c o m p ac t   cir cu it   b r ea k er s ,   wh ich   co n tain   b o th   m en tio n ed   p r o tectio n s   ar e   ch o s en   as c ir cu it p r o tectiv elem e n ts .   Fo r   th 5 0 m m 2   ca b le  p r o tecti o n   in   1 1 0   V DC   s y s tem ,   co m p ac s witch es  with   8 0   o v er c u r r en a n d     10   k A   s h o r cir c u it  ch ar ac ter i s tics   ar in s talled   to   th m ain   d is tr ib u tio n   b o ar d   o u t p u an d   th e   last   d is tr ib u tio n   b o ar d   in p u Fig u r e   6 .   I n   th 2 5 0   V DC   s y s tem   f o r   th 1 6 m m 2   ca b le  p r o tectio n ,   c o m p ac t   s witch es  wi th   5 0   o v er cu r r en t   an d   1 0   k s h o r t   c ir cu it  ch ar a cter is tics   ar e   in s talled   to   th e   m ain   d is tr ib u tio n   b o ar d   o u tp u a n d   th e   last   d is tr ib u tio n   b o ar d   in p u F ig u r e   7 .   Fin ally ,   f o r   th 1 0 m m 2   ca b le  p r o tectio n   in   3 2 0   V DC   s y s tem ,   co m p ac s witch es  w ith   3 2   o v er cu r r e n an d   1 0   k s h o r cir cu it  ch ar ac ter is tics   ar in s talled   to   th m ain   d is tr ib u tio n   b o ar d   o u tp u t a n d   t h e   last   d is tr ib u tio n   b o ar d   in p u Fig u r e   8 .       4.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   I n   o r d er   to   in v esti g ate  th e   p r o p o s ed   h o u s d is tr ib u tio n   m o d el,   v ar io u s   an aly s es  h av b ee n   co n d u cte d .   Po wer   an al y s is ,   cu r r en ca r r y in g   ca p ac ity   a n aly s is ,   v o ltag d r o p   an aly s is   an d   h ar m o n ic  an aly s is   ar co n d u cted   wh ich   ar ac ce p ted   as  k e y   p ar am eter s   f o r   d is tr ib u tio n   s y s tem   p lan n in g .   A n aly s es  ar g iv en   in   d etail  f o r   AC   an d   DC   co m p ar i s o n .     4 . 1 .     M o del  p a ra m et er s   T h L VDC  SLD  o f   an   o r d in ar y   h o u s is   m o d elled   in   t h e   E T AP  p r o g r am .   T h r esp o n s es  o f   th n etwo r k   t o   d i f f er en t   v o ltag e   le v els  ar an al y ze d   a n d   co r r esp o n d in g   r esu lts   f o r   1 1 0   V DC ,   2 5 0   V DC   an d   3 2 0   V DC   n etwo r k s   ar i n ter p r eted   r esp e ctiv ely .   T h p ar am eter s   r e q u ir ed   f o r   E T AP  s im u latio n   ar e   c alcu lated   an d   g iv en   as f o llo ws.     4 . 1 . 1 .     AC  s o urce   pa ra m e t er s :   T h p ar am eter s   u s ed   in   AC   n etwo r k s   ar g iv en   as  f o llo ws,  r esp ec tiv ely .   S K = MV wh ic h   d en o tes   AC   s o u r ce   s h o r t - cir cu it  p o we r ,   V AC =3 3   k V,   C   is   th v o lta g co ef f icien t,   wh ich   ca n   b co n s id er ed   1 , 1   f o r   m ed iu m   v o ltag e   s y s tem .   Z = 1 . 1 9 7 9   ,   X = 1 . 1 9 1 9     ( X = Z   x   0 , 9 9 5 ) ,   R = 0 . 1 1 9 1 9     ( R = Z   x   0 , 1 )   wh ich   Z ,   X an d   R   d en o te  im p ed an c r ea ctan ce   an d   r esis tan ce   r esp ec t iv ely .   B y   ap p r o x im atio n   o f   th p r o p o s ed   m o d el,   t h r atio   o f   X/R   is   g iv en   as 1 0 .   T h im p ed an ce   is   ca lcu lated   b y   th e x p r ess io n :     2 AC CV Zq Sk =   ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   1 9 3     206   200   4 . 1 . 2 .     T ra ns f o rm er   pa ra m et er s :   I n   th e   n etwo r k   3 3   k V/0 . 4   k V,   5 0 0   k VA  tr a n s f o r m er   with   th e   tr an s f o r m er   im p ed a n ce   o f   4   is   u s ed .   T h r atio   o f   X/R   is   s elec ted   as   1 . 5 .     4 . 1 . 3 .     Ca ble pa ra m et er s :   I n   th L VDC  an d   L VAC  n etwo r k s ,   ca b les  with   th cr o s s - lin k ed   p o ly eth y le n ( XL PE)   i n s u latio n   an d   p o ly v in y ch lo r id ( PVC )   jack ets  ar u s ed .   DC   r esis tan ce s   ( p er   len g th )   o f   ca b les  ar g i v en   as  7 5 5 5 . 6   µ    /m ,   4 7 0 0 . 6   µ    /m ,   3 1 4 0 . 5   µ     / m   an d   3 9 4 . 6   µ     /m   f o r   t h cr o s s - s ec tio n al  ar ea s   o f   2 . 5   mm 2 ,   4   mm 2 ,   6   mm 2   an d   50   mm 2   r esp ec tiv ely .   T h s h o r t c ir cu it ( 1   s ec o n d )   cu r r en t ( 5 0   mm 2   ca b le)   is   7 , 0 5   k A.   Af t er   th eq u ip m en t a n d   p ar am eter s   ar e   d eter m in ed ,   t h v o ltag d r o p   a n d   th c u r r en ca r r y in g   ca p ac ity   o f   t h e   ca b les  s h o u ld   b d eter m in ed   f o r   th e   ca b le  o p tim izatio n   an d   p o wer   a n aly s is .     4 . 2 .     Curre nt  ca rr y ing   ca pa c it y   T h cu r r e n t d r awn   co n d u cto r   is   p r o n to   fa ce   with   in cr ea s ed   tem p er atu r d u to   its   r esis tan ce .   As th ca b le  h ea ts   u p ,   its   ef f icien c y   d ec r ea s es.  Fu r th er m o r e,   i f   th e   tem p er atu r ex ce e d s   th p er m is s ib le  th r esh o ld ,   it   m ay   er o d th in s u latio n   m at er ial  an d   m ay   ca u s f ir e.   T h e r m al  lim its   d eter m in th e   m ax im u m   cu r r en lim it  th at  ca b les  ca n   ca r r y .   N o m in al  cu r r en t   ca r r y i n g   ca p ac ities   o f   h alo g en - f r ee   an d   XL PE  in s u lated   ca b les  ar e   g iv en   in   T a b le  3 .   So m r ep ea ti n g   ca b les wh ich   h av th s am p r o p e r ties   ar n o g iv en   in   T ab le  3 .       T ab le  3 .   No m i n al  cu r r e n t c ar r yi n g   ca p ac ities   o f   h alo g e n - f r e an d   XL PE  in s u lated   ca b les       C u r r en ca r r y in g   ca p ac ities   ar af f ec ted   b y   th in s tallatio n   m eth o d   o f   ca b les.  T h co r r ec t io n   f ac to r   m u s b ap p lied   to   th c u r r en t   ca r r y in g   ca p a city   in   ac co r d a n ce   with   th e   in s tallatio n   ty p e.   T ab le  3   s h o ws  th e   m ax im u m   p er m is s ib le  cu r r en t   ca r r y i n g   ca p ac ities   o f   th in s t allatio n   ca b les  ac co r d in g   to   th in s tallatio n   ty p e.   W h ile  th cu r r en ca r r y in g   ca p ac ity   o f   2 , 5   m m 2   ca b le  is   3 0   A,   th is   ca p ac ity   d ec r ea s es  to   2 8 . 8   A   wh en   it  is   in s talled   in s id th b u ild in g .   Ma x im u m   cu r r e n t   ca r r y in g   c ap ac ity   is   ca lcu lated   b y   u s i n g   co r r ec tio n   f ac t o r ,   wh er all  cu r r en v alu es  ar ca lcu lated   ac co r d in g   to   I E C 6 0 3 6 4   s tan d ar d   [ 3 0 ] .   Fo r   i n s tan ce ,   wh en   th e   m ax im u m   p o wer   o f   th eq u ip m en is   ass u m ed   as  2   k W ,   t h to tal  cu r r en d em a n d   is   ap p r o x im ately   1 8   A,   w h ich   is   v er if ied   b y   th e   ( 2 ) .   F o r   2 ,   m m 2   ca b le,   th e   m ax im u m   cu r r e n allo wed   is   2 8   A.   Al th eq u i p m en ca n   b en er g ize d   with   2 , 5   m m 2   ca b le  in   th 1 1 0   V DC  n etwo r k .       ( ) ( ) ( ) W D C D C P V I =   ( 2 )     4 . 3 .     Vo l t a g d ro o p   I n   th p r ev io u s   s ec tio n ,   t h in s tallatio n   is   ex am in ed   f o r   c u r r en ca r r y in g   ca p ac ities   with   r e g ar d   to   t h co r r ec tio n   f ac to r s .   Du to   th e   r esis tan ce   o f   th ca b le,   v o lta g d r o p   o cc u r s   f r o m   th s ec o n d ar y   o u tp u o f   t h tr an s f o r m er s   to   th e n d   u s er .   I f   th v o ltag d r o p   is   ab o v e   th lim its ,   it  m ay   d am a g o r   in t er r u p t h o p er atio n   o f   elec tr o n ic  e q u ip m e n t.  Acc o r d in g   to   r eg u latio n s ,   0 . 4   k v o ltag at   th s ec o n d ar y   o f   t h tr an s f o r m er   s h o u l d   h av a   m ax im u m   d r o p   o f   1 0   th r o u g h o u th e   lin e.   T h e   v o ltag d r o p   f r o m   th e   last   p a n el  to   t h lig h tin g   an d   s o ck et  lo ad   is   d eter m in e d   as  3 %.  Ad d itio n all y ,   v o ltag e   d r o p   is   d eter m in ed   as 1 . 5 % f o r   th m o to r   cir c u its .   T h e   p er ce n tag o f   v o ltag d r o p   is   ca lcu lated   as  in   th f o llo win g   ex p r ess io n s .   I n   ( 3 )   d if f er e n ce s   b etwe en   in p u an d   o u tp u v o ltag es a r ca lcu lated   an d   in   ( 4 )   p er ce n tag o f   th e   v o ltag d r o p   is   ca l cu lated .     21 D C D C D C U U U =   ( 3 )     % 1 0 0 DC DC U U U =   ( 4 )     T h p o ten tial d i f f er en ce   in   th e   n etwo r k   ca n   b c o m p u te d   b y   ca b le  r esis tan ce .   ID   kV   C o n d . / C a b l e   S i z e   ( mm ²)   Le n g t h   ( m)   P h a se   B a se   A mp .   I n st a l l a t i o n   A l l o w a b l e   A mp .   ( I EC   6 0 3 6 4 )   µ O h ms   ( 2 5 ° C )   U n i t   Le n g t h   ( m)   C a b l e 0 1   1   4 / C   50   2 0 0   A C   -   3P   2 0 9   Emb e d d e d   D i r e c t   2 0 0   3 9 4 , 6   C a b l e 0 2   1   3/ C   50   30   DC   1 7 5   A / G   C o n d u i t   1 6 8   3 9 4 . 6   C a b l e 0 3   1   3 / C   2 . 5   15   DC   30   B u i l d i n g   V o i d s   2 8 . 8   7 5 5 5 . 6   C a b l e 0 5   1   3 / C   4 . 0   35   DC   40   B u i l d i n g   V o i d s   3 8 . 4   4 7 0 0 . 6   C a b l e 0 8   1   3 / C   6 . 0   20   DC   51   B u i l d i n g   V o i d s   49   3 1 4 0 . 5   C a b l e 1 3   1   3 / C   10   38   DC   69   B u i l d i n g   V o i d s   6 6 . 2   1 8 6 6   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   Ap p l Po wer   E n g   I SS N:  2252 - 8 7 9 2       A   co mp a r a tive  s tu d o n   A C /DC   a n a lysi s   o f a n   o p era tio n a l l o w   vo lta g d is tr ib u tio n   s ystem  ( C ih a n   K a ta r )   201   D C c a b le U I R =   ( 5 )     C ab le  r esis tan ce   f o r   b o t h   u n ip o lar   an d   b i p o lar   s y s tem s   ar e   g iv en   i n   ( 6 )   wh er e   ρ   d en o tes   r esis tiv ity ,   is   th len g th   an d   S r ep r esen ts   th cr o s s - s ec tio n al  ar ea   o f   th ca b le.   Vo ltag d r o p   o f   th DC   s y s tem   is   g iv en   in   ( 7 ) .     2 c a b le l R S =   ( 6 )     () 2 % 2 0 0 w DC Pl U US =   ( 7 )     Acc o r d in g   to   p o wer   f lo a n aly s is   o f   th e   E T AP  p r o g r am ,   ca b le  cr o s s   s ec tio n s   o f   th 1 1 0   V DC   n etwo r k   s h o wn   i n   Fig u r e   6   ar in cr ea s ed   wh en   co m p ar ed   to   AC   o r   o th er   DC   s y s tem s   d u to   th v o ltag d r o p   lim its .   T h v o ltag d r o p   in   th elec tr ical  p a n el  f ee d er   ca b l is   2 wh er e   m a x im u m   v o l tag d r o p   f r o m   t h e   elec tr ical  p an el  to   th e q u ip m e n t is ca lcu lated   as 2 %.    I n   th 2 5 0   V DC   n etwo r k ,   th v o ltag d r o p   in   th elec tr ical  p an el  f ee d er   ca b le  is   1 . 2 an d   m ax im u m   v alu o f   v o ltag d r o p   f r o m   th elec tr ical  p an el  to   th eq u ip m en is   co m p u ted   as  0 . 9 as  is   s h o wn   Fi g u r e   an d   f in ally   f o r   th 3 2 0   V DC   n etwo r k   v o ltag d r o p   in   t h elec tr ical  p an el  f ee d er   ca b le  is   1 . 1 an d   m ax im u m   v alu o f   v o ltag d r o p   f r o m   th e   elec tr ical  p an el  to   th e   e q u ip m en t is co m p u ted   as  0 . 9 Fig u r e   8 .   I is   im p o r tan to   d eter m in th d em an d   f ac to r   o f   th lo a d s   s in ce   ca lcu latin g   ca b le  cr o s s   s ec tio n   an d   to tal  d em an d   p o wer   o n   th e   b u s b ar   is   s tr ictly   r elate d   with   d em an d   f ac to r   [ 3 1 ] .   T h p r o b a b ilit ies  o f   s im u ltan eo u s   o p er atio n   o f   ea c h   lo ad   with   th o t h er s   ar g iv en   in   th e   T ab le  4   as  d em a n d   f ac to r .   Sin ce   m o r e   th an   o n e   s o ck et  is   co n n ec ted   t o   lin es  3   an d   4   i n   th s y s tem ,   t h d em an d   f ac to r   is   s elec ted   lo wer   th an   t h o th e r   d em an d   f ac to r s .   Af ter   th d em an d   f ac to r   is   ch o s en ,   cu r r e n ts   ar ca lcu lated   ac co r d in g   to   d em an d   p o wer s .   T ab le  5   s h o ws cr o s s   s ec tio n s ,   cu r r en ts   an d   v o ltag d r o p s   f o r   DC   n etwo r k s .   T h d e m an d   f ac to r   o f   t h b u s b ar   at  th e   elec tr ical  p an el  is   ca lcu lated   as   0 . 7 2 .   As  r esu lt,  b y   th e   o p tim izatio n   o f   th in s talled   p o wer   with   th d em an d   f ac t o r ,   th e   d em a n d   p o wer   in   th e   elec tr ical  p an el   is   ca lcu lated   as  8 . 8 8   k W .   T h e   to tal  d em an d   c u r r e n in   th e   b u s   b ar   is   ca lcu lated   as  7 7 . 9   A,   3 5 . 5 4   A,   2 7 . 7   f o r   th 2 5 0   V DC ,   2 5 0   V DC   an d   3 2 0   V DC   n etwo r k s   r esp ec tiv ely   an d   1 8 . 9   f o r   th AC   n etwo r k .       T ab le  4 .   C o m p a r is o n   o f   h o m e   ap p lian ce s   f o r   p o wer   v alu es,  d em an d   f ac to r s   an d   l en g th s   H o me  A p p l i a n c e s   P o w e r   ( k W )   D e man d   f a c t o r   Le n g t h   ( m)   El e c t r i c a l   P a n e l   8 . 8 8   0 . 7 2   30   LED   Li g h t i n g     0 . 1 5   1 . 0 0   15   LED   Li g h t i n g     0 . 1 8   1 . 0 0   20   Lo w   P o w e r   H o me  A p p .   0 . 9 0   0 . 4 0   35   Lo w   P o w e r   H o me  A p p .   0 . 6 0   0 . 4 0   30   V a c u u c l e a n e r   /   i r o n     1 . 0 0   0 . 7 0   18   El e c t r i c   o v e n   2 . 0 0   0 . 8 0   20   W a sh i n g   m a c h i n e   1 . 1 5   0 . 7 5   20   K i t c h e n   e q u i p m e n t   1 . 5 6   0 . 7 0   25   D i sh w a s h e r   1 . 3 0   0 . 8 0   20   C l o t h e s   d r y e r   1 . 5 0   0 . 7 5   28   A i r   c o n d .   o u t d o o r   u n i t   2 . 0 0   0 . 6 5   38       T ab le  5 .   C o m p a r is o n   o f   d n et wo r k s   ( d if f e r en t v o ltag lev els)  f o r   c r o s s   s ec tio n s ,   cu r r en ts   a n d   v o lta g d r o p s   H o me  A p p l i a n c e s   1 1 0   V DC   2 5 0   V DC   3 2 0   V DC   C r o ss  sec t i o n   ( mm 2 )   C u r r e n t   (A)   V o l t a g e   d r o p s   C r o ss  sec t i o n   ( mm 2 )   C u r r e n t   (A)   V o l t a g e   d r o p s   C r o ss  sec t i o n   ( mm 2 )   C u r r e n t   (A)   V o l t a g e   d r o p s   El e c t r i c a l   P a n e l   50   7 7 . 9   2 . 0 0 %   16   3 5 . 5 4   1 . 2 0 %   10   2 7 . 7 6 5   1 , 1 %   LED   Li g h t i n g     2 . 5   1 . 4   0 . 3 0 %   2 . 5   0 . 6 0 5   0 . 1 0 %   2 . 5   0 . 4 7 2   0 . 0 9 %   LED   Li g h t i n g     2 . 5   1 . 7   0 . 5 0 %   2 . 5   0 . 7 4 6   0 . 1 2 %   2 . 5   0 . 5 6 6   0 . 1 0 %   Lo w   P o w e r   H o me  A p p .   4   3 . 2   1 . 1 0 %   2 . 5   1 . 4   0 . 4 0 %   2 . 5   1 . 1   0 . 2 0 %   Lo w   P o w e r   H o me  A p p .   4   2 . 1   0 . 6 0 %   2 . 5   0 . 9 4 5   0 . 2 0 %   2 . 5   0 . 7 42   0 . 1 0 %   V a c u u c l e a n e r   /   i r o n     4   6 . 2   1 . 1 0 %   2 . 5   2 . 8   0 . 4 5 %   2 . 5   2 . 2   0 . 2 0 %   El e c t r i c   o v e n   6   14   1 . 9 0 %   2 . 5   6 . 3   0 . 9 0 %   2 . 5   4 . 9   0 . 6 0 %   W a sh i n g   m a c h i n e   6   8 . 1   1 . 7 0 %   2 . 5   3 . 5   0 . 5 0 %   2 . 5   2 . 7   0 . 3 0 %   K i t c h e n   e q u i p m e n t   6   9 . 6   1 . 5 8 %   2 . 5   4 . 3   0 . 8 0 %   2 . 5   3 . 4   0 . 5 5 %   D i sh w a s h e r   6   9 . 8   1 . 3 0 %   2 . 5   4 . 2   0 . 6 0 %   2 . 5   3 . 4   0 . 4 0 %   C l o t h e s   d r y e r   6   1 0 . 4   2 . 0 0 %   2 . 5   4 . 6   0 . 9 0 %   2 . 5   3 . 6   0 . 6 0 %   A i r   c o n d .   o u t d o o r   u n i t   10   1 1 . 7   1 . 8 0 %   4   5 . 3   0 . 9 0 %   2 . 5   4 . 1   0 . 9 0 %   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8 7 9 2   I n t J   Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 1 :   1 9 3     206   202   4 . 4 .     H a rmo nic  a na ly s is   T r an s f o r m e r s ,   m o to r s ,   ca b les  an d   o th er   c o n d u ctiv p a r ts   ar f r eq u en tly   f ac ed   with   o v er h ea tin g ,   ex p lo s io n s   an d   f a u lts   in   p o we r   s y s tem s   b y   h ar m o n ics  [ 3 2 ] [ 3 3 ] .   B esid es,  h ar m o n ics  m ay   ca u s m alf u n ctio n s   in   elec tr o n ic  ca r d s ,   s witch g e ar   an d   o t h er   p r o tectio n   e q u i p m en t.  So m d ev ices,  wh ich   ar f ed   f r o m   AC   n etwo r k s ,   h a v d is to r tin g   e f f ec ts   ( h ar m o n ics)   o n   th n etwo r k .   T h ese  ar e   cu r r e n tly   elim in ated   b y   f ilter in g   m eth o d s .   W h en   a   DC   d is tr ib u tio n   n etwo r k   is   m o d elle d ,   it   s h o u ld   b e   n o te d   th at  h a r m o n ic   an aly s is   s h o u l d   b e   co n d u cte d   f o r   th AC   s id s in ce   h ar m o n ics  ca u s ed   b y   th e   s wit ch in g   o f   AC / DC   co n v er ter s   ca u s d is tu r b an ce s   o n   th AC   n etwo r k   s id e.   Fo r   th is   p u r p o s e,   ea ch   o f   th s witch in g   elem en ts   s h o u ld   n o t e x ce ed   th lim itatio n s   o f   h ar m o n ic  d is to r tio n s ,   wh ich   a r em p lo y e d   o n   th AC   n etw o r k   s id e.   T h eq u ip m en t,  p o wer   v alu es,  d em a n d   f ac to r s   an d   ac c o r d in g ly   th c u r r en ts   an d   v o ltag d r o p   f o r   AC   n etwo r k   is   g iv en   in   T ab le  6 .       T ab le  6 .   T h 3 8 0 /2 2 0   V AC   n et wo r k   p r o p er ties   o f   p o wer   v alu es,  d em an d   f ac to r s ,   cu r r en t a n d   v o ltag d r o p s   H o me   A p p l i a n c e s   P o w e r   ( k W )   D e man d   f a c t o r   Le n g t h   ( m)   C a b l e   c r o ss s e c t i o n   ( mm 2 )   C u r r e n t   (A)   V o l t a g e   d r o p s   El e c t r i c a l   P a n e l   8 . 8 8   0 . 7 2   30   10   1 8 . 9   0 . 4 6 %   LED   Li g h t i n g     0 . 1 5   1 . 0 0   15   2 . 5   0 . 7 7 5   0 . 0 9 %   LED   Li g h t i n g     0 . 1 8   1 . 0 0   20   2 . 5   1 . 1   0 . 1 4 %   Lo w   P o w e r   H o me  A p p l i a n c e s   0 . 9 0   0 . 4 0   35   2 . 5   2 . 1   0 . 4 9 %   Lo w   P o w e r   H o me  A p p l i a n c e s   0 . 6 0   0 . 4 0   30   2 . 5   1 . 4   0 . 2 8 %   V a c u u c l e a n e r   /   i r o n     1 . 0 0   0 . 7 0   18   2 . 5   4 . 1   0 . 4 9 %   El e c t r i c   o v e n   2 . 0 0   0 . 8 0   20   2 . 5   9 . 3   1 . 2 3 %   W a sh i n g   m a c h i n e   1 . 1 5   0 . 7 5   20   2 . 5   6 . 3   0 . 8 1 %   K i t c h e n   e q u i p m e n t   1 . 5 6   0 . 7 0   25   2 . 5   6 . 3   1 . 0 5 %   D i sh w a s h e r   1 . 3 0   0 . 8 0   20   2 . 5   7   0 . 9 5 %   C l o t h e s   d r y e r   1 . 5 0   0. 75   28   2 . 5   8 . 3   1 . 5 8 %   A i r   c o n d .   o u t d o o r   u n i t   2 . 0 0   0 . 6 5   38   4   11   0 . 2 0 %       T h r ec tifie r s   with   1 2   a n d   2 4   p u ls es  ar ch ar ac ter ize d   with   r ea ctan ce   in   p er ce n o f   d e v ice  r atin g   (X C = 5 %)  an d   m ax im u m   h a r m o n ic  o r d er   ( 5 0 ) .   Har m o n ic  an aly s is   i s   co n d u cted   an d   to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T HD)   v alu es  ar co m p u te d .   T HD  is   an   ef f icien alg o r ith m   f o r   a n aly zin g   h ar m o n ic   im p a ct  o f   th r ec tifie r   o f   th co n v e r s io n   s y s tem .   T H is   co m p u ted   b y   u s in g   th f o llo win g   e q u atio n s   [ 3 4 ] .   I n itially ,   ar ith m etic  s u m m atio n   o f   m ag n itu d es o f   a ll c o m p o n e n ts   ar co m p u ted   i n   ( 8 ) .     1 k A SU M V i = =   ( 8 )     T h en   r o o t   m ea n   s q u ar e   ( R MS)   o f   f u n d am e n tal  p lu s   all   h ar m o n ics  is   ca lcu lated   i n   ( 9 ) .   Fin ally ,   T HD   is   co m p u ted   ac co r d in g   to   ( 1 0 ) .     2 1 k R M S V i = =   ( 9 )     2 2 2 2 3 4 1 .... v o ltag e V V V T H D V + + + =   ( 1 0 )     I n   ( 8 )   V i   r ep r esen ts   am p litu d e   o f   th V TH   h ar m o n ic  a n d   V 1   i s   th f u n d am e n tal  co m p o n en ( 5 0   Hz  in   th p r o p o s ed   m o d el) .   T a b le  7   s h o ws  th T HD   o f   B u s   two   f o r   2 4   p u ls an d   1 2   p u ls r ec tifie r s .   T HD  lim it   s h o u ld   b m ax im u m   f iv p e r c en t f o r   I E E E   5 1 9   [ 3 5 ]   s y s te m s ,   wh ich   h av r ated   v o ltag less   th an   1   k V.   E f f ec ts   o f   th T HD  o n   th AC   n etwo r k   ar g iv en   in   Fig u r e   9   an d   Fig u r e   1 0 ,   wh ich   r ev ea l sig n al  d is to r tio n s   ca u s ed   b y   h ar m o n ics.       T ab le  7 .   T DH  f o r   2 4   p u ls an d   1 2   p u ls r ec tifie r s   B u s   I D   B u s   k V   R M S   A S U M   TH D   B u s   -   2 4   P u l s e   0 . 4   9 9 , 7 7   1 0 2 , 6 5   1 , 4 6   B u s   2   -   1 2   P u l s e   0 , 4   9 9 , 7 8   1 0 2 , 0 5   1 , 9 3     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.