I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   1 7 6 8 ~ 17 79   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 3 . p p 1 7 6 8 - 17 79           1768       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Sho rt - cir cuit  ana ly sis  and pro tect io n coo rdina tion o f  a  33  kV  pho spha te  pla nt  d istribution  net wo rk       Cheik ha ni Abdel K a der,   B a m ba   El   H eiba ,   M o ha m ed  E l Ma m y   M o ha m ed  M a hm o ud ,   B eiba h  G leig um e,   Abdel K a der  M a hm o ud   A p p l i e d   R e sea r c h   La b o r a t o r y   o f   R e n e w a b l e   E n e r g y ,   W a t e r   a n d   E n v i r o n m e n t   ( U R A 3 E - EX   C R A ER ) ,   U n i v e r si t y   o f   N o u a k c h o t t ,   N o u a k c h o t t ,   M a u r i t a n i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 3 ,   2 0 2 6   R ev is ed   Au g   1 1 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   1 9 ,   2 0 2 6       Th is  st u d y   p re se n ts  a   sh o rt - c ircu i t  a n d   p r o tec ti o n   c o o rd i n a ti o n   a n a ly sis  o f   a   3 3   k V/ 0 . 4   k V  i n d u strial  d istr ib u ti o n   n e two rk   su p p l y i n g   a   p h o s p h a te   p ro c e ss in g   p lan t  i n   M a u rit a n ia.   Us in g   ET AP  so f twa re ,   th e   sy ste m   wa s   m o d e led   to   e v a lu a te   fa u lt   b e h a v io rs  b a se d   o n   IEC   6 0 9 0 9   a n d   IEC   6 0 2 5 5 - 1 5 1   sta n d a rd s.  Th e   stu d y   a ss e ss e s   th e   e x isti n g   p ro tec ti o n   a rc h it e c tu re   a n d   p ro p o se s  a n   o p ti m ize d   d i g it a l   p ro tec ti o n   fra m e wo rk .   S imu lati o n   re su lt s   in d ica te  th a t  th e   i n it ial  sy m m e tri c a l  sh o rt - c ircu it   c u rre n t  a t  t h e   0 . 4   k V  b u s b a r   re a c h e s  9 6 . 5   k A,   e x c e e d in g   t h e   2 5 - 3 6   k A  b re a k in g   c a p a c it y   o f   t h e   leg a c y   e q u ip m e n t   b y   n e a rly   3 0 0 % .   Th e   a n a ly sis  a lso   i n v e sti g a tes   sin g le - li n e - to - g ro u n d   fa u lt s,  re v e a li n g   a   fa u lt   c u rre n t  in v e rsio n   p h e n o m e n o n   d ri v e n   b y   th e   so li d   g r o u n d i n g   c o n fi g u ra ti o n .   To   a d d re ss   t h e se   v u ln e ra b i li ti e s,   th e   stu d y   p ro p o se s  u p g ra d in g   t o   1 5 0   k A - ra ted   h i g h - b re a k i n g - c a p a c it y   sw it c h g e a r  a n d   imp lem e n ti n g   a d v a n c e d   n e g a ti v e - se q u e n c e   p ro tec ti o n   (AN S I   4 6 )  a n d   tran sfo rm e r  d iffere n ti a l  p r o tec ti o n   (AN S I  8 7 T).   T h is  wo rk   p ro v i d e s  a   p ra c ti c a l  d iag n o stic   fra m e wo rk   fo r   m it ig a ti n g   a sy m m e tri c a l  f a u lt s  a n d   o p ti m izi n g   p ro tec ti o n   c o o r d in a ti o n   in   h e a v y - d u ty   in d u strial  c l u ste rs.   K ey w o r d s :   Asy m m etr ical  f au lt a n aly s is   Fau lt c u r r en t in v er s io n   I n d u s tr ial  d is tr ib u tio n   n etwo r k s   Pro tectio n   co o r d in atio n   T r an s ien t  s tab ilit y   T h is i s  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 h eik h an i A b d el  Kad e r   Ap p lied   R esear ch   L ab o r at o r y   o f   R en ewa b le  E n er g y ,   W ater   an d   E n v ir o n m en t ( UR A3 E - E X  C R AE R )   Un iv er s ity   o f   No u ak ch o tt   No u ak ch o tt,   Ma u r itan ia   E m ail:  ch eik h an iab d elk ad er @ m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  o p er atio n al  s tab ilit y   o f   m o d er n   i n d u s tr ial  p o wer   s y s tem s   is   f u n d am en tally   p r e d icate d   o n   th e   p r ec is io n   o f   f a u lt  an al y s is   an d   th e   r eliab ilit y   o f   p r o tecti o n   c o o r d i n atio n   s ch em es  [ 1 ] .   E f f icien t   p o wer   d is tr ib u tio n   is   cr itical  f o r   h ea v y   in d u s tr ial  f ac ilit ies,  s u ch   a s   p h o s p h ate   p r o ce s s in g   p lan ts ,   wh ich   r ely   h ea v ily   o n   co n tin u o u s   o p e r atio n   to   a v o id   s ev er e  ec o n o m ic  an d   m ater ial  lo s s es   [ 2 ] .   As  in d u s tr ial  f ac ilit ies  ev o lv e,   in co r p o r atin g   co m p lex   m o t o r   lo ad s   an d   in tr icate   d is tr ib u tio n   ar ch itectu r es,  r elian ce   o n   c o n v en tio n al  s tead y - s tate  p o wer   f l o w  an d   s tan d a r d   s h o r t - cir cu it  m eth o d o lo g ie s   h as  b ec o m e  in c r ea s in g ly   i n ad eq u ate   [ 3 ] ,   [ 4 ] .   Netwo r k   an o m alies,  s u ch   as  p h ase - b r ea k a g e  an d   h ig h - m ag n itu d e  asy m m etr ical  f au lts ,   p o s e  s ev er e  r is k s   o f   eq u ip m en t  f ailu r e,   th e r m al  d e g r ad atio n ,   an d   o p er atio n al  in s tab ilit y   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   T h e  I E C   6 0 9 0 9   s tan d ar d   c o n tin u es  to   s er v e   as  th e  f o u n d atio n al  in te r n atio n al   f r am e wo r k   f o r   ca lcu latin g   s y m m etr ical   an d   asy m m etr ical  f au lt   cu r r en ts   i n   th r ee - p h ase   AC   s y s tem s   [ 7 ] .   Dig ital  s im u latio n   p latf o r m s ,   n o ta b ly   E T AP,  h av e  co n s eq u en tly   b ec o m e   in d is p en s ab le  to o ls   f o r   co n d u ctin g   f au lt - lev el   ca lcu latio n s   an d   o p tim izin g   r e lay   s ettin g s   in   co m p lex   in d u s t r ial  en v ir o n m en ts   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   An   im p o r tan t  asp ec t  in   m ain tain in g   th e   in teg r ity   o f   th e  elec tr ical  s y s tem   is   th e  p r ec is e  s elec tio n   an d   p r o v is io n   o f   p er f o r m a n ce   s witch es,  p r o tectin g   th e  n etwo r k   an d   s taf f   f r o m   th e  p o ten tially   d ev astatin g   ef f ec ts   o f   s h o r t - cir cu its   [ 1 0 ] .   Fu r th er m o r e ,   r o b u s t  d is tu r b an ce   m an ag em e n t  an d   f au lt  d iag n o s is   n o w  d em an d   a  co m p r e h en s iv e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       S h o r t - circu it a n a lysi s   a n d   p r o tectio n   co o r d in a tio n   o f  a   3 3   k V   p h o s p h a te  p la n t  …   ( C h eikh a n i A b d el  K a d er )   1769   u n d er s tan d i n g   o f   asy m m etr ic al  n etwo r k   b eh av io r   an d   tr an s ien t  s ig n atu r es  [ 1 1 ] .   I n   p ar al lel,   r ec en t  liter atu r e   ex ten s iv ely   in v esti g ates  th e   c r itical  r o le  o f   n e u tr al  g r o u n d i n g   co n f ig u r atio n s — s p ec if ically   co m p ar in g   s o lid   v er s u s   r esis tiv e  g r o u n d in g   m e th o d s — in   s h ap in g   s h o r t - cir c u it  d y n am ics.  R esear ch   co n f ir m s   th at  th e  lo w  ze r o - s eq u en ce   im p ed a n ce   p ath s   in h er en t  to   s o lid   g r o u n d in g   ca n   d r asti ca lly   am p lify   s in g le - l in e - to - g r o u n d   f a u lt  m ag n itu d es,  o cc asio n ally   ca u s in g   th em   t o   ex ce e d   th r ee - p h ase  f au lt  le v els  [ 1 2 ] .   B e ca u s e  co n v e n tio n al  elec tr o m ec h an ical  o v er c u r r e n t  r elay s   ar e  f r eq u en tly   in ad e q u ate  f o r   m itig atin g   s u ch   s ev er e  asy m m etr ical  an o m alies,  m o d e r n   in d u s tr ial  s tan d ar d s   in cr ea s in g ly   a d v o ca te  f o r   t h e  d ep l o y m en t  o f   ad v an ce d   d ig ital   in tellig en t  elec tr o n ic  d ev ices  ( I E Ds)  [ 1 3 ] .   T h e  in teg r atio n   o f   s p ec ialized   p r o tectiv e  f u n ctio n s ,   s u ch   as  n eg ativ e - s eq u e n ce   m o n ito r in g   ( ANSI   4 6 )   an d   tr an s f o r m er   d if f er e n tial  p r o tectio n   ( A NSI   8 7 T ) ,   h as  th u s   em er g ed   as  th e  s tate - of - th e - a r t  ap p r o ac h   to   e n s u r in g   s elec tiv ity   an d   p r ev en tin g   th er m al   d eg r ad atio n   u n d er   h ea v y   d y n am ic  l o ad   s tr ess es [ 1 4 ] .   W h ile  ex is tin g   liter atu r e  ex t en s iv ely   co v e r s   s tan d ar d   o v er cu r r en t   co o r d in atio n   [ 1 5 ] ,   th er e  is   a   g r o win g   n ee d   to   an aly ze   f au l t - lim itin g   s tr ateg ies  an d   g r id   im p ac ts   u s in g   ad v an ce d   n etwo r k   co n f ig u r atio n s   [ 1 6 ] .   Fu r th er m o r e,   o p tim izin g   th e  p la n n in g   an d   o p er atio n al   r eliab ilit y   o f   in d u s tr ial  an d   is o lated   d is tr ib u tio n   g r id s   r eq u ir es  r o b u s t  em p ir i ca l  an d   s im u latio n   f r a m ewo r k s   [ 1 7 ] .   T h is   s tu d y   f o cu s es  o n   th e  p r ac tical   d iag n o s tic  o p tim izatio n   o f   th e  B OFAL E   in d u s tr ial  n etwo r k ,   m o v in g   b ey o n d   s tan d a r d   d escr ip tiv e  ca s e  s tu d ies.  I t  p r o v id es  a   s tr u ctu r e d   E T AP  s im u latio n   f r a m ewo r k   c o v er in g   m u ltip le  f au lt   co n d i tio n s .   T h e   p r im a r y   co n tr ib u tio n   lies   in   d iag n o s in g   th e  n o n - co m p lian t  s witch g ea r   ar ch itectu r e  an d   p r o p o s in g   an   o p tim ized   d i g ital   p r o tectio n   s ch em e   th at  im p r o v es  s y s tem   p er f o r m an ce ,   r ed u c es  lo s s es,  an d   en s u r es  co m p lia n ce   with   in d u s tr ial  s tan d ar d s   [ 1 8 ] .   B y   id e n tify in g   cr itical  e q u ip m e n t  v u ln er a b ilit ies  an d   d e p lo y in g   a   m u lti - lay er   p r o tectio n   s tr ateg y ,   th is   r esear ch   en s u r es  s y s tem   r eliab ilit y   an d   p e r s o n n el  s af ety .   T h e   f in d in g s   o f f er   a  r ep licab le   b lu ep r in t  f o r   u p g r ad i n g   leg a cy   in d u s tr ial  n etwo r k s   to   m ee t  m o d er n   s af ety   c o m p lian ce   an d   o p e r atio n al   r esil ien ce   s tan d ar d s ,   co n tr ib u tin g   to   th e   b r o a d er   f ield   o f   i n d u s tr ial  p o wer   s y s tem   p r o tectio n   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .       2.   M E T H O D   T o   en s u r e  clar ity ,   m eth o d o l o g ical  tr an s p a r en cy ,   an d   e x ac t  r ep r o d u cib ilit y   in   ac co r d an ce   with   in ter n atio n al  p o wer   en g in ee r in g   s tan d a r d s ,   th is   s ec tio n   d etails  th e  s tep - by - s tep   ex p er im e n tal  an d   m ath em atica l f r am ewo r k   we  a p p lied   to   th e   m o d ele d   p o wer   s y s tem .     2 . 1 .     Resea rc h  des ig n/a pp ro a ch   I n   th is   s tu d y ,   we  em p lo y   a  d et er m in is tic,   s im u latio n - b ased   ca s e  s tu d y   d esig n   to   ev alu ate  s h o r t - c i r c u i t   f a u l t   d y n a m i cs   a n d   o p ti m i z e  p r o t e c t i o n   c o o r d i n a t i o n   i n   a  h e a v y - d u t y   i n d u s t r ia l   d i s t r i b u t i o n   n e t w o r k .   W e  s e l e ct e d   a   d i g i t a l  s i m u l a t i o n   a p p r o a c h   a s   it   is   h i g h l y   a p p r o p r i at e   a n d   n e c es s a r y   t o   a d d r e s s   o u r   r e s e a r c h   p r o b l e m ;  it  en ab les  u s   to   p r ec is ely   co m p u te  s ev er e  asy m m etr ical  f au lt  cu r r en ts   an d   iter ativ ely   t est  r elay   s elec tiv ity   u n d er   e x tr em e  th e r m al  an d   ele ctr o d y n a m ic  co n s tr ain ts   with o u t je o p ar d izin g   th e  p h y s ical  in f r astru ctu r e.     2 . 2 .     M a t er ia ls / da t a   s o urce s   W e  co n d u cted   o u r   s tu d y   o n   th e  3 3   k V/0 . 4   k V  elec tr ical  d is tr ib u tio n   n etwo r k   s u p p ly i n g   th e   B OFAL E   p h o s p h ate  p r o ce s s in g   p lan t.  W e  d ir ec tly   ac q u ir ed   th e  s in g le - lin e  d iag r am   an d   n etwo r k   p ar am eter s   f r o m   th e   f ac ilit y ’ s   o p er atio n al  d ata.   T h e   s y s tem   m ater ials   an d   d atasets   we  u tili ze d   co m p r is e:   -   Up s tr ea m   g r id :  A  m ai n   3 3   k V   s u p p ly   s o u r ce   with   a  s h o r t - cir cu it  ca p ac ity   o f   5 0 0   MV Asc  an d   an   X/R   r atio   o f   1 0 .   -   Po wer   t r an s f o r m er s :  T wo   p r i m ar y   s tep - d o wn   u n its   ( T 2 :  4 0 0 0   k VA,   Z   =  6 %;  T 4 :  6 3 0   k VA) .   Fo r   b o th   u n its ,   we  u tili ze   a  Dy n 1 1   v ec to r   g r o u p   with   th e  s ec o n d ar y   n eu tr al  s o lid ly   g r o u n d e d   ( Yn ) ,   estab lis h in g   a  lo w  ze r o - s eq u e n ce   im p ed a n ce   r etu r n   p ath .   -   I n d u ctio n   m o to r s : D o wn s tr ea m   asy n ch r o n o u s   p r o ce s s   an d   d r illi n g   m o to r s ,   wh ich   we  m o d eled   as a   lu m p ed   ca p ac ity   o f   2 . 5   MV A  ( 0 . 4   k V,   co s Φ   =  0 . 8 5 ,   I L R /I n   =  6 . 5 ,   s u b tr an s ien t r ea ctan ce   Xd ' '   =  1 6 . 7 %).   -   C ab les:   C o p p er   co n d u ct o r s   with   XL PE  in s u latio n   ( 3 × 2 4 0   m m ²,   R 1   =  0 . 0 7 5 4   Ω / k m ,   X1   =   0 . 0 7 2 0   Ω / k m ) .   B y   in teg r atin g   th is   co m p r eh e n s iv e  b aselin e  d ata,   we  en s u r ed   th at  o u r   elec tr ical  tr an s ien t  an aly ze r   p r o g r am   ( E T AP )   m o d el  ac cu r ately   r ef lects  r ea l - wo r ld   i n d u s tr ial  c o n d itio n s .   T h e  d etailed   tech n i ca l  p ar am eter s   ar e  s u m m ar ized   in   T a b le  1 .     2 . 3 .     P r o ce du re s /im plem ent a t io n ste ps   W e  s y s tem atica l ly   ex ec u ted   o u r   ex p e r im en tal  p r o ce d u r e  th r o u g h   t h e  f o llo win g   s eq u en ce :   -   Data   in teg r atio n   an d   n etwo r k   m o d elin g : We c o n s tr u cted   th e   B OF AL E   n etwo r k   to p o lo g y   with in   th e  E T AP   s im u latio n   p latf o r m   ( Fig u r e  1 ) ,   in co r p o r atin g   leg ac y   cir c u it  b r ea k er   r atin g s   an d   ca b le  am p ac ity   lim its .   -   L o ad   f lo w  a n aly s is :  W e  ex ec u ted   s tead y - s tate  p o wer   f l o w  alg o r ith m s   to   estab lis h   th e  p r e - f au lt  v o ltag e   p r o f ile  an d   n o m in al  cu r r en t f l o ws ac r o s s   all  m ed iu m -   an d   lo w - v o ltag e  b u s b ar s .   -   Stan d ar d   s h o r t - cir c u it  s im u latio n :  W e  co m p u ted   in itial  s y m m etr ical,   asy m m etr ical,   an d   p ea k   f au lt  lev els   ( th r ee - p h ase  an d   s in g le - lin e - to - g r o u n d )   f o llo win g   s tr ict  I E C   6 0 9 0 9   g u i d elin es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   176 8 - 17 79   1770   -   Asy m m etr ical  f au lt  an al y s is :  W e  s im u lated   an   o p en - p h ase  ( Ph ase  A)   d is co n tin u ity   to   q u an tify   tr a n s ien t  v o ltag e  im b alan ce s   a n d   th e  p r o p ag atio n   o f   n eg ativ e - s eq u e n c e  cu r r en ts   to   d o wn s tr ea m   m o to r   lo ad s .   -   Pro tectio n   o p tim izatio n : We c o n f ig u r ed   d i g ital  in tellig en t e lectr o n ic  d ev ices  ( I E Ds)  u tili zin g   I E C   s tan d ar d   in v er s e - tim e  ch ar ac ter is tics ,   f o llo wed   b y   a  r ig o r o u s   co o r d in atio n   tim e  in ter v al  ( C T I )   v er if i ca tio n .       T ab le  1 .   T ec h n ical  in p u t p ar a m eter s   an d   n etwo r k   s im u latio n   d at a   N e t w o r k   c o m p o n e n t   P a r a me t e r   d e s c r i p t i o n   D e si g n / o p e r a t i o n a l   v a l u e   U p st r e a m  g r i d   N o mi n a l   v o l t a g e   ( V gri d )   3 3   k V   S h o r t - c i r c u i t   p o w e r   (S sc )   5 0 0   M V A   X / R   r a t i o   10   M a i n   t r a n sf o r m e r   ( T 2 )   N o mi n a l   a p p a r e n t   p o w e r   (S r )   4 . 0   M V A   ( u p g r a d e d )   V o l t a g e   r a t i o   ( V pr i m /V s e c )   3 3   k V / 0 . 4   k V   P o si t i v e - se q u e n c e   i mp e d a n c e   (Z 1 )   6 . 0 %  ( X / R   =   7 )   Ze r o - se q u e n c e   i mp e d a n c e   (Z 0 )   5 . 1 %  ( X / R   =   7 )   V e c t o r   g r o u p / c o u p l i n g   D y n 1 1   P r i mary   g r o u n d i n g   D e l t a   ( u n g r o u n d e d )   S e c o n d a r y   g r o u n d i n g   S o l i d l y   g r o u n d e d   n e u t r a l   (Y n )   M e d i u m  v o l t a g e   b u s b a r s   N o mi n a l   v o l t a g e   3 3   k V   O p e r a t i o n a l   f r e q u e n c y   5 0   H z   Lo w   v o l t a g e   b u sb a r s   N o mi n a l   v o l t a g e   0 . 4   k V   ( 4 0 0   V )   ( B u s  1   & B u s  2 )   C o n t i n u o u s  n o m i n a l   c u r r e n t   6 3 0 0   A   Lo w   v o l t a g e   m a i n   c a b l e s   C o n d u c t o r   ma t e r i a l / i n s u l a t i o n   C o p p e r / X LP E   C r o ss - se c t i o n a l   a r e a   3   x   2 4 0   m m²   P o si t i v e   r e si s t a n c e   ( R 1 )   0 . 0 7 5 4   Ω / k m   P o si t i v e   r e a c t a n c e   ( X 1 )   0 . 0 7 2 0   Ω / k m   D o w n s t r e a m   a s y n c h r o n o u s   To t a l   l u m p e d   l o a d   c a p a c i t y   2 . 5   M V A   D r i l l i n g   m o t o r s   N o mi n a l   m o t o r   v o l t a g e   0 . 4   k V   Lo c k e d - r o t o r   c u r r e n t   r a t i o   (I LR   /   I n )   6 . 5   A v e r a g e   p o w e r   f a c t o r   ( c o sΦ)   0 . 8 5   ( La g g i n g )   S u b t r a n si e n t   r e a c t a n c e   ( X '' d )   1 6 . 7 0 %           Fig u r e  1 .   B aselin e  s in g le - lin e  d iag r am   o f   th e  3 3   k V/0 . 4   k V  B OFAL E   d is tr ib u tio n   n etwo r k   m o d eled   i n   E T AP       2 . 4 .     M o dels / a lg o rit hm s /t ec hn iqu e s   T o   g u a r an tee  th e   f u ll  r e p r o d u c ib ilit y   o f   o u r   s im u latio n s ,   we  b ased   o u r   m ath em atica l  an d   al g o r ith m ic   co r e  o n   s tan d ar d ized   d eter m in is tic  f o r m u latio n s :     2 . 4 . 1 .   L o a d  f lo w   pro g r a m   ( New t o n - Ra ph s o n  m et ho d)     W e  d eter m in ed   t h e  p r e - f a u lt  n etwo r k   s tate  v a r iab les  ( v o ltag e  m ag n itu d e  V i   an d   p h ase  a n g le  θ i )   b y   s o lv in g   n o n - lin ea r   p o wer   b ala n ce   eq u atio n s .   Fo r   a   n etwo r k   o f   N   b u s es,  th e  ac tiv e  ( P i )   an d   r ea ctiv e  ( Q i )   p o wer   in jecte d   at  b u s   i   ar e  f o r m u lated   as   ( 1 )   a n d   ( 2 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       S h o r t - circu it a n a lysi s   a n d   p r o tectio n   co o r d in a tio n   o f  a   3 3   k V   p h o s p h a te  p la n t  …   ( C h eikh a n i A b d el  K a d er )   1771   = ∑ = 1 (    +    )   ( 1 )     = ∑ = 1 (    −    )   ( 2 )     W e  m ain tain ed   co n v e r g en ce   s tr ictly   b elo w  a  to ler an ce   th r es h o ld   o f   0 . 0 0 1   MW/Mv ar .     2 . 4 . 2 .   Sh o rt - circ uit  ca lcula t i o n  ( I E C  6 0 9 0 9 )   W e  ca lcu lated   th e  in itial  s y m m etr ical  s h o r t - cir cu it  cu r r e n t  ( I k '' )   u s in g   an   eq u iv alen t  v o ltag e  s o u r ce   at  th e  f au lt  lo ca tio n ,   as in   ( 3 ) .     ′′ = √ 3 | |   ( 3 )     W h er e  c  is   th e  v o ltag e   f ac to r   ( we  s et  th is   to   1 . 0 5   f o r   m ax i m u m   f a u lt  cu r r en t  s tr ess   an d   0 . 9 5   f o r   m in im u m   th r esh o ld s ) ,   Un   is   th e  n o m i n al  s y s tem   v o ltag e,   an d   Z k   is   th e  eq u iv alen t sh o r t - ci r cu it im p ed an ce .   T o   ass ess   th e  elec tr o d y n am ic   with s tan d   ca p ab ilit y   o f   th e  s witch g ea r ,   we  d ef in ed   th e  p ea k   s h o r t - cir cu it c u r r en t ( i p )   as   ( 4 ) .     = √ 2 ′′   ( 4 )     W h er e  k ap p a  is   th e  p ea k   f ac to r ,   wh ich   d e p en d s   o n   th e  R /X  r atio   o f   th e  s p ec if ic  n etwo r k   b r an ch .     2 . 4 . 3 .   Dy na m ic   m o t o r  co ntr i bu t io n   F o l l o w i n g   I E C   6 0 9 0 9 ,   w e   i n c o r p o r a t e d   t h e   d y n a m i c   s u b t r a n s i e n t   c o n t r i b u t i o n   o f   l a r g e   i n d u c t i o n   m o t o r s   b y   r e p l a c i n g   t h e m   a t   f a u l t   i n c e p t i o n   t i m e   ( t   =   0 )   w i t h   t h e i r   s u b t r a n s i e n t   i n t e r n a l   i m p e d a n c e   ( Z M ) ,   a s   i n   ( 5 ) .     = 1  / ×  2    ( 5 )     W h er e  I LR /I r   is   th e  lo ck ed - r o to r   cu r r en t  r atio ,   Ur M  is   th e  r a ted   m o to r   v o ltag e,   a n d   SrM   is   th e  r ated   ap p ar en t   p o wer .   I n co r p o r atin g   th is   s u b tr an s ien t  r ea ctan ce   i n to   th e   f au lt  lo o p   is   ess en tial,  as  n eg lectin g   d y n am ic   co n tr ib u tio n s   s ig n if ican tly   u n d er esti m ates th e  p ea k   asy m m et r ical  f au lt c u r r e n ts   [ 2 1 ] ,   [ 2 2 ] .     2 . 4 . 4 .   I nv er s e - t im e  re la y   o pe ra t io n  ( I E C  6 0 2 5 5 - 1 5 1 )   W e  m a t h e m a t i c a l l y   d e f in ed   th e  th eo r etica l  o p er atin g   tim e  ( t )   o f   o u r   co n f ig u r ed   d ig ital  o v er cu r r e n t  an d   ea r th - f au lt r elay s   as   ( 6 ) .     = × ( ( / ) − 1 )   ( 6 )     W h er e  tim e  m u ltip lier   s ettin g   ( TMS ) ,   I   is   th e  m ea s u r ed   f au lt  cu r r en t,  I s   is   th e  r elay   p ick - u p   cu r r e n t  s ettin g ,   an d   th e   co n s tan ts   k   an d   α   d e f in e  th e   s p ec if ic  cu r v atu r e.   T o   s u cc ess f u lly   o v er r id e   tr an s f o r m er   m ag n etizin g   in r u s h   cu r r en ts   an d   h an d le  h e av y   m o t o r   s tar tin g   tr a n s ien ts ,   we  ap p lied   I E C   v er y   in v e r s e  ( k   =  1 3 . 5 ,   α   =  1 . 0 )   an d   I E C   ex t r em ely   in v er s e  ( k   =  8 0 . 0 ,   α   =  2 . 0 )   c u r v es.   Su ch   cu s to m   in v er s e - tim e  s ettin g s   ar e  wid ely   r ec o g n ized   f o r   m ain tain i n g   tig h t  co o r d i n atio n   m ar g in s   in   in d u s tr ial  g r id s   [ 1 3 ] ,   [ 2 3 ] .   W e  d etail  th e  co m p r eh e n s iv e  s ettin g s   f o r   o u r   p r im ar y   p r o tectio n   d e v ices in   T ab le  2 .       T ab le  2 .   C o m p r eh en s iv e  d ig ital r elay   s ettin g s   an d   p r o tectio n   ar ch itectu r e   R e l a y   I D   P r o t e c t i o n   f u n c t i o n   C T  r a t i o   C u r v e   t y p e   ( I EC )   P i c k u p   ( I s )   TM S /   t i m e   d i a l   I n st .   t h r e s h o l d     ( I   > > )   A d d i t i o n a l   s e t t i n g s   R e l a y   2     ( T2   I n c o mer)   P h a se   ( A N S I   5 1 )   8 0 0 0 / 5   V e r y   i n v.   ( V I )   1 . 1 5 × In   0 . 2 5   1 0 . 0 × I n   ( 0 . 0 5   s)   A N S I   8 7 T   e n a b l e d   ( s l o p e :   2 5 %)     Ea r t h   f a u l t   ( A N S I   5 1 N )   8 0 0 0 / 5   Ex t r e me l y   i n v .   ( EI )   0 . 2 0 × In   0 . 1 5   4 . 0 × I n   ( 0 . 0 5   s)   -   R e l a y   4     ( mo t o r   f e e d e r)   P h a se   ( A N S I   5 1 )   4 0 0 / 5   Ex t r e me l y   i n v .   ( EI )   1 . 2 5 × In   0 . 1 0   8 . 0 × I n   ( 0 . 0 2   s)   A N S I   4 6   ( u n b a l a n c e   I _ 2   >   1 5 %)     Ea r t h   f a u l t   ( A N S I   5 1 N )   4 0 0 / 5   Ex t r e me l y   i n v .   ( EI )   0 . 1 0 × In   0 . 0 5   2 . 5 × I n   ( 0 . 0 2   s)   -   R e l a y   7   ( m a i n   3 3 k V )   P h a se   ( A N S I   5 1 )   2 0 0 / 5   V e r y   i nv .   ( V I )   1 . 2 0 × In   0 . 4 5   1 2 . 0 × I n   ( 0 . 1 0   s)   -       2 . 5 .     Va lid a t i o n/ ev a lua t io n st ra t eg y   W e  r ig o r o u s ly   v alid ated   o u r   p r o p o s ed   p r o tectio n   s ch em e  u s in g   tim e - cu r r e n t  ch ar ac ter is tic  ( T C C )   co o r d in atio n   p l o ts   g en er ate d   v ia  E T AP.  Fo r   o u r   ev alu atio n   cr iter ia,   we  m an d ated   a  s tr ict  C T I   o f   0 . 3 5   s   b etwe en   d o wn s tr ea m   ( p r im ar y )   an d   u p s tr ea m   ( b ac k u p )   p r o tectio n   d ev ices  to   en s u r e  ab s o lu te  s elec tiv ity   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   176 8 - 17 79   1772   p r ev en t   ca s ca d in g   b lack o u ts .   Ma in tain in g   a   C T I   o f   0 . 3 5   s   a lig n s   s ec u r ely   with   estab lis h ed   m o d er n   p r o tectio n   s tan d ar d s   f o r   in d u s tr ial  d is tr ib u tio n   s y s tem s   [ 2 4 ] .   Fu r t h e r m o r e,   we  ev alu ated   th e  u ltima te  s h o r t - cir cu it   b r ea k in g   ca p ac ity   ( I cu )   o f   o u r   p r o p o s ed   h ig h - p er f o r m a n ce   s witch g ea r   ag ain s t  th e   co m p u ted   in itial   s y m m etr ical  s h o r t - cir cu it c u r r en t ( I ' ' k )   to   g u ar an tee  s tr ict  s af ety   co m p lian ce   with   t h e  I E C   6 0 9 4 7 - 2   s tan d ar d .     2 . 6 .     E t hica l  c o ns idera t io ns   No t  ap p licab le.   Ou r   r esear ch   r elies  en tire ly   o n   th e   d ete r m in is tic  s o f twar e  s im u latio n   o f   in d u s tr ial   elec tr ical  in f r astru ctu r e  a n d   m ath em atica l  m o d elin g .   I t  d o es  n o t  in v o l v e  h u m an   s u b ject s ,   an im al  test in g ,   o r   s en s itiv e  p r iv ac y   d ata.       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T o   en s u r e  clar ity   an d   ad d r ess   th e  s p ec if ic  d y n am ics  o f   th e  B OFAL E   in d u s tr ial  n etwo r k ,   th is   s ec tio n   is   s tr u ctu r ed   to   p r esen t  th e  s im u latio n   d ata  o b jectiv el y ,   f o ll o wed   b y   a  d etailed   th e o r etica l   in ter p r etatio n   an d   a  co m p ar is o n   with   ex is tin g   liter atu r e.   T h e   s im u latio n   r esu lts ,   co n d u cte d   u s in g   E T AP  s o f twa r e,   ar e   illu s tr ated   in   Fig u r es   2 - 7 .   Fu r th er m o r e,   th e  co r r esp o n d in g   d ata  ar e  s u m m a r ized   in   T ab les  3 - 7 .     3 . 1 .     P re s ent a t i o n o f   r esu lt s   T h e  s im u latio n   f r am ewo r k   s y s tem atica lly   ev alu ated   th e  3 3   k V/0 . 4   k V  n etwo r k   ac r o s s   m u ltip l e   co n tin g en c y   s tates to   q u an tify   s ev er e  v o ltag e  s ag s   an d   cu r r en t su r g es.     3 . 1 . 1 .   Scena rio   A:   Ana ly s is   o f   m a x im um   f a ult  curr ent   Un d er   a  th r ee - p h ase  s h o r t  cir cu it  at  th e  0 . 4   k V  B OFAL E   1   b u s b ar ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e   2 ,   th e   co m p u ted   in itial  s y m m etr ical  R MS  cu r r en t  ( I '' k )   r ea ch ed   9 6 . 5 0 6   k A.   T h e  co r r esp o n d in g   asy m m etr ical  p ea k   cu r r en t   ( i p )   s u r g ed   to   2 1 0 . 5 9   k A.   T h is   is   h ea v ily   d r iv en   b y   t h e  d y n am ic  s h o r t - cir cu it   co n tr ib u tio n   o r ig in atin g   f r o m   th e   d o wn s tr ea m   i n d u ctio n   m o to r   clu s ter   ( L u m p 2 ) ,   wh i ch   is   d etailed   in   T ab les   3 ( a )   an d   3 ( b ) .     3 . 1 . 2 .   Scena rio   B :   Ana ly s is   o f   s equence  im peda nce  a nd   g ro un d f a ult  beha v io r   A  s in g le - lin e - to - g r o u n d   ( SLG )   f au lt  s im u latio n ,   s h o wn   in   Fig u r e  3 ,   y ield ed   an   in itial  s y m m etr ical   R MS  cu r r en t  o f   7 0 . 3 1 5   k A ,  wh ich   s u r p r is in g ly   ex ce ed s   th e  th r ee - p h ase  s y m m etr ical  f a u lt  cu r r en t  o f   6 3 . 9 5 9   k A  at  th e  s am e   lo ca tio n .   T h is   f au lt  in d u ce d   a   s ev er e  v o ltag e  co llap s e,   ca u s in g   a   6 7 . 1 6 % v o ltag e  s ag   o n   th e  3 3   k V  b u s .   T h e  s eq u en ce   im p ed a n ce s   v alid atin g   th is   co n d itio n   ar e  s u m m ar ized   in   T ab les 4 ( a)   an d   4 ( b ) .     3 . 1 . 3 .   Scena rio   C:   I m pa ct   o f   re a ct iv e  po wer   co m pens a t io n   T h is   s ce n ar io   in v esti g ates  th e   s en s itiv ity   o f   f au lt  cu r r en t  lev els  to   s ec o n d ar y   s y s tem   co n f ig u r atio n s ,   as m o d eled   in   Fig u r e  4 .   Simu l atio n   r esu lts   s h o w  a  to tal  m ag n itu d e  f au lt c u r r en t o f   9 6 . 4 7 6   k A.   C o m p ar in g   th is   to   th e  r ef er e n ce   v al u e  ( 9 6 . 5 0 6   k A) ,   th e   v ar iatio n   is   n e g lig ib le,   co n f ir m in g   th at   th e  in te g r atio n   o f   ca p ac ito r   b an k s   h as a n   im p er ce p tib le  e f f ec t o n   th e  to tal  s h o r t - cir cu it c a p ac ity ,   wh ich   is   d etailed   in   T a b les 5 ( a)   an d   5 ( b ) .           Fig u r e  2 .   Sh o r t - cir cu it a n aly s is   o f   th e  0 . 4   k V  B OFAL E   1   b u s b ar :  m ax im u m   c o n tr ib u tio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       S h o r t - circu it a n a lysi s   a n d   p r o tectio n   co o r d in a tio n   o f  a   3 3   k V   p h o s p h a te  p la n t  …   ( C h eikh a n i A b d el  K a d er )   1773   T ab le   3 .   Ma x im u m   s h o r t - cir cu it   cu r r en t   co n tr ib u tio n   f o r   th e   0 . 4   kV   B OFAL E   1   B u s b ar :     ( a)   o v e r all   f au lt   p ar a m eter s   an d   p ea k   v alu es   u s in g   m et h o d   C   an d   ( b )   in d i v id u al   b r an ch   c o n t r ib u tio n s     an d   in itial   s y m m etr ical   R MS   cu r r en ts   ( a)   P a r a me t e r   V a l u e   U n i t   O b serv a t i o n   F a u l t   t y p e   3 - P h a se  f a u l t   -   A t   b u s  B O F A LE  1   N o mi n a l   v o l t a g e   0 . 4   kV     V o l t a g e   c   f a c t o r   1 . 05   -   M a x i m u m   I f   P e a k   v a l u e ( i p)   2 1 0 . 59   kA   M e t h o d   C   S t e a d y   st a t e   71 . 979   k A   R M S           ( b )   C o n t r i b u t i o n   V o l t a g e   a n d   i n i t i a l   s y mm e t r i c a l   c u r r e n t   ( R M S )   F r o m  b u s   I D   To   b u s I D   %V Fr o m   b us   R e a l   ( k A )   I mag i n a r y   ( k A )   X / R   r a t i o   M a g n i t u d e   ( k A )   B O F A LE  1   To t a l   0   21 . 475   - 94 . 0 8 7   4 . 4   96 . 506   B u s   2   B O F A LE  1   72 . 73   11 . 788   - 71 . 0 3 3   6   72 . 005   Lu m p 2   B O F A LE  1   1 0 5   9 . 6 8 6   - 23 . 0 5 4   2 . 4   25 . 006   B u s 1   B u s   2   90 . 6   0 . 1 4 6   - 0 . 887   6 . 1   0 . 8 9 9   B O F A LE  2   B u s   2   77 0 87   0 . 0 0 1   - 0 . 001   0 . 7   0 . 0 0 2             Fig u r e  3 .   Min im u m   s h o r t - cir c u it f au lt a n aly s is   at  th e  0 . 4   k V  B o f ale  1   B u s b ar       T ab le  4 .   Min im u m   s h o r t - ci r cu it a n aly s is   an d   s eq u en ce   im p e d an ce s   ( 0 . 4   k V  B OFAL E   1   B u s b ar ) :    ( a)   o v e r all  f au lt p ar a m eter s   an d   m in im u m   c  f ac to r   an d   ( b )   b r an ch   co n tr ib u tio n s   f o r   3 - p h ase   an d     s in g le  lin e - to - g r o u n d   f au lts   al o n g s id e  s eq u en c e  im p ed a n ce   co m p o n en ts   ( a)   P a r a me t e r   V a l u e   U n i t   O b serv a t i o n   F a u l t   t y p e   3 - P h a se/ S LG   -   A t   b u s  B O F A LE  1   N o mi n a l   v o l t a g e   0 . 4   kV     V o l t a g e   c   f a c t o r   0 . 9 5   -   M i n i m u m   I f         ( b )   Co n t ri b u t i o n   3 - p h as e  fa u l t   SL G   Fa u l t   ( k A )   Po s i t i v e  &   zer o   s e q u e n ce   i m p e d a n ce s   L o o k i n g   i n t o   " F ro m  B u s "   Fro m  B u s   I D   T o   B u s   ID   % V   Fro m  Bu s   3 - Ph a s e   Fau l t   (k A )   %   V o l t a g e   a t   F ro m  B u s   K a  Sy mm ,   R MS   %   I m p e d a n ce   o n   1 0 0   M V A   B A S E   Va   Vb   Vc   SL G   Fa u l t   (k A )   3 I 0   R1   X1   R0   X0   BO F A L E   1   T o t a l   0   6 3 . 9 5 9   0   9 0 . 7   9 0 . 6 5   7 0 . 3   7 0 . 3 1 5   3 . 3 1 E + 0 1   1 . 9 9 E + 0 2   2 . 4 2 E + 0 1   1 . 4 5 E + 0 2   Bu s   2   BO F A L E   1   6 7 . 1 6   6 3 . 9 5 9   7 8 . 8   9 2 . 2   7 8 . 8 2   7 0 . 3   7 0 . 3 1 5 *   3 . 3 1 E + 0 1   1 . 9 9 E + 0 2   2 . 4 2 E + 0 1   1 . 4 5 E + 0 2   Bu s 1   Bu s   2   8 3 . 0 6   0 . 7 9 9   8 6 . 9   9 2 . 2   8 7 . 4 9   0 . 5 1   0   1 . 0 4 E + 0 2   1 . 0 7 E + 0 1       BO F A L E   2   Bu s   2   7 1 . 4 5   0   7 8 . 6   9 3 . 5   9 3 . 5 5   0   0                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   176 8 - 17 79   1774       Fig u r e  4 .   Sh o r t - cir cu it a n aly s is   o f   th e  0 . 4   k V  B OFAL E   1   B u s b ar   u n d e r   asy m m etr ical  f a u lt c o n d itio n s       T ab le  5 .   Asy m m etr ical  s h o r t - c ir cu it a n aly s is   f o r   th e  0 . 4   k V  B OFAL E   1   B u s b ar :  ( a)   o v er al l f au lt p ar am eter s   an d   p ea k   v alu es a n d   ( b )   in d iv i d u al  b r a n ch   co n tr ib u tio n s   an d   in itial sy m m etr ical  cu r r en ts   ( a)   P a r a me t e r   V a l u e   U n i t   O b serv a t i o n   F a u l t   t y p e   3 - P h a se  f a u l t   -   A t   b u s  B O F A LE  1   N o mi n a l   v o l t a g e   0 . 4   kV     V o l t a g e   c   f a c t o r   1 . 0 5   -   M a x i m u m   I f   P e a k   v a l u e   2 3 7 . 5 6 5   kA   M e t h o d   B   S t e a d y   st a t e   7 1 . 9 3 2   k A   R M S           ( b )   C o n t r i b u t i o n   V o l t a g e   a n d   i n i t i a l   s y mm e t r i c a l   c u r r e n t   ( R M S )   F r o m  b u s   I D   To   b u s I D   %V Fr o m   B u s   R e a l   ( k A )   I mag i n a r y   ( k A )   X / R   r a t i o   M a g n i t u d e   ( k A )   B O F A LE  1   To t a l   0   2 1 . 4 7 1   - 94 . 0 5 7   4 . 4   96 . 476   B u s   2   B O F A LE  1   7 2 . 7 7   1 1 . 7 8 5   - 71 . 0 0 3   6   71 . 974   Lu m p 2   B O F A LE  1   1 0 5   9 . 6 8 6   - 23 . 0 5 4   2 . 4   25 . 006   B u s 1   B u s   2   9 0 . 6 2   0 . 1 4 6   - 0 . 886   6 . 1   0 . 8 9 9   B O F A LE  2   B u s   2   7 8 . 1 8   0 . 0 0 1   0   0 . 3   0 . 0 0 1         3 . 1 . 4 .   Scena rio   D:   O pen - co n du ct o r  f a ult  a na ly s is   a nd   v o lt a g e  s t a bil it y   A  p h ase  ' A'   d is co n tin u ity   o n   th e  3 3   k V  f ee d er ,   d ep icted   i n   Fig u r e  5 ,   r esu lted   i n   a  4 2 . 6 %  v o ltag e  co llap s e  o n   th e  p r im ar y   bus .   T h is   p r o p ag ated   d o wn s tr ea m ,   r esu ltin g   in   a  s ec o n d ar y   d is tr ib u tio n   b u s   v o ltag e   o f   0 . 2 4 3   k V  ( 6 0 . 7 %  o f   th e  0 . 4   k V  n o m in al  v alu e ) ,   tr ig g e r in g   s ig n if ican t  n eg ativ e - s eq u e n ce   cu r r en ts   ac r o s s   th e  asy n ch r o n o u s   m o to r s ,   with   o p er atio n al  im p ac ts   d etailed   i n   T ab le  6 .     3 . 2 .     Ana ly s is   a nd   inte rpre t a t io n   T h e  s u r g e   o f   th e  i n itial  s y m m etr ical  R MS  cu r r en t  t o   9 6 . 5 0 6   k A  ( Scen ar i o   A)   h o ld s   cr itical  im p licatio n s   f o r   f ac ilit y   s af ety .   I t  ex ce ed s   th e  o r ig in al  2 5 – 3 6   k A  b r ea k in g   ca p ac ity   o f   th e   leg ac y   s witch g ea r   b y   n ea r ly   3 0 0 %.  T h is   m ath e m atica lly   co n f ir m s   t h at  th e  c u r r en t  a r ch itectu r e  is   d an g er o u s ly   n o n - co m p lia n t  with   s tan d ar d   I E C   6 0 9 0 9   f au lt   to ler an ce   th r esh o ld s   [ 7 ] .   Fu r th er m o r e ,   to   s u b s tan tiate  t h e  f a u lt  cu r r en t   in v er s io n   o b s er v ed   in   Scen a r io   B   ( I SLG   >  I 3Φ ) ,   we   m u s t   p er f o r m   a   s eq u en ce - n etwo r k   m ath em atica l   an aly s is .   I n   s y m m etr ical  co m p o n en t   th eo r y ,   th e  th r ee - p h ase  s h o r t - cir cu it c u r r en t  d ep en d s   ex clu s iv ely   o n   th e  p o s itiv e - s eq u en ce   im p ed an ce   ( Z 1 ):     3Φ = ⋅ √ 3 ⋅ 1   ( 7 )     C o n v er s ely ,   th e  s in g le - lin e - to - g r o u n d   f a u lt c u r r e n t ( I SLG )   is   a  f u n ctio n   o f   t h e  p o s itiv e  ( Z 1 ) ,   n eg ativ e  ( Z 2 ) ,   an d   ze r o - s eq u en ce   ( Z 0 )   im p ed an ce s :     I S L G = √ 3 ⋅ c ⋅ U n Z 1 + Z 2 + Z 0   ( 8 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       S h o r t - circu it a n a lysi s   a n d   p r o tectio n   co o r d in a tio n   o f  a   3 3   k V   p h o s p h a te  p la n t  …   ( C h eikh a n i A b d el  K a d er )   1775   Ass u m in g   a  b o lted   f a u lt a n d   Z 1   ≈   Z 2   f o r   s tatic  n etwo r k   co m p o n en ts ,   th e  co n d itio n   f o r   I SLG   >  I 3Φ   d ictates:     √ 3 ⋅ c ⋅ U n 2 Z 1 + Z 0 > c ⋅ U n √ 3 ⋅ Z 1 ⇒ 3 Z 1 > 2 Z 1 + Z 0 ⇒ Z 1 > Z 0   ( 9 )     As  em p ir ically   p r o v e n   b y   th e   E T AP  s eq u e n ce   im p ed an ce   o u tp u ts   in   T ab le   I V,   th e   ze r o - s eq u en ce   r ea ctan ce   (X 0   =  1 4 5 . 0 %)  is   s ig n if ican tly   lo wer   th an   th e  p o s itiv e - s eq u e n ce   r ea ctan ce   ( X1   =  1 9 9 . 0 %).   T h is   co n d itio n   ( Z 1   >  Z 0 )   is   p h y s ically   f u lf illed   b y   th e  4 . 0   MV A  tr an s f o r m er   ( T 2 ) ,   wh ich   u tili ze s   a  Dy n 1 1   v ec to r   g r o u p   with   a   s o lid ly   g r o u n d ed   s ec o n d ar y   n eu tr al.   T h is   g r o u n d in g   to p o lo g y   p r o v id es  a  h ig h ly   c o n d u ct iv e  ze r o - s eq u e n ce   r etu r n   p ath ,   p e r f ec tly   ex p lain i n g   th e  c u r r en t i n v er s io n   p h en o m en o n .           Fig u r e  5 .   E T AP sin g le - lin e  d i ag r am   illu s tr atin g   th e  p h ase  ' A'   d is co n tin u e  ty   an d     th e  r esu ltin g   v o ltag e  im b alan c es       T ab le  6 .   Op e n - co n d u cto r   asy m m etr y   ( p h ase  A  d is co n tin u it y )   P a r a me t e r   V a l u e   U n i t   O b serv a t i o n / i m p a c t   S e c o n d a r y   d i s t r i b u t i o n   v o l t a g e   0 . 2 4 3   kV   D r o p s  t o   6 0 . 7 %  o f   n o m i n a l   v o l t a g e   N e g a t i v e - s e q u e n c e   v o l t a g e   ( V 2 )   > 1 5   %   H i g h   u n b a l a n c e   f a c t o r   d e t e c t e d   R e l a y   a c t i o n   r e q u i r e d   A N S I   4 6   -   M a n d a t o r y   t o   i so l a t e   mo t o r   l o a d       3 . 3 .     Co m pa riso n wit h  prev io us   s t ud ie s   ( s t a t e  o f   t he  a r t )   T h e  q u an titativ e  f in d in g s   o f   t h is   ca s e  s tu d y   alig n   tig h tly   with   r ec en t  ad v a n ce m en ts   in   p o wer   s y s tem   p r o tectio n   [ 1 2 ] .   T h e  s ev er e   v o ltag e  s ag s   an d   c o o r d in atio n   ch allen g es  in d u ce d   b y   d y n a m ic  m o to r   co n tr ib u tio n s   co r r o b o r ate  m o d er n   p r o tectio n   c o o r d in atio n   s ch em es  th at  h ig h lig h t  t h e  in ad e q u ac y   o f   co n v en tio n al  s tead y - s tate  an a ly s es  in   in d u s tr ial  m icr o g r id s   [ 14 ],   [ 25 ].   W h ile  ex is tin g   lit er atu r e  ex te n s iv ely   co v er s   s tan d ar d   o v er cu r r en t  c o o r d in atio n   [ 1 5 ] ,   th is   s tu d y   p r o v id es  em p ir ical   v alid atio n   th at  s o lid ly   g r o u n d e d   in d u s tr ial  tr an s f o r m er s   ca n   p u s h   asy m m etr ical  f au lts   b ey o n d   s y m m etr ical  th r esh o l d s ,   a  p h en o m e n o n   th eo r etica lly   d is cu s s ed   b u t r a r ely   q u an tifie d   in   leg ac y   h ea v y - d u ty   in f r astru ctu r e   o p tim izati o n   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .     3 . 4 .     I m pli ca t i o ns   o f   f ind ing s   a nd   pro po s ed   T h e   th e o r etica l  an d   p r ac tical  s ig n if ican ce   o f   th ese  r esu lts   m an d ates   an   im m ed iate  i n f r astru ctu r al  u p g r a d e  at  th e  B OFAL E   f ac ilit y   [ 1 8 ] .     3 . 4 . 1 .     Scena rio   E :   Dig it a l  pr o t ec t io n a rc hite ct ure   R ely in g   o n   b asic  o v er c u r r en t   elem en ts   is   in s u f f icien t.   T h e   i m p lem en tatio n   o f   d ig ital   I E D s   f ea tu r in g   n eg ativ e - s eq u e n ce   m o n ito r in g   ( ANSI   4 6 )   an d   tr an s f o r m er   d if f er en tial  p r o tectio n   ( ANSI   8 7 T )   is   r e q u ir e d   to   g u ar an tee  s elec tiv ity   an d   u n i n ter r u p te d   s er v ice   co n tin u ity   u n d er   ex tr em e  asy m m etr ical  s tr ess e s   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   T h e  p r o p o s ed   d ig ital p r o tectio n   lo ca tio n s   ar e  illu s tr ated   in   t h e  s in g le - lin e  d iag r am   o f   Fig u r e   6.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   176 8 - 17 79   1776   3 . 4 . 2 .   Scena rio   F :   P r o t ec t io n   co o rdina t io n a nd   infr a s t ruct ure  co m pli a nce   T h e  o p er atio n al   ef f ec tiv e n ess   o f   th e  p r o p o s ed   s ch e m e  w as  v alid ated   th r o u g h   T C C   an aly s is ,   as   s h o wn   in   Fig u r e  7 .   W e  m ain tain ed   a  s tr ict  C T I   o f   0 . 3 5   s   b etwe en   th e  u p s tr ea m   an d   d o w n s tr ea m   r elay s .   As  d etailed   in   T ab le  7 ,   th e  n etwo r k   h as  b ee n   s ec u r ed   th r o u g h   th e  s y s tem atic  r ep lace m en t  o f   n o n - c o m p lian t   s witch g ea r   with   h ig h - p er f o r m an ce   air   cir cu it b r ea k er s   ( AC B )   r ated   at  1 5 0   k A  ( I cu ).           Fig u r e  6 .   E T AP sch em atic  m o d elin g   th e  o cc u r r e n ce   o f   a  p h a s e  ' A '   o p en - cir cu it c o n d itio n   a n d   th e  co r r esp o n d in g   v o ltag e  asy m m etr y           Fig u r e  7 .   T C C   cu r v es       T ab le  7 .   E q u ip m e n t c o m p lian ce   s tatu s   b ef o r e  an d   af ter   o p ti m izatio n   Eq u i p me n t   P l a c e me n t   I k ′ ′   ( k A )   I n i t i a l   s t a t e   P r o p o se d   I c u   F i n a l   s t a t e   C B 1   M a i n   I n c o m e r   9 6 . 5   N o n - c o m p l i a n t   1 5 0   k A   C o m p l i a n t   C B 2   F e e d e r   t o   T2   9 6 . 5   N o n - c o m p l i a n t   1 5 0   k A   C o m p l i a n t   C B 3   F e e d e r   t o   T4   7 0 . 3   N o n - c o m p l i a n t   1 0 0   k A   C o m p l i a n t   C B 4   T2   S e c o n d a r y   9 6 . 5   N o n - c o m p l i a n t   1 5 0   k A   C o m p l i a n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       S h o r t - circu it a n a lysi s   a n d   p r o tectio n   co o r d in a tio n   o f  a   3 3   k V   p h o s p h a te  p la n t  …   ( C h eikh a n i A b d el  K a d er )   1777   4.   CO NCLU SI O N   I n   t h i s   w o r k ,   a   c o m p r e h e n s i v e ,   s t a n d a r d - c o m p l i a n t   d i a g n o s t i c  f r a m e w o r k   w a s   e x e c u t e d   t o   ev a l u a t e   t h e  s h o r t - c i r c u i t  b e h a v i o r   a n d   p r o t e c t i o n   c o o r d i n a ti o n   o f   t h e   3 3   k V   /   0 . 4   k V   B OF A L E   in d u s t r i a l   d i s t r i b u t i o n   n e t w o r k .   S h i f ti n g   a w a y   f r o m   c o n v e n t i o n a l   s t e a d y - s ta t e   ass u m p t i o n s ,   t h is   s t u d y   u t i li z e d   E T A P   s o f t w a r e  t o   s y s te m a t i ca l l y   m o d e l  t h e   s y s te m ' s   d y n a m i c   r es p o n s e  t o   m ax i m u m   s y m m e t r i ca l   f a u lt s ,   a s y m m e t r i c a l   g r o u n d   f a u l t s ,   a n d   o p e n - c o n d u c t o r   a n o m a l i es   u n d e r   I E C   6 0 9 0 9   g u i d e l i n e s .   U lt i m a t el y ,   a   m u l t i - l a y e r ed   d i g i t a l   p r o t e c t i o n   a r c h i t e c t u r e   w a s   d es i g n e d   t o   r ec t i f y   s e v e r e   l e g a c y   e q u i p m e n t   n o n - c o m p l i a n c e s   a n d   e n s u r e   o p e r a t i o n a l   s a f e t y .   T h e   i n v e s t i g a t i o n   y i e l d e d   c r i t i c a l   e m p i r i c a l   i n s i g h t s   i n t o   l e g a c y   g r i d   v u l n e r a b i l i t i e s .   F i r s t ,   t h e   i n i t i a l   s y m m e t r i c a l   s h o r t - c i r c u i t   c u r r e n t   a t   t h e   l o w - v o l t a g e   b u s b a r   p e a k e d   a t   9 6 . 5   k A ,   d r i v e n   b y   a   s u b s t a n t i a l   2 6 %   ( 2 5 . 0   k A )   d y n a m i c   c o n t r i b u t i o n   f r o m   i n d u c t i o n   m o t o r s .   T h i s   m a t h e m a t i c a l l y   c o n f i r m e d   t h a t   t h e   e x i s t i n g   2 5 – 3 6   k A   s w i t c h g e a r   w a s   c r i t i c a l l y   u n d e r s i z e d   a n d   p o s e d   a   s e v e r e   s a f e t y   h a z a r d .   S e c o n d ,   s e q u e n c e - n e t w o r k   a n a l y s i s   p r o v e d   t h a t   t h e   h i g h l y   c o n d u c t i v e   z e r o - s e q u e n c e   p a t h   o f   t h e   s o l i d l y   g r o u n d e d   t r a n s f o r m e r   i n d u c e d   a   d a n g e r o u s   f a u l t   c u r r e n t   i n v e r s i o n   ( I S L G   >   I 3 Φ ) ,   p u s h i n g   a s y m m e t r i c a l   f a u l t s   b e y o n d   s y m m e t r i c a l   l i m i t s .   T o   m i t i g a t e   t h e s e   e x t r e m e   e l e c t r i c a l   a n d   t h e r m a l   s t r e s s e s ,   t h e   d e p l o y m e n t   o f   1 5 0   k A - r a t e d   b r e a k e r s   a l o n g s i d e   a d v a n c e d   d i g i t a l   r e l a y s   ( A N S I   4 6 ,   A N S I   8 7 T )   w a s   p r o p o s e d ,   s u c c e s s f u l l y   r e s t o r i n g   a   r o b u s t   c o o r d i n a t i o n   t i m e   i n t e r v a l   ( C T I )   o f   0 . 3 5   s .   W h ile  th e  s tu d y   d eliv er s   a   p r ac tical  an d   r ep licab le  b lu ep r in t  f o r   u p g r ad in g   h ea v y   in d u s tr ial   n etwo r k s ,   we  ac k n o wled g e  its   in h er en t  lim itatio n s .   As  a  d eter m in is tic  s im u latio n   b ased   o n   a  s p ec if ic,   s in g le - s ite  ca s e  s tu d y ,   t h e  n u m er ica l  th r esh o ld s   d er iv e d   a r e  to p o lo g ically   d e p en d e n t.  Fu r th er m o r e,   th e  p r o p o s ed   ar ch itectu r e  was  ev alu ated   s o lely   with in   th e  E T AP  s im u lati o n   en v ir o n m en t;  it  cu r r en tly   l ac k s   a  co m p a r ativ e   s en s itiv ity   an aly s is   ac r o s s   d i f f er en t  g r o u n d in g   to p o lo g ies  an d   h as  n o t  b ee n   v alid ated   th r o u g h   p h y s ical  h ar d war e - in - th e - lo o p   ( HI L )   ex p er im en tal  test in g .   T o   b u ild   u p o n   th is   f o u n d atio n al  ca s e  s tu d y ,   f u t u r e  r esear c h   will  f o cu s   o n   a   co m p ar ativ e  s en s itiv ity   an aly s is   ev alu atin g   s o lid   g r o u n d in g   v er s u s   n eu tr al  g r o u n d in g   r esis to r s   ( NGR)  to   o p tim ize  asy m m etr ical  f au lt  m itig atio n .   Ad d itio n ally ,   e x te n d in g   th is   an aly tical  f r am ewo r k   to   i n co r p o r ate  a d ap tiv e   p r o tectio n   s tr ateg ies  v ia   I E C   6 1 8 5 0   p r o to c o ls   an d   m a ch in e - lear n in g - b ased   f au lt  d ia g n o s tics   will  b e  v ital.  Su c h   ad v an ce m e n ts   will   f ac ilit ate  th e  tr an s itio n   o f   leg ac y   h ea v y - d u ty   in d u s tr ial  clu s ter s   in to   r esil ien t,  s m ar t   m ic r o g r id s   ca p ab le   o f   s af ely   in teg r atin g   d is tr ib u ted   r en ewa b le  en er g y   r eso u r ce s .       ACK NO WL E DG M E N T S   T h e   a u t h o r s   w o u l d   l i k e   t o   e x p r e s s   t h e i r   g r a t i t u d e   t o   t h e   A p p l i e d   R e s e a r c h   L a b o r a t o r y   o f   R e n e w a b l e   E n e r g y ,   W a t e r   a n d   E n v i r o n m e n t   ( U R A 3 E - E X   C R A E R )   a t   t h e   U n i v e r s i t y   o f   N o u a k c h o t t   f o r   p r o v i d i n g   t h e   s c i e n t i f i c   e n v i r o n m e n t ,   t e c h n i c a l   r e s o u r c e s ,   a n d   f a v o r a b l e   c o n d i t i o n s   n e c e s s a r y   f o r   t h e   c o m p l e t i o n   o f   t h i s   r e s e a r c h .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   T h e  au th o r s   h er eb y   d ec lar e  th at  n o   r esear ch   g r an t,  c o n tr ac t,  f in an cial  s u p p o r t,  o r   f u n d in g   o f   an y   k i n d   was  r ec eiv ed   f o r   th e  c o n d u ct  o f   th is   r esear ch .   T h e  wo r k   wa s   ca r r ied   o u t  in d e p en d e n tly   w ith o u t  an y   e x ter n al  f in an cial  s u p p o r t.       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th e  C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m e  o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   C h eik h an i A b d el  Kad e r   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓     ✓   ✓   ✓       ✓     B am b a  E l  Heib a   ✓     ✓   ✓       ✓       ✓   ✓     ✓   ✓   Mo h am ed   E l M am y   Mo h am ed   Ma h m o u d     ✓         ✓     ✓   ✓   ✓   ✓   ✓       B eib ah   Gleig u m e   ✓     ✓   ✓       ✓       ✓   ✓     ✓   ✓   Ab d el  Kad er   Ma h m o u d           ✓     ✓       ✓     ✓     ✓     C   :    C o n c e p t u a l i z a t i o n   M   :    M e t h o d o l o g y   So   :    So f t w a r e   Va   :    Va l i d a t i o n   Fo   :    Fo r mal   a n a l y s i s   I   :    I n v e s t i g a t i o n   R   :    R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi   :    Vi su a l i z a t i o n   Su   :    Su p e r v i s i o n   P   :    P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu   :    Fu n d i n g   a c q u i si t i o n           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.