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n Merlin Gerin n Square D n Telemecanique
his guide is based on the analysis of phenomena arising from thebehaviour of electrical equipment (transformers, motors, etc.),during normal or faulty running. Its aim is to help you choose the
type and characteristics of the device best adapted to your needs.T
Medium voltage switchgear application guide
Electrical installationscontain receivers, thepower supply to whichmust be controlled byswitchgear.
Switchgear providescircuit electricalprotection,disconnection andcontrol.
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Medium voltage switchgear application guide
CONTENTS 1 - Transformer 31 - 1 Switchgear to be used 31 - 2 Device characteristics 3
2 - Motor 72 - 1 Switchgear to be used 72 - 2 Device characteristics 7
3 - Capacitor 103 - 1 Switchgear to be used 103 - 2 Device characteristics 11
4 - Generator 134 - 1 Switchgear to be used 134 - 2 Device characteristics 134 - 3 Determination of a generator circuit breaker 15
5 - Lines and cables 165 - 1 Switchgear to be used 165 - 2 Device characteristics 16
6 - Arc furnace 186 - 1 Switchgear to be used 186 - 2 Device characteristics 18
7 - Appendices 20Appendix 1: transformerAppendix 2: motorAppendix 3: capacitor Appendix 4: generatorAppendix 5: lines and cablesAppendix 6: arc furnaceAppendix 7: diode and thyristor applicationsAppendix 8: fused switch-disconnector and fused contactor association
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1 - TRANSFORMER 1 - 1 Switchgear to be used
type power transformer controlled byMV/LV P 2 MVA dry or immersed type fused switch-disconnectortransformer or circuit breaker
or fused contactor2 MVA < P 4 MVA dry or immersed type fused switch-disconnector
or circuit breakeror fused contactor
MV/MV P 4 MVA dry type circuit breakertransformer immersed type circuit breaker
P > 4 MVA immersed type circuit breaker
The switch and contactor make sure the transformer is switched on and offduring normal and overload running.
The fuse limits and breaks short-circuit currents generated by the upstreamnetwork short-circuit power.
The circuit breaker can make, withstand and break operating currents as wellas short-circuit currents.The protection system (CT, VT, relay, release) automatically causes trippingwhen a fault is detected.
1 - 2 Device characteristics
The control and/or protection device must be located upstream of thetransformer.Transformer faults cannot be picked up by downstream protection alone. A downstream control mechanism cannot isolate the fault transformer.
The device must be able to:n withstand and operate the continuous operating current andeventual overloads,n break the fault current at the connection point; on the transformerssecondary terminals,n withstand short-circuit switching and no-load transformerswitching peaks,n break the no-load currents without excessive overvoltage(downstream open).
A fused switch-disconnector, fused contactor and circuit breaker areusually used for operating and protecting high power transformers.
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1 - TRANSFORMER(contd)
THE DEVICE MUST BE ABLE TO:
n WITHSTAND AND OPERATE THE CONTINUOUS OPERATING CURRENT ANDEVENTUAL OVERLOADSThe device must be dimensioned to be able to withstand the transformersrated current and eventual overloads.The rated current In is given in the following equation:
U: operating voltage
In specific cases where the transformer must operate in overload, thetransformer manufacturer must supply overloads likely to be applied to thedevice depending on the ambient temperature. This overload is expressed in time and as a percentage of the rated power.The current value that should be taken into account is the following:Ir overload = Ir Xoverload
n BREAK THE INSTALLATIONS FAULT CURRENTThe breaking capacity must be higher than or equal to the maximum short-circuit current at the point of installation.When a fused contactor is used as a control device, the breaking capacitymust be higher than the current limited by the fuse.The short-circuit current limited by the transformer is equal to:
Uk: transformer short-circuit voltage
You will find in appendix 1 some values of Uk
Ik =Ir transfo. x 100
Uk transfo.
Examples: n MV/LV transformer tee-off (fig. 1)630 kVA MV/LV transformer; Un primary: 20 kV
The control device rating must be higher than or equal to 18.18 A. The standardised values used by Merlin Gerin are: 400 - 630 - 1250 - 2500 - 3150 A.If the control device is:nn a fused switch-disconnector: the fuse association limits this current to200 A and the real rating of the assembly becomes the same as the fuse.nn a fused contactor: it is impossible to use a fused contactor as an controldevice since the contactor has a maximum rated voltage of 12 kV.nn a circuit breaker: the rating which we approve is 400 A.n MV/MV transformer incomer (fig. 2)3150 kVA MV/MV transformer; Un secondary = 5.5 kV operating with atemporary load of 20% for one hour.
Ir overload = 331 x 1.2 = 397 A.We shall choose a circuit breaker with a rated current of 630 A.
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Ir =S (in kVA)3 U (in kV)
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MV/LV transformers
fig. 1: transformers feeder
MV upstream busbars
MV/MV transformer
MV downstream busbars
fig. 2: transformers incomer
MV busbars
Ir au primaire : S3 U
= 6303 20
= 18.18 A
I r secondary : 31503 5.5
= 331 A
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1 - TRANSFORMER(contd)
Fuse protectionThe fuse makes sure that short-circuit currents generated by the upstreamnetwork as a result of a downstream fault are broken.In order to determine the required fuse rating to ensure transformerprotection, you must know:n the transformers characteristicsnn power (S in kVA),nn short-circuit voltage (Uk in %),nn rated current with eventual overload (A).n the characteristics of the fuse family usednn time/current characteristics (I at 0.1 s),nn minimum breaking current (I3 in A).n the installation and operating conditionsnn in open air,nn in a cubicle,nn in fuse chambers.In order to determine the fuse rating, you must:n choose the rated current of the fusenn in general: transfo. Ir 1.3 fuse Ir transfo. Ir 1.5,nn if the installation and operating conditions are not fully known, choose a fuse current rating immediately higher than transfo. Ir 1.5. n check that transformer switching does not melt the fuse and that thesecondary short-circuit current does melt the fuse with the equation:
I3: minimum breaking current of the fuseI 0.1 s: current which causes the fuse to melt in 0.1 s (see fuse melting curve)Ie/Ir: ratio between the current peak due to no-load transformer switching(peak value) and its rated current (root-mean-square value). If no otherindication, take Ie/In = 14.It is essential to avoid making the fuse operate in the Ir and I3 area. The network short-circuit current is at the most equal to the I1 current of the fuse used.
Ik x I3 < Ir transfo. 315 A),n the operating voltage is higher than 12 kV.
2 - 2 Device characteristics
THE DEVICE MUST BE ABLE TO:
n WITHSTAND AND OPERATE THE OPERATING CURRENTThe device must be dimensioned to be able to withstand the motor loadcurrent.The rated current Ir is given in the following equation:
U = phase to phase voltage in kVcos j = motor power factor h = motor output
Example: 1160 kW motor under 6.6 kV; cos j = 0.92; h = 0.94
We shall choose: n fused contactor: 200 A or 250 An circuit breaker: 400 A.
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Ir (A) =P (in kW)
3 U cos j h
The control and/or protection device must be able to:n withstand and operate continuous operating current, n break the fault current,n withstand the short-circuit fault current (Ik ),n break currents during starting without excessive overvoltage.
A fused contactor, contactor and circuit breaker are usually usedfor operating and protecting motors.
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M M M
I (A) = P (in kW)3 U cos j h
= 11603 6.6 0.92 0.94
= 117.35 A
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2 - MOTOR (contd) n BREAK FAULT CURRENTSWhen a fused contactor is used as a control device, the contactor breakingcapacity must be compatible with the need arising from co-ordination withthe fuse and the different protective mechanisms. The fuse breaking capacity must be higher than or equal to the maximumshort-circuit current possible.When a circuit breaker or a contactor alone is used as a control device, itsbreaking capacity must be higher than the maximum short-circuit currentpossible.
Fuse protectionThe specific type of stress that the fuses must withstand comes from themotor which they must protect and the network on which it is located.
n stress due to the motornn rated current (Ir)nn starting current Id (Id = 6 to 7 Ir for direct starting)nn starting time tdtd depends on the motor (values between 1 and 30 seconds)nn the number of consecutive startings.
n stress due to the networknn rated voltage (< 11 kV). Only fuses with Ur 12 kV are usednn prospective short-circuit current.
n choice of fuse characteristicsnn ideal starting current calculation (Idm) The ideal starting current Idm is equal to:- 2.4 Id if the ratio Id / Ir given by the manufacturer is a design value- 2 Id if the ratio Id / Ir given by the manufacturer is a measured value.This Idm value guarantees two consecutive start-ups or six start-ups at regularintervals per hour.nn to determine the fuse rating- record the Idm and starting time value on the fuse time-current curve asshown in figure 1- choose the value immediately higher than the Idm and td right angleintersectionOn figure 1, the fuse rating to be taken is 250 A.When the fused contactor is installed in the cubicle, Idm must be increasedby 20%.
Circuit breaker protectionThe motors are protected by the following protection devices:n thermal image against overloads,n independent time overcurrent for short-circuits,n earth overcurrent for insulation faults, inverse component maximum for unbalance,n against slow start-ups and rotor-locking.
The motors must be protected against voltage drops by a time-delayundervoltage relay. In general, a single relay is installed on the busbar andcarries out load shedding to all the associated devices.
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fuse time-current curve
Id
td
125 150 200 250t
I
Idm
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2 - MOTOR (contd) n WITHSTAND THE FAULT SWITCHING CURRENT (Ik)The contactor or circuit breaker making capacity must be higher than orequal to the peak short-circuit current value. It is equal to 2.5 Ik accordingto the IEC.
n BREAK CURRENTS DURING STARTING WITHOUT EXCESSIVE OVERVOLTAGEThe motors are sensitive to overvoltage since, for technological reasons, theyare not as well insulated. The switchgear operation creates an overvoltagefor each start-up. Repeated overvoltage creates weak points in the turninsulation which cause it to wear down prematurely, if not destroy it.
Devices using the SF6 technique do not generate dangerous overvoltageand do not need motor protection devices.
Rotating arc techniques should be kept if they work well. Puffer techniquedevices are likely to provoke higher currents than the rotating arc andtherefore more dangerous overvoltage (see selling points folder,overvoltage file).
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3 - CAPACITOR 3 - 1 Switchgear to be used
type power Icapacitance current (1) controlled bydelta P 1050 kvar I 240 A fused contactorconnection U 11 kV I 160 A ISF1circuit-breaker-switchbank
I 60 A SM6 fixed fused switch-disconnector
star 600 P 1050 kvar I 160 A ISF1 circuit-breaker-switchconnection 11.7 U 21.8 kVbank 1050 P 4200 kvar I 240 A fused contactor
U 11 kV1050 P 4800 kvar I 160 A ISF1 circuit-breaker-switchU 21.8 kV1050 P 21000 kvar 440 A 630 A circuit breakerU 21.8 kV 875 A 1250 A circuit breaker
1750 A 2500 A circuit breaker2200 A 3150 A circuit breaker
(1) capacitive current that the breaking device is capable of breaking
The switch and the contactor make sure that the capacitor bank is switchedon and off during normal running.The fuse-switch or fuse-contactor combination make sure that short-circuitcurrents generated by the upstream network short-circuit power are broken.General protection and breaking device with the required breaking capacityare necessary even if capacitors are designed with an internal fuse.The circuit breaker is able to make, withstand and break operating currents aswell as short-circuit currents. Fault tripping is carried out automatically by theprotection system (CT, VT, relay, release, etc.).The capacitor banks are either mounted in a single bank (fig. 1), or in multi stepsbank (fig. 2).The multi steps capacitor bank with the following arrangement is often used:n a head circuit breaker ensuring the general protectionn a switch (ISF1) or circuit breaker (if the number of operations is low)control each tap.
A fuse-switch combination, fused contactor, circuit-breaker-switchand circuit breaker are usually used for operating and protectingcapacitor banks.
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banks with delta or double star connections
banks with delta or double star connections
circuit breaker orfused contactor
fig. 1: single bank fig. 2: automatic banks
switchorcircuit breaker
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3 - CAPACITOR (contd) 3 - 2 Device characteristics
THE DEVICE MUST BE ABLE TO:
n WITHSTAND THE CONTINOUS OPERATING CURRENTThe device must be dimensioned to be able to withstand 1.43 times thecapacitor bank rated current.
The rated current of the device is given by the following equation:Ir device = Ir capacitor x 1.1 x 1.3 = I capacitor x 1.43
1.3 to take into account overheating due to the presence of harmoniccurrents.1.1 take into account the tolerance over the capacitance value.The rated capacitive current must be lower than the capacitive current thatthe device is able to break (value given by the manufacturer).
n BREAK THE FAULT CURRENT The breaking capacity of the device must be higher than or equal to themaximum short-circuit current possible.When the device is a fused contactor, the contactor breaking capacity mustbe higher than the current limited by the fuse.
Fuse protectionThe fuse rating must be between 1.7 and 1.9 times the rated current of thebank. This coefficient takes into account a downgrading of 1.3 due to thepresence of harmonic currents and the derating due to the inrush currentsIr capacitor x 1.7 Ir fuse Ir capacitor x 1.9Protection against overloads must also be provided on each phase.
Circuit breaker protectionProtection against short-circuits and overloads must be provided on eachphase.
Example: Ir capacitor = 100 AIr device = I capacitor x 1.43 = 100 1.43 = 143 AThe breaking device must have a rated current value equal to or higherthan 143 A.
The following control devices are the ones we would choose:n for a switch: ISF1 (Ibroken capacitor =160 A)n for a contactor: Rollarc (Ibroken capacitor = 240 A)n a circuit breaker with a 630 A rating (Ibroken capacitor = 440 A).
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The control and/or protection device must be able to:n withstand the continuous operating current,n break the fault current,n withstand the network switching current and switching peaksgenerated when power to the capacitors is switched on,n make and break without excessive overvoltage.
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3 - CAPACITOR (contd) n WITHSTAND THE SWITCHING CURRENTThe making capacity of the device must be equal to or higher than thegreatest of the following values:n Ip network (2.5 Ik according to IEC)n bank switching current Ie.The bank switching current Ie must always be less than I capacitor x 100.Otherwise it must be limited by installing dumping reactors in order to reducearcing contact wear.This current plays an important role in the mechanical endurance of the device.
n MAKE AND BREAK WITHOUT EXCESSIVE OVERVOLTAGE
If
the overvoltage must not be higher than:n for a single bank: 2 pu n for a automatic bank (n identical taps):
SF6 devices are especially well adapted to this application.
2 n2 n + 1
= pu
1 pu = U r 23
Example: Rollarc contactor, Ir = 400 A; Ibroken capacitor = 240 A;maximum number of operations : 300 000 in mechanical latching. Imax. switching current: 8 kA peak; number of operations at Imax. switching current = 10,000.The determination of switching current values is given in appendix 3.
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4 - GENERATOR 4 - 1 Switchgear to be used
The two most current uses for the generator circuit breaker are: n low power station generator protectionIn practical cases, power station generators are built as self-contained units(generator/transformer set). A VHV circuit breaker is used to operate andprotect them.n protection of auxiliary generators providing a power supply to prioritycircuits in the event of a distribution network failure.In this case, the circuit breaker is used as a transformer protection incomer.Its characteristics are those described in chapter 1 (transformer).
4 - 2 Device characteristics
IN OPERATION, THE GENERATOR CIRCUIT BREAKER MEETS VERYDIFFERENT CONDITIONS OF RUNNING. IT MUST BE ABLE TO:
n WITHSTAND HIGH LOAD CURRENTSThe rated current is given by the following equation: I S
3 U
When in use, the generator circuit breaker comes up against verydifferent operating conditions. It must:n withstand high load currents (overheating),n break strong and highly asymmetrical fault currents which maybe higher than 100% (generator terminal fault),n close on very high currents generated by the asymmetry, n withstand transient recovery voltage with highly increasing speeds,n withstand phase displacement.
power generator GG
VHV network
VHV circuit breaker
transformer
MV capacitors
MV circuit breaker
generator
VHVMV
transformerLV
MV
essential power supply
distributor power supplypower station generator
The control device usually used for operating and protectinggenerators is a circuit breaker.
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4 - GENERATOR (contd) n BREAK HIGHLY ASYMMETRICAL FAULT CURRENTSWhen a short-circuit occurs on a network close to a generator the faultcurrent speed is the one represented in figure 1.It is essential to know the evolution of the short-circuit current and thevalues at the moment the circuit breaker arcing contacts separate:aperiodic (Idc) and periodic (Iac) component value.Current asymmetry can reach very high values, sometimes higher than 100%,which delays the natural passages of the current through zero that arenecessary for breaking. In highly asymmetrical breaking, the SF6 technique is limited to 100%asymmetry for a total asymmetrical current equal to 2 times the peaksymmetrical short-circuit current.
The breaking capacity of the generator circuit breaker must be higher thanor equal to the maximum short-circuit current possible.The value to be taken into account is the greatest of:n the short-circuit current supplied by the network,n the asymmetrical current of the generator at the moment the contacts open.
n SWITCHING WITH VERY HIGH CURRENTSThe making capacity must be higher than or equal to the peak value of theshort-circuit current made.The value to be taken into account is the greatest of the following:n 2.5 times the breaking capacity of the circuit breaker, n the peak value of the short-circuit current, taking into account theasymmetry of the generator current (figure 1).
n INVERSION OPERATIONThe short-circuit current value in phase inversion must be lower than thebreaking capacity given by the manufacturer of the circuit breaker.
n TRANSIENT RECOVERY VOLTAGE VALUES (TRV)The TRV values as well as the TRV increase time must be compatible withthe circuit breaker in all types of situations (see circuit breaker technicalguide 5.11).
Example: when the contacts separate, the periodic short-circuit currentis 29 kA with 80% asymmetry at to
= 29 1.35 = 39.15 kA
The short-circuit current supplied by the network is 25 kA. We shall choose a circuit breaker with a breaking capacity equal to 40 kA.If the breaking capacity required is higher than the breaking capacity ofthe device, one solution consists in delaying circuit breaker switching inorder to avoid an overly high asymmetry when the circuit breaker has toopen due to a fault.
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Iasym. = Isym. 1 + 2 A2 with A = % asymmetry =Idc 100Iac peak
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to
Iac
I (kA)
Idc
time
to = circuit breaker switching time + relay timeIac = aperiodic component Idc = periodic component
fig. 1: evolution of a generatorshort-circuit current
Asymmetrical current = Isym. 1 + 2 A2 = 29 1 + 2 80% 2
-
4 - GENERATOR (contd) 4 - 3 Characteristics required for the determinationof a generator circuit breakerTo be able to select a generator circuit breaker, the following characteristicsmust be satisfied:
n the rated current in continous operationnn generator power in MVA or kVA,nn operating voltage in kV,nn generator rated current.n the short-circuit symmetrical current in rms kAn the asymmetrical current and the continuous component valuen the closing current in peak kAn the rated withstand current (rms kA/1 s)n the peak value of the TRV (in peak kA) as well as the increase time in sn the rated operating cycle (O - 3 mn - CO - 3 mn - CO advised).
The generator circuit breaker can operate in phase inversion which impliesthe following values are known:n the short-circuit current, n the peak value TRV and increase time.
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5 - CABLES ORCABLES/LINES
5 -1 Switchgear to be used
type current controlled bycables I 630 A switch
I 200 A fused switch-disconnectorI 3150 A circuit breaker
5 - 2 Device characteristics
THE DEVICE MUST BE ABLE TO:
n CARRY THE LOAD CURRENTThe rated current depends directly on the supply power and voltage of thereceivers installed on the outlet feeder.Installed power: S = U I 3 I = S
U 3
The operating and/or protection device must be able to: n carry the load current,n withstand the short-circuit current, n break the fault current if the device is an incomer,n operate weak currents (no-load cables or lines) withoutexcessive overvoltage.
MV upstream busbars
MV downstream busbars
lines feeder lines incomer
MV busbars
A switch, fused switch-disconnector and circuit breaker are usuallyused to operate and protect lines and cables.
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5 - CABLES ORCABLES/LINES (contd)
n BREAK THE INSTALLATIONS FAULT CURRENTSThe breaking capacity must be higher than or equal to the maximum short-circuit current possible at the installation point.
If the device is used as an incomerThe breaking capacity must be higher than or equal to the maximum short-circuit current possible at the installation point.The short-circuit current limited by the overhead or underground link dependson the type and section of the conductors.
n for an overhead linkX = 0.4 ohm/km
n for an underground linkThree-phase cables: X = 0.1 to 0.15 ohm/kmSingle-phase cables: X = 0.1 to 0.20 ohm/km
If the device is used as an outletThe switch does not have a short-circuit current breaking capacity. It is theprotection device located upstream which provides protection against short-circuits. It must however be able to withstand the short-circuit current induced forthe time needed to eliminate it.
If protection against short-circuits is required the fused switch-disconnectoror the fuse-switch combination must be used.
The circuit breaker must have a breaking capacity higher than or equal tothe short-circuit current at the connection point.
n OPERATE WEAK CURRENTS WITHOUT EXCESSIVE OVERVOLTAGEApplying voltage to a no-load line can be compared to capacitor switching.
r = 2.810-6 ohm cm2cm
for aluminium
R = r LS
with r = 1.810-6 ohm cm2cm
for copper
R = r LS
with r = 3.3 10-6 ohm cm2cm
for Almelec
Ik = U3 Zk
= U
3 R2 + X2
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6 - ARC FURNACES 6 - 1 Switchgear to be usedThe ISF2 switch-circuit breaker was designed for arc furnace application.The maximum characteristics of the ISF2 are given in the table below.
max. voltage max. load breaking no. of dailypower current capacity operations180 MVA 40.5 kV156 MVA 36 kV 2500 A 20 kA 200104 MVA 24 kV
6 - 2 Device characteristics
THE DEVICE MUST BE ABLE TO:
n OPERATE THE LOAD CURRENTThe rated current depends directly on the furnace supply voltage and power.
S: apparent power of furnaceU: primary voltage of furnace transformer
n BREAK THE SHORT-CIRCUIT CURRENTS
The furnace switch must be able to break the electrode short-circuit current.The short-circuit current may be calculated in a perfectly general way.The short-circuit impedance is essentially due to the LV links.
The primary short-circuit power is:
The primary short-circuit current is:
Ik MV =UMV
3 (ULV)
2
(UMV)2 1
Zk LV
with Zk MV =UMVULV
2 Zk LVIk MV =
UMV3 Zk MV
Sk MV = UMV Ik MV 3 and UMV = Zk Ik
Zk LV = 2.5 10-3 W whatever the furnace size is
Example: Furnace power: 100 MVASupply voltage: 30 kV
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Furnace power: S = U I 3 I = SU 3
The switch must be able to:n operate the load current,n break the installations short-circuit currents,n operate weak currents (no-load transformer) without excessive overvoltage,n carry out a large number of operations.
I = SU 3
= 10030 3
103 = 1924 A
-
6 - ARC FURNACES(contd)
n OPERATE TRANSFORMER NO-LOAD CURRENTS WITHOUT EXCESSIVEOVERVOLTAGEIn the melting process (see appendix 6) a switch operates with the no-loadtransformer: 50% of the case upon opening and 90% of the case upon closing.
Operating overvoltage must be limited when the arc furnace is installed.This overvoltage arises during furnace transformer operation. It contributesto the progressive destruction of the transformers internal insulation andreduces its lifespan.The network must be adapted to the breaking devices characteristics(installation of overvoltage protection capacitors for example).
With SF6 technology operating overvoltage is low. The means of limiting overvoltage are simple. A simple RC circuit placed upstream of the furnace transformer is sufficient.
n MECHANICAL AND ELECTRICAL ENDURANCEIn the melting process a switch operates: 50% of the case upon openingwith currents between 0.8 Iload and 2.6 Iload and 90% of the case uponclosing with load currents of 2.5 Iload
The mechanical endurance of the ISF2 is 50,000 operations.
The electrical endurance depends on the average value of the currentsupplying the furnace transformer during the process and the number ofoperations carried out under this current.
The expected lifespan of the poles (number of CO cycles) depending on theload current is given by the curve below.
Example: for an arc furnacesupplied by a 52 MVA transformerunder 30 kV with a load currentof 1000 A, the expected lifespanof an ISF2 is 25,000 CO cycles(or 50,000 CO cycles if the poleset is replaced).
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I (A)
cycles
50,000
45,000
40,000
35,000
30,000
25,000
20,000
15,000
10,000
5,000
500 1,000 1,500 2,000 2,500
12
0
12
0 curve without replacement of the polescurve with 1 replacement of the polescurve with 2 replacements of the poles
the expected lifespan of the poles (number of FO cycles) in accordance with the load current
-
7 - APPENDICES Appendix 1: transformerAppendix 2: motor
Appendix 3: capacitor
Appendix 4: generator
Appendix 5: cables
Appendix 6: alternating current melting arc furnaces
Appendix 7: diode and thyristor applications
Appendix 8: fused switch-disconnector or fused contactor
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