symmetrical+faults+ - university of florida€¦ · 10/8/13 symmetrical&faults& 3...

134
SYMMETRICAL FAULTS Revised: 10/8/13 1:49 PM 10/8/13 Symmetrical Faults 1

Upload: buitu

Post on 22-Apr-2018

230 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

SYMMETRICAL  FAULTS    

       Revised:  10/8/13  1:49  PM  

10/8/13   Symmetrical  Faults   1  

10/8/13   Symmetrical  Faults   2  

What  is  a  “fault”?    A  faults  is  any  failure  which  interferes  with  the  normal  flow  of  current.    Most  faults  on  transmission  lines  of  115  kV  and  higher  are  caused  by  lightning,  which  results  in  the  flashover  of  insulators  causing  a  low  impedance  path  to  ground.    Line-­‐to-­‐line  faults  not  involving  ground  are  less  common.    Experience  shows  that  70  to  80%  of  transmission  line  failures  are  single  line-­‐to-­‐ground  faults.    Permanent  faults  are  caused  by  lines  being  on  the  ground,  insulator  strings  breaking,  ice  loads,  and  equipment  failure.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   3  

What  is  a  “fault”?    Roughly  5%  of  all  faults    involve  all  three  phases  and  these  are  called  symmetrical  three-­‐phase  faults  or  just  symmetrical  faults.    Line-­‐to-­‐line  faults  that  do  not  involve  ground  and  double  line-­‐to-­‐ground  faults    are  called  unsymmetrical  faults  since  they  cause  an  imbalance  between  the  phases.    The  currents  which  flow  in  a  power  system  immediately  a\er  the  occurrence  of  a  fault  differ  from  those  flowing  a  few  cycles  later  just  before  the  circuit  breakers  are  called  upon  to  open  the  line  on  both  sides  of  the  fault.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   4  

What  is  a  “fault”?    Two  factors  which  determine  the  proper  selec^on  of  circuit  breakers  are  the  current  flowing  immediately  a\er  the  fault  occurs  and  the  current  which  the  breaker  must  interrupt.    In  fault  analysis  values  of  these  currents  are  calculated  for  different  types  of  faults  at  different  loca^ons  in  the  system.    The  informa^on  obtained  form  these  calcula^ons  are  used  to  determine  the  relay  se_ng  that  control  the  circuit  breakers.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   5  

Transients  in  Series  RL  Circuits    The  selec^on  of  a  circuit  breaker  depends  on:  •  normal  opera^ng  current  •  the  current  it  has  to  interrupt  •  the  maximum  current  it  may  have  to  momentarily  carry  

How  does  an  over-­‐current  occur?    To  approach  the  problem  of  calcula^ng  the  ini^al  current  when  a  system  is    short-­‐circuited,  consider  what  happens  when  an  ac  voltage  is  applied  to  an  RL  circuit.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   6  

Mo^va^on  –  Transients  in  Series  RL  Circuits                  Differen^al  equa^on:    Solu^on:  

R L

Vmax sin ωt +α( )

t = 0

i t( )

Vmax sin ωt +α( ) = Ri + L di

dt

i t( ) = Vmax

Zsin ωt +α −θ( )− e−Rt L sin α −θ( )⎡⎣ ⎤⎦

Z = R2 +ω 2L2 , θ = tan−1 ωL R( )

Mo^va^on  –  Transients  in  Series  RL  Circuits                              What  about  when  a  real  synchronous  generator  is  shorted?  

10/8/13   Symmetrical  Faults   7  

i t( ) = Vmax

Zsin ωt +α −θ( )− e−Rt L sin α −θ( )⎡⎣ ⎤⎦

α −θ = 0

α −θ = − π

2

dc-­‐component  exponen^ally  decaying  

ac-­‐component  constant  amplitude  

Review  of  Synchronous  Generators.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   8  

The  Synchronous  Generator    The  synchronous  generator  is  driven  by  a  turbine  to  convert  mechanical  energy  into  electrical  energy.    The  windings  of  the  synchronous  machine  consDtute  a  group  of  inducDvely  coupled  electric  circuits,  some  of  which  rotate  relaDve  to    others  so  that  the  mutual  inductances  are  variable.      The  models  developed  for  the  the  various  windings  are  applicable  to  both  steady-­‐state  and  transient  analysis.  Only  linear  magneDc  circuits  are  considered.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   9  

The  Synchronous  Generator    The  two    principal    parts  of  a    synchronous  machine  are    ferromagneDc    structures.  The  staDonary  part  (a  hollow  cylinder),    called  the  armature  (see  next  slide),  has  longitudinal  slots  in  which  there  are  coils  of  the  armature  windings.  These  carry  the  current  to  an  electrical  load.        The  rotor  is  the  part  of  the  machine  which  is  mounted    on  the  shaM  and  rotates  ins  ide    the  hollow  stator.    The  winding    on  the    rotor,    called  the    field  winding,  is  supplied  with  dc  current.  The  flux  across    the  air  gap  between  the  armature  and  rotor  generates  voltages  in    the  coils  of  the  armature  windings.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   10  

The  Synchronous  Generator  –  Two  Types  

10/8/13   Symmetrical  Faults   11  

Armature

Gap

The cylindrical rotor is called a non-salient pole machine.

Rotor

Armature

Gap

The non-cylindrical rotor is called a salient pole machine.

X

Rotor X

N S

The  Synchronous  Generator    For  the  two-­‐pole  machine,  one  cycle  of  voltage  is  generated  for  each  revoluDon  of  the  two-­‐pole  rotor.  In  the  four-­‐pole  machine,  two  cycles  are  generated  in  each  armature  coil  per  revoluDon.    Since  the  number  of  cycles  of  revoluDon  equals  the  number  of  pairs  of  poles,  the  frequency  of  the  generated  voltage  is:        where  f  is  the  electrical  frequency  in  Hertz,  P  is  the  number  of  poles,  N  is  the  rotor  speed  in  RPM,  and  fm  =  N/60  is  the  mechanical  frequency  in  rpm.    We  see  that  a  two-­‐pole,  60  Hz  machine  operates  at  3600  rpm,  while  a  four-­‐pole  machine  operates  at  1800  rpm.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   12  

f = P

2N60

= P2

fm Hertz

The  Synchronous  Generator  –  Cylindrical  Rotor,  Non-­‐Salient  Pole  Machine  

10/8/13   Symmetrical  Faults   13  

Armature

Gap X

Rotor

X

N S d-­‐axis  

Direct  Axis  

The  Synchronous  Generator  

10/8/13   Symmetrical  Faults   14  

Rotor

Armature

Gap

N N

S

S

q-­‐axis  

d-­‐axis  

The  Synchronous  Generator  –  Non-­‐cylindrical  Rotor,  Salient  Pole  Machine      WE’LL  COME  BACK    TO  THIS  SHORTLY.  

Direct  Axis  

Quadrature  Axis  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   15  

d-­‐axis  

a-­‐axis  

c-­‐axis  

b-­‐axis  

R, Laa

R, Lbb R, Lcc

R, Lff

ia

ib ic

+va

a

c b

i f

+ vb − − vc +

+ v f ′f −

rota^on  

Sta^onary  Armature  

d-­‐axis  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   16  

d-­‐axis  

a-­‐axis  

c-­‐axis  

b-­‐axis  

R, Laa

R, Lbb

R, Lcc

R, Lff

ia

ib ic

+va

a

c b

i f

+ vb − − vc +

+ v f ′f −

Laf

Lcf

Lbf

rota^on  

Sta^onary  Armature  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   17  

d-­‐axis  

a-­‐axis  

c-­‐axis  

b-­‐axis  

R, Laa

R, Lbb

R, Lcc

R, Lff

ia

ib ic

+va

a

c b

i f

Laa = Lbb = Lcc = Ls

Lab = Lba = −Ms Lac = Lca = −Ms

Lbc = Lcb = −Ms

+ vb − − vc +

+ v f ′f −

Laf

Lcf

Lbf

rota^on  

Sta^onary  Armature  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   18  

d-­‐axis  

a-­‐axis  

c-­‐axis  

b-­‐axis  

R, Laa

R, Lbb

R, Lcc

R, Lff

ia

ib ic

+va

a

c b

i f

Laa = Lbb = Lcc = Ls

Lab = Lba = −Ms Lac = Lca = −Ms

Lbc = Lcb = −Ms

+ vb − − vc +

+ v f ′f −

Laf

Lcf

Lbf

θd

rota^on  

Sta^onary  Armature  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   19  

Laf = M f cosθd

Lbf = M f cos θd −120°( )Lcf = M f cos θd − 240°( )

Armature  Flux  Linkages              Armature  Flux  Linkages        Balanced  Three-­‐Phase  System  

10/8/13   Symmetrical  Faults   20  

λa = Laaia + Labib + Lacic + Laf i f = Lsia − Ms ib + ic( ) + Laf i f

λb = Lbaia + Lbbib + Lbcic + Lbf i f = Lsib − Ms ia + ic( ) + Lbf i f

λc = Lcaia + Lcbib + Lccic + Lcf i f = Lsic − Ms ia + ib( ) + Lcf i f

λ f = Laf ia + Lbf ib + Lcf ic + Lff i f

ia + ib + ic = 0

Algebra…            Since  the  field  current  is  dc  and  the  field  rotates  with  constant  angular  velocity,  

10/8/13   Symmetrical  Faults   21  

λa = Ls + Ms( )ia + Laf i f

λb = Ls + Ms( )ib + Lbf i f

λc = Ls + Ms( )ic + Lcf i f

dθd

dt=ω , θd =ωt +θo , i f = I f

λa = Ls + Ms( )ia + M f I f cos ωt +θo( )λb = Ls + Ms( )ib + M f I f cos ωt −120° +θo( )λc = Ls + Ms( )ic + M f I f cos ωt − 240° +θo( )

Circuit  Equa^ons            Internal  emf:              (or  synchronous  emf)      where:    For  convenience  (it’s  arbitrary  anyway)  set    We  have  the  circuit  model…  

10/8/13   Symmetrical  Faults   22  

va = −↑

Raia −↑

dλa

dt

generator

= −Raia − Ls + Ms( ) dia

dt+ ω M f I f sin ωt +θo( )

e ′a = 2 Ei sin ωt +θo( )

e ′a = 2 Ei sin ωt +θo( )

Ei =

ω M f I f

2

θo = δ + 90°

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   23  

+

va

_+ _

~

ia

Ls + Ms

R

ib

ic

vb

+

−vc

+

e ′a = 2 Ei cos ωt +δ( )

e ′b e ′c

a

c

b

Ls + Ms Ls + Ms

R R

va = −Raia − Ls + Ms( ) dia

dt+ω M f I f sin ωt +θo( )

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model    Also:                where  θa  is  the  phase  angle  of  the  lag  of  the  current  ia  with  respect  to  ea’.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   24  

ia = 2 Ia cos ωt +δ −θa( )ib = 2 Ia cos ωt +δ −θa −120°( )ic = 2 Ia cos ωt +δ −θa − 240°( )

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model                        This  is  a  steady-­‐state  model  that  misses  details  of  the  field  current  needed  for  transient  analysis.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   25  

ia = 2 Ia cos ωt +δ −θa( )

±

+

va = 2 Va cosωt

Ls + Ms

e ′a = 2 Ei cos ωt +δ( )

R

The  Synchronous  Generator  -­‐  Cylindrical  Rotor  Model    To  facilitate  transient  analysis  (as  with  a  fault)  it  is  necessary  to  recast  this  model  into  a  different  form.    Recall:    and:      Subs^tu^ng:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   26  

λ f = Laf ia + Lbf ib + Lcf ic + Lff i f

Laf = M f cosθd

Lbf = M f cos θd −120°( )Lcf = M f cos θd − 240°( )

λ f = M f ia cosθd + ib cos θd −120°( ) + ic cos θd − 240°( )

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥+ Lff i f

ia cosθd = 2 Ia cosθd cos ωt +δ −θa( )= 2 Ia cos ωt +δ + 90°( )cos ωt +δ −θa( )

To  facilitate  a  symmetric  fault  it  helps  to  recast  this  model  a  bit.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   27  

ia cosθd = 2 Ia cosθd cos ωt +δ −θa( )= 2 Ia cos ωt +δ + 90°( )cos ωt +δ −θa( )

=Ia

2cos θa + 90°( ) + cos 2ωt + 2δ −θa + 90°( )⎡⎣ ⎤⎦

=Ia

2−sinθa − sin 2ωt + 2δ −θa( )⎡⎣ ⎤⎦

2cosα cosβ = cos α − β( ) + cos α + β( )

ia cosθd + ib cos θd −120°( ) + ic cos θd − 240°( )

= −Ia

2

3sinθa

+sin 2ωt + 2δ −θa( ) + sin 2ωt + 2δ −θa −120°( ) + sin 2ωt + 2δ −θa − 240°( )= 0

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

= −3Ia

2sinθa

Similarly  for  the  other  two  terms:            Subs^tu^ng:              

         This  is  a  balanced  second  harmonic  terms  that            sums  to  zero  at  every  point  in  Dme.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   28  

ib cos θd −120°( ) = Ia

2−sinθa − sin 2ωt + 2δ −θa −120°( )⎡⎣ ⎤⎦

ic cos θd − 240°( ) = Ia

2−sinθa − sin 2ωt + 2δ −θa − 240°( )⎡⎣ ⎤⎦

Subs^tu^ng:              where      or  

10/8/13   Symmetrical  Faults   29  

λ f = M f ia cosθd + ib cos θd −120°( ) + ic cos θd − 240°( )⎡⎣ ⎤⎦ + Lff i f

= Lff i f − 3M f Ia

2sinθa = Lff i f +

32

M f id

id = − 3 Ia sinθa

id =23

ia cosθd + ib cos θd −120°( ) + ic cos θd − 240°( )⎡⎣ ⎤⎦

Observa^ons:          The  flux  linkages  with  the  field  winding  that  are  due  to  a  combina^on  of  the  the  three  line  currents  do  not  vary  with  ^me.    They  can  thus  be  regarded  as  coming  from  a  steady  dc  current  id  in  a  fic^^ous  dc  circuit  coincident  with  the  d-­‐axis  and  thus  sta^onary  with  respect  to  the  field  circuit.    The  two  circuits  rotate  together  in  synchronism  and  have  mutual  inductance  (3/2)1/2Mf  between  them.    Circuit  model…  

10/8/13   Symmetrical  Faults   30  

λ f = Lff i f +

32

M f id , id = − 3 Ia sinθa

Alternate  Circuit  Model  Suitable  for  Transient  Analysis  

10/8/13   Symmetrical  Faults   31  

d-­‐axis  

a-­‐axis  

c-­‐axis  

b-­‐axis  

R, Lff

i f

+ v f ′f

32

M f

θd

id

Field  winding  rota^ng  with  rotor  

Armature  equivalent  winding    rota^ng  with  rotor  

Example  –  A  60-­‐Hz  three-­‐phase  synchronous  generator  with  negligible  armature  resistance  has  the  following  inductance  parameters:          The  machine  is  rated  at  635  MVA,  0,9  power-­‐factor  lagging,  3600  rpm,  24  kV.  When  opera^ng  under  rated  condi^ons,  the  line-­‐to-­‐neutral  terminal  voltage  and  the  line  current  of  phase  a  are      Determine  the  magnitude  of  the  synchronous  internal  voltage,  the  field  current  If,  and  the  flux  linkages  with  the  field  winding.  Repeat  these  calcula^ons  when  a  load  of  635  MVA  is  served  at  rated  voltage  and  unity  power  factor.  What  is  the  field  current  for  rated  armature  voltage  on  a  open  circuit?  

10/8/13   Symmetrical  Faults   32  

Laa = Ls = 2.7656mH , Lab = Ms = 1.3828mH

Lff = 433.6569mH , M f = 31.6950mH

va = 19596cosωt V , ia = 21603cos ωt − 25.6569°( )

Example              Synchronous  Internal  Voltage:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   33  

vamax= 2

24,000

3= 19596V

iamax= VA

V= 2

635,000

3 × 24= 21603A

θ = cos−1 0.9 = 25.8419°, lagging

e ′a = 2 Ei cos ωt +δ( )= Ra

=0ia + va + Ls + Ms( ) dia

dt= va + 2.7656+1.3828( )10−3 dia

dt

= 19596cosωt + 21603 2.7656+1.3828( )10−3 ddt

cos ωt − 25.6569°( )= 19596cosωt −ω21603 2.7656+1.3828( )10−3 sin ωt − 25.6569°( )

Example    Synchronous  Internal  Voltage:                      Field  Current:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   34  

2 Ei cos ωt +δ( )= 19596cosωt −ω21603 2.7656+1.3828( )10−3 sin ωt − 25.6569°( )= 19596cosωt − 33875sin ωt − 25.6569°( )= 34323cosωt − 30407sinωt= 45855cos ωt + 41.5384°( )⇒ 2 Ei = 45855, δ = 41.5384°

ω = 120πsin x − y( ) = sin xcos y − cos xsin y

Ei =

ω M f I f

2⇒ I f = 2

Ei

ω M f

= 3838A

Example    Flux  linkages  with  field  windings:    θa  is  the  angle  of  lag  measured  wrt  ea’.  Since  ia  lags  25.8419o  behind  va,  which  lags  41.5384o  behind  ea’,  then  θa  =  25.8419o  +  41.5384o  =  67.3803o        Thus:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   35  

λ f = Lff i f − 3

M f Ia

2sinθa

Ia sinθa =

216032

sin67.3803° = 14100.6A

λ f = Lff i f − 3M f Ia

2sinθa

= 433.6569× 3838×10−3 − 3× 31.69502

×14100.6×10−3

= 1664.38− 948.06 = 716.31 Weber-turns

Example  –  Repea^ng  for  unity  power  factor:                The  current  ia  is  in-­‐phase  with  va,  and  lags  ea’  by  59.8854o      

10/8/13   Symmetrical  Faults   36  

e ′a = 2 Ei cos ωt +δ( ) = va + 2.7656+1.3828( )10−3 dia

dt= 19596cosωt − 33785sinωt = 39057cos ωt +59.8854°( )

I f = 2

Ei

ω M f

= 3905745855

× 3838 = 3269A

Ia sinθa = 15276sin59.8854° = 13214A

λ f = 433.6569× 3269×10−3 − 3× 31.69502

×13214×10−3

= 1417.62−888.43= 529.19 Weber-turns

Example  –      We  see  that  when  the  power  factor  of  the  load  goes  from  0.9  lagging  to  1.0  under  rated  mega-­‐voltamperes  loading  and  voltage  condiDons,  the  field  current  is  reduced  from  3838  to  3269  A  .  Also,  the  net  air-­‐gap  flux  linking  the  field  winding  of  the  generator  is  reduced  along  with  the  demagneDzing  influence  of  armature  reacDon.    The  field  current  required  to  maintain  rated  terminal  voltage  in  the  machine  under  open-­‐circuit  condiDons  (ia  =  0)  is  

10/8/13   Symmetrical  Faults   37  

I f = 2

Ei

ω M f

= 19596×103

120π × 31.695= 1640A

The  Synchronous  Generator  -­‐  Salient  Rotor  Model    The  round-­‐rotor  theory  already  just  considered  gives  good  results  for  the  steady-­‐state  performance  of  the  synchronous  machine.  However,  for  transient  analysis  we  need  to  consider  a  two-­‐axis  model.      We  now  introduce  the  two-­‐axis  model  by  means  of  the  equaDons  of  the  salient-­‐pole  machine  in  which  the  air  gap  varies  between  poles.      The  largest  generaDng  units  are  steam-­‐turbine  driven  with  round-­‐rotor  construcDon;  fossil-­‐fired  units  have  two  poles  and  nuclear  units  have  four  pole  s  for  reasons  of  economical  design  and  efficiency.  Hydroelectric  generators  usually  have  more  pole-­‐pairs  and  are  of  salient-­‐pole  construcDon.  These  units  run  at  lower  speeds  so  as  to  avoid  mechanical  damage  due  to  centrifugal  forces.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   38  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Salient  Rotor  Model    The  three-­‐phase  salient-­‐pole  machine,  like  its  round-­‐rotor  counterpart,  has  three  symmetrically  distributed  armature  windings  a,  b,  and  c,  and  a  field  winding  f  on  the  rotor  which  produces  a  sinusoidal  flux  distribuDon  around  the  air  gap.      In  both  types  of  machines  the  field  “sees”  the  same  air  gap  and  magneDzing  paths  in  the  stator  regardless  of  the  rotor  posiDon.  Thus,  the  field  winding  has  constant  self-­‐inductance  Lff.    Moreover,  both  machine  have  the  same  sinusoidal  varying  mutual  inductances  as  before.  The  difference  is  that  the  self-­‐  inductances  Laa  ,  Lbb,  and  Lcc  and  the  mutual  inductances  Lab,  Lbc,    and  Lca  between  them  are  no  longer  constant  but  also  vary  as  a  funcDon  of  the  rotor  angular  displacement.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   39  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Salient  Rotor  Model    Flux  Linkages:        These  look  the  same  as  seen  before  (Slide  19),  but  unlike  the  case  of  the  round  rotor  the  L’s  are  no  longer  well-­‐approximated  by  constants.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   40  

λa = Laaia + Labib + Lacic + Laf i f

λb = Lbaia + Lbbib + Lbcic + Lbf i f

λc = Lcaia + Lcbib + Lccic + Lcf i f

X X

The  Synchronous  Generator  -­‐  Salient  Rotor  Model    For  the  armature,      Self-­‐inductances:            Mutual-­‐inductances:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   41  

Laa = Ls + Lm cos2θd

Lbb = Ls + Lm cos2 θd − 2π 3( )Lcc = Ls + Lm cos2 θd + 2π 3( )

Ls > Lm > 0

Lab = Lba = −Ms − Lm cos2 θd +π 6( )Lbc = Lcb = −Ms − Lm cos2 θd −π 2( )Lca = Lac = −Ms − Lm cos2 θd +5π 6( )

Ms > Lm > 0Mostly  based  on  geometrical  considera^ons  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Salient  Rotor  Model    For  the  rotor,    Self-­‐inductances:  

   Field  winding:      D-­‐Damper  winding:      Q-­‐Damper  winding:  

 Mutual-­‐inductances:  

   Field/D-­‐winding:      Field/Q-­‐winding:    D-­‐winding/Q-­‐winding:  

 Armature/Field:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   42  

Lff

LD

LQ

Mr

00

Laf = Lfa = M f cos2θd

Lbf = Lfb = M f cos2 θd − 2π 3( )Lcf = Lfc = M f cos2 θd − 4π 3( )

Mostly  based  on  geometrical  considera^ons  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Salient  Rotor  Model    Armature-­‐damper  winding  mutual-­‐inductances,      Armature/D-­‐winding:            Armature/Q-­‐winding:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   43  

LaD = LDa = M D cos2θd

LbD = LDb = M D cos2 θd − 2π 3( )LcD = LDc = M D cos2 θd − 4π 3( )

LaQ = LQa = MQ cos2θd

LbQ = LQb = MQ cos2 θd − 2π 3( )LcQ = LQc = MQ cos2 θd − 4π 3( )

Mostly  based  on  geometrical  considera^ons  

What  are  these?  

The  Synchronous  Generator  -­‐  Salient  Rotor  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   44  

Field Windings

Damper Windings or Amortisseur Windings

Shorting Bar

Two-­‐Axis  Machine  Model    Clearly  the  equaDons  for  the  flux  linkages  of  the  salient-­‐pole  machine  are  more  complicated  than  their  round-­‐rotor  counterparts.      Fortunately,  the  equaDons  of  the  salient-­‐pole  machine  can  °be  expressed  in  a  simple  form  by  transforming  the  a  ,  b,  and  c  variables  of  the  stator  into  corresponding  sets  of  new  variables,  called  the  direct-­‐axis  ,  quadrature-­‐axis  ,  and  zero-­‐sequence  quanDDes  which  are  disDnguished  by  the  subscripts  d,  q  ,  and  0:  respecDvely.      The  three  stator  currents  ia,  ib,  and  ic  can  be  transformed  into  three  equivalent  currents,  called  the  direct-­‐axis  current  id,  the  quadrature-­‐axis  current  iq  and  the  zero-­‐sequence  current  io.  The  transformaDon  is  made  by  a  matrix  P  called  Park’s  Transforma^on.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   45  

Park’s  Transforma^on    Recall  for  the  round  rotor  machine  we  found  (Slide  30)  id,  what  we  will  now  call  the  direct  current  as:                          Note  how  the  q-­‐axis  lags  the  d-­‐axis  by  –  90-­‐degrees.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   46  

id =

23

ia cosθd + ib cos θd −120°( ) + ic cos θd − 240°( )⎡⎣ ⎤⎦

X X

N   S  d-­‐axis   N   N  

d-­‐axis  

q-­‐axis  

Direct  Axis  

Quadrature  Axis  

S  

S  

rota^on  

Park’s  Transforma^on    Note  how  the  q-­‐axis  lags  the  d-­‐axis  by  –  90-­‐degrees.                        Define  P  as  a  unitary  matrix:  The  unitary  property  assures  that  the  power  is  unaltered  by  P.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   47  

id =23

ia cosθd + ib cos θd −120°( ) + ic cos θd − 240°( )⎡⎣ ⎤⎦

iq =23

ia sinθd + ib sin θd −120°( ) + ic sin θd − 240°( )⎡⎣ ⎤⎦

P = 23

cosθd cos θd −120°( ) cos θd − 240°( )sinθd sin θd −120°( ) sin θd − 240°( )

? ? ?

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

P−1 = PT

Park’s  Transforma^on                    Park’s  transformaDon  gives  what  is  known  as  the  Two-­‐Axis  Model  of  a  salient  pole  generator.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   48  

P = 23

cosθd cos θd −120°( ) cos θd − 240°( )sinθd sin θd −120°( ) sin θd − 240°( )

1

2

1

2

1

2

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

Park’s  Transforma^on                The  P-­‐transformaDon  defines  a  set  of  currents,  voltages,  and  flux    linkages  for  three  ficDDous  coils,  one  of  which  is  the  staDonary    0-­‐coil.  The  other  two  are  the  d-­‐coil  and    the  q-­‐coil,  which    rotate  in      synchronism  with  the  rotor.    The  d-­‐  and  q-­‐coils  have  constant    flux  linkages  with  the  field  and  any  other  windings  which  may  exist  on    the  rotor.  The  resulDng  d,  q,  and  0    flux-­‐linkage  equaDons    are      

10/8/13   Symmetrical  Faults   49  

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Pia

ibic

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

vd

vq

v0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Pva

vb

vc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Pλa

λb

λc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

Park’s  Transforma^on    For  example,  the  resulDng  d,  q,  and  0  flux-­‐linkage  equaDons  are  from  the  stator  flux-­‐linkages  as  follows:      

10/8/13   Symmetrical  Faults   50  

λa = Laaia + Labib + Lacic + Laf i f

λb = Lbaia + Lbbib + Lbcic + Lbf i f

λc = Lcaia + Lcbib + Lccic + Lcf i f

⎬⎪⎪

⎭⎪⎪

λa

λb

λc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=

Laa Lab Lac

Lab Lbb Lbc

Lac Lbc Lcc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

ia

ibic

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

+

Laf

Lbf

Lcf

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

i f

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Pλa

λb

λc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

λa

λb

λc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= P−1

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

P−1

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=

Laa Lab Lac

Lab Lbb Lbc

Lac Lbc Lcc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

P−1

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

+

Laf

Lbf

Lcf

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

i f

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= PLaa Lab Lac

Lab Lbb Lbc

Lac Lbc Lcc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

P−1

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

+ P

Laf

Lbf

Lcf

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

i f

Park’s  Transforma^on    SubsDtuDng  for  the  L’s  from  the  previous  table:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   51  

Laa Lab Lac

Lab Lbb Lbc

Lac Lbc Lcc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=

Ls + Lm cos2θd −Ms − Lm cos2 θd +π 6( ) −Ms − Lm cos2 θd +5π 6( )−Ms − Lm cos2 θd +π 6( ) Ls + Lm cos2 θd − 2π 3( ) −Ms − Lm cos2 θd −π 2( )−Ms − Lm cos2 θd +5π 6( ) −Ms − Lm cos2 θd −π 2( ) Ls + Lm cos2 θd + 2π 3( )

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=

Ls −Ms −Ms

−Ms Ls −Ms

−Ms −Ms Ls

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− Lm

−cos2θd cos2 θd +π 6( ) cos2 θd +5π 6( )cos2 θd +π 6( ) −cos2 θd − 2π 3( ) cos2 θd −π 2( )cos2 θd +5π 6( ) cos2 θd −π 2( ) −cos2 θd + 2π 3( )

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Ls + Ms( )1 0 00 1 00 0 1

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥− M

1 1 11 1 11 1 1

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥− Lm

−cos2θd cos2 θd +π 6( ) cos2 θd +5π 6( )cos2 θd +π 6( ) −cos2 θd − 2π 3( ) cos2 θd −π 2( )cos2 θd +5π 6( ) cos2 θd −π 2( ) −cos2 θd + 2π 3( )

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

Park’s  Transforma^on    Now  for  the  tedious  part  –  subsDtute  all  this…                          to  get…  

10/8/13   Symmetrical  Faults   52  

Laa Lab Lac

Lab Lbb Lbc

Lac Lbc Lcc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Ls + Ms( )1 0 00 1 00 0 1

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥− M

1 1 11 1 11 1 1

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥− Lm

−cos2θd cos2 θd +π 6( ) cos2 θd +5π 6( )cos2 θd +π 6( ) −cos2 θd − 2π 3( ) cos2 θd −π 2( )cos2 θd +5π 6( ) cos2 θd −π 2( ) −cos2 θd + 2π 3( )

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= PLaa Lab Lac

Lab Lbb Lbc

Lac Lbc Lcc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

P−1

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

+ P

M f cos2θd

M f cos2 θd − 2π 3( )M f cos2 θd − 4π 3( )

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

i f

P = 23

cosθd cos θd −120°( ) cos θd − 240°( )sinθd sin θd −120°( ) sin θd − 240°( )

1

2

1

2

1

2

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

, P−1 = PT

Park’s  Transforma^on    to  get…          where:  

 Direct-­‐axis  inductance:    

 Quadrature-­‐axis  inductance:    

 Zero-­‐sequence  inductance:    

             all  constants!  

10/8/13   Symmetrical  Faults   53  

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=

Ld 0 0

0 Lq 0

0 0 L0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

+

32

M f

00

⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥

i f

Ld = Ls + Ms +

32

Lm

Lq = Ls + Ms −

32

Lm

L0 = Ls − 2Ms

Park’s  Transforma^on    The  equaDon  for  the  flux  linkages  of  the  field  circuit  remain  unchanged  (Slide  28):  

10/8/13   Symmetrical  Faults   54  

λ f = Lff I f +

32

M f id

Park’s  Transforma^on    

10/8/13   Symmetrical  Faults   55  

P  

Two-­‐Axis  Machine  Model    

10/8/13   Symmetrical  Faults   56  

q-­‐axis  

a-­‐axis  

c-­‐axis  

b-­‐axis  

R, Lff

i f

+ v f ′f

32

M f

iq

All  coils  rotate  together.  

d-­‐axis  

Rota^on  

θd

R, Lq

R, Ld id

Ignore  damper  winding  for  the  moment.  

Two-­‐Axis  Machine  Model    The  constant  inductance  coefficients  make  for  quite  simple  to  use.  Physically,  these  simpler  flux-­‐linkage  equaDons  show  that  Ld  is  the  self-­‐inductance  of  an  equivalent  d-­‐axis  armature  winding  which  rotates  at  the  same  speed  as  the  field  and  which  carries  current  id  to  produce  the  same  mmf  on  the  d-­‐axis  as  do  the  actual  stator  currents  ia,  ib,  and  ic.    Similarly  for  Lq  and  iq  and  the  q-­‐axis.      The  ficDDous  d-­‐axis  winding  and  the  field  winding  represenDng  the  physical  field  can  be  considered  to  act  like  two  coupled  coils  which  are  staDonary  with  respect  to  each  other  as  they  rotate  together  sharing  the  mutual  inductance  between  them.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   57  

Two-­‐Axis  Machine  Model    Furthermore,  the  field  and  the  d-­‐axis  coil  do  not  couple  magneDcally  with  ficDDous  q  winding  since  it  lags  the  d-­‐axis  in  space  by  90°.      The  zero-­‐sequence  inductance  L0  is  associated  with  a  staDonary  ficDDous  armature  coil  with  no  coupling  to  any  other  coils.  Under  balanced  condiDons  this  coil  carries  no  current,  and  therefore  we  omit  it  from  our  discussion  .  

10/8/13   Symmetrical  Faults   58  

Example  –  To  get  a  feeling  for  Park’s  Transforma^on    Under  steady-­‐state  operaDng  condiDons  the  armature  of  the  salient-­‐pole  synchronous  generator  carries  symmetrical  sinusoidal  three-­‐phase  currents:              Find  the  corresponding  d-­‐q-­‐0  currents  of  the  armature.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   59  

ia = 2 Ia sin θd −θa( )ib = 2 Ia sin θd −120°−θa( )ic = 2 Ia sin θd − 240°−θa( )

Example  –  To  get  a  feeling  for  Park’s  Transforma^on                MulDply  through:              

                 balanced  three-­‐phase  

10/8/13   Symmetrical  Faults   60  

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= 23

cosθd cos θd −120°( ) cos θd − 240°( )sinθd sin θd −120°( ) sin θd − 240°( )

1

2

1

2

1

2

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

ia

ibic

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

id =23

cosθdia + cos θd −120°( )ib + cos θd − 240°( )ic⎡⎣ ⎤⎦

iq =23

sinθdia + sin θd −120°( )ib + sin θd − 240°( )ic⎡⎣ ⎤⎦

i0 =23

1

2ia + ib + ic( )⎡

⎣⎢

⎦⎥ = 0

Example  –  To  get  a  feeling  for  Park’s  Transforma^on    Simplifying…  

10/8/13   Symmetrical  Faults   61  

2sin xcos y = sin x + y( ) + sin x − y( )

ia cosθd = 2 Ia sin θd −θa( )cosθd =Ia

2sin 2θd −θa( )− sinθa⎡⎣ ⎤⎦

ib cos θd −120°( ) = 2 Ia cos θd −120°( )sin θd −120°−θd( )=

Ia

2sin 2θd − 240°−θa( )− sinθa⎡⎣ ⎤⎦

ic cos θd − 240°( ) = 2 Ia cos θd − 240°( )sin θd − 240°−θd( )=

Ia

2sin 2θd − 480°−θa( )− sinθa⎡⎣ ⎤⎦

Example  –  To  get  a  feeling  for  Park’s  Transforma^on    SubsDtuDng…                It  should  come  as  no  surprise  that    Note  how  the  expression  for  id  is  EXACTLY  the  same  as  for  the  round-­‐rotor  machine  (see  Slide  30).  

10/8/13   Symmetrical  Faults   62  

id =23

Ia

2sin 2θd −θa( ) + sin 2θd − 240°−θa( ) + sin 2θd − 480°−θa( )

= 0

− 3sinθa

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

= − 3 Ia sinθa

iq = − 3 Ia cosθa

VOLTAGE  EQUATIONS    Remarkably  simple  in  d,  q,  0  variables.    As  before,  the  line  to  neutral  voltages  are:                  These  would  be  EXTREMELY  difficult  to  deal  with  if  leM  in  terms  of  a,  b,  c,  but  simplify  TREMENDOUSLY  using  Park’s  transformaDon,  but  going  from  a,  b,  c  to  d,  q,  0  is  a  bit  tedious.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   63  

va = −↑

Ria −↑

dλa

dt

generator

vb = −Rib −dλb

dt

vc = −Ric −dλc

dt

Voltage  Equa^ons    General  procedure  –  lots  of  algebra:  

                 MulDply  both  sides  by  P                      Note:        since  

10/8/13   Symmetrical  Faults   64  

va

vb

vc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= −Ria

ibic

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− ddt

λa

λb

λc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

⇒ Pva

vb

vc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= −RPia

ibic

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− P ddt

λa

λb

λc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

vd

vq

v0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= −R

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− P ddt

P−1

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

⎜⎜⎜⎜

⎟⎟⎟⎟

θd =ωt +θo P = P t( )

vd

vq

v0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= −R

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− P ddt

P−1

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

⎜⎜⎜⎜

⎟⎟⎟⎟

= −R

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− PP−1 ddt

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− P ddt

P−1⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= −R

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− ddt

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

− P ddt

PT⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

λd

λq

λ0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

Voltage  Equa^ons    General  procedure  –  lots  of  algebra:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   65  

This  is  the  work.  

vd

vq

v0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= −R

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

dλd

dtdλq

dtdλ0

dt

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

+−ωλq

ωλd

0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

Voltage  Equa^ons    It  all  simplifies  to:                    where  

10/8/13   Symmetrical  Faults   66  

ω =

dθd

dt

Voltage  Equa^ons  Summary:    d-­‐axis                q-­‐axis      and  since  the  field  winding  is  not  subject  to  the  P-­‐transformaDon  

vd = −Rid −dλd

dt−ωλq

λ f = Lff i f +32

M f id

λd = Ldid +32

M f if

10/8/13   Symmetrical  Faults   67  

vq = −Riq −dλq

dt+ωλd

λq = Lqiq

v f ′f = Rf i f +

dλ f

dt

Circuit  Model    

10/8/13   Symmetrical  Faults   68  

v f ′f = Rf i f +

dλ f

dt

v f ′f

Rf

Lff

vd = −Rid − Ld

did

dt−ωλq

32

M f

id

iq

+vd

+vq

−ωλq +

+ωλd −

vq = −Riq − Lq

diqdt

−ωλd

Ld

Lq

R

R

d-­‐axis  armature  equivalent  winding  

q-­‐axis  armature  equivalent  winding    

i f

Field  winding  

Circuit  Model    We  see  that  the  field  coil  is  mutually  coupled  to  the  d-­‐coil  on  the  d-­‐axis.  The  q-­‐coil  is  magneDcally  uncoupled  from  the  other  two  windings  since  the  d-­‐axis  and  the  q-­‐axis  are  spaDally  in  quadrature  with  one  another.      However,  there  is  interacDon  between  the  two  axes  by  means  of  the  voltage  sources  which  are  rotaDonal  emfs  or  speed  voltages  internal  to  the  machine  due  to  the  rotaDon  of  the  rotor.      Note  that  the  speed  voltage  in  the  d-­‐axis  depends  on  λq,  and  similarly,  the  speed  voltage  in  the  q-­‐axis  depends  on  λd.      These  sources  represent  ongoing  electromechanical  energy  conversion.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   69  

Example  –  No  numbers,  but  again  to  appreciate  the  model    A  direct  current  If  is  supplied  to  the  field  winding  of  an  unloaded  salient-­‐pole  synchronous  generator  rotaDng  with  constant  angular  velocity  ω.  Determine  the  open-­‐circuit  armature  voltages  and  their  d-­‐q-­‐0  components.    Since  open  circuited:      SubsDtuDng  these  into:            gives…  

10/8/13   Symmetrical  Faults   70  

id

iqi0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Pia

ibic

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=000

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

vd = −Rid −dλd

dt−ωλq , λ f = Lff i f +

32

M f id , λd = Ldid +32

M f if

vq = −Riq −dλq

dt+ωλd , λq = Lqiq , v f ′f = Rf i f +

dλ f

dt

Example  –  No  numbers,  but  again  to  appreciate  the  model    gives…            Thus:            

10/8/13   Symmetrical  Faults   71  

λd =32

M f if

λq = 0

λ0 = 0

vd = −dλd

dt−ωλq = 0

vq = −dλq

dt+ωλd =ω

32

M f if

v0 = −Ri0dλ0

dt= 0

vd

vq

v0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= Pva

vb

vc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

va

vb

vc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= PT

vd

vq

v0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

Example  –  No  numbers,  but  again  to  appreciate  the  model                          Again  this  is  idenDcal  to  the  round-­‐rotor  machine.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   72  

va

vb

vc

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= PT

vd

vq

v0

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

= 23

cosθd sinθd

1

2

cos θd −120°( ) sin θd −120°( ) 1

2

cos θd − 240°( ) sin θd − 240°( ) 1

2

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

0

ω 32

M f if

0

⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥

= 32

sinθd

sin θd −120°( )sin θd − 240°( )

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

ω M f if

Summary    Park's  transformaDon  replaces  the  physical  staDonary  windings  of  the  armature  by:    1.  A  direct-­‐axis  circuit  which  rotates  with  the  field  circuit  and  is  

mutually  coupled  to  it.  2.  A  quadrature-­‐axis  circuit  which  is  displaced  90°  from  the  d-­‐axis,  

and  thus  has  no  mutual  inductance  with  the  field  or  other  d-­‐axis  circuits  although  it  rotates  in  synchronism  with  them,  and  

3.  A  staDonary  stand-­‐alone  0-­‐coil  with  no  coupling  to  any  other  circuit,  and  thus  not  shown.  

 This  model  is  most  useful  in  analyzing  the  performance  of  the  synchronous  machine  under  short-­‐circuit  condiDons,  which  we  now  (finally!)  consider.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   73  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    When  a  fault  occurs  in  a  power  network,  the  current  flowing  is  determined  by  the  internal  emfs  of  the  machines  in  the  network,  by  their  impedances,  and  by  the  impedances  in  the  network  between  the  machines  and  the  fault.      The  current  flowing  in  a  synchronous  machine  immediately  aMer  the  occurrence  of  a  fault  differs  from  that  flowing  a  few  cycles  later  and  from  the  sustained,  or  steady-­‐state,  value  of  the  fault  current.  This  is  because  of  the  effect  of  the  fault  current  in  the  armature  on  the  flux  generaDng  the  voltage  in  the  machine.      The  current  changes  relaDvely  slowly  from  its  iniDal  value  to  its  steady-­‐state  value  owing  to  the  changes  in  reactance  of  the  synchronous  machine.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   74  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    Our  interest  now  is  in  the  inductance  effecDve  in  the  armature  of  the  synchronous  machine  when  a  three-­‐phase  short  circuit  suddenly  occurs  at  its  terminals.      Before  the  fault  occurs,  suppose  that  the  armature  voltages  are  va,  vb,  and  vc,  and  that  these  give  rise  to  the  voltages  vd,  vq,  and  v0  according  to  Park’s  TransformaDon.    The  short  circuit  of  phases  a  ,  b,  and  c  imposes  the  condiDons  va  =  vb  =  vc  =  0  which  lead  to  the  condiDons  vd  =  vq  =  0.    Thus,  to  simulate  short-­‐circuit  condiDons,  the  terminals  of  the  d-­‐axis  and  q-­‐axis  circuits  of  the  circuit  model  must  also  be  shorted.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   75  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    

10/8/13   Symmetrical  Faults   76  

v f ′f

Rf

Lff

32

M f

id

iq

+vd

+vq

−ωλq +

+ωλd −

Lq

R

R

S

+vd

−+−vd

+vq

−+−vq

The  switches  S  should  be  interpreted  in  a  symbolic  sense;  namely,  when  the  switches  are  both  open,  the  sources  -­‐  Vd  and  -­‐  Vq  are  in  the  circuit,  and  when  the  switches  are  closed,  the  two  sources  are  removed  from  the  circuit.    

S

i f

Ldd-­‐axis  

q-­‐axis  

Field  winding  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    Since  the  model  is  linear  we  now  use  superposiDon.  Assume  that  the  rotor  speed  ω  remains  at  its  pre-­‐fault  steady-­‐state  value.      With  both  switches  closed  we  have  the  steady-­‐state  operaDon  of  the  machine  since  the  added  sources  vd  and  vq  do  nothing.      Suddenly  opening  the  switches  adds  the  series  voltage  sources  –  vd  and  –  vq  producing  the  required  short  circuits.      Thus,  the  sources  –  vd  and  –  vq  determine  the  instantaneous  changes  from  the  steady  state  due  to  the  sudden  short-­‐circuit  fault.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   77  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    We  can  calculate  the  fault-­‐induced  changes  of  all  variables  by  sewng  the  external  sources  vff,  vd  and    vq  equal  to  zero  and  suddenly  applying  the  voltages  –  vd  and  –  vq  to  the  unexcited  rotaDng  machine,  as  shown  in  the  next  slide.    The  internal  speed  voltages  ωλq  and  ωλd  are  iniDally  zero  because  flux  linkages  with  all  coils  are  zero  in  the  (next)  figure  before  applying  the  voltages  –  vd  and  –  vq.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   78  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    

10/8/13   Symmetrical  Faults   79  

v f ′f = 0

Rf

Lff

32

M f

id

iq

−ωλq+ = 0

+ωλd− = 0

Lq

R

R

+−vd

+−vq

i f

t = 0

t = 0

Ldd-­‐axis  

q-­‐axis  

Field  winding  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    From  the  d-­‐axis  summary:          we  compute  the  change        But  since  the  field  winding  is  a  closed,  physical  winding  its  flux  linkages  (field  current)  cannot  change  instantaneously,  so  set    

10/8/13   Symmetrical  Faults   80  

Δλ f = Lff Δi f +32

M f Δid

Δλd = LdΔid +32

M f Δi f

λ f = Lff i f +32

M f id

λd = Ldid +32

M f if

Δλ f = 0⇒Δi f = − 1

Lff

32

M f Δid

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    SubsDtuDng:      into:      gives:      The  flux  linkage  per  unit  current  defines  the  d-­‐axis  transient  inductance:      

10/8/13   Symmetrical  Faults   81  

Δλd = Ld −

32

M f2

Lff

⎝⎜

⎠⎟ Δid

Δi f = − 1

Lff

32

M f Δid

Δλd = LdΔid +

32

M f Δi f

′Ld =

Δλd

Δid

= Ld −32

M f2

Lff

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    The  d-­‐axis  transient  inductance:    Since    the  direct-­‐axis  transient  reactance  X’d  =  ωL’d  is  always  less  than  the  direct-­‐axis  synchronous  reactance  Xd  =  ωLd.    Thus,  following  abrupt  changes  at  its  terminals,  the  synchronous  machine  reflects  in  its  armature  a  transient  reactance  which  is  less  than  its  steady-­‐state  reactance.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   82  

′Ld = Ld −

32

M f2

Lff

32

M f2

Lff

> 0

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    In  defining  X’d,  we  assume  that  the  field  is  the  only  physical  rotor  winding.  As  previously  menDoned,  most  salient-­‐pole  machines  of  pracDcal  importance  have  damper  windings  consisDng  of  shorted  copper  bars  through  the  pole  faces  of  the  rotor;  and  even  in  a  round-­‐rotor  machine,  under  short-­‐circuit  condiDons  eddy  currents  are  induced  in  the  solid  rotor  as  if  in  damper  windings.      The  effects  of  the  eddy-­‐current  damping  circuits  are  represented  by  direct-­‐axis  and  quadrature-­‐axis  closed  coils,  which  are  treated  in  very  much  the  same  way  as  the  field  winding  except  that  they  have  no  applied  voltage.      

10/8/13   Symmetrical  Faults   83  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    To  account  for  the  addiDon  of  damper  windings,  we  need  only  add  to  our  model  the  closed  D-­‐circuit  and  Q-­‐circuit  shown  on  the  next  slide,  which  have  self-­‐inductances  LD  and  LQ  and  mutual  inductances  with  the  other  windings  as  shown.      In  the  steady  state  the  flux  linkages  are  constant  between  all  circuits  on  the  same  rotor  axis.  The  D-­‐  and  Q-­‐circuits  are  then  passive  (having  neither  induced  nor  applied  voltages)  and  do  not  enter  into  steady-­‐state  analysis.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   84  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    

10/8/13   Symmetrical  Faults   85  

d-­‐axis  

q-­‐axis  

Field  winding  

D-­‐damper  winding  

Q-­‐damper  winding  

+v f ′f

Rf

Lff

32

M f id

iq

−ωλq +

+ωλd −

Lq

R

R

+vd

+vq

i f

Ld

32

MQ

RD

RQ

LD

LQ

M R

32

M D iD

iQ

+vD = 0

+vQ = 0

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    Under  short-­‐circuit  condiDons,  however,  we  can  determine  from  the  iniDal  d-­‐axis  flux-­‐  linkage  changes  resulDng  from  sudden  shorDng  of  the  synchronous  machine  with  damper-­‐winding  effects.      The  procedure  is  the  same  as  already  discussed.      The  field  and  D-­‐damper  circuits  represenDng  closed  physical  windings  are  mutually  coupled  to  each  other  and  to  the  d-­‐coil  represenDng  the  armature  along  the  direct  axis.  There  cannot  be  sudden  change  in  the  flux  linkages  of  the  closed  windings,  and  so  we  can  write  the  flux-­‐linkage  changes  along  the  d-­‐axis  by  modifying  our  earlier  results  as  follows:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   86  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons                  Note  how  these  are  similar  to  our  previous  equaDons  but  have  extra  terms  because  of  the  addiDonal  self-­‐  and  mutual  inductances  associated  with  the  D-­‐damper  circuit.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   87  

Δλ f = Lff Δi f +32

M f Δid + MrΔiD = 0

Δλd = LdΔid +32

M f Δi f +32

M DΔiD

ΔλD = 32

M DΔid + M RΔi f + LDΔiD = 0

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    Solving:            and  subsDtuDng:          This  is  the  direct-­‐axis  sub-­‐transient  inductance.      A  similar  inductance  can  be  defined  for  the  q-­‐axis.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   88  

Δλd

Δid

= ′′Ld = Ld −32

M f2LD + M D

2Lff − 2M f Mr M D

Lff LD − Mr2

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

Δi f = −

32

M f LD − 32

Mr M D

Lff LD − Mr2 Δid

ΔiD = −

32

M D Lff −32

Mr M f

Lff LD − Mr2 Δid

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    The  direct-­‐axis  sub-­‐transient  reactance  is  X’’d  =  ωL’’d      X’’d  is  considerably  smaller  than  X’d,  hence  X’’d  <  X’d  <  Xd    We  have  shown  that  the  synchronous  machine  has  different  reactances  when  it  is  subjected  to  short-­‐circuit  faults  at  its  terminals.      Immediately  upon  occurrence  of  the  short  circuit,  the  armature  of  the  machine  behaves  with  an  effecDve  reactance  X’’d,  which  combines  with  an  effecDve  resistance  determined  by  the  damping  circuits  to  define  a  direct-­‐axis,  short-­‐circuit  sub-­‐transient  Dme  constant  T’’d,  typically  in  the  range  of  0.03  seconds.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   89  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    The  direct-­‐axis  sub-­‐transient  reactance  is  X’’d  =  ωL’’d      The  period  over  which  X’’d  is  effecDve  is  called  the  sub-­‐transient  period,  and  this  is  typically  3  to  4  cycles  of  system  frequency  in  duraDon.      When  the  damper-­‐winding  currents  decay  to  negligible  levels,  the  D-­‐  and  Q-­‐circuits  are  no  longer  needed  and  the  model  reverts  to  original  one  obtained.      The  machine  currents  decay  more  slowly  with  a  direct-­‐axis,  short-­‐circuit  transient  Dme-­‐constant  T’d  determined  by  X’d  and  a  machine  resistance  which  depends  on  Rf  of  the  field.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   90  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  –  Further  Considera^ons    The  period  of  effecDveness  of  X’d  is  called  the  transient  period  and  T’d  is  of  the  order  of  1  second.      Finally  ,  for  sustained  steady-­‐state  condiDons  the  d-­‐  and  q-­‐axis  reactances  Xd  =  ωLd  and  Xq  =  ωLq  determine  the  performance  of  the  saient-­‐pole  machine,  just  as  the  synchronous  reactance  Xd  applies  to  the  round-­‐rotor  synchronous  machine  in  the  steady  state.    The  various  reactances  are  supplied  by  the  machine  manufacturers.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   91  

Example  –  Same  Example  as  from  Slide  32.    Calculate  the  per-­‐unit  value  of  X’d.  Use  the  raDngs  of  635  MVA  and  24  kV  as  base  quanDDes.    As  before:    The  transient  inductance  is  calculated  from:        The  transient  reactance  is:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   92  

′Ld = Ld −

32

M f2

Lff

= 4.1484− 32×

31.695( )2

433.6569= 0.6736mH

Ld = Ls + M f = 2.7656+1.3828 = 4.1484mH

′Xd =ω ′Ld = 120π × 0.6736mH = 0.254Ω

Example  –  Same  Example  as  from  Slide  33.    The  impedance  base  on  the  machine  raDngs  is          Thus:      Note:      Hence  

10/8/13   Symmetrical  Faults   93  

Zbase =

Vbase2

VIbase

= 242

635= 0.907Ω

′Xd =

0.2540.907

= 0.28 per − unit

Xd =ωLd = 120π × 4.1484mH = 1.5639Ω⇒1.72 per − unit

′Xd Xd

Short-­‐Circuit  Currents    As  seen  in  the  beginning,  when  an  ac  voltage  is  applied  suddenly  across  a  series  R-­‐L  circuit  the  current  generally  has  two  components:    

a  dc  component,  which  decays  according  to  the  Dme  constant  L/R  of  the  circuit,      and  a  steady-­‐state  sinusoidally  varying  component  of  constant  amplitude.    

 A  similar  but  more  complex  phenomenon  occurs  when  a  short  circuit  appears  suddenly  across  the  terminals  of  a  synchronous  machine.  We  have  the  model  –  do  the  short-­‐circuit  analysis.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   94  

Short-­‐Circuit  Currents    The  resulDng  phase  currents  in  the  machine  will  have  dc  components,  which  cause  them  to  be  offset  or  asymmetrical  when  ployed  as  a  funcDon  of  Dme  as  we  have  seen.      We  generally  neglect  the  dc-­‐components  of  the  currents.    If  we  were  to  examine  the  current  in  one  of  the  phases  we  would  find  that  the  ac-­‐component  varied  as:          We  see  the  influence  of  the  transient  and  sub-­‐transient  reactances.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   95  

i t( ) = 2 Ei cosωt 1

Xd

+ 1′Xd

− 1Xd

⎝⎜⎞

⎠⎟e−t ′Td + 1

′′Xd

− 1′Xd

⎝⎜⎞

⎠⎟e−t ′′Td

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS  

10/8/13   Symmetrical  Faults   96  

2 Ei cosωtXd

e−t ′′Td e

−t ′Td

2 Ei cosωtXd

Time   t = 0 Short  occurs  at  t  =  0.  

i t( )

a  

b  

c  

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    With  the  dc  levels  removed  (which  wouldn’t  make  through  the  transformer  anyway),  the  armature  phase  current  has  three  componetns,  two  of  which  decay  at  different  rates  over  the  sub-­‐transient  and  transient  periods.    NeglecDng  the  small  armature    resistance,  the  height  at  point  a  is  the  maximum  value  of  the  sustained  short-­‐circuit  current,  with  rms  value  given  by:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   97  

I = 1

2

2 Ei

Xd

=Ei

Xd

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    If  the  envelope  of  the  current  wave  is  extended  back  to  zero  Dme  and  the  first  few  cycles  where  the  falloff  is  very  rapid  were  neglected,  the  intercept  is  at  height  b.    The  rms  value  of  this  current  is  known  as  the  transient  current:        Similarly,  the  rms  value  of  the  current  whose  height  is  at  c  is  known  as  the  sub-­‐transient  current:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   98  

′I =

Ei

′Xd

′′I =

Ei

′′Xd

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    The  sub-­‐transient  current  is  oMen  called  the  iniDal  symmetrical  rms  current,    a  more  descripDve  name  because  it    conveys  the  idea  of  neglecDng  the  dc  component  and  taking  the  rms  value  of  the  ac  component  of  the  current  immediately  aMer  the  occurrence  of  the  fault  .      The  simple  equaDons:    indicate  a  method  of  determining  the  fault  current  in  a  generator  when  its  reactances  are  known.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   99  

′I =

Ei

′Xd ′′I =

Ei

′′Xd

TRANSIENT  AND  SUBTRANSIENT  EFFECTS    If  the  generator  is  unloaded  when  the  fault  occurs,  the  machine  is  represented  by  the  no-­‐load  voltage  to  neutral  in  series  with  the  proper  reactance:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   100  

j ′′Xd

± Ei ± Ei ± Ei

j ′Xd jXd

Used  to  calculate  currents  for  sub-­‐transient  condiDons.  

Used  to  calculate  currents  for  transient  condiDons.  

Used  to  calculate  currents  for  steady-­‐state  condiDons.  

Example  –  Two  generators  are  connected  in  parallel  to  the  low-­‐voltage  side  of  a  three-­‐phase  Δ  -­‐  Y  transformer  as  shown.                Generator  1  is  rated  50,000  kVA,  13.8  kV.  Generator  2  is  rated  25,000  kVA,  13.8  kV.  Each  generator  has  a  sub-­‐transient  reactance  of  25%  on  its  own  own  base.  The  transformer  is  rated  75,000  kVA,  13.8Δ  /69Y  kV,  with  a  reactance  of  10%  .  Before  the  fault  occurs,  the  voltage  on  the  high-­‐voltage  side  of  the  transformer  is  66  kV.  The  transformer  is  unloaded  and  there  is  no  circulaDng  current  between  the  generators.  Find  the  sub-­‐transient  current  in  each  generator  when  a  three-­‐phase  short  circuit  occurs  on  the  high-­‐voltage  side  of  the  transformer.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   101  

G1

G2Δ-­‐Y    

Example    Select  69  kV,  75,000  kVA  as  the  base  in  the  high-­‐voltage  circuit.  Then,  the  base  voltage  on  the  low-­‐voltage  side  is  13.8  kV.                  For  Generator  1:    

       

     Note:  How  did  I  get  this?  

10/8/13   Symmetrical  Faults   102  

′′Xd1 = 0.25× 75,000

50,000= 0.365 p.u.

G1

G2Δ-­‐Y    

50,000  kVA  13.8  kV  

25,000  kVA  13.8  kV   75,000  kVA  

13.8Δ  /69Y  kV  

VABase  =  75,000  kVA  VBase  =  69  kV  

VABase  =  75,000  kVA  VBase  =  13.8  kV  

Ei1

= Ei2= 66

69= 0.957 p.u.

Z p.u. = Zrated

Vrated

Vbase

⎝⎜⎞

⎠⎟

2VABase

VArated

.

Example    Select  69  kV,  75,000  kVA  as  the  base  in  the  high-­‐voltage  circuit.  Then,  the  base  voltage  on  the  low-­‐voltage  side  is  13.8  kV.                  For  Generator  2:    Transformer:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   103  

′′Xd 2 = 0.25× 75,000

25,000= 0.750 p.u.

G1

G2Δ-­‐Y    

50,000  kVA  13.8  kV  

25,000  kVA  13.8  kV   75,000  kVA  

13.8Δ  /69Y  kV  

VABase  =  75,000  kVA  VBase  =  69  kV  

VABase  =  75,000  kVA  VBase  =  13.8  kV  

Ei1

= Ei2= 66

69= 0.957 p.u.

Xt = 0.1 p.u.

Example    Pictured  below  is  the  reactance  diagram  before  the  fault.  A  three-­‐phase  fault  is  simulated  by  closing  the  switch.    The  internal  voltages  of  the  two  machines  may  be  considered  to  be  in  parallel  since  they  are  idenDcal  in  magnitude  and  phase  and  no  circulaDng  current  flows  between  them.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   104  

G1

G2

S j ′′Xd 2 = j0.75

jXt = j0.1 j ′′Xd1 = j0.375

P  (fault)   Ei1

Ei2

Example    The  equivalent  sub-­‐transient  reactance  is:          With    the  current  in  the  short-­‐circuit  is:    

10/8/13   Symmetrical  Faults   105  

′′Xd = ′′Xd1 j ′′Xd 2 =

′′Xd1 ′′Xd 2

′′Xd1 + ′′Xd 2

= 0.375× 0.750.375+ 0.75

= 0.25 p.u.

Ei1

= Ei2= Ei

= ′′Xd1 j ′′Xd 2 =′′Xd1 ′′Xd 2

′′Xd1 + ′′Xd 2

= 0.375× 0.750.375+ 0.75

= 0.25 p.u.

′′I =Ei

j ′′Xd + Xt( ) =0.957

j 0.25+ 0.1( ) = − j2.735 p.u.

Example    The  voltage  on  the  Δ-­‐side  of  the  transformer  is:        In  generators  1  and  2:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   106  

Vt = ′′I × jXt = − j2.735× j0.1= 0.2735 p.u.

′′I1 =Ei1

−Vt

j ′′Xd1

= 0.957 − 0.2735j0.375

= − j1.823 p.u.

′′I2 =Ei2

−Vt

j ′′Xd 2

= 0.957 − 0.2735j0.75

= − j0.912 p.u.

Summary    The  steady-­‐state  performance  of  the  synchronous  machine  relies  on  the  concept  of  synchronous  reactance  Xd,  which  is  the  basis  of  the  steady-­‐state  equivalent  circuit  of  the  machine.      Transient  analysis  of  the  synchronous  generator  requires  a  two-­‐axis  machine  model.  We  have  seen  that  the  corresponding  equaDons  involving  physical  a-­‐b-­‐c  phase  variables  can  be  simplified  by  Park’s  transformaDon,  which  introduces  d,q,0  currents,  voltages,  and  flux  linkages.  Simplified  equivalent  circuits  which  follow  from  the  d-­‐q-­‐0  equaDons  of  the  machine  allow  definiDons  of  the  subtransient  reactance  Xd”  and  transient  reactance  Xd’.      The  transient  reactance  is  also  important  for  system  stability  analysis.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   107  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    AssumpDons  made  to  calculate  the  sub-­‐transient  fault  current  for  a  three-­‐phase  short  circuit  in  a  power  system:    1.  Transformers  are  represented  by  their  leakage  reactances.  

Winding  resistances,  shunt  admiyances,  and  Δ–Y  phase  shiMs  are  neglected.  

2.  Transmission  lines  are  represented  by  their  equivalent  series  reactances.  Series  resistances  and  shunt  admiyances  are  neglected.  

3.  Synchronous  machines  are  represented  by  constant-­‐voltage  sources  behind  subtransient  reactances.  Armature  resistance,  saliency,  and  saturaDon  are  neglected.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   108  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    These  assumpDons  are  made  for  simplicity,  and  may  not  always  apply.  For  example,  in  distribuDon  systems,  the  resistances  of  primary  and  secondary  distribuDon  lines  may  in  some  cases  significantly  reduce  fault  current  magnitudes.    Saliency:  The  word  saliency  is  used  as  a  short  expression  for  the  fact  that  the  rotor  of  a  synchronous  machine  has  different  electric  and  magneDc  properDes  on  two  axes  90o  apart;  the  direct  axis,  or  axis  of  symmetry  of  a  field  pole,  and  the  quadrature  axis,  or  axis  of  symmetry  midway  between  two  field  poles.  This  difference  between  the  two  axes  is  present  not  only  in  salient-­‐pole  machines  but  also,  to  a  lesser  extent,  in  round-­‐rotor  machines,  because  of  the  presence  of  the  field  winding  on  the  direct  axis  only.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   109  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Consider  a  generator  that  is  loaded  when  a  fault  occurs.      Pre-­‐Fault  Model                  If  a  three-­‐phase  short  circuit  fault  occurs  from  P  to  neutral,  the  equivalent  circuit  shown  above  does  not  saDsfy  the  condiDons  for  calculaDng  sub-­‐transient  current.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   110  

+Eg

Zext

ZL

jXdg

+

Vt

IL

+

VL =Vf

Pre-­‐fault  current  

Terminal  voltage  

No-­‐Load  voltage  

Synchronous  reactance  

Fault  loca^on  P  

Neutral  

This  is  a  steady-­‐state  model.  It  does  not  capture  transient    behavior.  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    AMer  the  fault  occurs,  here  is  the  correct  circuit:                        

             Fault  Model  

10/8/13   Symmetrical  Faults   111  

+′′Eg

Zext

ZL

j ′′Xdg

+

Vt

IL

+

Vf

S  

Neutral  

P  

′′Eg =Vt + j ′′Xdg IL =Vf + Zext + j ′′Xdg( ) IL

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    With  the  switch  open:          This  equaDons  defines  E’’g,  the  sub-­‐transient  internal  voltage,  is  used  to  calculate  the  subtransient  current  I’’.    Similarly,  to  calculate  the  transient  current  I’,  it  must  be  supplied  through  the  transient  reactance  X’dg  and  the  transient  internal  voltage  E’g:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   112  

′′Eg =Vt + j ′′Xdg IL =Vf + Zext + j ′′Xdg( ) IL

′Eg =Vt + j ′Xdg IL =Vf + Zext + j ′Xdg( ) IL

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Thus,  the  value  of  the  load  current  IL  determines  the  values  of  the  voltages  E’’g  and  E’g,  which  are  both  equal  to  the  no-­‐load  voltage  Eg  only  when  IL  is  zero  so  that  Eg  is  then  equal  to  Vt.    It  is  important  to  note  that  the  parDcular  value  of  E’’g  in  series  with  X’’g  represents  the  generator  immediately  before  and  immediately  aMer  the  fault  occurs  only  if  the  prefault  current  in  the  generator  has  the  corresponding  value  of  IL.    On  the  other  hand,  Eg  in  series  with  the  synchronous  reactance  Xdg  is  the  equivalent  circuit  of  the  machine  under  steady-­‐state  condiDons  for  any  value  of  the  load  current.  The  magnitude  of  Eg  is  determined  by  the  field  current  of  the  machine,  and  so  for  a  different  value  of  IL  in  the  pre-­‐fault  circuit  lEgI  would  remain  the  same  but  a  new  value  of  E’’g  would  be  required.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   113  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Synchronous  motors  have  reactances  of  the  same  type  as  generators.  When  a  motor  is  short-­‐circuited,  it  no  longer  receives  electric  energy  from  the  power  line,  but  its  field  remains  energized  and  the  inerDa  of  its  rotor  and  connected  load  keeps  it  rotaDng  for  a  short  period  of  Dme.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   114  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    The  internal  voltage  of  a  synchronous  motor  causes  it  to  contribute  current  to  the  system,  for  it  is  then  acDng  like  a  generator.  By  comparison  with  the  corresponding  formulas  for  a  generator  the  subtransient  internal  voltage  E’’m  and  transient  internal  voltage  E’m  for  a  synchronous  motor  are  given  by              where  Vt  is  now  the  terminal  voltage  of  the  motor.    

10/8/13   Symmetrical  Faults   115  

′′Em =Vt − j ′′XdmIL

′Em =Vt − j ′XdmIL

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Fault  currents  in  systems  containing  generators  and  motors  under  load  may  be  solved  in  one  of  two  ways:    1.  by  calculaDng  the  subtransient  (or  transient)  internal  voltages  of  

the  machines  or    2.  by  using  Thévenin's  theorem.      An  example  will  illustrate.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   116  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Suppose  that  a  synchronous  generator  is  connected  to  a  synchronous  motor  by  a  line  of  external  impedance  Zext.      The  motor  is  drawing  load  current  IL  from  the  generator  when  a  symmetrical  three-­‐phase  fault  occurs  at  the  motor  terminals.      The  equivalent  circuits  and  current  flows  of  the  system  immediately  before  and  immediately  aMer  the  fault  occurs  are…  

10/8/13   Symmetrical  Faults   117  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Before  the  Fault:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   118  

Zext

+

Vt

IL

+

Vf

Neutral  

P  

+′′Eg

j ′′Xdg j ′′Xdm

+′′Em

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    A\er  the  Fault:    

10/8/13   Symmetrical  Faults   119  

+′′Eg

Zext

j ′′Xdg

+

Vt

′′Ig

+

Vf

j ′′Xdm

+′′Em

Neutral  

′′Im

I '' f

P  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    By  replacing  the  synchronous  reactances  of  the  machines  by  their  subtransient  reactances,  we  calculate  the  subtransient  internal  voltages  of  the  machine  immediately  before  the  fault  occurs  using  our  earlier  results  (Slide  113  and  116):          Now  from  the  faulted  circuit:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   120  

′′Ig =′′Eg

Zext + j ′′Xdg

=Vf + Zext + j ′′Xdg( ) IL

Zext + j ′′Xdg

=Vf

Zext + j ′′Xdg

+ IL

′′Im =′′Em

j ′′Xdg

=Vf − j ′′Xdg IL

j ′′Xdg

=Vf

j ′′Xdg

− IL

′′Eg =Vf + j ′′Xdg IL =Vf + Zext + j ′′Xdg( ) IL

′′Em =Vf − j ′′Xdg IL

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Adding:                    Note  that  the  fault  current  does  not  include  the  pre-­‐fault  current,  i.e.,  the  load  current  –  an  important  observaDon.    Again,  Vf  is  the  pre-­‐fault  voltage  at  the  fault  point.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   121  

′′I f = ′′Ig + ′′Im

=Vf

Zext + j ′′Xdg

+ IL +Vf

j ′′Xdm

− IL

=Vf

Zext + j ′′Xdg

+Vf

j ′′Xdm

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    To  determine  the  subtransient  current  using  Thévenin's  Theorem,  noDng  that  only  the  pre-­‐fault  voltage  at  the  fault  point  need  be  known,  we  can  apply  VTh  =  Vf  at  the  fault  point  and  to  an  otherwise  dead    subtransient  network  as  follows:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   122  

j ′′Xdg j ′′Xdm

Neutral  

P  

Zext

Zth

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    To  determine  the  subtransient  current  using  Thévenin's  Theorem,  noDng  that  only  the  pre-­‐fault  voltage  at  the  fault  point  need  be  known,  we  can  apply  VTh  =  Vf  at  the  fault  point  and  to  an  otherwise  dead    subtransient  network  as  follows:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   123  

+′′Eg = 0

Zext

j ′′Xdg

+

Vt

′′Igf

−Vf

+

j ′′Xdm

+′′Em = 0

′′Imf

′′I f

P  

This  polarity  preserves    the    proper    direc^on  for  If”.  

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    Thevenin’s  Equivalent:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   124  

Zext

+Vf

− I '' f

P  

′′Igf

j ′′Xdm

′′Imf

j ′′Xdg

Power  Systems  Three-­‐Phase  Short  Circuits    

10/8/13   Symmetrical  Faults   125  

ZTh = Zext + j ′′Xdg( ) || jX ''dm

=j ′′Xdm Zext + j ′′Xdg( )Zext + j ′′Xdg( ) + j ′′Xdm

′′I f =Vf

ZTh

=Vf

Zext + j ′′Xdm + ′′Xdg( )j ′′Xdm Zext + j ′′Xdg( )

Example:  A  synchronous  generator  and  motor  are  rated  30,000  kVA,  13.2  kV,  and  both  have  subtransient  reactances  of  20%.  The  line  connecDng  them  has  a  reactance  of  10%  on  the  base  of  the  machine  raDngs.  The  motor  is  drawing  20,000  kW  at  0.8  power-­‐factor  leading  and  a  terminal  voltage  of  12.6  kV  when  a  symmetrical  three-­‐phase  fault  occurs  at  the  motor  terminals.      Find  the  subtransient  currents  in  the  generator,  the  motor,  and  the  fault  by  using  the  internal  voltages  of  the  machine.  

10/8/13   Symmetrical  Faults   126  

Example:  SoluDon  

10/8/13   Symmetrical  Faults   127  

Example:  SoluDon  

10/8/13   Symmetrical  Faults   128  

Example:  SoluDon  

10/8/13   Symmetrical  Faults   129  

Example:  SoluDon  (via  Thevenin’s  Theorem)  

10/8/13   Symmetrical  Faults   130  

Example:      Remember,  the  total  current  is  the  transient  response  plus  the  steady-­‐state  response,  hence:  

10/8/13   Symmetrical  Faults   131  

′′Ig = ′′Igf + IL

′′Im = ′′Imf − IL

Example:      Usually,  load  current  is  omiyed  in  determining  the  current  in  each  line  upon  occurrence  of  a  fault.  In  the  Thévenin  method  neglect  of  load  current  means  that  the  prefault  current  in  each  line  is  not  added  to  the  component  of  current  flowing  toward  the  fault  in  the  line.      The  previous  example  neglects  load  current  if  the  subtransient  internal  voltages  of  all  machines  are  assumed  equal  to  the  voltage  Vf  at  the  fault  before  the  fault  occurs,  for  such  is  the  case  if  no  current  flows  anywhere  in  the  network  prior  to  the  fault.    More  on  this  later…    

10/8/13   Symmetrical  Faults   132  

Example:      Resistances,  charging  capacitances,  and  off-­‐nominal  tap-­‐changing  of  transformers  are  also  usually  omiyed  in  fault  studies  since  they  are  not  likely  to  influence  the  level  of  fault  current  significantly.      CalculaDon  of  the  fault  current  is  thus  simplified  since  the  network  model  becomes  an  interconnecDon  of  inducDve  reactances  and  all  currents  throughout  the  faulted  system  are  in-­‐phase,  as  the  Thevenin  example  demonstrated.        

10/8/13   Symmetrical  Faults   133  

What  About  More  Complicated  Networks?    We  first  need  to  consider  some  aspects  of  Network  CalculaDons      

10/8/13   Symmetrical  Faults   134