Preface
The importance of a generating unit in terms of economics and system reliability cannot be
overstated. This is true for units connected to the nations power grid or for units operating at
industrial facilities. Although there are many books on protective relaying these tend to focus on
transmission and distribution relaying. Many include generator and motor topics. But the
coverage provided does not promote a thorough understanding of the hazards to the generator or
the limitation of protective elements applied.
Settings applied to any protective device represent a balance between adequate sensitivity to
detect a damaging condition and the security required to prevent false tripping during events
that do not threaten the protected equipment. The importance of this balance at generation facilities
is highlighted by the intense scrutiny given these protection schemes in the wake of large-scale
system outages. This scrutiny is not limited to the generator but extends to the auxiliary system
as well.
The aim of this book is to provide in-depth discussions of the major electrical protection
schemes associated with synchronous generators and induction motors. The principles and criteria
presented are applicable to both large and small machines. The discussions include analysis of the
damage and damaging mechanisms relating to each protective function. An understanding of these
parameters is important not only for the application of protection but also when operability issues
arise during or after abnormal operating events.
This book includes detailed derivations of complex system interaction. An understanding of
such phenomena is generally not required when applying rule-of-thumb setting criteria.
However, such derivations provide insight into the basis for the rule-of-thumb settings and the
framework to recognize situations when such settings are not appropriate. These derivations are
also often useful for post-incident analysis.
Included in the text are constructions for Mathcad and Excel workbooks for the analysis of CT
performance in generator differential applications, generator shaft torque transients following
out-of-phase closing, fault-induced impedance swings for two generator systems, steady-state
and dynamic stability limits, under manual and automatic voltage control. These files are available
for download at taylorandfrancis.com.
In the text analytical techniques are presented to assess motor capability and relay response to
transients such as starting and cyclic loading.
I have attempted to present each subject as a stand alone chapter that allows quick reference on
detailed analysis. Example settings calculations are provided.
Donald Reimert, a registered professional engineer, graduated from Penn State University more
than 35 years ago. His professional career was focused on the design and application of protective
relays and relay systems. This has included distribution, transmission, and generation system facilities.
In addition to protective relaying, he has design experience in substation and electrical systems
associated with fossil, nuclear, and hydro-generation facility. As a system planner, he developed
regional projects with financial justifications to meet future load requirements. He has helped to
develop and present a series of protective relay courses for the University of Wisconsin-Milwaukee
including “Introduction to Protective Relaying,” “Protective Relay Principles and Applications,”
and “Advanced Protective Relaying for Transmission Systems.” He has also developed and
presented “Advanced Protective Relaying for Generator and Generator Auxiliaries.”
Contents
Chapter 1
Generator Normal Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 The Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Generator Capability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Voltage Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Sample System GSU Transformer Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 System Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Generator Capability Variations with Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 Excitation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Chapter 2
Generator Short Circuit Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Short-Circuit Current Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Generator Internal Magnetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Generator Magnetic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Generator Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Fault Current Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6.1 Initial Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.2 Fault Calculation Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.3 Determination of Xf and Fault Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.4 Three-Phase Short Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.5 Phase-to-Phase Short Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.6 Phase-to-Ground Fault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.7 Other Fault Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.8 DC Component of Short-Circuit Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.9 RMS Asymmetrical Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.7 Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Practical Shortcuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.9 Short Circuit Calculation Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.9.1 Establish Prefault Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.9.2 Three-Phase Fault at Generator Terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.9.3 Phase-to-Ground Fault on High-Voltage Terminals of GSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.9.4 Effects of the Automatic Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Chapter 3
Generator Differential Relay: 87G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Ideal Differential Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Practical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 CT Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 CT Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 CTs and Fault Current Replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
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3.4 Percentage Differential Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Relay Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Electromechanical Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 Solid-State and Microprocessor Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6 Minimum Operating Current Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.7 Slope Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.7.1 Requirements for Slope Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.7.2 Advantage of Low Slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.7.3 Sensitivity and Load Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.7.4 Relay Response to Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.7.5 Methods of Choosing Slope Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7.5.1 Manufacturer’s Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7.5.2 Qualitative Determination of Slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7.5.3 Error Current Calculations for Unsaturated CT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7.5.4 Mason’s Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7.5.5 Example of Mason’s Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7.5.6 Fundamental Frequency Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8 Sample System Differential Relay Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8.1 Sample System Differential Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8.2 Electromechanical Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8.2.1 Specifications for Relay Chosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8.3 Choosing Slope Static and Microprocessor Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.9 Stabilizing Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.10 Balancing Burden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.11 Time Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.12 Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Chapter 4
Backup Fault Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 Purpose and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.1 Standard Overcurrent Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.2 Voltage-Dependent Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.1.3 Electromechanical vs. Electronic Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Voltage Supervised Overcurrent Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.1 Voltage-Controlled and Voltage-Restrained Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.2 Application Options and Fault Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2.1 Scheme Sensitivity vs. Potential Transformer (PT) and
Current Transformer (CT) Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2.2 Sensitivity Related to Relay Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.2.3 Delta Relay Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.3 Settings Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3.1 Basic Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3.2 Automatic Voltage Regulator in Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.3.3 51 V Transmission System Backup Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.3.4 Effects of Wye-Delta Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.3.5 Self-Excitation Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.3.6 Relay Response to Transient Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.3.7 Equipment Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.4 Setting Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
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4.2.5 Relay Current and Voltage Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.5.1 Relay Current and Voltage Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.5.2 Sequence Currents and Voltages Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.6 Sample System 51 V Relay Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.6.1 Fault Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.6.2 Choosing the Undervoltage Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.6.3 Choosing Overcurrent Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.6.4 Choosing Time Delay Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.6.5 Auxiliary PTs to Correct for Wye-Delta Phase Shift . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 Distance Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.1 Distance Relay Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.1.1 Z Measured by Phase Distance Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.1.2 Mho Distance Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.1.3 System Impedance vs. Relay Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.2 Setting Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.2.1 Load Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.2.2 Apparent Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2.3 Influence of an Interposing Wye-Delta Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.2.4 Auxiliary PTs to Correct for Wye-Delta Phase Shift . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.3 Other Distance Relay Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Chapter 5
Generator Ground Fault Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2 Generator Grounding Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2.1 Ground Fault Current Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2.2 Overvoltage Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.3 Core Damage Cause by Ground Fault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3 Methods of Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.1 Ungrounded System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.2 Solidly Grounded/Effectively Grounded . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.3 High-Impedance Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.3.1 Distribution Transformer Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.3.2 High-Resistance Grounding on Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3.3.3 Ground Fault Neutralizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3.4 Low-Impedance Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.3.4.1 Low-Resistance Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3.4.2 Low-Reactance Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.3.4.3 Grounding Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4 Ground Fault Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4.1 Alarm vs. Tripping for High-Impedance
Grounded System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.2 Electromechanical and Electronic Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.3 High-Impedance Ground Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.3.1 Neutral Overvoltage Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.3.2 Application of 59GN on Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.4.3.3 Broken Delta Overvoltage Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.4.3.4 Overcurrent Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4.4 Low-Impedance Ground Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4.4.1 Ground Differential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
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5.4.5 100% Stator Protection Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.4.5.1 Third-Harmonic Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.4.5.2 Third-Harmonic Undervoltage Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4.5.3 Settings for Sample System 27H Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4.5.4 Third-Harmonic Overvoltage Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4.5.5 Third-Harmonic Voltage Ratio Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4.6 Neutral Injection Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Chapter 6
Unbalanced Current Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2 What Is Negative-Sequence Current? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.3 Effects of Negative-Sequence Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.3.1 Rotor Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.3.1.1 Cylindrical Rotor Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.3.1.2 Salient Pole Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3.2 Pulsating Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.4 Generator Negative-Sequence Capability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.4.1 Continuous Unbalanced Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.2 Short Time Unbalanced Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.5 Sources of Negative Sequence Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.5.1 Unbalanced Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.5.2 Open Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.6 In-Service I2 2 t Duty vs. Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.6.1 Calculation of I2 2 t Duty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.6.1.1 Isolated Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.6.1.2 The Interconnected Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.6.1.3 The’venin’s Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.6.2 Unbalanced Duty on Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.7 Unbalanced Current Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.8 Negative-Sequence Relay Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.8.1 Calculation of Open-Circuit Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.8.2 Negative Sequence Relay Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Chapter 7
Motoring Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2 Effects of Motoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2.1 Consequences for a Steam Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.2.2 Consequences for Other Prime Movers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.3 Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.3.1 Mechanical Protection: Steam Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.3.2 Electrical Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.4 Sequential Trip Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.5 Backup Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.6 Setting Device 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.7 Applying Reversed Power Relay on the Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
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Chapter 8
Field Winding Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.1 Field Ground Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.1.1 Field Ground Hazard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.1.2 Field Ground Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.1.3 Field Ground Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.1.3.1 Field Ground Relay Selection and Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.2 Field Overcurrent Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.2.1 Field Overcurrent Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.2.2 Overcurrent Protection Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.2.3 Application of AC Relays to Protect the Field Winding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.2.3.1 Basic Rectifier Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.2.3.2 Relay Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.3 Settings For Field Overcurrent/Overvoltage Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.3.1 Full Load Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.3.2 Maximum Field Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.3.3 Maximum Field Current from a Bridge Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.4 Applying Field OC Protection on the Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.4.1 Rated Field Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.4.2 Maximum Available Field Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.4.3 Pickup Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.4.4 Time Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Chapter 9
Overexcitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.2 Causes of Overexcitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.3 Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.4 V/Hz Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.5 Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.5.1 Field Monitoring Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.5.2 V/Hz Limiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.5.3 V/Hz Relay Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.6 Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.6.1 Generator V/Hz Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.6.2 Transformer Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.6.3 Generator/Transformer Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.6.4 Setting Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.6.5 Time Delay Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.7 Differential Relay Response to Overexcitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.8 Application of V/Hz Protection on the Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Chapter 10
Abnormal Frequency Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.2 Effect on Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.3 Steam Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.4 Combustion Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5 Hydro Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.6 Excitation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
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10.7 Protection and Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.7.1 Primary Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.7.2 Backup Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.7.3 Combustion Turbine Generators Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Chapter 11
Minimum Excitation Limiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1 Overview of the Minimum Excitation Limiter Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.1 Operation in the Leading Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1.2 Limits on Leading Var Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
11.2 Setting Criteria Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.3 Setting Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.4 Generator Leading Var Capability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.4.1 Stator End-Core Heating in the Round Rotor Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11.4.2 Leading Var Capability of a Salient Pole Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.5 Coordination with the LOF Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
11.6 System Stability Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.6.1 Classical View of Steady-State Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.6.2 Manual Regulator Steady-State Stability Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.6.3 Automatic Regulator Stability Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.7 MEL Protective Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
11.7.1 Straight Line Characteristic: Type UEL2 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.7.2 Multisegment Straight Line Model Type UEL3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.7.3 Circular Characteristic Type UEL1 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
11.8 MEL Dynamic Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.8.1 Problems with MEL Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.8.2 Interaction with V/HZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.8.3 Isolated on Capacitive Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.9 MEL Application on the Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Chapter 12
Loss of Synchronism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.2 Turbine Generator Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
12.3 Transient Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
12.4 Out-of-Step Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
12.5 Classical Swing Impedance Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
12.6 Dynamic Swing Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
12.7 Setting Consideration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
12.7.1 Recoverable Swings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
12.7.2 Current Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.7.3 Out-of-Phase Switching Rating for Breakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.7.4 Swing Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.8 Out-of-Step Relay: Device 78 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.8.1 Simple Mho Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.8.2 Single Blinder Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
12.8.3 Double Blinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
12.8.4 Double Lens and Concentric Circle Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
12.8.5 Detection Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
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12.9 Setting Out-of-Step on Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Chapter 13
Loss of Field Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
13.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
13.1.1 Other Factors Affecting Loss of Field Severity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.2 System Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
13.3 Generator Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
13.3.1 Stator Winding Overload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
13.3.2 Rotor Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
13.3.3 Stator End-Core Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
13.3.4 Torque Pulsations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
13.4 Loss of Field Protection: Device 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
13.5 Distance Relay Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
13.5.1 Distance Scheme 1: Unqualified Trip Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
13.5.1.1 Coordination for Stable Swings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
13.5.1.2 Coordination with Minimum Excitation Limiter and
Generator Capability Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
13.5.1.3 Modified Scheme: Two Impedance Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
13.5.2 Distance Scheme 2: Qualified Trip Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
13.5.2.1 Trip Delay Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.5.2.2 Criteria for Setting Mho Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.5.2.3 Undervoltage Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.5.2.4 Modified Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.5.2.5 Special Consideration for Bussed Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.6 Other Causes for LOF Relay Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
13.6.1 Operator Error on Startup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
13.6.2 Frequency-Sensitive Excitation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.7 LOF Relays During System Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
13.8 Special Considerations for Hydro Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
13.9 Application of the LOF on the Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
13.9.1 Application of Scheme 1 on the Sample System Generator . . . . . . . . . . . . . . . . 347
13.9.1.1 Setting Review against Dynamic Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
13.9.2 Application of Scheme 2 on the Sample System Generator . . . . . . . . . . . . . . . . 350
13.9.2.1 Setting Review against Dynamic Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Chapter 14
Synchronization Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.2 Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.2.1 Transformer Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
14.2.1.1 Maximum Withstand Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
14.2.1.2 Maximum Synchronizing Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
14.2.2 Generator Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
14.2.2.1 Shaft Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
14.2.2.2 Fatigue Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.2.2.3 Relative Damage Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
14.2.2.4 Considerations for Gas Turbines and
Hydro Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
14.2.3 Breaker Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
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14.3 Synchronizing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
14.3.1 Manual Synchronizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14.3.2 Automatic Synchronizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.4 Synchronism Check Relays (Device 25) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.4.1 Electromechanical Sync-Check Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
14.4.2 Electronic-Based Sync-Check Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14.4.2.1 Phase Angle Supervision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
14.4.2.2 Slip Frequency Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
14.4.2.3 Anticipatory Close Initiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
14.4.2.4 Minimum and Maximum Voltage Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
14.4.2.5 Maximum Voltage Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.4.2.6 Generator Voltage Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.4.2.7 PT Phase Angle Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.4.2.8 Voltage Magnitude Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.4.2.9 Built-In Dead Bus Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.5 Automatic Synchronizer (Device 25A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.5.1 Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.5.2 Frequency Modulation Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
14.5.3 Pulse Width Modulation Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14.6 Slow Breaker Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14.7 Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
14.8 Synchronizing Equipment on the Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
14.8.1 Input Circuit Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
14.8.2 Autosynchronizer Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
14.8.3 Sync-Check Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
14.8.4 Slow Close Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
Chapter 15
Accidental Energization Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
15.2 Generator State at Energization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
15.3 Inadvertent Energization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
15.3.1 Initial Current for a Three-Phase Energization
from Standstill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
15.3.2 Single-Phase Energization from Standstill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
15.3.3 Initial Current for a Single-Phase Energization at Standstill . . . . . . . . . . . . . . . 394
15.4 Breaker Flashover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.4.1 Initial Single-Phase Flashover Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.4.2 Initial Current for Two-Phase Flashover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15.5 Dynamic Analysis of Three-Phase Energization from Standstill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
15.5.1 System Voltage Impressed on d- and q-Axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
15.5.2 Axis Voltages Produced by Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
15.5.3 Derivation of Axis Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
15.5.4 Defining Generator Shaft Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
15.5.5 d- and q-Axes Circuit Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
15.5.6 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
15.6 Generator Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
15.6.1 Rotor Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
15.6.2 Other Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
15.7 Turbine Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
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15.8 Energization Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
15.9 Protection Provided by Native Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
15.9.1 Loss-of-Field Relay: Device 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
15.9.1.1 LOF Scheme 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
15.9.1.2 LOF Scheme 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
15.9.2 Backup Distance Protection: Device 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
15.9.3 Voltage Restraint/Voltage Control Relays: Device 51V . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
15.9.4 Motoring Protection: Device 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
15.9.5 Negative-Sequence Current Protection: Device 46 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
15.9.6 Backup Ground Relay: Device 51N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
15.10 Dedicated Energization Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
15.10.1 Dedicated Inadvertent Energization Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
15.10.2 Dedicated Breaker Flashover Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
15.11 Applying Energization Protection on the Sample System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
15.11.1 Inadvertent Energization Scheme Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
15.11.2 Open Breaker Flashover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
15.11.2.1 Initial Current for Single-Phase Flashover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
15.11.2.2 Initial Current for Two-Phase Flashover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
15.11.2.3 Setting the OBF Fault Detector (50N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
Chapter 16
Motor Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
16.2 Motor Characteristics and Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
16.2.1 Classical Motor Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
16.2.1.1 Motor Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
16.3 Motor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
16.3.1 Rated Voltage and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
16.3.2 Service Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
16.4 Motor Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
16.4.1 Motor Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
16.4.2 Speed–Torque Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
16.5 Motor Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
16.5.1 Horsepower Rating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
16.5.2 Matching Motor and Load Torque Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
16.5.3 Inertial Capability of NEMA Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
16.6 Motor Starting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
16.6.1 System Voltage Degradation during Starting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
16.6.2 Starting Time Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
16.6.3 Motor Model for Starting Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
16.6.4 Starting Calculation Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
16.6.5 Effect of Load Torque Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
16.6.5.1 Centrifugal Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
16.6.6 Rotor Heating during Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
16.7 Motor Overload Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
16.7.1 Motor Thermal Limit Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
16.7.2 Overcurrent Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
16.7.3 Thermal vs. Disk Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
16.7.4 Time Overcurrent Trip Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
16.7.5 Duty Cycle Motor Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
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16.7.6 Induction Disk Operating Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
16.7.6.1 Dynamic Characteristic of the Disk Element . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
16.7.6.2 Practical Disk Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
16.7.6.3 Disk Element Response to Starting Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
16.7.6.4 Disk Element Response to Cyclic Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
16.7.7 Basic Thermal Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
16.7.7.1 Dynamic Characteristic of the Thermal Element . . . . . . . . . . . . . . 481
16.7.7.2 Thermal Element Response to Starting Current . . . . . . . . . . . . . . . 482
16.7.7.3 Thermal Element Response to Cyclic Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
16.8 Multifunction Microprocessor Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
16.8.1 Thermal Model Protection Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
16.8.1.1 Derivation of Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
16.8.1.2 Scheme Application Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
16.8.2 Thermal Limit Based Protection Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
16.8.2.1 Application of Thermal Limit Based Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
16.8.3 Unbalanced Current Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
16.9 Special Schemes for Difficult Starts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
16.10 Direct Temperature Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
16.11 Phase Fault Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
16.11.1 Cable Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
16.11.2 Upstream Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
16.12 Ground Fault Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
16.13 Phase Unbalanced Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
16.13.1 Current and Voltage Unbalanced Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.14 Sample Setting Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
16.14.1 Set Device 51 Operating Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
16.14.2 Set Device 50 Operating Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
16.14.3 Checking the Maximum Three-Phase Fault Current at the Motor . . . . . . . . 511
16.14.4 Device 51 Time Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
16.14.5 Coordination with Upstream Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
Appendix A
Generator Data Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Appendix B
CT Performance in Differential Relay Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
Appendix C
Dynamic and Steady State Stability Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
Appendix D
Swing Impedance Locus Calculation Using Excelw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
Appendix E
Generator Shaft Torsional Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
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