TM 5-811-14

A
TECHNICAL MANUAL HEADQUARTERS
No. 5-811-14 DEPARTMENT OF THE ARMY
Washington, DC, 25 February 1991

COORDINATED POWER SYSTEM PROTECTION

Paragraph Page
CHAPTER 1. GENERAL REQUIREMENTS
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1 1-1
Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-2 1-1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-3 1-1
Electrical power systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4 1-1
Design procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-5 1-1
CHAPTER 2. ELECTRICAL POWER SYSTEM OVERCURRENTS
General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1 2-1
Normal current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2 2-1
Overload current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-3 2-1

APPROVED FOR PUBLIC RELEASE: DISTRIBUTIONS IS UNLIMITED

Short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4 2-1
Ground-fault current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-5 2-1
Sources of short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-6 2-2
Time variation of short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-7 2-3
Symmetrical and asymmetrical short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-8 2-5
CHAPTER 3. OVERCURRENT PROTECTIVE DEVICES
General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1 3-1
Motor overload relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2 3-1
Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3 3-1
Motor short-circuit protectors (MSCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-4 3-3
Circuit breakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-5 3-3
Protective relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6 3-9
Automatic reclosing devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-7 3-10
CHAPTER 4. PROTECTIVE DEVICES COORDINATION
General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1 4-1
The coordination study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-2 4-1
Primary and medium-voltage coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-3 4-3
Low-voltage coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4 4-5
Ground-fault coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-5 4-5
Coordination requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6 4-6
Maintenance, testing, and calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-7 4-7
Example of phase coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-8 4-7
Example of ground-fault protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-9 4-23
CHAPTER 5. ELECTRICAL SYSTEM PROTECTION TECHNIQUES
Generator protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1 5-1
Transformer protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-2 5-6
Conductor protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-3 5-15
Motor protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-4 5-20
Bus and switchgear protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-5 5-29
Ground-fault protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-6 5-34
Miscellaneous equipment protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-7 5-44
Appendix A. REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1
Appendix B. TYPICAL PROTECTIVE DEVICE SETTINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1
Appendix C. TYPICAL TIME-CURRENT CHARACTERISTIC CURVES . . . . . . . . C-1
Appendix D. TYPICAL DEVICE AND EQUIPMENT RATINGS . . . . . . . . . . . . . . . . D-1
Appendix E. PARTIAL RELAY DEVICE NUMBERS LIST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-I
Appendix F. REPRESENTATIVE PROTECTIVE DEVICE OPERATING TIMES . . F-1
Appendix G. COORDINATION EXAMPLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-1
Appendix H. COMPUTER SOFTWARE APPLICATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H-1
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliography-1
GLOSSARY ........................................................... Glossary-1

i
TM 5-811-14
LIST OF FIGURES
Figure No. Title Page
2-1. Short-circuit waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4
2-2. Symmetrical and asymmetrical current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-6
3-1. Solid-state circuit breaker characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-4
3-2. Solid-state ground-fault characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-5
4-1. Army ammunition plant single-line diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4
4-2. Ground-fault protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6
4-3. Single-line diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-8
4-4. Key protection points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-10
4-5. LC feeder protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-12
4-6. IC MAIN protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14
4-7. Switchgear feeder protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-16
4-8. Switchgear main protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-18
4-9. Composite time-current curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-20
4-10. Composite time-current curve using solid-state devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-22
4-11. Low-voltage ground-fault protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-24
5-1. Single-isolated low-voltage generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-2
5-2. Multi-isolated medium-voltage generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-3
5-3. Medium industrial generators (up to 12.5MVA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-4
5-4. Large industrial generators (greater than 12.5MVA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-5
5-5. Through-fault protection curve for liquid-immersed category I transformers (5kVA to 500kVA single-
phase, 15kVA to 500kVA three-phase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-8
5-6. Through-fault protection curves for liquid-immersed category II transformers (501kVA to 1667kVA
single-phase, 501kVA to 5000kVA three-phase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-9
5-7. Through-fault protection curves for liquid-immersed category Ill transformers (1668kVA to 10,000kVA
single-phase, 5001kVA to 10,000kVA single-phase, 5001kVA to 30,000kVA three-phase) . . . . . 5-10
5-8. Through-fault protection curve for liquid-immersed category IV transformers (above 10,000kVA single-
phase, above 30,000kVA three-phase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-11
5-9. Transformer overcurrent protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-13
5-10. Phase differential relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-15
5-11. Maximum short-circuit current for insulated copper conductors; initial temperature 75 degrees C; final
temperature 200 degrees C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-17
5-12. Emergency overload current percent of continuous rating EPR-XLP insulated 40 degrees C ambient . 5-19
5-13. Motor circuit requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-21
5-14. Minimum protection for induction motor less than 1500 Hp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-23
5-15. Minimum protection for induction motor 1500 HP and larger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-24
5-16. Minimum protection for MV, brushless synchronous motor less than 1500 Hp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-25
5-17. Minimum protection for MV, brushless synchronous motor 1500 Hp and larger . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-26
5-18. Motor self-balance differential protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-28
5-19. Single bus scheme with bus differential relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-30
5-20. Sectionalized bus scheme with bus differential relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-31
5-21. Double bus scheme with bus differential relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-32
5-22. Synchronizing bus scheme with bus differential relaying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-33
5-23. Residual or common relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-35
5-24. Zero-sequence relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-36
5-25. Ground return relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-37
5-26. Ground differential relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-38
5-27. Standard overcurrent protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-40
5-28. Main-only ground-fault protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-41
5-29. Improved ground-fault protection and coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-42
5-30. Main and feeder ground-fault protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-43
C-1. Time-current characteristic curves for typical motor overload relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-2
C-2. Time-current characteristic curve for typical solid state circuit breaker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-3
C-3. Time-current characteristic curve for typical ground fault attachment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-4
C-4. Time-current characteristic curve for typical protective relay (50/51) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-5
C-5. Time-current characteristic curve for typical medium-voltage fuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-6
C-6. NEMA damage curves (through 1200A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-7
C-7. NEMA damage curves (through 5000A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-S
G-1. Example electrical system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-2
G-2. 14kV switchgear feeder No.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-3
G-3. 15kV switchgear feeder No.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-4

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 TM 5-811-14
LIST OF FIGURES — Continued
Figure No. Title Page
G-4. M1 starting, overload, and CB short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-7
G-5. M2 starting, overload, and CB short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-8
G-6. M3 starting, overload, and CB short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-9
G-7. M4 starting, overload, and CB short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-10
G-8. Composite time-current curves for Example 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-11
G-9. M1 starting, overload, and MCP short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-14
G-10. M2 starting, overload, and MCP short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-15
G-11. MS starting, overload, and MCP short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-16
G-12. M4 starting, overload, and MCP short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-17
G-13. Composite time-current curves for Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-18
G-14. M1 starting, overload, and fuse short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-20
G-15. M2 starting, overload, and fuse short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-21
G-16. M3 starting, overload, and fuse short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-22
G-17. M4 starting, overload, and fuse short-circuit protection curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-25
G-18. Ground-fault protection at main only (nonselective, single-zone) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-25
G-19. Ground-fault protection at main feeder, and branch (selective, time coordinated) . . . . . . . . . . . . . . . . . G-26
G-20. Impedance diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-28
G-21. Per unit diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-29
G-22. M5 staffing, overload and fuse short-circuit curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-31
G-23. Protective relays 1, 2, 3, 5, 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-33
G-24. Protective relays 1, 2, 3, 4, 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-35

LIST OF TABLES
Table No. Title Page
3-1. UL fuse classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2
3-2. Circuit breaker trip ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6
3-3. Circuit breaker application comparision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-9
4-1. Maximum overcurrent protection (in percent ) per NFPA 70 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-7
4-2. Summary of initial protective device settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-23
4-3. Summary of new settings using solid-state devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-23
D-1. Low voltage fuse ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-1
D-2. Distribution fuse cutouts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2
D-3. Expulsion-type power fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2
D-4. Boric acid type power fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2
D-5. Current-limiting power fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2
D-6. Typical tap ranges and settings of time-overcurrent relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2
D-7. Typical reactances of three-phases synchronous machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2
F-1. Relayed circuit breakers, 2.4-13.8kV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-1
F-2. Power air circuit breakers, below 600V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-1
F-3. Molded-case circuit breakers, below 600V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-1
F-4. Medium-and high-voltage fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-1
F-5. Low-voltage fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-1
G-1. Summary of device settings for figure G-23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-32
G-2. Summary of device settings for figure G-24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G-34

iii