2/21/2017 Distance Protection Philosophy | Electrical Concepts

Search … Search

Electrical Concepts
Home Basics Electrical  Electrical Machines  Power System Analysis 

Electronics  Interview Questions

LATEST POSTS
Distance Protection
Load Factor, Diversity Factor
and Capacity Factor Philosophy
 April 17, 2016
VRLA Battery – Valve
Regulated Lead Acid Battery

Torque Equation in Share

Electrodynamometer
Instruments

Electrodynamic Type
Instrument – Construction
and Working Principle

Symmetrical Fault and Short

Circuit kVA

Tinned Copper Wire and Its

Bene嚓�ts

Why Copper Wire is

Preferred than Aluminum in
Control Cable?

SF6 Circuit Breaker –

Construction, Working
Principle and Types Distance  protection  is  a  non­unit  system  of  protection  offering
considerable economic and technical advantages. Unlike phase
Resistance Switching in and  neutral  over  current  protection,  the  key  advantage  of
Circuit Breaker
distance  protection  is  that  its  fault  coverage  of  the  protected
Current Chopping in Circuit circuit  is  independent  of  source  impedance  variations.  Let  us
Breaker take an example of this to understand how distance protection is
independent of source impedance. Consider the figure below.
 
RECOMMENDED 
BOOKS
http://electricalbaba.com/distance­protection­philosophy/ 1/8
2/21/2017 BOOKS Distance Protection Philosophy | Electrical Concepts

In the figure above, R1 is an over current relay which is used for
the protection of Transmission Line. If there is a fault at F1,
 
Equivalent source impedance Zs = 10×10/20 = 5 Ω
 
Impedance up to the point of Fault = 5+4 = 9 Ω
 
MY FAVORITE BOOKS Fault current IF1= 220×103/1.732*9 = 220×103/15.588 = 14113.5
A
 
Therefore the setting of over current Relay should be more
than 14113.5 A.
 
Now consider the case,
 

Here  fault  is  not  on  the  Transmission  Line  but  it  is  assumed  to
be inside Switchyard and only one source is feeding the power
to the network. Proceeding in the similar manner,
Fault Current IF2= 220×103/1.732*10 = 12702A
 
Therefore for the protection of Transmission Line, the setting of
Relay  shall  be  kept  less  than  12702  A.  But  for  earlier  case  we
saw that setting of Relay R1 shall be more than 14113.5 A thus
overall  the  setting  shall  be  >  14113.5  but  <12702  A  which  is
impractical. Therefore over current Relay is not suitable here
and it depends on the source impedance.
 
Distance  protection  is  therefore  used  for  the  protection  of
Transmission Line. It is simple to apply and fast in isolating the
faulty  section  from  the  healthy  network.  Distance  Protection
provides primary as well as back­up protection to the protected
line.  I  will  show  this  back­up  protection  function  latter  in  this
post.
  
http://electricalbaba.com/distance­protection­philosophy/ 2/8
2/21/2017 Distance Protection Philosophy | Electrical Concepts

PRINCIPLES OF DISTANCE RELAYS:
 
Since the impedance of a transmission line is proportional to its
length,  for  distance  measurement  it  is  justified  to  use  a  relay
capable  of  measuring  the  impedance  of  a  line  up  to  a
predetermined  point.  This  predetermined  point  is  called  Reach
of the Relay.
 
Such a relay is described as a distance relay and is designed to
operate only for faults occurring between the relay location and
the selected reach point, thus giving discrimination for faults that
may  occur  in  different  line  sections.  The  basic  principle  of
distance  protection  involves  the  division  of  the  voltage  at  the
relaying  point  by  the  measured  current.  The  apparent
impedance  so  calculated  is  compared  with  the  reach  point
impedance  which  is  settable  in  the  Relay.  If  the  measured
impedance  is  less  than  the  reach  point  impedance,  it  is
assumed that a fault exists on the line between the relay and the
reach point and issues trip command to the concerned Breaker
Trip Coil either through Master Trip Relay or directly (in case of
single  pole  tripping  of  breaker,  assuming  single  pole  Auto
Reclosure is allowed).
 

If  measured  value  of  impedance  V/I  is  less  than  setting  z  then
Relay assumes a fault as clear from the above diagram.
 
ZONE CONCEPT IN DISTANCE PROTECTION:
 
Consider the figure below and carefully observe.
 


http://electricalbaba.com/distance­protection­philosophy/ 3/8
2/21/2017 Distance Protection Philosophy | Electrical Concepts

Here there are three sub­stations namely A, B and C. For sub­
station  A,  the  distance  protection  is  divided  into  three  zones
Z1a, Z2a and Z3a which are called Zone­1, Zone­2 and Zone­3
protection.  Similarly  for  sub­station  D  the  three  zones  will  be
Z1d, Z2d and Z3d.
Zone­1  is  normally  set  to  80%  of  total  length  of  Line  (here  line
length is AB between two consecutive substation). Zone­2 is set
to  150  %  of  total  line  length  and  Zone­3  set  at  120%  of  (100%
line length + 100% of Longest Line from Remote substation i.e.
B). It should be noted that all Zones are setting is done in terms
of impedance.
 
Assume the distance between A and B = 200 KM
 
Total Impedance of Line AB = 61 Ohm
 
Current Transformer ratio = 1000/1A
 
Potential Transformer ratio = 400 kV / 110 V
 
So  for  Zone­1  Impedance  setting  =  80  %  of  Total  Line
Impedance = 80% of 61
 
                                                      = 0.8×61 = 48.8 Ohm ?????
(Will it be????)
 
It  won’t  be…..because  you  need  to  consider  CT  &  PT  ratio
for  calculating  the  impedance  as  the  Relay  is  sensing
current and voltage through CT and PT only.
 
PT/CT Ratio = 1000/(400×103/110) = 1000×110/400,000 = 0.28
 
So the required setting for Zone­1 = 48.8×0.28 = 13.66 ohm.
Which  means  if  the  distance  Relay  senses  Impedance  less
than 13.66 Ohm then it will pick­up for Zone­1.
 
In the same manner, Setting for Zone­2 = (150% of 61) × CT/PT
ratio
  
http://electricalbaba.com/distance­protection­philosophy/ 4/8
2/21/2017 Distance Protection Philosophy | Electrical Concepts

                                                                = 1.5×61×0.28 = 25.62
ohm
 
Which  means  if  the  distance  Relay  senses  Impedance  less
than 25.62 Ohm then it will pick­up for Zone­2.
 
Setting  for  Zone­3  =  120%  of  (Impedance  of  Line  AB+
Impedance of Longest Line from                        substation B)
 
Assume  the  Longest  Line  from  substation  B  is  having  an
impedance of 61 Ohm.
 
Therefore Setting for Zone­3 = (120% of (61+61)) × CT/PT ratio
 
                                              = 1.2×122×0.28 = 41 Ohm
 
Which  means  if  the  distance  Relay  senses  Impedance  less
than 41 Ohm then it will pick­up for Zone­3.
 
So we now know how to calculate the setting for different Zones
of Distance Protection.
Now suppose our substation is A and we are providing distance
protection so Relay is located at A. For fault in Zone­1, obviously
we need to isolate the fault without any time delay. Now say our
breaker at A opened but as we are connected to the substation
B  so  their  breaker  at  B  shall  also  trip  so  as  to  isolate  the  fault
completely  otherwise  fault  will  be  feed  from  substation  B  side
even  though  our  breaker  at  A  opened.  Thus  if  fault  in  Zone­1
occurs  then  Distance  Relay  shall  trip  Breaker  at  A  and  send  a
signal  to  Remote  Substation  B  by  receiving  which  Remote
substation  B  shall  trip  their  breaker  at  B.  This  signal  is  called
Carrier  Signal  which  is  sent  through  Power  Line  Carrier
Communication  (PLCC)  Line.  This  is  the  purpose  of  PLCC.  I
will post on PLCC latter so be there.
 
Thus  for  Zone­1,  time  delay  =  0.  Got  it?  (If  no  then  write  in
comment box I will be happy to clear your doubt)
 
Next,  suppose  there  is  a  fault  in  Zone­2  then  our  breaker  at  A
shall not trip rather Remote Substation breaker at C shall trip (If
fault is in section CD in figure above) as it will be in their Zone­1.
So we need to introduce some time delay in our Distance Relay
to  operate  for  Zone­2  fault.  This  time  delay  is  usually  kept
around 350 ms. If within 350 ms Remote substation breaker at B
trips then our Breaker at A won’t trip but if suppose because of
any Reason Remote Substation breaker at C fail to trip then our
breaker at A will definitely trip.
 

http://electricalbaba.com/distance­protection­philosophy/ 5/8
2/21/2017 Distance Protection Philosophy | Electrical Concepts

See  how  Zone­2  is  working  as  Back­up  protection  for  line  CD.
Got it friend?
 
Now  if  there  is  a  fault  in  the  remaining  20%  of  line  which  is
protected by Zone­1 at our substation A then it will be sensed by
our Relay at A in Zone­2 but for Remote substation B it will be
Zone­1  so  their  breaker  at  B  will  instantaneously  trip  but  our
breaker  at  A  also  need  to  trip  otherwise  our  substation  will
continue to feed the fault by receiving carrier signal.
 
Now  coming  to  Zone­3,  if  there  is  a  fault  in  Zone­3  then  our
breaker  at  A  is  not  supposed  to  trip  rather  Remote  substation
breaker  at  C  &D  is  supposed  to  trip.  Therefore  we  introduce
some time delay for the operation of Zone­3 which is typically of
the order of 1s. If because of any reason breaker at C & D fail to
trip  within  1s  then  our  Distance  relay  will  operate  to  open  our
Breaker at A.
 
There  is  one  more  Zone  in  modern  Distance  Relay  which  is
called  Reverse  Zone  or  Zone­4.  As  the  name  Reverse  Zone
implies it is back­up protection of the Substation where Distance
Relay is installed, in our case to the substation A. The setting for
zone is normally 10% of the impedance of protected line.
 
Distance Relay Zone Characteristics on R­X Plane:
 

The reach point of a relay is the point along the line impedance
locus  that  is  intersected  by  the  boundary  characteristic  of  the
relay. 
 
http://electricalbaba.com/distance­protection­philosophy/ 6/8