12
 LV,MV & HV Switchgear  Module (01) Introduction  of  Switchgears  Page 1 of  12 Module 01 Introduction of Switchgears

Module (01) Introduction of Switchgears

  • Upload
    kopi143

  • View
    234

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 1/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 1 of  12 

Module

01Introduction of 

Switchgears

Page 2: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 2/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 2 of  12 

1.1  GENERAL BACKGROUND 

Every  electric  circuit  needs  a  switching  device  and  a  protective  device.  The  switching  and 

protective devices have been developed  in various forms. For example, everyone  is familiar with 

low voltage switches and re‐wirable fuses. The switch is used for opening and closing the electric 

circuit and the fuse is used for over‐current protection. 

Switches,  fuses,  circuit‐breakers,  isolators,  relays,  control  panels,  lightning  arresters,  current 

transformers,  and  various  associated  equipments.  Switchgear  is  an  essential  part  of   a  power 

system and also that of  any electric circuit. Switchgears are also necessary at every switching point 

in the power system, see Figure (1)). 

Figure (1)

 Location

 of  Switchgears

 in a Typical

 Power

 System

 

Page 3: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 3/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 3 of  12 

Since, between the generation stations and final load points, there are several voltage levels and 

fault levels hence, in various applications, the requirements of  a switchgear vary according to: 

  Location   Ratings   Local Requirements. 

1.2  SUB‐STATION EQUIPMENT 

In every electrical sub‐station, there are generally various indoor and outdoor switchgear 

equipments. Each of  the equipments has certain functonal requirement (Table 1). 

•  A  Circuit‐Breaker  is  "a  switching  and   current ‐interrupting  device".  Basically,  a  circuit 

breaker comprises a set of  fixed and movable contacts. At high voltages these may hning a 

circuit, which at domestic voltages is taken The contacts can be separated by means of  an 

operating mechanism. The separation of  current carrying contacts produces an arc. The arc 

is extinguished by a suitable medium such as dielectric oil, air, vacuum, SF6 gas. The circuit‐

breaker serves two basic purposes: 

  Switching  during  normal  operating  conditions,  for  the  purpose  of   operation  and maintenance.

 

  Switching during abnormal conditions, such as short circuits, and  interrupting  the fault currents. 

•  Protective Relays are "automatic devices which can sense the  fault  and  closes its contacts 

when  the  actuating  quantity/quantities  reach(s)  certain   predetermined   values  to  send  

instructions  to  the associated  circuit ‐breaker   to open". Every part of   the power system  is 

provided with a protective relaying system and an associated switching device. 

Isolators are "disconnecting switches which can be used   for  disconnecting a circuit  under  

no‐current   conditions".  They  are  generally  installed  along  with  the  circuit‐breaker.  An 

isolator can be opened after the circuit‐breaker. 

•  Earthing Switch  is a  switch which  connects a  conductor  to earth  so  as  to discharge  the 

charges on the conductor to earth. After opening the  isolator, the earthing switch can be 

closed  to  discharge  the  trapped  electrical  charges  to  ground.  Earthing  switches  are 

generally installed on the frames of  the isolators. 

Page 4: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 4/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 4 of  12 

Table (1) Various Sub‐station Equipment 

S. No.  Symbol  Equipment  Function 

1  Circuit‐breaker  switching during normal & 

abnormal conditions, interrupt 

the fault current 

2  Isolator 

(disconnecting 

switch) 

disconnecting a part of  the 

system from live parts, under 

no‐load conditions 

3  Earthing‐switch  discharging the voltage on the 

lines to earth, after 

disconnecting them 

4  Surge arrester  diverting the high voltage 

surges to earth and maintaining 

continuity during normal 

voltage 

Current 

transformer stepping

 down

 the

 current

 for

 

measurement, protection, and 

control 

6  Potential 

transformer 

stepping down the voltage for 

the purpose of  protection, 

measurement, and control 

•  Current  Transformer  (CT)  is  a  transformer  whose  current  ratio  is  generally  high  (e.g. 

500A/5A) and its volt‐ampere capacity is relatvely low (e.g. 50 VA) as compared with that 

of   power  transformers.  It  is  used  for  transforming  the  current  to  lower  value  for  the 

purpose of  measurement, protection, and control 

•  Potential Transformer (PT), Voltage transformer (VT) is a transformer whose volt‐ampere 

capacity is low (e.g. 100 VA) and its voltage rato is relatvely high (e.g. 132 kV/100 V). It is 

used  for  transforming  the  voltage  to  lower  value  for  the  purpose  of   measurement, 

protection, 

and 

control. 

The 

protective 

relays 

are 

connected 

in 

the 

secondary 

circuits 

of  

CTs and PTs. 

Page 5: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 5/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 5 of  12 

•  Lightning Arrester  (surge  arrester)  is  equipment  connected  between  the  conductor  and 

ground to discharge the excessive voltages to earth and protect the sub‐station equipment 

from over over‐voltages. 

•  Auto‐Reclosure  is automatic closing of  the circuit‐breaker after  its opening.  It  is provided 

to restore the service continuity after interrupting a transient fault. 

•  Contactor  is a switching device capable of  making, carrying, and breaking electric current 

under normal and overload conditions. 

•  High Rupturing Capacity (HRC) fuse is used for over‐current protection in low voltage and 

medium voltage circuits. 

1.3  FAULTS AND ABNORMAL CONDITIONS 

During a fault, the fault impedance is low and accordingly, the fault currents are relatively high. At 

the higher t Since the fault currents being excessive, they damage the  faulty equipment and the 

supply installation. During the faults, the power flow is diverted towards the fault; and the supply 

to the neighboring zones is affected. 

Faults can be classified as: 

•  Single Line to Ground Fault •  Line to Line Fault •  Double Line to Ground Fault •  Simultaneous Fault •  Three phase Fault •  Open Circuit, etc. The other abnormal conditions which the system may be subjected to include: 

•  Voltage and Current Unbalance 

•  Under Frequency 

•  Over voltages 

•  Temperature Rise 

•  Reverse of  Power 

•  Power Swing 

•  Instability, etc. 

Page 6: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 6/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 6 of  12 

1.4  FAULT CLEARING PROCESS 

The  protective  relays  are  connected  in  the  secondary  circuits  of   current  and/or  voltage 

transformers. The relays sense the abnormal conditions and close the trip circuit of  the associated 

circuit‐breaker. The circuit‐breaker then opens its contacts. Arc is drawn between the contacts as 

they  separate.  The  arc  is  extinguished  by  suitable  medium  and  technique.  After  final  arc 

extinction, a high voltage wave appears across the circuit‐breaker contacts tending to re‐establish 

the arc. The transient voltage wave is called "Transient  Recovery  Voltage"  (TRV). 

1.5  FAULT CLEARING TIME: 

It  is  the  time  elapsed  between  the  instant  of   fault  occurrence  and  the  instant  of   final  arc 

extinction,  in  the  circuit‐breaker.  It  is usually expressed  in  cycles. One  cycle of  50 Hz  system  is 

equal to 1/50 second. The fault clearing time is the sum of  the relay time and the circuit‐breaker 

time. 

1.6  PROTECTIVE SCHEME 

Protective scheme is a selected set of  protective systems which protect one or two components of  

the  power  system  against  abnormal  conditions,  e.g.  generator  protection  scheme,  transformer 

protection scheme, etc. 

The power system is covered by several protectve zones (Fig. 2). Each protectve zone covers one 

or two components of  the system. The neighboring protective zones overlap so that no part of  the 

system is left unprotected. 

Figure 2 

Page 7: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 7/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 7 of  12 

1.7  NEUTRAL GROUNDING (EARTHING) AND EQUIPMENT GROUNDING 

The term "Grounding"  or “Earthing"  refers to the connection of  a conductor  to earth. The neutral 

point of  a generator or a transformer is deliberately connected to earth. 

The Neutral Earthing has Several Advantages such as: 

•  It stabilizes the neutral point. •  It is useful in discharging over‐voltages due to lightning to earth. •  Simplifies design of  earth fault protection. •  Grounded  systems  require  relatively  lower  insulation  levels  as  compared  with 

ungrounded systems. 

On  the  other  hand,  the  "Equipment   Grounding"   refers  to  grounding  of   non‐current  

carrying metal   parts to earth. It is used for safety of  personnel. 

1.8  OVER‐VOLTAGE AND INSULATION CO‐ORDINATION 

Over‐voltage surges in power systems are caused by various causes such as: 

•  Lightning, •  Switching, •  Resonance, etc. 

The  power  system  elements  should withstand  the over‐voltages without  insulation  failure.  The 

insulation  level  of  a power  system element  refers  to  its  values of   power   frequency  and   impulse 

voltage withstand. The protective measures against over‐voltages due to lightning include: 

•  Use of  overhead ground wires, •  Low tower footing resistance, and •  Ise of  lightning arresters (surge arresters). 

The surge arresters offer low resistance to over‐voltages and divert over‐voltages to earth. 

1.9  ELECTROMECHANICAL RELAYS AND STATIC RELAYS 

The electromechanical relays are based on the comparison between operating torque/ force and 

restraining torque/force. The VA burden of  such relays is high. The characteristics have limitations. 

Each relay unit can perform only one protective function. Such relays are used for simple and less 

costly protection purposes. For  important and costly equipment and  installation, static relays are 

preferred. In static relays, sensing, comparison, and measurements are made by static (electronic) 

circuits having no‐moving parts. Static relays have versatile characteristics, offer low burden, and 

incorporate several protective/control/monitoring functions in one compact unit. 

Page 8: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 8/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 8 of  12 

Recently  (1980's),  programmable  statc  relays  incorporatng  microprocessors  have  been 

introduced. Microprocessor based relays have several superior features such as: 

•  Indication  of   operating  values  on  demand  and  thereby  no  need  for  separate  indicating instruments on panel. 

•  A  single  relay  can  perform  10  or more  diff erent  protectve  functons,  thereby  reducing 

number of  separate relays and increasing reliability. 

•  Internal monitoring of  own relay circuit. •  Memory function e.g. a relay which has tripped on a fault can remember and flash on the display the magnitude of  current and instant of  time at the time of  tripping. 

•  Better  properties  and  extended  range  of   application  for  generation,  transmission, distribution, and industrial applications. 

The range of  static relays is rapidly spreading. 

1.10  SWITCHES 

Generally, switches are used only where necessary  for  isolation purposes. Switches  for Heating, 

Ventilating, and Air‐Conditioning (HVAC) systems must be installed in conformance with NFPA‐70. 

•  Switch duty is defined by NEMA KS‐1, Enclosed Switches. General‐duty equipment is used 

for  nonessential  applications  and where  equipment  is  subject  to  infrequent  operation. 

General duty equipment  is  intended for use on circuits of  240 V or  less; therefore, heavy 

duty  equipment  is  required  for  higher  voltages.  Heavy‐duty  equipment  is  used  for 

industrial  application  where  reliability  and  continuity  of   service  are  prime  factors  and 

where equipment is subject to frequent operation. It is intended for use on circuits of  600 

V or  less and where available  fault current of  more than 10,000 amperes are  likely to be 

encountered. 

•  Fusible switches  combine  isolation  with  protection  of   a  particular  component  of   the 

circuit. 

•  Safety (disconnect) switches can be fused or non‐fused units operable up to 600 volts and 

1,200 amperes of  maximum contnuous current and are normally used for motor isolaton 

or protection. 

•  Other switches such as heavy‐duty switches operable up to 600 volts and 1,200 amperes 

of  continuous current and load‐break pressure switches operable up to 600 volts and 5,000 

amperes of  continuous current are only used for application where circuit breakers are not 

appropriate. 

Page 9: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 9/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 9 of  12 

•  Automatic  transfer  (and  bypass/isolation)  switches  are  designed  to  transfer  power 

sources under  load  in order  to  feed a system,  typically an emergency system, on critical 

loads. These devices are  tested to meet basic short‐circuit testing requirements. Transfer 

switches should always be evaluated on  the basis of   the maximum available short‐circuit 

currents. 

The automatic transfer switch must withstand: 

•  The magnetic stresses  imposed by the  instantaneous peak current available 

at the point of  application. 

•  The thermal stresses imposed by the available RMS short‐circuit current. 

The short‐circuit current withstand rating of  the transfer switch must be equal to or greater 

than  the  available  short‐circuit  current  at  the  point  of   application.  When  properly 

coordinated  with  current‐limiting  devices,  automatic  transfer  switches  can  be  used  on 

circuits  having  available  short‐circuit  currents  greater  than  their  unprotected withstand 

short‐circuit current  rating. Modern current‐limiting  fuses, when properly  sized,  limit  the 

short‐circuit current to within the withstand rating of  a transfer switch. 

Transfer  switches  must  withstand  minimum  short‐circuit  currents  at  specified  power 

factors, as listed in U.L. Standard 1008, untl the over current protectve devices open. 

Transfer  switch  manufacturers  generally  publish  the  withstand  rating  data  for  their 

products. When  the  available  short‐circuit  current  exceeds  the withstand  rating  of   the 

transfer switch, current limitation is required. Properly sized modern current‐limiting fuses 

ahead of  the transfer switch limit the available short‐circuit current to within the withstand 

rating  of   a  transfer  switch,  thereby  protecting  the  transfer  switch.  The  transfer  switch 

manufacturer will mark  the equipment with the  fuse class and rating required to achieve 

these higher short‐circuit ratings. 

1.10.1  TYPES OF SWITCHES AND THEIR APPLICATION 

There are a variety of  switches used in the transmission and distribution of  electric power. 

The switches are designed for specific purposes and operational conditions. In general, the 

switches are distinguished by  the current handling capability;  i.e., continuous,  load break 

or non‐load break, and fault current. 

•  A Disconnect Switch is one used for; closing, opening, or changing the connections in a 

circuit or system, or for isolating purposes. It has no interrupting rating and is intended 

Page 10: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 10/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 10 of  12 

to be operated only after  the circuit has been de‐energized by some other means. A 

series‐connected circuit breaker or circuit recloser should be open on all three phases 

before a disconnect switch is opened or closed. 

•  An  Interrupter  Switch  can  use  either  air  or  oil  as  its  interrupting  medium.  Load‐

interrupter  switches  are  used  to  interrupt  transformer‐magnetizing  current,  line‐

charging current, capacitor current to isolated banks, and load current within the limits 

of   their rating. They are normally used where  the cost of  a circuit breaker with  fault‐

interrupting  ability  cannot  be   justified  and  where  the  use  of   air‐break  switches  is 

hazardous  because  of   the  danger  of   inconvenient  and  uncontrolled  arcs.  Load‐

interrupter switches differ  from circuit breakers and  fault  interrupter switches  in that 

they cannot interrupt overload or short‐circuit currents. 

•  A Grounding  Switch  is  used  to  connect  a  circuit or  a piece of   apparatus  to  ground. 

Grounding  switches  are  normally  subdivided  into  two  separate  groups:  manually 

operated and high‐speed. Where a manually operated grounding switch  is  installed,  it 

is  normally  connected  to  an  air‐break  or  disconnect  switch.  It  is  used  to  effectively 

ground  a  line  after  the  air‐break  or  disconnect  switch  has  isolated  it.  The manually 

operated grounding  switch  is generally  interlocked with  its associated  switch  so  that 

the  grounding  switch  cannot  be  closed  until  the  disconnect  switch  is  open.  A  high‐

speed grounding

 switch

 has

 a stored

‐energy

 mechanism

 capable

 of  closing

 the

 switch

 

automatically,  within  a  specified  rated  closing  time.  The  switch  is  opened  either 

manually or by a power‐operated mechanism. High‐speed grounding switches are used 

to provide protection to a differential relayed area in coordination with a remote circuit 

breaker. Normally,  the  arrangements  are  such  that  the differential  relay detects  the 

fault and initiates the closing of  the high‐speed grounding switch and results in tripping 

the remote circuit breaker to clear the fault. 

1.  Air Switches.

 

Air‐break  switches are normally mounted on  top of   their  supporting  structure. They are 

either manually  operated  by means  of   an  operating  handle  or  electrically  operated  by 

means of  a motor‐operated mechanism. 

They  are  used  to  perform  various  switching  assignments  such  as  isolating  transformers, 

bypassing circuit breakers, and for line sectionalizing (where small amounts of  magnetizing 

or charging currents are to be interrupted). 

Page 11: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 11/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 11 of  12 

2.  Oil Switches 

An oil switch has its main contacts submerged in oil. Oil acts as an insulator to help quench 

the  arc  between  the  contacts.  In  addition,  since  the  tank  is  airtight,  the  vaporized  oil 

caused by the arc develops pressure which assists in breaking the arc. If  the voltage is not 

very  high,  a  three‐pole  switch  can  be  placed  in  a  single  tank. At  higher  voltages,  three 

separate  tanks  are  used  to make  it  impossible  for  a  phase‐to‐phase  fault  to  occur.  Oil 

switches will normally open only load current. A separate trip coil is necessary to interrupt 

overload  or  fault  currents.  Oil  switches  are  generally  used  in  capacitor  switching, 

distribution sectionalizing, and transformer primary switching. 

3.  Vacuum Switches 

Vacuum  switches  are  interrupters which  use  vacuum  chambers  for  contact  separation. 

They are generally used to  interrupt  load, capacitor, or transformer magnetizing currents. 

Unlike oil switches, vacuum switches require virtually no maintenance. They can be used 

for submersible or pad mount operation. 

1.10.2 SWITCH ACCESSORIES 

Switch  accessories  are devices  that perform  a  secondary or minor duty  as  an  adjunct or 

refinement 

to 

the 

primary 

operation 

of  

switch 

or 

to 

assist 

in 

the 

operation 

of  

switch. 

Some accessories that are commonly associated with switches are as follows: 

•  Operating  Mechanisms.  The  operating mechanism  of   a  switch  is  a  power‐operated  or 

manually‐operated mechanism complete with an assembly of   levers, mechanical  linkages, 

and  interphase  connecting  rods  by  which  the  contacts  of   all  poles  are  actuated 

simultaneously. 

•  Hook Sticks. A hook  stick  is a hook provided with an  insulating handle  (usually  specially 

treated wood) for opening and closing hook‐stick‐operated switches. When not being used, 

hook sticks should be stored in a dry location. 

•  Interlocks. An  interlock  is a device applied  to  two or more movable parts, preventing or 

allowing  a movement  of   one  part  only when  one  or more  other  parts  are  locked  in  a 

predetermined  position.  An  interlock  system  is  a  series  of   these  devices  applied  to 

equipment to allow operation of  the equipment only in a prearranged sequence. Switches 

used only  for  isolating purposes must be  interlocked  to prevent opening of   the  isolating 

Page 12: Module (01) Introduction of Switchgears

7/29/2019 Module (01) Introduction of Switchgears

http://slidepdf.com/reader/full/module-01-introduction-of-switchgears 12/12

 LV,MV & HV Switchgear 

Module (01) Introduction of  Switchgears  Page 12 of  12 

switch under load, or the switch must be provided with a highly visible sign warning against 

opening  the  switch  under  load.  Interlocks  are  classified  into  three  main  divisions: 

mechanical interlocks, electrical interlocks, and key interlocks. 

1.10.3  AUXILIARY SWITCHES 

Auxiliary switches are low‐voltage switches that are attached to the operating mechanism 

of  gang‐operated switches. The open or closed position of  auxiliary switches is governed by 

the position of   the main  contacts. Auxiliary  switches are used  for electrical  interlocking, 

remote position indication, or control of  electrically operated switches. 

1.11  FUSES 

The  only  high‐voltage  fuses  fitted  in  an HV  switchboard  are  those which  form  a  back  up  to  a 

contactor (air‐break or vacuum) and those on the HV side of  a voltage transformer. All are of  the 

high rupturing capacity (HRC) type. 

The contactor fuses are of  the open type but are embodied in the contactor unit itself. This forms 

adequate protection since  it is necessary to isolate the unit, and  in the case of  the air‐break type 

to withdraw it, in order to gain access to the fuses. 

Where fuses, whether HV or LV, are used in series with a contactor, their purpose is to protect the 

contactor itself  against having to open on a fault current which is in excess of  its rating. Fuses used 

in this manner are termed 'back‐up fuses' and are selected with reference to the contactor's own 

inverse‐time characteristic. 

Voltage transformer HV fuses form part of  the VT itself. The VT compartment can only be opened 

after  isolation,  after which  the  fuses  are  accessible.  Although  the  VT  fuses  have  a  very  small 

current rating, they still have to be able to break a full scale short‐circuit current  if  a fault should develop on the VT itself.