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C o r e C o r e

O u t s i d e

( a ) O u t s i d e s p a c e b l o c k a n da s s o c i a t e d core zone ( b ) I n s i d e s p a c e b l o c k a n da s s o c i a t e d core zoneF i g . 1 . G a s v e l o c i t y d e r i v e d f r o m v i s u a l t e s t .

( a ) S e c t i o n A - A ( b ) S e c t i o n B - BF i g . 3 . C o n t o u r s o f t e m p e r a t u r e r i s e f o r s t a t o r e n d - c o r er e g i o n o f t h e g e n e r a t o r on open c i r c u i t .

TABLE IT e m p e r a t u r e r i s e o f a n a l y s i s a n d t h e r m o c o u p l e d a t aL o c a t i o n

F i g . 2 . I s o t h e r m c a l c u l a t e d b y 3 - D f i n i t e e l e m e n t s f o r s t a t o re n d - c o r e r e g i o n o f an 800-M VA t u r b i n e - g e n e r a t o r on openc i r c u i t .

C o n d i t i o nM e a s u r e d ( C )C a l c u l a t e d ( C )

O p e n -c i r c u i t( C a s e I )2 1 . 31 9 . 0

T o o t h t i pS h o r t -c i r c u i t( C a s e I I )1 1 . 31 2 . 4

F u l l l o a d( 8 0 0 M V A -0 . 9 P F )( C a s e l l l )3 5 . 13 0 . 0

S l o t b o t t o mO p e n -c i r c u i t( C a s e I )1 5 . 01 6 . 0

S h o r t -c i r c u i t( C a s e I I )1 6 . 51 8 . 0

F u l l l o a d( 8 0 0 M V A -0 . 9 P F )( C a s e l l l )2 4 . 12 1 . 8

S u b s t a t i o n s84 SM 6 3 3 - 4J u l y 1 9 8 5 , p p . 1 8 6 4 - 1867C o m p u t e r A s s i s t e d D e s i g n o fS u b s t a t i o n G r o u n d i n gR . G i o r d a n o , D . A . M a r k , S e n i o r M e m b e r , I E E E ,C J . R o s t k o w s k i , B . S c h a l l , S e n i o r M e m b e r , I E E E ,K . O . S o m m e r , S e n i o r M e m b e r , I E E EC o n s o l i d a t e d E d i s o n C o m p a n y o f Ne w Y o r k , I n c .

T h i s p a p e r d e s c r i b e s a " u s e r f r i e n d l y " c o m p u t e r p r o g r a md e v e l o p e d t o a s s i s t i n d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n o f s u b s t a t i o ng r o u n d i n g . T h e p r o g r a m i s b a s e d on t h e p r o p o s e d t h i r de d i t i o n o f t h e I E E E s t d . 80 " G u i d e f o r S a f e t y i n S u b s t a t i o nG r o u n d i n g . " [ 1 , 9 ] .T h e c o m p u t e r p r o g r a m i s a p o w e r f u l t o o l e n a b l i n g t h ed e s i g n e n g i n e e r t o s t u d y i n a s h o r t t i m e p e r i o d s e v e r a lg r o u n d i n g c o n f i g u r a t i o n s a n d s e l e c t t h e most s u i t a b l e o fthem f o r h i s a p p l i c a t i o n . I n a d d i t i o n , t h e p r o g r a m p e r m i t s f a s tv e r i f i c a t i o n o f t h e a d e q u a c y o f e x i s t i n g s u b s t a t i o n g r o u n d i n gs y s t e m s u n d e r c h a n g e d c o n d i t i o n s s u c h as an i n c r e a s e i nf a u l t c u r r e n t m a g n i t u d e , c h a n g e o f f a u l t c l e a r i n g t i m e ore x p a n s i o n o f t h e s u b s t a t i o n .T h e "GROUNDG" p r o g r a m assumes t h e s u b st a t i o n a re a a san e q u i v a l e n t s q u a r e . T h e p r o g r a m a c c e p t s two v a l u e s o f s o i lr e s i s t i v i t y , one v a l u e f o r t h e u p p e r l a y e r , t h e s e c o n d f o r t h es o i l c o n t a i n i n g t h e v e r t i c a l l y d r i v e n e l e c t r o d e s . T h e p r o g r a md e s i g n s t h e g r o u n d s y s t e m t h a t meets t h e s p e c i f i e d p a r a m e

t e r s . Th e r e s u l t s c o n t a i n t h e r e q u i r e d l e n g t h o f g r i d c o n d u t o rt o l i m i t s t e p a n d mesh p o t e n t i a l s . T h e user h a s t h e o p t i o n t ov i e w r e s u l t s a n d / o r c h a n g e any i n p u t p a r a m e t e r s . B y c o m b i n i n g t h e a v a i l a b l e o p t i o n s , t h e user c an d e s i g n an e c o n o m i c a lg r o u n d i n g s y s t e m , w h i l e b e i n g sure t h a t p e r s o n n e l s a f e t y i sa l w a y s m a i n t a i n e d .F i g . 1 shows t h e f l o w c h a r t o f t h e p r o g r a m .

5 4 IEEE P o w e r E n g i n e e r i n g R e v i e w , J u l y 1 9 8 5

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READ INPUT DATA

6 C A L C U L A T E S P AC I N G & N O . O F C O N D U C T O R S A S S U M I N GA S Q U A R E MAT & C A L C U L A T E T O L E R A B L E P O T E N T I A L SC A L C U L A T E R E Q U I R E D L E N G T H S O FC O N D U C T O R F O R S A F E P O T E N T I A L S

D E T E R M I N E G O V E R N I N G L E N G T H O FC O N D U C T O R & S E T VALUE EQUAL T O T E S T ' COMPUTE NE WPRELIMINARYLENGTH

RECALCULATES P A C I N G & N O .OF CONDUCTORS

C A L C U L A T E A D D I T I O N A L R E S I S T A N C E T OB E A D D E D I N P A R A L L E L T O T H E G R I D

C A L C U L A T E NUMBER O F P E R I ME T E R R O D SN E E D E D F O R A D D IT I O N A L P A R A LL E L R E S I S T A N C E

C A L C U L A T E R E S I S T A N C E O F T H E A L L O W A B L EP E R I M E T E R R O O S & D E T E R M I N E AMOUNT O FA D D I T I O N A L P A R A L L E L R E S I S T A N C E N E E D E D

C A L C U L A T E NUMBER O F I N T E R I O R RODSNEEDEDT O P R O V I D E T H E A D D I T I O N A L P A R A L LE L R E S I S T AN C E

C A L C U L A T E ACTUAL P O T E N T I A L S

VIEW R E S U L T S /ROUTE TOOUTPUT F I L E

( S T O P j

F i g . 1 . P r o g r a m f l o w d i a g r a m

84 SM 6 3 4 - 2J u l y 1 9 8 5 , p p . 1868-1874A p p l i c a t i o n a n d O p e r a t i o n o f aS t a t i c V a r S y s t e m on a P o w e rS y s t e m . A m e r i c a n E l e c t r i c PowerE x p e r i e n c e , P a r t I : S y s t e m S t u d i e sR . G u t m a n , M e m b e r , I E E E , J . J . K e a n e , M e m b e r ,I E E E , M . E . R a h m a n , M e m b e r , I E E E a n d O . V e r a a s ,M e m b e r , I E E EA m e r i c a n E l e c t r i c Power S e r v i c e C o r p o r a t i o n ,C o l u m b u s , OHI n t r o d u c t i o n

T h e A m e r i c a n E l e c t r i c Power S y s t e m c overs a s e v e n - s t a t eo p e r a t i n g r e g i o n e x t e n d i n g i n a s o u t h e a s t e r l y d i r e c t i o n f r o mt h e t i p o f L a k e M i c h i g a n a n d i n c l u d e s p o r t i o n s o f M i c h i g a n ,I n d i a n a , O h i o , K e n t u c k y , W. V i r g i n i a , V i r g i n i a a n d T e n n e ss e e .T h e i n c r e a s i n g a c t i v i t y i n t h e c o a l m i n i n g i n d u s t r y d u r i n g t h e1 9 7 0 ' s h a d made t h e K e n t u c k y Power C o . , an AEP s u b s i d i a r y , t h e f a s t e s t g r o w i n g r e g i o n on t h e AEP S y s t e m .I n a n e f f o r t t o accommodate t h e l oa d g r o w t h , a p l a n n i n gs t u d y was u n d e r t a k e n t o e st a b l i sh e f fe c t i v e s y s t e m i m p r o v e ment p r o g r a m . S p e c i f i c a l l y , t h e s t u d y c o n s i d e r e d a t t r i b u t e sa n d d r a w b a c k s o f s h u n t c a p a c i t o r s , s y n c h r o n o u s cond e n s e r s , a n d s t a t i c va r s y s t e m s . As a r e s u l t o f t h i s s t u d y , ap r o g r a m was i n i t i a t e d w h i c h c a l l e d f o r t h e i n s t a l l a t i o n o f 300M VA R o f s h u n t c a p a c i t o r s t o p r o v i d e t h e b u l k o f r e a c t i v er e q u i r e m e n t s . I n a d d i t i o n , a s t a t i c va r s y s t e m ( S V S ) wasp r o p o s e d f o r i n s t a l l a t i o n a t t h e B e a v e r C r e e k 138 kV s t a t i o nt o s t a b i l i z e v o l t a g e d u r i n g a n y s y s t e m d i s t u r b a n c e s ( F i g . 1 ) .Th e SVS i n s t a l l e d i s c o m p r i s e d o f two t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r s ( T C R ) a n d two t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r s ( T S C )w i t h an o v e r a l l d y n a m i c r a n g e o f 125 MVAR. Th e + 125M VA R l i m i t h a s b e e n e x t e n d e d t o +325 M VA R b y i n s t a l l i n gf o u r 5 0 M V A R , 1 3 8 kV c a p a c i t o r b a n k s w h i c h m a i n t a i nmaximum d y n a m i c r a n g e ( F i g . 1 ) .S t a t i c V a r S y s t e m P e r f o r m a n c e S t u d i e sA t w o - p a r t s t u d y , was c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t so f t h e SVS on s y s t e m o p e r a t i o n a n d t o e x a m i n e i t s p e r f o r m ance i n t h e s i m u l a t e d s y s t e m e n v i r o n m e n t . I n t h e f i r s t p a r t ,an a n a l y t i c a l s t u d y o f s y s t e m h a r m o n i c p e r f o r m a n c e wasc a r r i e d out t o d e t e r m i n e t h e n e e d f o r h a r m o n i c f i l t e r i n g a tB e a v e r C r e e k . R e s u l t s i n d i c a t e d t h a t h a r m o n i c v o l t a g e d i s t o r t i o n l e v e l s c o u l d e x c e e d t h e A E P - a c c e p t e d l i m i t s o f 1 p e r c e n tf o r e a c h i n d i v i d u a l h a r m o n i c a n d 4 p e r c e n t f o r a l l h a r m o n i c sc o m b i n e d . B a s e d o n t h i s 5 t h a n d 7 t h d e d i c a t e d h a r m o n i cf i l t e r s were i n s t a l l e d .S u b s e q u e n t t o t h e d i g i t a l s t u d y , a t r a n s i e n t n e t w o r ka n a l y z e r ( T N A ) t e s t p r o g r a m was c a r r i e d o u t u s i n g a s p e c i a lSVS c o n t r o l m o d e l . T h e s e t e s t s e x a m i n e d t h e e f f e c t o f v a r i e ds y s t e m c o n f i g u r a t i o n s on t h e SVS r e s p o n s e t i m e a n d s t a b i l i t yl i m i t s . To p r o v i d e an o p t i m a l r e s p o n s e t i m e , i t i s n e c e s s a r y t oi m p l e m e n t a f e a t u r e t o a u t o m a t i c a l l y c h a n g e t h e compensat o r g a i n s e t t i n g b a s e d on t h e s t a t u s o f t h e 1 3 8 k V b u s - t i ec i r c u i t b r e a k e r s . To d e t e r m i n e t h e maximum t r a n s i e n t over-v o l t a g e l e v e l s , two modes o f SVS o p e r a t i o n were s t u d i e d :b l o c k e d a n d u n r e s t r i c t e d . No s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s wereo b s e r v e d . T h e r e f o r e , t h e r e was no n e e d t o p r o v i d e b l o c k e do p e r a t i o n d u r i n g or a f t e r f a u l t c l e a r i n g .

C o n c l u s i o n sS e v e r a l i n t e r e s t i n g c o n c l u s i o n s were drawn f r o m b o t hd i g i t a l a n d TNA s t u d i e s s u c h as :. A 250 MVAR d y n a m i c r a n g e was f o u n d a p p r o p r i a t e .. SVS o p e r a t i o n e x c e e d e d t h e a c c e p t a b l e h a r m o n i c d i s t o r t i o n l i m i t s t h e r e b y r e q u i r i n g f i l t e r s .

IEEE P o w e r E n g i n e e r i n g R e v i e w , J u l y 1 9 8 5 . 5 5