GENERATOR  STATOR EARTH FAULT  PROTECTION   BY GENERATOR’S  OWN HARMONICS. By:  Eng. Fayyaz Ali Shah ‐ Executive Director (Technical) ICC (Pvt) Ltd.  General :  Harmonics are undesirable due to several reasons but mainly due to increased iron losses and circuit resonance resulting in  large harmonic current. Advantage  is taken of this undesirable component of Power system  in the form of Effective Stator earth fault protection. Stator is the most expensive part of Generator. If the winding is damaged there is possibility to repair it in some days but if the fault persists and arcing starts, laminations will also get damaged which may take long time to repair and pass it through routine tests. As such quick and effective protection is required to clear the fault before heavy damage occurs.  The most  dangerous  fault  for  the machine  is  low  level  earth  fault  in  the  stator.  If  an  earth  fault  occurs  near  the Generator Neutral,  it will  not  be  detected  by  conventional  relays  and  the  probability  of  second  fault will  be much increased. Second fault will occur as a result of insulation deterioration caused by unstable low continuous current due to arcing phenomena at the first fault position. This current will  increase till heavy damage  is resulted and protection operates. Therefore 100 % stator earth fault protection is required to detect the fault and isolate it immediately. Stator earth fault protection under discussion is third harmonic injection into the relay and its monitoring by the latter.  Conventional relays limitations:  Conventional Stator protection, consisting of Differential relays, Stator Earth fault relays etc. are in‐effective to clear the fault unless the fault develops and current reaches operating value.  If fault is close to Neutral, Earth fault relay will not initiate at all because there will not be sufficient voltage to drive the current.  Differential rely will sense only when the damage is big enough to cause differential current to flow. It will also depend on method of Neutral earthing. Normally the generator neutral  is earthed through high resistance to  limit the earth fault current. In this case it will be more difficult for the relay to operate. The higher the resistance, the lesser the fault  current  and more  difficult  for  relay  to  operate.  Thermal  relay  operates  when  the  winding  gets  overheated. Subsequent to overheating, winding’s insulation properties are impaired and it is liable to damage any time. Earth Faults in the system stress the generator winding and core. The possibility of undetected Earth faults may cause arcing due to transient over voltages, resulting in damage to insulation and core. Damages have already been recorded worldwide and within the country    Harmonics injection Technology provides 100%  E/F protection.  A  stator winding earth  fault with  low  fault  resistance will  result  in  increase of  fundamental  frequency Neutral point voltage, proportional to the distance of the fault from the star point. As such for minimum relay setting of 5%, only 95 % winding will be protected and the rest will not be detected.  A.C  machines  produce  odd  harmonic  voltages,  out  of  which  third  harmonics  are  most  dominant.  Analysis  of  A.C Generators of different sizes and operating under different conditions revealed that the 3rd harmonic voltage produced in the machines vary from 1‐ to 3% of terminal voltage of these generators. When the machine is running under normal conditions the third harmonics voltages are shared between terminal side and Neutral side. Proportion of Line side third harmonic voltage to Neutral side third harmonic voltage  is almost constant. Analysis has shown that about 40‐60 % of harmonic voltages appear across Neutral resistance.   The following data will explain how voltages are distributed between stator’s terminal side and Neutral side. 

    

Distribution of capacitances, capacitive reactances and Neutral impedances are shown in figures given below.                                       Operation Principle:   Third harmonic voltage induced in the machine stator has same magnitude and angle in all the three phases and there is a closed loop of currents through phase to earth capacitances and earth resistance. As is explained above there is almost fixed  ratio  of  Phase  to Neutral  3rd  harmonic  voltages  under  normal  conditions. When  fault  occurs  anywhere  in  the machine, this ratio will disturb, causing the relay to sense and operate. If the fault is near terminals, harmonic voltage on that side will reduce and that on Neutral side will  increase and the ratio will disturb. Similarly  if the fault  is on neutral side, harmonic voltage on terminal side will increase and that on Neutral side will reduce, again creating unbalance. As such relay will work perfectly under all load conditions, all operating conditions and even if the fault is at star point. Practical arrangement:  Arrangement for V.T’s on Generator phase and Neutral sides are shown in fig. (1) below:    

      

               

     

PRINCIPLE OF STATOR E/F RELAY

FIGURE-1                   

FIGURE-2  Fig (2) shows the distribution of harmonic voltages under healthy conditions.    

   

100% V3 = % PHASE-N VOLTAGE OF MACHINE

FIGURE-3                 

X – FAULT POSITION

FIGURE-3(a)  Fig(3) shows the distribution of voltages  for various fault positions referred to Neutral point.  It also shows quiescent conditions “Q”.  Fig(3a) shows the scalar quantities /VL3/ &  /Vn3/ as a percentage of total 3

rd harmonics with respect to fault position X.    

This difference is continuously measured by the relay. If it exceeds the set value, called dead band setting K, relay will operate. When the fault is on neutral end /Vn3/ becomes zero and if it is on terminal side /VL3/ becomes zero. In either case the difference in the two magnitudes >>0.                                                 

   

Fig(4) shows Principle Block diagram of relay.  Voltages are picked up from terminal V.T’s and Grounding transformer and fed to the relays.  In the relay 3rd harmonic voltages are  filtered, with high rejection of  fundamental  frequency and other sub‐ harmonic voltages,  leaving only 3rd harmonic voltages. Absolute values of line side voltage, VL3 and Neutral side voltage, VN3 and absolute values of total 3

rd harmonic V3, which is vector sum of Line side and Neutral side harmonic voltages are derived from the filter outputs. The difference  [/VN3/ ~/VL3/]  is  compared with a  set proportion of  total 3rd harmonic k*  [/VL3/ +  /VN3/]. K  is dead band setting adjusted in the field by means of a switch. Any difference between [/VN3/ and /VL3/is nullified by means of Null detector, during field testing under healthy conditions.  This is shown by an LED provided on the relay, which will switch off when the voltage is zero. The [ /Vn3/‐ /VL3/ ] is compared with a preset percentage of total 3rd harmonic voltage in a comparator circuit. Setting  is adjusted by a switch. Comparator output  is  fed  to AND gate output of which  triggers a timer with adjustable setting. Two other outputs fed to AND gate are fuse failure  inhibition circuit and arming circuit. Arming circuit checks the voltage and if it is less than preset percentage of terminal voltage (normally 85‐90%) relay will be inhibited from tripping. Similarly if fuse blows due to circuit problem, relay operation will be inhibited. As explained there will be a point in the winding, for which the relay will be blind. For that purpose   Other features:  Protection also takes care of Neutral link. If link is left opened; e.g. after meggaring of winding during routine testing, it will be devastating because none of earth fault relays will detect fault.  

 

 FIGURE-5 

 As can be seen from fig. 5 (a) third harmonic voltage will not be picked up by  relay from Neutral end and will operate. Similarly if the Neutral is earthed for maintenance purpose  and not removed before start of machine, third harmonic voltage will become zero   on Neutral side and will cause the relay to operate as can be visualized from fig. 5 (b)     

References: 

1. Advanced Electrical Engineering  by AH Morton 2. Higher Electrical Engineering by Shepherd, Morton & Spence 3. Electrical Transmission and Distribution reference Book by central Station Engineers of Westinghouse. 4. Electrical machines by M. Kostenko, L. Piotrovsky translated from Russian to English by A. Chernukhin 5. ABB Application Guide 64‐18 AG  6. ALSTHOM Protective Relays application guide.  7. Practical experience of writer in installation, testing & commissioning of Generator Protection.