are cable shield being damaged during ground faults

7/23/2019 Are cable shield being damaged during ground Faults

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I E E E T R A N S A C T I O N S

ON

INDUSTRY

A P PL I C A TI O N S . V O L .

I A - 2 2 ,

N O .

6 ,

NOVEMBER/DECEMBER 1 9 8 6

Are Cable Shields Being Damaged During Ground

F a u l t s ?

PAUL S .

HAMER,

M E M B E R, I E E E , AND B A R R Y

M.

WOOD

MEMBE R, IEEE

A b s t r a c t - S i m u l a t e d

g r o u n d - f a u l t

t e s t s ( 5 0 - 7 0 0 A )

o f v a r i o u s

c a b l e ,

g r o u n d w i r e ,

a n d c o n d u i t

c o n f i g u r a t i o n s

a r e

made t o d e t e r m i n e

t h e

p r o p o r t i o n o f

t h e

t o t a l g r o u n d - f a u l t

c u r r e n t c a r r i e d

b y

t h e

c a b l e m e t a l l i c

s h i e l d .

The

p e r c e n t a g e

o f

t h e

t o t a l f a u l t c u r r e n t f o r

t h e v a r i o u s r e t u r n

p a t h s

i s

t a b u l a t e d , a l o n g

w i t h

r e p r e s e n t a t i v e z e r o - s e q u e n c e

c i r c u i t

i m p e d a n c e s .

G e n e r a l

g u i d e l i n e s

f o r

p r o t e c t i n g c a b l e

s h i e l d s f r o m

d a m a g e

a r e

p r e s e n t e d .

I N T R O D U C T I O N

PETROCHEMICAL p l a n t

m e d i u m - v o l t a g e

d i s t r i b u t i o n

s y s t e m s a r e u s u a l l y

l o w - r e s i s t a n c e

g r o u n d e d , a l l o w i n g

2 0 0 - 2 0 0 0 A

t o

f l o w

d u r i n g a s o l i d l i n e - t o - g r o u n d

f a u l t .

S i n c e

m a n y

g r o u n d

f a u l t s

i n i t i a t e

i n

m o t o r s ,

s w i t c h g e a r , o r

t r a n s -

f o r m e r s ,

t h e c a b l e ,

g r o u n d w i r e , a n d

c o n d u i t

i f m e t a l l i c )

f o r m

t h e

m o s t d i r e c t

g r o u n d - r e t u r n p a t h

f o r

t h e f a u l t .

T h i s p a p e r d e t e r m i n e s t h e p ro p o rt i o n o f


c u r r e n t w h i c h i s c a r r i e d

b y

t h e m e t a l l i c

s h i e l d

o f

t h e

c a b l e ,

t h e

g r o u n d

w i r e

w i t h i n

t h e

c o n d u i t ,

a n d t h e

c o n d u i t i t s e l f d u r i n g a

g r o u n d f a u l t . T h e s e d a t a a r e

u s e d t o

a n s w e r t h e

q u e s t i o n ,

A r e c a b l e s

b e i n g d a m a g e d d u r i n g

t h r o u g h

g r o u n d

f a u l t s ?

T h e

a n s w e r

t o

t h i s

q u e s t i o n

n e e d s t o b e

q u a l i f i e d b y

a

f e e d e r c a b l e

p r o t e c t i o n g u i d e l i n e .

S u c h

a g u i d e l i n e

i s

p r e -

s e n t e d

l a t e r .

GROUND

F A U L T C U R R E N T AND

P R O X I M I T Y

E F F E C T

I n

a n

a l t e r n a t i n g

c u r r e n t

( a c )

c i r c u i t ,

i f

t w o

r e t u r n

p a t h s

o f

e q u a l

c o n d u c t i v i t y a r e

a v a i l a b l e ,

t h e

p a t h

o f l o w e r i n d u c t i v e

r e a c t a n c e w i l l

c a r r y

t h e

h i g h e r p r o p o rt i on

o f t h e

t o t a l c u r r e n t .

T h i s

i s

s h o w n i n F i g .

1

b y p h a s e c o n d u ct o r A a n d

r e t u r n p a t h s

X a n d

Y .

R e t u r n

p a t h

X

h a s a l o w e r

c i r c u i t

i n d u c t a n c e ( w i t h

p h a s e A ) a n d c a r r i e s m o r e c u r r e n t t h a n r e t u r n p a t h Y . T h e

p r o x i m i t y

e f f e c t

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

r e t u r n

p a t h .

C u r r e n t

f l o w i n g t h r o u g h p a r a l l e l

p a t h s

d i v i d e s

i n v e r s e l y

a s

t h e

i m p e d a n c e

( R

+

j X )

o f t h e

c i r c u i t . F o r e x a m p l e , i f t h e

r e t u r n

p a t h

X ( F i g . 1 ) i s

a

2

c o n d u c t o r

a n d

r e t u r n

p a t h Y i s a

5 0 0 MCM c o n d u c t o r , t h e t o t a l i m p e d a n c e o f r e t u r n

p a t h

Y

may b e l e s s t h a n

r e t u r n p a t h

X ( d e p e n d i n g

o n

t h e p h y s i c a l

P a p e r

P I D

8 6 - 6 , a pp r o v e d b y

t h e

P e t r o l e u m

a n d

C h e m i c a l I n d u s t r y

C o m m i t t e e o f

t h e

IEEE

I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s S o c i e t y f o r

p r e s e n t a t i o n a t t h e

1 9 8 5 P et r o l e u m

a n d C h e m i c a l

I n d u s t r y C o m m i t t e e T ec h n ic a l C o n f er e n ce ,

H o u s t o n ,

T X ,

S e p t e m b e r 9 - 1 1 . M a n u s cr i p t r e l e a s e d

f o r

p u b l i c a t i o n J u n e 2 9 ,

1 9 8 6 .

P .

S . H a m e r

i s w i t h C h e v r o n

C o r p o r a t i o n ,

P . 0 .

B o x

5 0 4 5 ,

S a n R a m o n ,

CA

9 4 5 8 3 .

B . M.

Wood i s w i t h

E n g i n ee r in g T e c h n o l o g y

I n d u s t r i e s I n c o r p o r a t e d ,

3 4 7 0

F o s t o r i a

W a y ,

S a n

R a m o n , CA 9 4 5 8 3 .

IEEE

L o g Number

8 6 1 1 1 8 0 .

PHASE

A RE TU RN

R E T U R N

PATH

X

PATH

Y

F i g .

1 . I l l u s t r a t i o n o f

p r o x i m i t y

e f f e c t .

s e p a r a t i o n ) .

T h e r e f o r e , p a t h

Y

w o u l d c a r r y a g r e a t e r p o r t i o n

o f t h e

t o t a l c u r r e n t .

M e d i u m - v o l t a g e c a b l e s i n s t a l l e d i n m a n y 5 - k V

s y s t e m s

a n d

i n

a l l

s y s t e m s

a b o v e 8 - k V e m p l o y a m e t a l l i c s h i e l d

o u t s i d e

t h e

c o n d u c t o r i n s u l a t i o n

a n d

u s u a l l y b e n e a t h t h e

o u t e r j a c k e t

o f t h e

c a b l e . T h i s s h i e l d c o n s i s t s o f

e i t h e r a

n u m b e r o f s m a l l - g a u g e

c o n d u c t o r s o r

a h e l i c a l l y

w o u n d

m e t a l t a p e s e v e r a l m i l s t h i c k .

T h e m e t a l l i c

s h i e l d i s i n

c o n t a c t w i t h

a

s e m i c o n d u c t i n g

c o m p o u n d

a n d i s

u s u a l l y

g r o u n d e d

a t

b o t h e n d s o f a

c a b l e

r u n .

c r o s s s e c t i o n o f a

t y p i c a l

t h r e e - p h a s e c a b l e a n d

c o n d u i t

a s s e m b l y

i s s h o w n

i n

F i g .

2 . M u l t i p l e r e t u r n

p a t h s

f o r g r o u n d

f a u l t s

a r e o f f e r e d

b y

t h e f a u l t e d

p h a s e

s h i e l d ,

t h e

t w o

n o n f a u l t e d p h a s e s h i e l d s ,

t h e

g r o u n d

w i r e ,

t h e

c o n d u i t ,

a n d

t h e e a r t h

i t s e l f .

I t i s a s s u m e d

f o r

t h i s

p a p e r

t h a t

t h e c a b l e i t s e l f

i s n o t f a u l t e d . I n s t e a d ,

a

c o m p o n e n t

i n t h e c i r c u i t

b e y o n d

t h e

c a b l e

r u n

i s

f a u l t e d

t o

g r o u n d

a n d

t h e

c a b l e

s h i e l d s , g r o u n d

w i r e ,

c o n d u i t

s y s t e m ,

a n d e a r t h

r e t u r n

t h e

g r o u n d

c u r r e n t .

T h e

I n s u l a t e d

C a b l e

E n g i n e e r s

A s s o c i a t i o n ,

I n c .

( I C E A )

h a s p r e p a r e d

a

p u b l i c a t i o n [ 1 ]

w h i c h d e s c r i b e s

t h e

w i t h s t a n d

l i m i t s f o r m e t a l l i c s h i e l d s

w h e n

s u b j e c t e d

t o

f a u l t s . T h i s

p u b l i c a t i o n

c o n t a i n s

e q u a t i o n s w h e r e , g i v e n

t h e

c a b l e

j a c k e t

m a t e r i a l ,

s h i e l d

m a t e r i a l ,

d i m e n s i o n s ,

a n d

o p e r a t i n g

t e m p e r a -

t u r e ,

a

g r a p h

o f

t i m e

v e r s u s

c u r r e n t

may

b e d r a w n .

T h i s

g r a p h

d e f i n e s

t h e w i t h s t a n d

l i m i t

f o r

t h e

m e t a l l i c

s h i e l d . T h i s

c u r v e

t a k e s

t h e

f o r m o f

a

s t r a i g h t

l i n e w i t h

a

s l o p e

o f

-

2 o n

a

l o g -

l o g

p l o t

o f t im e v e r s u s

c u r r e n t .

T h i s

r e p r e s e n t s

a c o n s t a n t

f 2 t

( w h e r e

I i s c u r r e n t

i n

a m p e r e s

a n d

t

i s

t i m e i n

s e c o n d s )

w h i c h

i s p r o p o r t i o n a l

t o

e n e r g y .

I f c u r r e n t i s

p e r m i t t e d

t o f l o w

t h r o u g h

t h e

s h i e l d

f o r

t o o

l o n g

a

p e r i o d ,

t h e

t e m p e r a t u r e

l i m i t d e f i n e d

b y

t h e

ICEA

c o u l d b e

e x c e e d e d .

A n o t h e r

p e r s p e c t i v e

o n maximum

s h i e l d

w i t h s t a n d

t e m p e r a t u r e s

i s

g i v e n

i n

[ 2 ] ,

b u t

t h i s i s

b e y o n d

t h e

s c o p e

o f

t h i s

p a p e r .

R e f e r r i n g

t o

F i g .

2 ,

t h e r et u rn c u rr e n t d i v i d e s

a m o n g

t h e

m e t a l l i c

s h i e l d s ,

g r o u n d w i r e ,

a n d c o n d u i t

i n v e r s e l y

a s t h e

a p p a r e n t i m p e d a n c e s

o f

t h e

p a t h s .

E a c h

a p p a r e n t i m p e d a n c e

i s

a

f u n c t i o n o f t h e

r e s i s t a n c e a n d s e l f - i n d u c t a n c e

o f

t h e

p a t h

a n d

t h e m u t u a l

i n d u c t a n c e s

a m o n g

t h e

m e t a l l i c

s h i e l d s , g r o u n d

w i r e ,

a n d c o n d u i t . m e t h o d

o f

c a l c u l a t i n g

t h e s e

i n d u c t a n c e s

i s

g i v e n

i n

[ 3 ] .

T h e

A p p e n d i x

a t t h e e n d

o f

t h e

p a p e r

o u t l i n e s

t h e

g e n e r a l t e c h n i q u e .

I n t u i t i v e l y ,

o n e

may

t h i n k t h a t m o s t

o f t h e


c u r r e n t r e t u r n s

o n t h e f a u l t e d

p h a s e

s h i e l d .

T h i s

i s

t y p i c a l l y

0 0 9 3 - 9 9 9 4 / 8 6 / 1 1 0 0 - 1

1 4 9 $ 0 1 . 0 0

©

1 9 8 6 IEEE

1 1 4 9



I E E E

T R A N S A C T I O N S

O N

I N D U S T R Y

A P P L I C A T I O N S ,

V O L .

I A - 2 2 ,

N O .

6 ,

N O V E M B E R / D E C E M B E R

1 9 8 6

NON-FAULTED

PHASE SHIELDS

F i g . 2 .

C r o s s s e c t i o n

o f

a t y p i c a l

c a b l e

a n d

c o n d u i t

run.

t r u e

i f t h e

g r o u n d

f a u l t

i s f r o m

a

c o n d u c t o r

t o i t s

own

m e t a l l i c

s h i e l d .

H o w e v e r ,

t h e t e s t s

c o n d u c t e d

on t h e

s a m p l e

c a b l e -

g r o u n d

w i r e - c o n d u i t


d e m o n s t r a t e d

o t h e r w i s e

f o r

t h r o u g h

g r o u n d

f a u l t s .

C U R R E N T

D I S T R I B U T I O N

AND I M P E D A N C E

T E S T S

P r e v i o u s

m e a s u r e m e n t s

h a v e

b e e n made

o f v a r i o u s

c a b l e

a n d c o n d u i t

c o n f i g u r a t i o n i s

[ 4 ] ,

[ 5 ] ,

b u t

our

l i t e r a t u r e

s e a r c h

d i d

n o t

r e v e a l an y

s t u d y

o f

c a b l e ,

g r o u n d

w i r e ,

a n d

c o n d u i t

s y s t e m s

or p r o t e c t i o n

p r a c t i c e s

commonly

e m p l o y e d

i n

i n d u s -

t r i a l s y s t e m s

w i t h

l o w - r e s i s t a n c e

g r o u n d e d

s y s t e m s .

We

c o n s t r u c t e d

t e s t

s a m p l e s

u s i n g

2 0 - f t

l e n g t h s

o f

p o l y v i n y l -

c h l o r i d e ( P V C ) ,

r i g i d - a l u m i n u m ,

a n d

r i g i d - s t e e l

c o n d u i t .

A

2 1 - f t

l o n g

s e c t i o n

o f

t h r e e

s i n g l e - c o n d u c t o r

4 / 0 AWG

c o p p e r

1

5 - k V

c a b l e s ,

a n d

a

2 / 0 AWG

copper

g r o u n d

w i r e

( a n d a

6

AWG copper

g r o u n d

w i r e f o r l a t e r t e s t s )

were

t i e - w r a p p e d

t o g e t h e r

i n

a b u n d l e

i n t h e

c o n f i g u r a t i o n

s h o w n

i n F i g .

2 .

T h e

t i e wraps

were

e m p l o y e d

t o f i x t h e

- g e o m e t r y

o f

t h e

c a b l e s

so

t h a t

c o m p a r i s o n

w i t h

t h e

A p p e n d i x

c a l c u l a t i o n s

c o u l d

be

m a d e .

T h e c a b l e

a s s e m b l y

was

p u l l e d

i n t o

e a c h

c o n d u i t ,

a n d

a

b o l t e d

f a u l t

was

s i m u l a t e d

a t

t h e f a r e n d

b y

c o n n e c t i n g

t h e

p h a s e

A c o n d u c t o r ,

t h e

m e t a l l i c s h i e l d s ,

t h e

g r o u n d

w i r e ,

a n d

t h e c o n d u i t

t o g e t h e r

w i t h

h e a v y - g a u g e

w i r e

or b r a i d .

One

end

o f

t h e

l o w - v o l t a g e

h i g h - c u r r e n t

source

was

c o n n e c t e d

t o

t h e

f a u l t e d p h a s e

c o n d u c t o r ,

a n d

t h e

o t h e r

s i d e

o f t h e source

was

c o n n e c t e d

t o a l l

m e t a l l i c s h i e l d s ,

t h e

g r o u n d

w i r e ,

a n d

t h e

c o n d u i t .

When


w i t h o u t

a

g r o u n d

w i r e

were

m a d e ,

t h e g r o u n d

w i r e was d i s c o n n e c t e d

a t

t h e

f a u l t

e n d

o f

t h e

c o n d u i t .

S e e F i g .

3

f o r a

d i a g r a m

o f t e s t

t h e

s e t u p .

M e a s u r e m e n t s

o f v o l t a g e

a n d

c u r r e n t m a g n i t u d e s

were

made

w i t h p e a k - h o l d i n g

d i g i t a l

m u l t i m e t e r s .

A

c l a m p - o n

1 0 0 0 : 1

r a t i o

c u r r e n t

t r a n s f o r m e r ( C T )

was u s e d

t o

a l l o w

r a p i d

c h a n g e s

i n

p o i n t s

o f

m e a s u r e m e n t .

A

d i g i t a l

p h a s e - a n g l e

meter

was

u s e d

t o

measure

t h e p h a s e

r e l a t i o n s h i p

b e t w e e n

t h e

a p p l i e d

v o l t a g e

a n d

t h e

r e t u r n

c u r r e n t s .

D u r i n g

t h e

measure-

m e n t s ,

a l l c u r r e n t s

were

a p p l i e d

f o r a 1 . 5 - s

d u r a t i o n

s p a c e d

1

m i n

a p a r t

w i t h

t h e

c a b l e

a t

a m b i e n t

t e m p e r a t u r e .

P r i o r

t o

t a k i n g

d a t a ,

t h e

c u r r e n t

was

p u l s e d

t h r e e

t i m e s

( 1 . 5 - s

d u r a t i o n )

a t

- m i n

i n t e r v a l s

t o

p r e h e a t

t h e

s h i e l d s .

L o a d c u r r e n t

was

n o t

f l o w i n g

i n

t h e c a b l e d u r i n g

t h e

t e s t s .

F o r e a c h

s e t

o f d a t a

t h e

t e s t s e t

was a d j u s t e d

t o a l o w

c u r r e n t

( 5 0 - 2 0 0

A )

a n d

i n c r e a s e d

i n

s t e p s

t o

t h e

maximum

c u r r e n t

c a p a b i l i t y

o f

t h e


source

( 4 0 0 - 7 0 0

A ,

d e p e n d i n g

on t h e t o t a l

c i r c u i t

i m p e d a n c e ) .

S i n c e

most


i n v o l v e d

a source

v o l t a g e

o f

o n l y

one or two

v o l t s ,

a s t e p - u p

v o l t a g e

t r a n s f o r m e r

( V T )

was

r e q u i r e d

t o

o b t a i n

a c c u r a t e


m e a s u r e m e n t s .

A

2 4 0 0 : 1 2 0

r a t i o

VT

was

used

PHASE

+

ANGLE

V

M

E T R

I M

+

TO

NNECTION

A T CABLE

. 1 9

~ - C L A M P

ON

CT

_t

_

- - - - - - - - - - - - - - r - - +

F ___________A_f_

+

t I T

20

FEET

BOLTED

L O W - V O L T A G C

J

FAULT

H I G H - C U R R E N T

A C

SOURCE

F i g .

3 .

T e s t

s e t u p .

w i t h

t h e

1 2 0 - V

w i n d i n g

c o n n e c t e d

t o t h e


s o u r c e

o u t p u t

a n d

t h e

2 4 0 0 - V

w i n d i n g

c o n n e c t e d

t o

t h e p h a s e - a n g l e

m e t e r

i n p u t .

T h e

f o l l o w i n g


w e r e

t e s t e d .

I )

4 / 0

AWG

c o p p e r

1 5 - k V

c a b l e ( 1 3 3 - p e r c e n t

i n s u l a t i o n )

w i t h

a 5 - m i l - t h i c k

c o p p e r - t a p e

s h i e l d .

a )

5 - i n

PV C

c o n d u i t :

1 )

w i t h o u t

g r o u n d

w i r e , 2 )

w i t h

2 / 0

AWG c o p p e r g r o u n d

w i r e ,

a n d

3 )

w i t h

6

AWG

c o p p e r

g r o u n d

w i r e .

b )

4 - i n

r i g i d - a l u m i n u m

c o n d u i t :

1 ) w i t h o u t

g r o u n d

w i r e ,

2 )

w i t h

2 / 0

AWG c o p p e r

g r o u n d

w i r e , a n d

3 )

w i t h

6

AWG

c o p p e r

g r o u n d

w i r e .

c )

5 - i n r i g i d - s t e e l

c o n d u i t :

1 )

w i t h o u t g r o u n d

w i r e , 2 )

w i t h

2 / 0

AWG

c o p p e r g r o u n d

w i r e ,

a n d 3 )

w i t h 6

AWG

c o p p e r

g r o u n d

w i r e .

I I )

4 / 0

AWG c o p p e r

1 5 - k V

( 1 0 0 - p e r c e n t

i n s u l a t i o n )

w i t h

s i x

1 8

AWG

s h i e l d w i r e s ;

t h e t e s t s

w e r e

t h e s a m e

a s

f o r I )

a ,

b ,

a n d

c ,

e x c e p t

t h e

6

AWG

c o p p e r

g r o u n d

w i r e

t e s t

w a s

o m i t t e d .

V o l t a g e s ,

c u r r e n t s ,

a n d

p h a s e

a n g l e s

w e r e

r e c o r d e d

f o r a l l

d e f i n e d

g r o u n d

r e t u r n

p a t h s

( m e t a l l i c

s h i e l d s ,

g r o u n d

w i r e ,

a n d

c o n d u i t )

a t

e a c h

o f t h e

f a u l t

c u r r e n t

l e v e l s .

T E S T

R E S U L T S

A N D

D I S C U S S I O N

T h e

r e s u l t s

o f t h e t e s t s

a r e g i v e n

i n

T a b l e s

I

a n d

I I . T a b l e

I

s u m m a r i z e s

t h e

p e r c e n t a g e

o f t h e

t o t a l

g r o u n d

f a u l t

c u r r e n t

t h r o u g h

t h e

v a r i o u s

r e t u r n

p a t h s

a t

a

t o t a l f a u l t

l e v e l

o f

4 0 0

A .

T h e

r e s u l t s

c o m p a r e

q u i t e

c l o s e l y

t o w o r k

d o n e p r e v i o u s l y

[ 4 ]

a t

h i g h e r

f a u l t - c u r r e n t

l e v e l s ( 5 0 0 0 - 1 0

0 0 0 A ) .

T h e

p e r c e n t a g e

o f

c u r r e n t

i n

e a c h

p a t h

d o e s

n o t

v a r y

w i t h

t h e

m a g n i t u d e

o f t h e

t o t a l

f a u l t

c u r r e n t ,

e x c e p t

i n

t h e

c a s e o f

t h e

s t e e l

c o n d u i t .

I n t h e c a s e

o f

t h e

s t e e l

c o n d u i t

w i t h o u t

a n

i n t e r n a l g r o u n d

w i r e

t h e p e r c e n t a g e

o f c u r r e n t

r e t u r n e d

t h r o u g h

t h e

c o n d u i t

r a n g e d f r o m 7 9

p e r c e n t

a t

a

t o t a l f a u l t

c u r r e n t

o f 5 0

A

t o

6 4

p e r c e n t

a t

a

t o t a l

f a u l t c u r r e n t

o f

5 7 0

A

( f o r

t h e

w i r e - s h i e l d c a s e ) .

T h i s

m e a n s

t h a t

t h e

a p p a r e n t

i m p e d a n c e

o f t h e c o n d u i t

r e t u r n

p a t h

i n c r e a s e d

t h r o u g h o u t

t h e

f a u l t

c u r r e n t r a n g e

o f

5 0 - 5 7 0

A .

To

i n v e s t i g a t e

t h e c o n t r a d i c t i o n

b e t w e e n

o u r

r e s u l t s

a n d t h a t

o f a

p r e v i o u s

p a p e r

[ 6 ]

p r e d i c t i n g

a

d e c r e a s e

i n

c o n d u i t

i m p e d a n c e

w i t h

i n c r e a s i n g

c u r r e n t ,

we

s e t u p

a

t e m p o r a r y

l o o p

w i t h a

s i n g l e

4 / 0

AWG

c a b l e

w i t h i n

t h e

5 - i n


c o n d u i t . T h e


s o u r c e

w a s

c o n n e c t e d

b e t w e e n

t h e

c a b l e

a n d t h e c o n d u i t

a t

t h e s o u r c e

o f

t h e

c o n d u i t ,

a n d t h e

4 / 0

1 1 5 0



HAMER AN D

W O O D :

CABLE

DAMAGED

D U R I N G GROUND

FAULTS?

TABLE

I

M EAS U R E D C U R R EN T

D I S T R I B U T I O N D U R I N G 4 0 0 - A G R O U N D

FAULT TESTS FOR

VARIOUS

CONDUIT AND

G R O U N D

WI R E

C O N F I G U R A T I O N S a

P e r c e n t

o f T o t a l G r o u n d

F a u l t C u r r e n t

N o n f a u l t e d

C o n d u i t ,

C a b l e ,

F a u l t e d P h a s e S h i e l d s

G r o u n d

a n d M e t a l l i c

S h i e l d T y p e P h a s e

S h i e l d ( E a c h )

W i r e

C o n d u i t

4 / 0 AWG 1 5 - k V

c a b l e w i t h

t a p e

s h i e l d

( 5 - m i l

c o p p e r )

5 - i n

PV C


w i r e

3 3

3 3 N/A N/A

W i t h 2 / 0 AWG g r o u n d

w i r e

9

7 8 1

N/A

W i t h

6

AWG

g r o u n d

w i r e

1 8

1 8

4 8

N/A

4 - i n a l u m i n u m w i t h o u t g r o u n d

w i r e 4 3

N/A

9 1

W i t h

2 / 0

AWG

g r o u n d w i r e

4

2

2 6

6 7

W i t h

6

AWG g r o u n d w i r e

4

3

8 8 4

5 - i n

s t e e l


w i r e 1 2

1 1

N/A 6 8

W i t h

2 / 0

AWG g r o u n d

w i r e 6

5

5 5

3 5

W i t h

6

AWG

g r o u n d w i r e

9

8 2 6

5 1

4 / 0

AWG 1 5 - k V c a b l e

w i t h

w i r e s h i e l d

( s i x

1 8

AWG)

5 - i n

PV C

w i t h o u t

g r o u n d

w i r e

3 3

3 3 N/A

N/A

W i t h

2 / 0

AWG g r o u n d

w i r e

9

7

8 1

N/A

4 - i n

a l u m i n u m

w i t h o u t

g r o un d w ir e

4

3

N/A 9 2

W i t h

2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e

3

2

2 2

7 3

5 - i n s t e e l w i t h o u t g r o u n d

w i r e

1 4 1 3 N/A

6 4

W i t h

2 / 0

AWG g r o u n d

w i r e

7

5 5 5

3 1

a

Sum

o f

c u r r e n t s

a d d

t o

o v e r 1 0 0

p e r c e n t

d u e t o p h a s e - a n g l e

d i f f e r e n c e s i n i n d i v i d u a l c u r r e n t s .

TABLE

I I

ZERO

SEQUENCE

IMPEDANCE

( Z O )

I N

mQ/1000 F T FOR VARIOUS

CONDUIT

AN D G R O U N D WI R E

CONFIGURATIONS

A S

MEASURE D

D U R I N G A 4 0 0 - A G R O U N D FAULTa

Z O

( m Q / 1 0 0 0 f t )

C o n d u i t

C a b l e

w i t h

T a p e C ab l e w it h

W i r e

S y s t e m / C a b l e

T y p e

S h i e l d

( 5 - m i l C o p p e r )

S h i e l d

( s i x , 1 8 AWG)

4 / 0

AWG

1 5 - k V

c a b l e

( t h r e e ,

s i n g l e

c o n d u c t o r )

5 - i n

PV C w i t h o u t

g r o u n d

w i r e 4 6 0

+j48

4 4 0

+j42

W i t h 2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e

1 3 0

+ j 9 0

1 4 0 +j90

W i t h 6

AWG

g r o u n d

w i r e

2 6 0

+ j 6 8

4 - i n a l u m i n u m

w i t h o u t

g r o u n d

w i r e

9 0 + j 6 2

9 8

+ j 5 8

W i t h 2 / 0 AWG

g r o u n d

w i r e

8 3

+ j 6 0

9 2

+ j 5 8

W i t h 6

AWG

g r o u n d

w i r e

8 8 + j 6 0

5 - i n

s t e e l

w i t h o u t

g r o u n d

w i r e

200+j89 2 1 0 + j 9 6

W i t h 2 / 0 AWG

g r o u n d

w i r e

1 1 0 + j 8 7

1 2 0 + j 9 2

W i t h 6

AWG

g r o u n d

w i r e

1 6 0 + j 7 9

C a b l e t e m p e r a t u r e a p p r o x i m a t e l y

2 0 ° C ;

e a r t h - r e t u r n

p a t h

n o t i n c l u d e d .

AWG

c a b l e was

c o n n e c t e d

d i r e c t l y

t o

t h e

c o n d u i t a t

t h e f a r

e n d .

T h e

r e s u l t i n g

i m p e d a n c e s , r e s i s t a n c e ,

a n d

r e a c t a n c e

a r e

p l o t t e d

a s a

f u n c t i o n

o f

c u r r e n t

i n

F i g .

4 .

T h i s

f i g u r e

s h o w s t h a t f o r

t h e

f a u l t - c u r r e n t l e v e l s

m e a s u r e d

u s i n g

t h e

t e s t

s e t u p

o f

F i g .

3

( 5 7 0

A

m a x i m u m )

a n d

t h e

p r o p o r t i o n

o f

c u r r e n t

r e t u r n e d

t h r o u g h

t h e c o n d u i t

( 6 4 p e r c e n t

o f

5 7 0

A ,

o r

3 6 5

A ) ,

t h e

p e a k

v a l ue o f

c i r c u i t

i m p e d a n c e

h a d

j u s t

b e e n

p a s s e d .

M u t u a l

i m p e d a n c e

e f f e c t s

may

s h i f t

t h e

maximum

i m p e d a n c e p o i n t s l i g h t l y

t o t h e

r i g h t

( F i g . 4 )

f o r t h e

a c t u a l

f a u l t c a s e . T h u s

we

w o u l d

e x p e c t

t h e

a p p a r e n t i m p e -

d a n c e o f t h e

c o n d u i t t o

d e c r e a s e

a t f a u l t - c u r r e n t

l e v e l s

h i g h e r

t h a n

5 7 0

A .

S i n c e

t h e

p r o p o r t i o n

o f

c u r r e n t

r e t u r n e d

t h r o u g h

t h e

m e t a l l i c

s h i e l d

r e m a i n e d

c o n s t a n t

f o r f a u l t

c u r r e n t s

a b o v e

2 7 5 A d u r i n g

o u r t e s t s ,

we

c o n c l u d e

t h a t

t h e

4 0 0 - A

t o t a l

f a u l t

l e v e l

v a l u e s l i s t e d i n T a b l e s

I a n d

I I

r e p r e s e n t

a l l c a s e s ( P V C ,

a l u m i n u m ,

a n d

s t e e l

c o n d u i t s )

w e l l

f r o m

a

s h i e l d - w i t h s t a n d

e v a l u a t i o n

p o i n t o f

v i e w .

R e v i e w i n g T a b l e I , v e r y l i t t l e

d i f f e r e n c e e x i s t s b e t w e e n

t h e

a m o u n t o f

c u r r e n t

r e t u r n e d

o n

t h e f a u l t e d

o r n o n f a u l t e d p h a s e

m e t a l l i c s h i e l d s . T h e r e t u r n

c u r r e n t

i s e s s e n t i a l l y d i v i d i n g

among t h e m e t a l l i c

s h i e l d s

a c c o r d i n g

t o t h e i r

r e s i s t a n c e .

M e a s u r e m e n t s

made

o f

t h e s e l f - i m p e d a n c e

o f t h e m e t a l l i c

s h i e l d ( w i t h r e s p e c t

t o

t h e

p h a s e c o n du c t o r

e n c l o s e d b y t h e

s h i e l d )

f o r a l l t h e

c o n f i g u r a t i o n s r e s u l t e d

i n

r e s i s t a n c e - t o -

r e a c t a n c e

r a t i o s

r a n g i n g

f r o m

s i x t o 1 4 , v a l i d a t i n g t h e

f o r e g o i n g

s t a t e m e n t .

1 1 5 1



I E E E T R A N S A C T I O N S ON

I N D U S T R Y


V O L .

I A - 2 2 ,

N O .

6 .

N O V E M B E R / D E C E M B E R

1 9 8 6

L

0~

L XJ

, )

T

3 5 -

IMPEDANCE

30 -

RES

I S T A N C E

2 S 5

20

REACTANCE

5 -

J

i

0

1 V 0 0 20 0

3 00

4 U U

bU U

AMPERES

F i g .

4 .

C i r c u i t

i m p e d a n c e ,

r e s i s t a n c e ,

a n d

r e a c t a n c e o f

4 / 0 AWG c a b l e

w i t h i n 5 - i n


c o n d u i t

w i t h c o n d u i t

a s r e t u r n

p a t h

( n o g r o u n d

w i r e ) .

TABLE

I I I

C O M P A R I S O N

O F

MEASURED

CURRENT

AN D CALCULATED

CURRENT

WI TH 4 0 0 - A GROUND

FAULT FOR V A R I O U S

C O N D U I T

AN D GROUND

W I R E

CONFIGURATIONS

P e r c e n t

o f

T o t a l

G r o u n d

F a u l t

C u r r e n t

N o n f a u l t e d

F a u l t e d

P h a s e

S h i e l d s

G r o u n d

C o n d u i t , C a b l e ,

P h a s e

S h i e l d

( E a c h )

W i r e

C o n d u i t

a n d

M e t a l l i c S h i e l d

T y p e

M e a s u r e d

C a l c u l a t e d

M e a s u r e d

C a l c u l a t e d

M e a s u r e d

C a l c u l a t e d

M e a s u r e d

C a l c u l a t e d

4 / 0 AWG

1 5 - k V

c a b l e

w i t h

t a p e

s h i e l d

( 5 - m i l

c o p p e r )

5 - i n

PV C

w i t h o u t

g r o u n d

w i r e

3 3

3 3 3 3

3 3

N/A

N/A

N/A

N/A

W i t h 2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e

9

8

7 7

8 1

8 2

N/A

N/A

4 - i n

a l u m i n u m


w i r e

4

3

3

2 N/A

N/A

9 1

9 4

W i t h 2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e

4

3

2

2

2 6

2 1

6 7

7 6

5 - i n s t e e l

w i t h o u t

g r o u n d

w i r e

1 2

1 2

1 1

1 2 N/A

N/A

6 8

6 4

W i t h 2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e

6

6

5

5

5 5

5 7

3 5

3 2

4 / 0 AWG

1 5 - k V

c a b l e

w i t h

w i r e s h i e l d

( s i x

1 8 AWG)

5 - i n

PV C w i t h o u t g r o u n d

w i r e

3 3

3 3

3 3

3 3

N/A

N/A

N/A

N/A

W i t h 2 / 0 AWG

g r o u n d

w i r e

9

9

7

7

8 1

8 0

N/A

N/A

4 - i n a l u m i n u m


w i r e

4

4

3

3

N/A

N/A

9 2

9 3

W i t h

2 / 0

AWG g r o u n d

w i r e

3

4

2

2

2 2 2 0 7 3

7 5

5 - i n

s t e e l


w i r e

1 4

1 3

1 3

1 3

N/A

N/A

6 4

6 1

W i t h

2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e

7

7

5

5

5 5

5 6

3 1

3 2

a

Sum o f c u r r e n t s

a d d

t o

o v e r

1 0 0

p e r c e n t

d u e

t o


d i f f e r e n c e s

i n

i n d i v i d u a l

c u r r e n t s .

T h e

two w o r s t

cases o v e r a l l

are

t h r e e c o n d u c t o r s

w i t h o u t

a

g r o u n d

w i r e i n

PV C

c o n d u i t a n d

t h r e e c o n d u c t o r s

w i t h a

s m a l l

6

AWG

g r o u n d

w i r e

i n

PVC

c o n d u i t .

N e i t h e r

case

i s

c o n s i d e r e d

p r a c t i c a l

s i n c e n o r m a l p r o c e d u r e

i s t o

i n c l u d e

a

l a r g e

g r o u n d

w i r e ( a t

l e a s t

2 / 0

AWG s i z e )

w h e r e

PV C

c o n d u i t

i s

u s e d .

T h e

w o r s t

case

f o r s h i e l d p r o t e c t i o n

i n

t h e p r a c t i c a l

sense

i s t h e 5 - i n

s t e e l

c o n d u i t w i t h o u t a g r o u n d

w i r e .

S i g n i f i c a n t

i m p e d a n c e s

may

d e v e l o p

on

t h e r i g i d - s t e e l

c o n d u i t

r e t u r n

p a t h

d u e

t o

a r c i n g

a t

c o u p l i n g j o i n t s

w h e n

h i g h

f a u l t

c u r r e n t s

a s s o c i a t e d

w i t h

s o l i d l y g r o u n d e d

s y s t e m s

occur

[ 7 ] .

T h i s

c o n d i t i o n

w o u l d

d i v e r t

more c u r r e n t

t o

t h e m e t a l l i c

s h i e l d

p a t h s .

H o w e v e r ,

a maximum o f

1 4

p e r c e n t

o f t h e

t o t a l g r o u n d -

f a u l t

c u r r e n t

c an

b e

e x p e c t e d

t o

f l o w

i n t h e m e t a l l i c

s h i e l d

f o r

f a u l t

c u r r e n t s

b e l o w

a p p r o x i m a t e l y

2 0 0 0

A.

C O M P A R I S O N

OF

T E S T AND C A L C U L A T E D

C U R R E N T

D IVI S ION

T h e

c u r r e n t


i n

t h e

v a r i o u s

g r o u n d - r e t u r n

p a t h s

may

b e c a l c u l a t e d b y

s o l v i n g a

s e t

o f

s i m u l t a n e o u s

l o o p

e q u a t i o n s .

T h e e l e m e n t s

o f t h e m a t r i x

c o n s i s t

o f s e l f -

a n d

m u t u a l - i m p e d a n c e

t e r m s .

T h e

g e n e r a l

m a t r i x

a n d

t h e

e q u a -

t i o n s

f o r

t h e

m a t r i x e l e m e n t s

a r e

g i v e n

i n t h e

A p p e n d i x .

To c h e c k

t h e

t e s t

r e s u l t s ,

t h e

e q u a t i o n s

w e r e

s o l v e d

f o r

a

4 0 0 - A

g r o u n d

f a u l t

( d e t a i l s

a r e

g i v e n

i n t h e

A p p e n d i x ) .

T h e

r e s u l t s

o f

t h e


a r e

c o m p a r e d

w i t h t h e t e s t

v a l u e s

i n

T a b l e

I I I .

T h e c u r r e n t s

c a l c u l a t e d

f o r

e a c h

p a t h

a g r e e

w i t h

t h e

t e s t r e s u l t s

w i t h i n

a

f e w

p e r c e n t .

D u r i n g

t h e

t e s t i n g ,

a

t h r e e - p h a s e

l o a d

c u r r e n t

w a s

n o t

f l o w i n g

i n t h e

c a b l e . To d e t e r m i n e

i f

l o a d

c u r r e n t a f f e c t s

t h e


r e t u r n

p a t h

c u r r e n t

d i s t r i b u t i o n ,

2 0 0

o f

t h r e e -

p h a s e

l o a d

c u r r e n t

w i t h

a 4 0 0 - A

g r o u n d

f a u l t

s u p e r i m p o s e d

o n

p h a s e

A w a s

s i m u l a t e d

i n

t h e

m a t r i x

m o d e l .

T a b l e

I V

c o m p a r e s

t h e d i s t r i b u t i o n

o f c u r r e n t s

f o r

t h e

4 0 0 - A

g r o u n d

f a u l t

w i t h

a n d

w i t h o u t

a


l o a d

c u r r e n t

f o r

t h e c a s e

o f PV C

c o n d u i t

w i t h a

2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e .

T h i s s h o w s

t h a t

t h e

e f f e c t

o f


l o a d

c u r r e n t

o n

t h e


r e t u r n

p a t h - c u r r e n t


i s

s m a l l .

1 1 5 2

1

.

. ;



HAMER AND

W O O D :

C A B L E DAMAGED D U R I N G GROUND F A U L T S ?

TABLE

I V

CALCULATED FAULT CURRENT D I S T R I B U T I O N

FOR

4 / 0

AWG

1 5 - k V

CABLE

WITH

WIRE

S H I E L D

AN D 5 - I N

PV C

WI TH

2 / 0

AWG

G R O U N D

WIREa

P e r c e n t o f

T o t a l

G r o u n d F a u l t C u r r e n t

F a u l t e d P h a s e

B

P h a s e

C G r o u n d

C o n d i t i o n

P h a s e

S h i e l d S h i e l d

S h i e l d W i r e

No

l o a d 9

7

7

8 0

2 0 0 - A

L o a d

1 0

8

7

8 1

a

Sum o f c u r r e n t s

a d d

t o

o v e r

1 0 0

p e r c e n t

d u e t o


d i f f e r e n c e s

i n

i n d i v i d u a l c u r r e n t s .

G U I D E L I N E S FOR P R O T E C T I O N

A

r e p r e s e n t a t i v e d i s t r i b u t i o n

s y s t e m

i s s h o w n

o n

t h e o n e -

l i n e d i a g r a m

o f

F i g .

5 . A


s u b s t a t i o n

i s f e d

b y

c a b l e

f r o m a l i n e u p

o f

m a i n

s w i t c h

g e a r . T h e g r o u n d - f a u l t p r o t e c t i v e

r e l a y s

a r e

s h o w n i n

t h e f i g u r e .

I n c a s e

o f

m a l f u n c t i o n

o f

t h e f i r s t

p r o t e c t i v e

d e v i c e ,

s u c h

a s

t h e

5 O G f o r

f e e d e r

c a b l e

1 ,

t h e

b a c k u p

d e v i c e

2 5 1 G

m u s t

c l e a r t h e

f a u l t

b e f o r e

t h e

c a b l e m e t a l l i c

s h i e l d

i s

d a m a g e d .

S i n c e

t h e

o p e r a t i n g

t im e o f

2 5

1 G a t

t h e

maximum g r o u n d

f a u l t

i s

0 . 4

s

a n d

a p p r o x i m a t e l y

0 . 1 s

m u s t b e

a d d e d

f o r

c i r c u i t -

b r e a k e r

o p e r a t i n g

t i m e ,

t h e c a b l e m e t a l l i c

s h i e l d m u s t b e a b l e

t o

w i t h s t a n d

i t s

p o r t i o n

o f t h e

t o t a l

g r o u n d

f a u l t

o f 1 0 0 0

f o r

0 . 5

s .

A s s u m i n g

t h e

c a b l e i s 4 / 0 AWG

i n


c o n d u i t

w i t h o u t g r o u n d w i r e ,

t h e

s h i e l d m u s t b e a b l e t o

w i t h s t a n d

1 4

p e r c e n t

o f 1 0 0 0

A

( 1 4 0 A )

f o r

0 . 5

s .

S i m i l a r l y ,


2

m u s t b e a b l e t o w i t h s t a n d

1 4 0 A

( a s s u m i n g

o n e c a b l e

p e r

p h a s e )

f o r 1 . 3 s .

E x a m i n i n g

F i g .

6 ,

a

t y p i c a l

w i t h s t a n d l i m i t c u r v e

f o r a 4 / 0

AWG

c a b l e

w i t h a

w i r e

s h i e l d

i s

s h o w n ,

a n d t h e

c a b l e h a s

n o

d i f f i c u l t y w i t h s t a n d i n g

t h i s

d u t y .

I t

w i l l

r e m a i n

i n

t h e

s a f e

o p e r a t i n g

t e m p e r a t u r e

r e g i o n

a t

1 4 0

A f o r

w e l l

o v e r

1 0 0

c y c l e s

( 1 . 7

s ) .

O n l y

i f

t h e

t o t a l

g r o u n d


f o r

t h i s c a s e

e x c e e d s

3 8 0 0

d o e s


2

a p p r o a c h

i t s

l i m i t

o f

5 3 0

A

f o r 1 . 3 s .

F e e d e r

c a b l e 1 i s s t i l l

i n

t h e s a f e

r e g i o n

a t

t h i s

f a u l t

l e v e l . T h e

f o l l o w i n g g u i d e l i n e s

a r e r e c o m m e n d e d

f o r

p r o t e c t -

i n g

f e e d e r

c a b l e

s h i e l d s f r o m

d a m a g e .

1 )

T h e

p e r c e n t a g e s

g i v e n

i n

T a b l e I a r e

v a l i d f o r

5 - m i l - t h i c k

c o p p e r - t a p e

s h i e l d s

a n d s i x 1 8

AWG

w i r e

s h i e l d s .

T h e s e a r e

t y p i c a l

o f

m a n y

i n s t a l l a t i o n s a n d

a r e

a p p l i c a b l e

i n m o s t c a s e s .

T h e f a u l t c u r r e n t d i s t r i b u t i o n f o r

d i f f e r e n t

c a b l e


a n d s h i e l d

s i z e s c a n b e

c a l c u l a t e d

a s

s h o w n i n

t h e

A p p e n d i x .

2 )

A

l o o s e

g r o u n d

c o n n e c t i o n a t t h e

s h i e l d t e r m i n a t i o n a t

e i t h e r

e n d

o f a c a b l e

r u n w i l l

a f f e c t t h e c u r r e n t


i n

t h e s h i e l d s .

T h e s e

t e r m i n a t i o n s

m u s t

b e

m a d e

s e c u r e .

3 )

F o r

PV C

c o n d u i t ,

n o r m a l

p r a c t i c e

i s

t o

i n c l u d e

a

g r o u n d

w i r e

i n s i d e t h e c o n d u i t .

F o r

h i g h e r - l e v e l

t o t a l

g r o u n d

f a u l t

c u r r e n t s

( e x c e e d i n g

1 0 0 0

A )

a n d

s o l i d l y g r o u n d e d

s y s t e m s ,

i t

i s r e c o m m e n d e d t h a t

a

g r o u n d

w i r e b e

r u n

i n s i d e m e t a l l i c

c o n d u i t s .

T h i s

i s

e s p e c i a l l y

t r u e

f o r

s y s t e m s

u s i n g r i g i d - s t e e l

c o n d u i t

a s

t h e

r e t u r n

p a t h .

W i t h o u t

g r o u n d

w i r e s w i t h i n

t h e

c o n d u i t ,

s p a r k i n g

a t

c o u p l i n g s [ 7 ] may

o c c u r

d u r i n g

f a u l t s

w i t h t h e

r e s u l t i n g

r i s k s

f o r c o n d u i t s

r o u t e d

t h r o u g h h a z a rd o u s

l o c a t i o n s

[ 8 ] .

T h e u s e o f

a

g r o u n d

w i r e a l s o r e d u c e s t h e

p r o p o r t i o n

o f

g r o u n d


r e t u r n i n g t h r o u g h

t h e s h i e l d

OC R

M A I N S W I T C H G E A R

0

1

2

0 . 8 SECONO

O T + A E - R F - E E D E R S

C A B L E FEEDER NO.2

4

) 0

4

-SFCN

D I S T R IB UT ION SUBSTATION

0 . 1

S E C O N O

O T HE R F EE D ER S

A M B L E

FEEDER

NO . 1

F i g .

5 .

S a m p l e d i s t r i b u t i o n s y s t e m

s h o w i n g g r o u n d

f a u l t

p r o t e c t i v e r e l a y s

( t i m e s s h o w n

a r e r e l a y

o p e r a t i n g

t i m e s a t maximum f a u l t o f

1 0 0 0 A ) .

( 2 )

C

- J

z

c r -

T

( I)

I

1

1 0

TIME (CYCLES @

6 0 H Z )

BASED O N

ICEA P-4S-482,

1 9 7 9

8SC

I N I T I I A L , 200'C

RESULTING

SHIELD

TEMPERATURE

1 0 0

F i g . 6 .

S h i e l d

s h o r t - c i r c u i t c a p a b i l i t y ;

1 5

k V ; 1 0 0 - p e r c e n t i n s u l a t e d ;

s i x 1 8

AWG

w i r e

s h i e l d .

a n d

e l i m i n a t e s c o n c e r n

o v e r

c o r r o d e d

o r l o o s e

c o u p l i n g s a n d

b u s h i n g s .

C O N C L U S I O N

C o n t r a r y

t o

i n t u i t i o n , g r o u n d

f a u l t

c u r r e n t f o r

t h r o u g h

f a u l t s

d o e s n o t

p r e d o m i n a n t l y

r e t u r n

o n t h e s h i e l d

o f t h e f a u l t e d

p h a s e

o f a c a b l e .

C u r r e n t d i v i d e s

i n v e r s e l y

a s

t h e

m a g n i t u d e

o f

t h e

i m p e d a n c e s

o f t h e

g r o u n d

r e t u r n

p a t h s . T h e p o r t i o n o f

g r o u n d

f a u l t

c u r r e n t f o r

t h r o u g h f a u l t s

r e t u r n i n g o n t h e c a b l e

s h i e l d s

d i v i d e s

a l m o s t

e q u a l l y

a m o n g

t h e t h r e e c a b l e s h i e l d s .

T h e

i m p e d a n c e s

o f

t h e

c a b l e

s h i e l d s

r o u t i n e l y

u s e d i n

i n d u s t r y

a r e

r e l a t i v e l y h i g h

c o m p a r e d

w i t h o t h e r

g r o u n d

r e t u r n

p a t h s

s u c h a s

g r o u n d

w i r e s

w i t h i n c o n d u i t s o r

t h e c o n d u i t

i t s e l f .

F o r

g r o u n d

f a u l t

l e v e l s

u n d e r

1 0 0 0 A

a n d

c o n v e n t i o n a l

o p e r a t i o n t i m e s

o f g r o u n d p r o t e c t i v e

r e l a y s ,

c a b l e

m e t a l l i c

s h i e l d s a r e

n o t

b e i n g

d a m a g e d

d u r i n g

g r o u n d

f a u l t s .

F o r

g r o u n d

f a u l t

m a g n i t u d e s

e x c e e d i n g

1 0 0 0

A a g r o u n d w i r e

s h o u l d

b e

i n c l u d e d w i t h i n

m e t a l l i c c o n d u i t s t o

p r o v i d e a

r e l i a b l e l o w - i m p e d a n c e

g r o u n d r e t u r n p a t h f o r t h e f a u l t

c u r r e n t .

A P P E N D I X

U s i n g

t h e

m e t h o d s g i v e n

i n

[ 3 ] ,

t h e

f a u l t c u r r e n t d i s t r i b u t i o n

b e t w e e n

t h e v a r i o u s r e t u r n

p a t h s i s c a l c u l a t e d

a n d

c o m p a r e d

t o

t h e t e s t

r e s u l t s . T h e

e q u i v a l e n t

c i r c u i t f o r t h e

g e n e r a l

c a s e i s

s h o w n i n

F i g .

7 .

T h i s

c i r c u i t i n c l u d e s

p r o v i s i o n s

f o r

l o a d

i m p e d a n c e

a n d

T

100

1

1 1.1. 2 4 i

I ' s t -

4

11

M . 1 1 1 0

1 1 5 3



IEEE

TRANSACTIONS

O N

I N D U S T R Y


VOL.

I A - 2 2 ,

N O .

6 ,

NOVEMBER/DECEMBER

1 9 8 6

L O A D

w h e r e

Z L

RCN

c o n d u c t o r

r e s i s t a n c e ,

GMR

c o n d u c t o r

g e o m e t r i c

mean r a d i u s

i n

i n c h e s ,

z L

p

e a r t h r e s i s t i v i t y

i n m e t e r

o h m s ,

f

f r e q u e n c y

i n

c y c l e s / s .

N e x t

we f i n d

t h a t

I r

+ I C

Z S A , S A ,

Z S B , S B ,

Z s c , s c = R s + O 0 . 1 8 + j

( 0 . 0 5 2 9

T - Z V L

E P A T H

E A R i T H

F i g .

7 . E q u i v a l e n t

c i r c u i t

f o r



c a l c u l a t i o n s .

n e u t r a l

g r o u n d i n g

i m p e d a n c e .

T h e

a p p r o p r i a t e

l o o p

e q u a t i o n s

a r e

w r i t t e n

w i t h e a r t h

r e t u r n

b e i n g

u s e d i n

e a c h c a s e

t o

c o m p l e t e

t h e

l o o p .

T h e s e

e q u a t i o n s

a r e p r e s e n t e d

i n

t h e

f o l l o w i n g

m a t r i x :

E A

E B

EC

0

0

0

0

o

Z A , A

Z A , B

Z A G C

ZA

, S A

Z A , S B

Z A , S C

Z A

, G W

ZA

, C D

Z A , B

Z B , B

Z B , C

Z B , S A

Z B , S B

Z B , S C

Z B , G W

Z B , C D

Z A , C

Z B , C

z C , C

Z C , S A

Z C , S B

z C , S C

Z C , G W

Z C , C D

Z A

, S A

Z B , S A

Z C , S A

Z S A

, S A

Z S A

, S B

Z S A , S C

Z S A , G W

Z S A , C D

V p / f

X

l o g l o

+ 0 . 2 3 3 5

DI

Q / 1 0 0 0

f t

w h e r e

R s

i s t h e

s h i e l d

r e s i s t a n c e

a n d D l

i s t h e

a v e r a g e

r a d i u s

o f

t h e s h i e l d

i n

i n c h e s ,

a n d

Z C D , C D = R C +

0 . 0 1 8

+ j

( 0 . 0 5 2 9

V - l -

l o g 1 o

D2

+

0 . 2 3 3 5

D2

9 / 1 0 0 0

f t

w h e r e

R c

i s

t h e

c o n d u i t

r e s i s t a n c e

a n d

D 2

i s

t h e

r a d i u s

o f

t h e

Z A

, S B

Z B , S B

Z C , S B

Z S A

, S B

Z S B , S B

Z S B , S C

Z S B , G W

Z S B , C D

Z A , S C

Z B , S C

Z C , S C

Z S A , S C

Z S B , S C

Z S C , S c

Z S C , G W

Z S C , C D

Z A , G W

Z B , G W

Z C , G

W

Z S A

, G

W

Z S B , G W

Z S C , G W

Z G W , G W

Z G W , C D

Z A

, C D

Z B , C D

Z C , C D

Z S A

, C D

Z S B , C D

Z S C , C D

Z G W , C D

Z C D , C D

I A

I B

I C

I S A

S B

S C

I G W

I C D

w h e r e

Z A , A ,

Z B , B ,

Z C , C

Z S A , S A , Z S B , S B ,

Z S C , S C

Z G W , G W

Z C D , C D

s e l f - i m p e d a n c e

w i t h

e a r t h

r e t u r n

f o r t h e

p h a s e

c o n d u c t o r ,


w i t h e a r t h

r e t u r n

f o r

t h e c a b l e

s h i e l d ,


w i t h

e a r t h

r e t u r n

f o r

t h e

g r o u n d

w i r e ,


w i t h e a r t h

r e t u r n

f o r

t h o fvnrli

c o n d u i t

i n

i n c h e s ( m a g n e t i c

e f f e c t s

i n c l u d e d ) .

F i n a l l y ,

we

h a v e

Z j j = O 0 . 0 1 2 8 + ]

( 0 . 0 5 2 9

f o r s t e e l c o n d u i t

a r e

n o t

9 / 1 0 0 0

f t

m u t u a l

r e a c t a n c e

b e t w e e

a n d

j - t h

c o n d u c t o r s

p l u s

o f t h e

e a r t h

r e t u r n

w h e i

t e r m s

a r e

a p p r o p r i a t e

c o i

o f

A ,

B , C ,

S A ,

S B , S C

CD .

N o t e

t h a t

Z A , A ,

Z B , B ,

Z C , C ,

Z G W , G W = R c N + 0 . 0 1 8 + j

(0.05

lo g

02335

- I n

t h e

i - t h

w h e r e

D i j

i s t h e

d i s t a n c e

b e t w e e n

t h e c e n t e r

o f c o n d u c t o r

i

a n d

i m p e d a n c e

t h e c e n t e r

o f c o n d u c t o r

i n

i n c h e s .

r e

t h e

i

J

N o t i c e

t h a t

t h e p h a s e

A , B ,

a n d C

c o n d u c t o r

s e l f -

mbinations

i m p e d a n c e s

w i l l

n o r m a l l y

b e

e q u a l

a n d

t h a t t h e

p h a s e

A ,

B ,

GW,

a n d

and C c o n d u c t o r

s h i e l d

s e l f - i m p e d a n c e s

w i l l

b e

e q u a l .

I n

a n d a d d i t i o n ,

s i n c e

t h e

d i s t a n c e

b e t w e e n

c o n d u c t o r

c e n t e r s

a n d

t h e

d i s t a n c e

b e t w e e n

t h e s h i e l d

c e n t e r s

are

e q u a l ,

t h e

m u t u a l

i m p e d a n c e

t e r m s

c o n d u c t o r - t o - c o n d u c t o r

a n d s h i e l d - t o - s h i e l d

w i l l

a l s o

b e e q u a l .

F i n a l l y ,

t h e

m u t u a l

t e r m s

a s s o c i a t e d

w i t h

;2 9

t h e

c o n d u i t

w i l l

b e

e q u a l ,

s i n c e

e a c h

c o n d u c t o r

i s

r e p r e s e n t e d

a t

t h e c e n t e r

o f

t h e

c o n d u i t .

T o

i n c l u d e

t h e n e u t r a l

g r o u n d i n g

r e s i s t o r

( R N )

i n t h e

m a t r i x ,

Q / 1 0 0 0

f t

t h e

v a l u e

o f t h e

r e s i s t o r

i s

a d d e d

t o e l e m e n t s

Z A , A , Z B , B ,

Z C , C ,

Z A , B ,

Z A , C ,

an d

Z B , C .

Th i s i s

evident

from

w r i t i n g

t h e

l o o p

Z

l o g l o

1

+ 0 . 2 3 3 5

D , J

1 1 5 4



AND W O O D :

CABLE DAMAGED

D U R I N G

GROUND FAULTS?

a n d o b s e r v i n g t h a t t h e

c u r r e n t

f l o w i n t h e n e u t r a l

i s I A + I B +

I C .

o

i n c l u d e t h e l o a d

i m p e d a n c e

Z L

i n

t h e m a t r i x , 2 Z L i s

t o

e l e m e n t s

Z B , B

a n d

Z C , c ,

a n d Z L

i s

a d d e d t o

e l e m e n t

A g a i n , t h i s i s

e v i d e n t f r o m

w r i t i n g

t h e

l o o p

e q u a t i o n s

o b s e r v i n g

t h a t

t h e c u rr e nt

f l o w i n g

i n

Z L

i n p h a s e A i s I B +

o

e x a m i n e d i f f e r e n t

c o n f i g u r a t i o n s ,

t h e

a p p r o p r i a t e n e u t r a l

l o a d

i m p e d a n c e s a r e a d d e d ,

a n d

t h e

e q u a t i o n s

w h i c h

d o

a p p l y

a r e

d e l e t e d .

S o l u t i o n

o f

t h e

m a t r i x t h e n

g i v e s

t h e

d i s t r i b u t i o n s .

F o r e x a m p l e ,

c o n s i d e r

a 4 0 0 - A g r o u n d

o n p h a s e

A

o f t h e 4 / 0

AWG

c a b l e w i t h 2 / 0 AWG

g r o u n d

i n

a l u m i n u m c o n d u i t a n d

no

l o a d . T h e n e u t r a l

g r o u n d i n g

( R N )

i s a d d e d t o

t h e

e l e m e n t s

i n d i c a t e d

e a r l i e r .

S i n c e

c o n d u c t o r s

B

a n d

C

a r e

o p e n - c i r c u i t e d w i t h

z e r o c u r r e n t ,

e l e m e n t s

r e l a t i n g

t o

p h a s e

c o n d u c t o r s

B

a n d

C

a r e

r e m o v e d

t h e

i m p e d a n c e m a t r i x ( r o w s a n d

c o l u m n s

t w o a n d

t h r e e ) .

m a t r i x c a n t h e n

b e

s o l v e d

t o

g i v e

t h e c u r r e n t d i s t r i b u t i o n .

h e c u r r e n t d i s t r i b u t i o n s

f o r a

4 0 0 - A

g r o u n d f a u l t

w i t h

c o n d u i t / g r o u n d w i r e


a r e c a l c u l a t e d

b y

T h e

c o n d u c t o r r e s i s t a n c e ,

d i m e n s i o n ,

a n d

g e o m e t -

r a d i u s

d a t a

w e r e o b t a i n e d f r o m

t h e c a b l e m a n u f a c t u r -

l i t e r a t u r e .

M e a s u r e d

v a l u e s

w e r e

u s e d f o r t h e

t a p e

s h i e l d

a n d

t h e

a l u m i n u m

c o n d u i t r e s i s t a n c e . F o r c a l c u l a -

w i t h

t h e

s t e e l

c o n d u i t

t h e

e f f e c t o f r e s i s t a n c e

d o m i n a t e s

u r r e n t


t h r o u g h

t h e

c o n d u i t .

T h u s

t h e

m a g n e t i c

s a t u r a t i o n e f f e c t s

o n

i n d u c t a n c e w e r e

n e g l e c t e d

f o r

o f

t h e s e c a l c u l a t i o n s .

T h e r e s i s t a n c e

o f

t h e

s t e e l

a l s o

v a r i e s

w i t h c u r r e n t a s s h o w n i n

F i g .

4 .

T h e

c o n d u i t r e s i s t a n c e a t 1 2 5 A

w a s u s e d

f o r


t h e 2 / 0

AWG g r o u n d

w i r e ,

a n d

t h e

r e s i s t a n c e

a t 2 2 5 A

u s e d

f o r c a l c u l a t i o n s w i t h o u t t h e 2 / 0

AWG

g r o u n d

w i r e .

t h e

t e s t

s e t u p

d i d

n o t

i n c l u d e

a n

e a r t h

r e t u r n

p a t h ,

t h e

a n d

r e a c t a n c e t e r m s

f o r t h e e a r t h r e t u r n

were

m a d e

l a r g e

s o

t h a t

t h e e a r t h

c u r r e n t

was

n e g l i g i b l e .

T h e

o f t h e c a l c u l a t i o n s a n d

c o m p a r i s o n

w i t h t h e m e a s u r e d

a r e p r e s e n t e d i n

T a b l e

I I I .

2 0 0 - A r e s i s t i v e

l o a d w a s

a d d e d

t o

t h e m o d e l f o r t h e c a s e

h e

4 / 0

AWG

c o n d u c t o r

w i t h w i r e s h i e l d

a n d

2 / 0 AWG

w i r e

i n PVC c o n d u i t .

T h e r e s u l t s

o f

t h e s e c a l c u l a t i o n s

c o m p a r i s o n w i t h

c a l c u l a t i o n s w i t h o u t t h e

l o a d

r e p r e s e n t e d

g i v e n

i n T a b l e I V .

s u m m a r y ,

t h e

c a l c u l a t e d d a t a

a g r e e

w e l l

w i t h

t h e

d a t a .

T h i s p a p e r d e a l s

s p e c i f i c a l l y

w i t h 4 / 0 AWG

a n d

r e s i s t a n c e

g r o u n d e d

s y s t e m s .

H o w e v e r ,

t h e c a l c u -

m e t h o d s

s h o w n c a n r e a d i l y

b e

a p p l i e d t o i n v e s t i g a t e

c u r r e n t s

f o r

o t h e r

c a b l e s i z e s ,

c a b l e c o n f i g u r a t i o n s ,

a n d

g r o u n d i n g m e t h o d s .

A C K N O W L E D G M E N T

e

a u t h o r s w i s h

t o t h a n k

A n a c o n d a - E r i c s s o n

I n c .

f o r

t h e

c a b l e

s a m p l e s

f o r t h e s e t e s t s

a n d f o r t e c h n i c a l

u s e d

i n p r e p a r i n g t h i s

p a p e r . T h e y a l s o w i s h

t o

t h a n k

T . R o s e o f

E l e c t r o - T e s t I n c .

f o r

p r o v i d i n g

t e c h n i c a l

o n

t h e

t e s t s e t u p a n d f o r

p a t i e n t l y a l l o w i n g

u s

t o

u s e

h i s

s p a c e f o r s e v e r a l

w e e k s d u r i n g t h e

t e s t i n g .

R E F E R E N C E S

[ I ]

S h o r t

C i r c u i t

P e r f o r m a n c e

o f

M e t a l l i c S h i e l d s and S h e a t h

I n s u l a t e d C a bl e , 2 n d

e d . , ICEA P u b .

P 4 5 - 4 8 2 ,

S o u t h

Y a r m o u t h ,

A u g .

1 9 7 9 .

[ 2 ]

O p t i m i z a t i o n o f t h e

d e s i g n o f m e t a l l i c

s h i e l d - C o n c e n t r i c

c o n d u c

o f

e x t r u d e d

d i e l e c t r i c c a b l e s u n d e r f a u l t

c o n d i t i o n s , E l e c t r i c P

R e s .

I n s t . ,

P a l o

A l t o ,

CA,

E L - 3 0 1 4 ,

R e s . P r o j e c t

1 2 8 6 - 3

F i n a l

R

A p r .

1 9 8 3 .

[ 3 ]

D .

R .

S m i t h a n d

J .

V .

B a r g e r ,

I m p e d a n c e

a n d c i r c u l a t i n g

c u


f o r

UD

m u l t i - w i r e c o n c e n t r i c n e u t r a l

c i r c u i t s ,

p r e s

a t

t h e U n d e r g r o u n d

D i s t r i b u t i o n C o n f . ,

D e t r o i t , M I , S e p t . 2 7

1 9 7 1 .

[ 4 ]

C .

L a n d i n g e r

a n d L .

D . C r o n i n ,

F a u l t

t e s t s o n e m b e d d e d

c o p p e r

a n d

c o p p e r

t a p e

s h i e l d e d

s i n g l e

c o n d u c t o r c a b l e s ,

p r e s e n t e d a

I E EE PE S

W i n t e r M e e t i n g , New Y o r k ,

NY, J a n .

2 8 - F e b . 2 , 1 9 7

[ 5 ]

M.

A . M a r t i n , D . A . S i l v e r ,

R . G .

L u k a c ,

a n d R .

S u a r e z , Normal

s h o r t

c i r c u i t

o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s

o f m e t a l l i c

s h i e l d e d s o l i d d i

t r i c

p o w e r

c a b l e , p r e s e n t e d a t t h e IEEE

PES Summer

M e e t i n g

EHV/UHV

C o n f . , V a n c o u v e r , B C ,

C a n a d a , J u l y 1 5 - 20 , 1 9 73 .

[ 6 ]

A .

J .

B i s s o n

a n d

E .

A . R o c h a u , I r o n

c o n d u i t

i m p e d a n c e e f f e c

g r o u n d c i r c u i t s y s t e m s ,

p r e s e n t e d a t t h e AIEE

W i n t e r G e n

M e e t i n g , N ew Y o r k , NY,

J a n .

1 8 - 2 2 , 1 9 5 4 .

[ 7 ]

R .

H .

K a u f m a n n ,

Some

f u n d a m e n t a l s

o f

e q u i p m e n t - g r o u n d i n g

c i

d e s i g n ,

p r e s e n t e d

a t t h e AIEE

Summer a n d P a c i f i c

G e n e r a l M e e t

L o s

A n g e l e s ,

CA,

J u n e 2 1 - 2 5 ,

1 9 5 4 .

[ 8 ] N a t i o n a l

E l e c t r i c a l

Code 1 9 8 4 ,

NFPA

S t a n d a r d 7 0 - 1 9 8 4 , N a t i

F i r e

P r o t e c t i o n

A s s o c i a t i o n ,

1 9 8 3 .

P a u l

S . Hamer ( S ' 7 0 - M ' 7 4 - S ' 7 8 - M ' 7 9 )

r e c e

t h e B . S . E . E .

d e g r e e

f r o m t h e

V i r g i n i a P o l y t e c

I n s t i t u t e a n d

S t a t e

U n i v e r s i t y , B l a c k s b u r g , VA,

t h e M . S . E . E .

d e g r e e

f r o m

O r e g o n

S t a t e

U n i v e r s

C o r v a l l i s ,

O R ,

i n

1 9 7 2

a n d

1 9 7 9 ,

r e s p e c t i v e l y

He

j o i n e d W e s t i n g h o u s e

E l e c t r i c

C o r p o r a t i o

1 9 7 2

a n d

h e l d p o s i t i o n s

a s

a S er vi ce E n g i n e e

t h e

L a r g e

G e n e r a t o r

D e p a r t m e n t

a n d

a s

an

I n

t r i a l Power

S y s t e m s E n g in e er

a n d

R e s i d e n t

E

n e e r

f o r t h e

I n d u s t r y S e r v i c e s

D i v i s i o n . S i n c e

h e

h a s b e e n w it h t h e

C h e v r o n C o r p o r a t i o n

E

n e e r i n g D e p a r t m e n t w h e r e h e i s

c u r r e n t l y

a S t a f f E l e c t r i c a l

E n g i n e e r .

M r .

Hamer

i s a

R e g i s t e r e d

E l e c t r i c a l

E n g i n e e r i n

C a l i f o r n i a .

B a r r y

M.

Wood

( M ' 7 3 - M ' 7 9 )

r e c e i v e d

B . S . E . E . d e g r e e f r o m

V i r g i n i a P o l y t e c h n i c

I n s t

a n d

S t a t e U n i v e r s i t y , B l a c k s b u r g , VA,

a n d

M . S . E . E .

d e g r e e f r o m t h e U n i v e r s i t y

o f

P i t t s b u

P i t t s b u r g h , PA

i n 1 9 7 2

a n d

1 9 7 8 ,

r e s p e c t i v e l y

From 1 9 7 2 t o 1 9 7 7 h e

was

e m p l o y e d

b y

W

t i n g h o u s e

E l e c t r i c C o r p o r a t i o n ,

P i t t s b u r g h ,

P o w e r

S y s t e m s

E n g i n e e r .

I n

1 9 7 8

h e

j o i n e d

Graw E d i s o n

C o m p a n y , C a n o n s b u r g ,

P A ,

S e n i o r P o w e r

S y s t e m s E n g i n e e r , a n d

i n

1 9 8

j o i n e d E l e c t r o - T e s t ,

I n c . , S a n Ramon,

CA,

S e n i o r

E l e c t r i c a l E n g i n e e r .

He i s

c u r r e n t l y

a

S u p e r v i s o r y

E l e c t r i c a l

E n g i

w i t h E n g i n e e r i n g

T e c h n o l o g y

I n d u s t r i e s , I n c .

( a

s u b s i d i a r y

o f E l e c t r o - T

I n c . ) , S a n

R a m o n .

H i s

s p e c i a l t y i s

e n g i n e e r i n g a n a l y s i s o f

e l e c t r i c a l po

s y s t e m s .

M r . Wood

i s

a

R e g i s t e r e d P r o f e s s i o n a l

E n g i n e e r

i n t h e

S t a t e

o f

C a l i f o

a n d i n

t h e

C o m m o n w e a l t h

o f

P en n s yl v an i a a n d P a s t

C h a i r m a n o f

t h e I

O a k l a n d - E a s t B a y

I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s

S o c i e t y C h a p t e r

a n d

t h e

I

O a k l a n d - E a s t

B a y

S e c t i o n .

are cable shield being damaged during ground faults

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