ELECTRIC POWER SYSTEM ENGINEERING SERIES — PART 11
⚡ ANSI 21 — Distance Protection ⚡

⚡ ANSI 21 — Distance Protection က Transmission Line Fault ကို Distance / Impedance နဲ့ ဘယ်လိုရှာဖွေသလဲ? ⚡

Protective Relay က Voltage နဲ့ Current ကို တိုင်းပြီး Apparent Impedance ကိုတွက်ကာ Fault Direction, Fault Zone နဲ့ Trip Decision ကို ဘယ်လိုဆုံးဖြတ်သလဲ?

Transmission Line Protection မှာ Fault Current အရမ်းကြီးလာတာကိုပဲ ကြည့်ပြီး Trip လုပ်တာ မဟုတ်ဘူး။ Long Transmission Line တွေမှာ Fault ဘယ်လောက်ဝေးမှာရှိတယ်၊ ကိုယ့်ဘက် Direction လား၊ Line Section အတွင်းလား၊ နောက်ထပ် Line Section ထဲလားဆိုတာကို သိဖို့ လိုတယ်။

ဒီအတွက် အရေးကြီးတဲ့ Protection Function တစ်ခုက —

ANSI 21 — Distance Protection

Distance Relay က “အကွာအဝေး” ကို တိုက်ရိုက် Meter နဲ့ မတိုင်းဘူး။ Relay က Voltage နဲ့ Current ကိုတိုင်းပြီး Apparent Impedance ကိုတွက်တယ်။ Line Impedance က Distance နဲ့ ဆက်နွယ်နေတဲ့အတွက် Fault Location ကို Electrical Distance အနေနဲ့ ခန့်မှန်းနိုင်တယ်။

Distance Protection ရဲ့ အခြေခံအယူအဆက — Fault နီးလာလေလေ Relay မြင်တဲ့ Apparent Impedance သေးလာလေလေ ဖြစ်တယ်။

1. ANSI 21 ဆိုတာဘာလဲ?

ANSI Device 21 က Distance Relay / Distance Protection Function ကို ရည်ညွှန်းတယ်။

Transmission Line Fault တစ်ခုဖြစ်လာတဲ့အခါ Relay က CT နဲ့ VT/CVT Inputs ကနေ Voltage နဲ့ Current ကိုရပြီး —

Zapp = V / I

ဆိုတဲ့ Apparent Impedance ကိုတွက်တယ်။

ဒီ Equation က Conceptual Form ဖြစ်တယ်။ Actual Phase-to-Phase နဲ့ Phase-to-Ground Distance Elements တွေမှာ အသုံးပြုတဲ့ Voltage/Current Quantities မတူနိုင်တယ်။ Ground Distance မှာ Zero-Sequence Compensation လည်း ပါနိုင်တယ်။

2. ဘာကြောင့် Impedance နဲ့ Distance ဆက်နွယ်သလဲ?

Uniform Transmission Line တစ်ခုမှာ Line Series Impedance ကို ရိုးရှင်းစွာ —

Z = R + jX

လို့ရေးနိုင်တယ်။ Line Length တိုးလာတာနဲ့ Total R နဲ့ X လည်း တိုးလာတယ်။

Per-unit-length impedance ကို z ဆိုရင် —

Zline ≈ z · L

ဒါကြောင့် Fault Point အထိ Electrical Distance ပိုဝေးလေလေ Relay မြင်တဲ့ Line Impedance ပိုကြီးလေလေ ဖြစ်တယ်။

3. Fault နီးရင် Relay ဘာမြင်သလဲ?

Relay 21 Remote Bus X Fault A — Near X Fault B — Far Lower apparent impedance Higher apparent impedance
Nearer line faults generally correspond to lower apparent impedance than farther faults.

Fault A က Relay နီးတယ်။ Fault B က Relay နဲ့ ပိုဝေးတယ်။

အများအားဖြင့် —

ZA < ZB

ဒါကြောင့် Distance Relay က Fault Reach ကို Impedance Threshold / Characteristic အဖြစ် သတ်မှတ်ပြီး Fault က ကိုယ့် Protection Zone ထဲရောက်မရောက် ဆုံးဖြတ်တယ်။

4. R-X Diagram ဆိုတာဘာလဲ?

Distance Protection ကို နားလည်ဖို့ အရေးကြီးဆုံး Diagram တစ်ခုက R-X Diagram ဖြစ်တယ်။

Horizontal Axis က Resistance R ဖြစ်ပြီး Vertical Axis က Reactance X ဖြစ်တယ်။

+R +X Fault / Line Impedance Point Z = R + jX
Distance protection quantities and operating characteristics can be visualized on the R-X plane.

Impedance ကို Complex Number အနေနဲ့ —

Z = R + jX

လို့ ပြတဲ့အတွက် Relay Characteristic ကို R-X Plane ပေါ်မှာ မြင်နိုင်တယ်။

5. Distance Relay က Fault Direction ကို ဘယ်လိုသိသလဲ?

Transmission Line မှာ Relay ရဲ့ Forward Direction နဲ့ Reverse Direction နှစ်ခုရှိနိုင်တယ်။

ANSI 21 Reverse Direction Forward Direction
Distance protection can distinguish forward and reverse fault directions.

Distance Element ရဲ့ Polarizing Method, Voltage/Current Relationship နဲ့ Characteristic ပေါ်မူတည်ပြီး Forward Fault နဲ့ Reverse Fault ကို ခွဲနိုင်တယ်။

Distance Protection ကို Overcurrent Protection လို “Current ကြီးရင် Trip” လို့ပဲ နားလည်ထားလို့ မရဘူး။ Impedance Magnitude နဲ့ Direction နှစ်ခုလုံး အရေးကြီးတယ်။

6. Zone 1 ဆိုတာဘာလဲ?

Zone 1 ကို အများအားဖြင့် Protected Line ရဲ့ Major Portion ကို Instantaneous သို့မဟုတ် Very Fast Protection ပေးဖို့ အသုံးပြုတယ်။

Local Relay Remote Bus Zone 1 Reach
Conceptual Zone 1 reach over the protected line.

Zone 1 ကို Line 100% အပြည့်အဝ Reach လုပ်ပေးထားရင် Measurement Error, System Condition, Mutual Coupling, CT/VT Error စတဲ့ အကြောင်းတွေကြောင့် Remote Bus ကျော်ပြီး Overreach ဖြစ်နိုင်ခြေ ရှိတယ်။

ဒါကြောင့် Practical Settings မှာ Zone 1 ကို Protected Line ရဲ့ တစ်စိတ်တစ်ပိုင်းအထိထားတာ များတယ်။

Zone 1 Reach Percentage ကို Universal Value တစ်ခုလို့ မယူဆသင့်ဘူး။ Actual setting က Utility Philosophy, Line Data, Relay Algorithm နဲ့ Protection Study ပေါ်မူတည်တယ်။

7. Zone 2 ဆိုတာဘာလဲ?

Zone 2 က Protected Line ရဲ့ ကျန်နေတဲ့အပိုင်းကို Coverage ပေးပြီး Remote Bus ကျော်ပြီး Adjacent Line ရဲ့ အစပိုင်းအထိ Reach လုပ်နိုင်တဲ့ Time-Delayed Backup Zone ဖြစ်တတ်တယ်။

Local Relay Bus Line 1 Line 2 Zone 1 Zone 2 — delayed backup reach
Conceptual Zone 2 reach extends beyond the protected line for coordinated backup.

Zone 2 ကို Delay ထားခြင်းရဲ့ ရည်ရွယ်ချက်က Primary Protection ကို အရင် Operate လုပ်ခွင့်ပေးပြီး Backup Coordination ရရှိဖို့ ဖြစ်တယ်။

8. Zone 3 ဆိုတာဘာလဲ?

Zone 3 ကို Longer-Reach Backup Protection အဖြစ် အသုံးပြုနိုင်တယ်။

Relay Bus Bus Line 1 Line 2 Line 3 Z1 Z2 Z3 — longer-reach backup
Conceptual Zone 1, Zone 2, and Zone 3 reach relationship.

Zone 3 က Adjacent System ကို Backup Reach ပေးနိုင်ပေမယ့် Actual Reach နဲ့ Delay က Coordination Study ပေါ်မူတည်တယ်။

Zone 1/2/3 Reach နဲ့ Time Delay တွေဟာ Scheme-specific ဖြစ်တယ်။ Universal Percentage သို့မဟုတ် Universal Delay မရှိဘူး။

9. Mho Characteristic ဆိုတာဘာလဲ?

Mho Characteristic က R-X Diagram ပေါ်မှာ Circle ပုံစံ Operating Characteristic ဖြစ်တတ်တယ်။

+R +X Fault point Conceptual Mho operating region
Conceptual mho characteristic on the R-X plane.

Fault Apparent Impedance Point က Operating Characteristic အတွင်း ဝင်လာရင် Relay Operate Condition ဖြစ်နိုင်တယ်။ Mho characteristic က Directional behavior ကို inherently ပေးနိုင်တဲ့ applications များရှိတယ်။

10. Quadrilateral Characteristic ဆိုတာဘာလဲ?

Quadrilateral Characteristic က R-X Plane ပေါ်မှာ Four-Sided Polygon / Box-like Shape ဖြစ်တတ်တယ်။

+R +X Conceptual Quadrilateral operating region
Conceptual quadrilateral characteristic with independently controlled resistive/reactive reach.

Quadrilateral Characteristic က Resistance Reach နဲ့ Reactance Reach ကို Independent ပိုပြီး Control လုပ်နိုင်တာကြောင့် Fault Resistance မြင့်တဲ့ Fault တွေမှာ Useful ဖြစ်နိုင်တယ်။

Mho vs Quadrilateral ဆိုတာ “ဘယ်ဟာပိုကောင်း” လို့ တစ်ခုတည်းမဆုံးဖြတ်နိုင်ဘူး။ Line Application, Fault Resistance, Loadability, Power Swing Behavior နဲ့ Relay Design ပေါ်မူတည်တယ်။

11. Phase Distance နဲ့ Ground Distance ဘာကွာသလဲ?

Phase Distance Elements က Phase-to-Phase Faults တွေကို Detect လုပ်ဖို့ Phase Voltage / Phase Current Combinations ကို အသုံးပြုတယ်။

Ground Distance Elements က Phase-to-Ground Faults ကို Detect လုပ်ဖို့ Phase Quantity နဲ့ Ground/Zero-Sequence Effects ကို ထည့်စဉ်းစားရတယ်။

Ground Fault မှာ Zero-Sequence Current ပြန်စီးနိုင်တာကြောင့် Simple V/I တစ်ခုတည်းနဲ့ Accurate Distance မရနိုင်ဘူး။

12. Zero-Sequence Compensation ဆိုတာဘာလဲ?

Ground Distance Protection မှာ Positive-Sequence Line Impedance နဲ့ Zero-Sequence Line Impedance မတူနိုင်တယ်။ ဒါကြောင့် Relay က Zero-Sequence Compensation ကို အသုံးပြုနိုင်တယ်။

Zapp,G ≈ Vphase / (Iphase + k0I0)

Actual Formula, k0 Definition နဲ့ Relay Convention က Manufacturer ပေါ်မူတည်နိုင်တယ်။

13. Overreach နဲ့ Underreach ဆိုတာဘာလဲ?

Overreach

Relay က Intended Reach ထက် ပိုဝေးတဲ့ Fault ကို ကိုယ့် Zone ထဲမှာ ရှိတယ်လို့ Operate လုပ်တာ။

Underreach

Relay က Intended Zone အတွင်း Fault ကို Reach မလုပ်နိုင်တာ။

သက်ရောက်စေနိုင်တဲ့အရာတွေမှာ CT/VT/CVT errors, fault resistance, source impedance, remote infeed/outfeed, mutual coupling, line-data errors နဲ့ relay algorithms/settings တို့ ပါဝင်နိုင်တယ်။

14. Fault Resistance က Distance Relay ကို ဘယ်လိုသက်ရောက်သလဲ?

Arc Resistance, Tower Footing Resistance, Ground Path Resistance စတဲ့ Fault Resistance ရှိလာရင် Relay မြင်တဲ့ Apparent Impedance မှာ Resistive Component တိုးလာနိုင်တယ်။

R-X Plane ပေါ်မှာ Fault Point က R Direction ဘက်ကို Shift ဖြစ်နိုင်တယ်။ ဒီအတွက် Quadrilateral Characteristic က Resistive Reach ကို ပိုသီးခြားထိန်းချုပ်နိုင်တယ်။

15. Load Encroachment ဆိုတာဘာလဲ?

Heavy Load Condition မှာ Load Impedance က သေးလာနိုင်တယ်။

Zload = V / I

Load Current တိုးလာတာနဲ့ Zload သေးလာပြီး Distance Operating Characteristic နားကို ရောက်လာနိုင်တယ်။ Load Encroachment Logic ကို အသုံးပြုပြီး Heavy Load ကို Fault လို့ မှားမသတ်မှတ်အောင် Security တိုးစေနိုင်တယ်။

16. Power Swing မှာ Distance Relay ဘာကြောင့် သတိထားရသလဲ?

Large Disturbance ပြီးနောက် Power-System Angles Oscillate ဖြစ်တဲ့အခါ Voltage နဲ့ Current ပြောင်းလဲပြီး Apparent Impedance Trajectory က R-X Plane ပေါ်မှာ Distance Zones ထဲကို ဝင်နိုင်တယ်။

ဒါက Actual Short-Circuit Fault မဟုတ်နိုင်ဘူး။ Application အလိုက် Power Swing Blocking / Out-of-Step Logic ကို သုံးနိုင်တယ်။

Power Swing Blocking ကို Distance Scheme တိုင်းမှာ တူညီစွာအသုံးမပြုဘူး။ System Study နဲ့ Protection Philosophy ပေါ်မူတည်တယ်။

17. CT နဲ့ VT/CVT ဘာကြောင့် အရေးကြီးသလဲ?

Transmission Line CT VT/CVT ANSI 21 Relay Distance Protection Current Voltage Relay Determines Zapp Direction / Zone Trip Decision
ANSI 21 uses both current and voltage measurements to calculate apparent impedance and make zone/direction decisions.

Distance Relay ရဲ့ Decision က Voltage နဲ့ Current နှစ်ခုလုံးပေါ်မူတည်တယ်။ CT Error, CT Saturation, VT Fuse Failure, CVT Transient Response စတာတွေက Measurement ကို သက်ရောက်နိုင်တယ်။

18. Communications-Assisted Distance Protection

Zone 1 ကို Entire Line 100% အထိ Securely Instantaneous Reach မပေးချင်တဲ့အတွက် High-Speed Full-Line Protection ရဖို့ Communication-assisted Schemes ကို အသုံးပြုနိုင်တယ်။

  • POTT — Permissive Overreaching Transfer Trip
  • PUTT — Permissive Underreaching Transfer Trip
  • DCB — Directional Comparison Blocking
  • DTT — Direct Transfer Trip

Actual scheme selection က Utility Philosophy, communications channel, line configuration နဲ့ protection requirements ပေါ်မူတည်တယ်။

19. ANSI 21 Trip ဖြစ်ရင် ဘာဖြစ်မလဲ?

Line Fault CT + VT/CVT Inputs ANSI 21 Distance Relay Zone / Direction / Logic Operating condition satisfied Trip Command ANSI 52 Circuit Breaker Opens and interrupts fault current Faulted Line Section Isolated
Conceptual ANSI 21 protection chain from line fault detection to circuit-breaker isolation.

Breaker Trip Command ရပြီး Fault Current မရှင်းရင် ANSI 50BF — Breaker Failure Protection က Backup Action လုပ်နိုင်တယ်။

20. OMICRON CMC 356 နဲ့ Distance Relay ကို ဘယ်လို Test လုပ်သလဲ?

OMICRON CMC 356 နဲ့ Relay ရဲ့ CT/VT Secondary Inputs ကို Controlled Voltage နဲ့ Current Signals ပေးပြီး Fault Impedance Point ကို Simulate လုပ်နိုင်တယ်။

  • Zone 1 / Zone 2 / Zone 3 Reach
  • Trip Time
  • Forward / Reverse Direction
  • Mho / Quadrilateral Characteristic
  • Phase-to-Phase Fault Loops
  • Phase-to-Ground Fault Loops
  • Zero-Sequence Compensation
  • Load Encroachment
  • Power Swing Logic where applicable
  • Binary Trip Outputs

OMICRON Test Universe ရဲ့ Advanced Distance functionality သို့မဟုတ် equivalent distance-test functions နဲ့ R-X Plane ပေါ်က Test Points တွေကို စစ်နိုင်တယ်။

21. ANSI 21 ကို အတိုချုပ်ကြည့်ရင်

  • 21 = Distance Protection
  • Relay က Voltage နဲ့ Current ကိုတိုင်းပြီး Apparent Impedance ကိုတွက်တယ်။
  • Uniform Line မှာ Impedance က Electrical Distance နဲ့ ဆက်နွယ်တယ်။
  • R-X Diagram ပေါ်မှာ Relay Characteristic ကို ဖော်ပြနိုင်တယ်။
  • Zone 1, Zone 2, Zone 3 က Reach နဲ့ Time Coordination အတွက် အသုံးပြုတယ်။
  • Mho နဲ့ Quadrilateral က Distance Characteristics နှစ်မျိုးဖြစ်တယ်။
  • Phase Distance နဲ့ Ground Distance Elements မတူဘူး။
  • Ground Distance မှာ Zero-Sequence Compensation လိုနိုင်တယ်။
  • Fault Resistance က Apparent Impedance ကို သက်ရောက်တယ်။
  • Overreach / Underreach ကို သတိထားရတယ်။
  • Heavy Load က Load Encroachment ဖြစ်စေနိုင်တယ်။
  • Power Swing က Fault မဟုတ်ပေမယ့် Distance Zones ကို ဖြတ်နိုင်တယ်။
  • CT/VT/CVT performance က Measurement Accuracy ကို သက်ရောက်တယ်။
  • Communications-assisted schemes နဲ့ Full-Line High-Speed Protection ပေးနိုင်တယ်။
  • Trip ပြီး Breaker မရှင်းရင် 50BF Backup ဝင်နိုင်တယ်။

အဓိက Engineering Principle

Distance Relay က Fault နေရာကို Meter နဲ့ တိုက်ရိုက်မတိုင်းဘူး။ Relay က Voltage နဲ့ Current ကိုတိုင်းပြီး Apparent Impedance ကိုတွက်တယ်။ Line Impedance က Distance နဲ့ ဆက်နွယ်တာကြောင့် Fault ရဲ့ Electrical Distance ကို Protection Decision အဖြစ် အသုံးပြုတယ်။
Zapp = V / I

ဒါပေမယ့် Practical Distance Protection က V/I တစ်ခုတည်းထက် ပိုရှုပ်တယ်။ Direction, Fault Loop, Ground Compensation, Characteristic, Zone Reach, Time Delay, Loadability, Power Swing နဲ့ Instrument Transformer Behavior တွေကို အတူစဉ်းစားရတယ်။

Reach + Direction + Time + Security

Intended line fault ဖြစ်ရင် Dependably Trip လုပ်ရမယ်။ External Fault, Heavy Load, Power Swing သို့မဟုတ် Measurement Disturbance ဖြစ်ရင် မမှားဘဲ Secure ဖြစ်နေရမယ်။

⚡ Sources & References

IEEE Std C37.2 — Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations.
IEEE Std C37.113 — Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines.
IEEE C37 Series — Protection, relay and circuit-breaker standards/guides as applicable.
Schweitzer Engineering Laboratories (SEL) — Distance protection and transmission-line protection application literature.
GE Vernova / Multilin — Transmission-line distance-protection application literature.
Siemens — Distance-protection relay and application documentation.
OMICRON — Distance-relay testing and Advanced Distance application material.