Enhancing the reliability of the 220 kV switchyard at a thermal power plant through modernization

Authors

DOI:

https://doi.org/10.31498/2225-6733.51.2025.344826

Keywords:

Thermal Power Station, 220 kV open switchyard, relay protection and automation, reconstruction, economic efficiency

Abstract

The article is devoted to the development of a project for the restoration of the electrical equipment of the 220 kV open switchyard (OSY) of the Thermal Power Plant, taking into account the requirements of integration into the ENTSO-E synchronous zone and the N-1 criterion. Based on the analysis of the technical condition, significant wear of switching devices and instrument transformers was identified, which leads to increased failure rates and operating costs. Methodologically, the study relies on the regulatory framework (IEC, DSTU, PUE, ENTSO-E recommendations), calculation of short-circuit currents according to IEC 60909, verification of thermal and electrodynamic stability, engineering calculations of grounding and lightning protection, as well as a techno-economic assessment. The proposed solutions include the replacement of air circuit breakers with SF₆ circuit breakers HPL-245B1, the use of SGF-245 disconnectors, IMB-245 current transformers and CPA-245 voltage transformers, as well as PEXLIM surge arresters; digitalization of protection and control (IEC 61850) and integration into SCADA/EMS are also foreseen. The calculation results confirm the compliance of the selected equipment with I²t and short-circuit withstand requirements; grounding resistance ≤ 0.5 Ω and complete lightning protection coverage are ensured. Economic calculations demonstrate an annual effect of UAH 2.03 million and a payback period of ≈3.25 years, which indicates the investment attractiveness of modernization. The scientific novelty lies in the comprehensive integration of technical, protection and control, environmental, and economic components of the 220 kV switchyard reconstruction; the practical value lies in the reproducibility of the approach for the modernization of similar substations and TPPs in Ukraine

Author Biographies

T.P. Tsytsak, Poltava foundry and mechanical plant, Poltava

Technical director

N.V. Semenova, Poltava foundry and mechanical plant, Poltava

Head of marketing department

A.O. Semenov , Poltava State Agrarian University, Poltava

PhD (Physics and Mathematical Sciences), associate professor

References

Котін П. Енергоміст Україна – ЄС: Важливий крок у реалізації Енергетичної стратегії. Електричні мережі та системи. 2018. № 4-5. С. 10-15.

KOSTT. Transmission Development Plan 2018-2027. 2017. 121 p.

ENTSO-E. Best protection practices for HV and EHV AC transmission system. European Network of Transmission System Operators for Electricity. 2010. 40 p.

ENTSO-E. Equipment reliability profile specification (Version 2.3). European Network of Transmission System Operators for Electricity. 2024. 168 p.

ДП «НЕК «Укренерго». Звіт про стан основних фондів магістральних електричних мереж України. Київ, 2021.

IEEE Std C37.110-2019. IEEE guide for the application of current transformers used for protective relaying purposes. Piscataway, NJ: IEEE, 2019.

Державне агентство з енергоефективності та енергозбереження України. Енергетична стратегія України на період до 2030 року. Київ, 2017. 166 с.

Ефективне використання електроенергії та палива: навч. посіб. / Разумний Ю. Т., Рухлов А. В., Прокуда В. М., Рухлова Н. Ю. Дніпро: НГУ, 2014. 223 с.

Exertherm. Causes of switchgear failures and solutions. 2023. URL: https://blog.exertherm.com/causes-of-switchgear-failures-and-solutions (дата доступу: 18.06.2025).

Романченко Ю. А. Порівняльний аналіз високовольтних вимикачів різних типів. Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. 2022. № 272(2). С. 116-119. DOI: https://doi.org/10.33216/1998-7927-2022-272-2-116-119.

Досвід та перспективи експлуатації елегазових вимикачів у Південно-Західній енергетичній системі / Михайлюк Р. І., Мисенко С. В., Кутін В. М., Рубаненко О. Є. Енергетика та електрифікація. 2014. № 3. С. 34-37.

Семенов А. О., Харак Р. М., Арендаренко В. М., Бичков Я. М. Розрахунок втрат електроенергії в розподільчих мережах при електропостачанні з використанням масляних та вакуумних вимикачів. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетика: надійність та енергоефективність. 2024. № 1(8). C. 105-110. DOI: https://doi.org/10.20998/2224-0349.2024.01.13.

Effectiveness and comparison of digital substations over conventional substations / A. Waleed ed al. Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal. 2019. Vol. 4, no. 4. Pp. 431-439. DOI: https://doi.org/10.25046/AJ040452.

Stevens M. B., Santoso S. Improving the reliability of breaker-and-a-half substations using sectionalized busbars. 2013 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), Vancouver, BC, Canada, 21-25 July 2013. 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/PESMG.2013.6672558.

Siemens Energy. Dead tank compact (DTC) circuit breaker. Siemens Energy. URL: https://www.siemens-energy.com/us/en/home/products-services/product/dead-tank-compact.html (дата доступу: 13.06.2025).

Schneider Electric. Gas-insulated switchgear (GIS) for primary distribution. Schneider Electric. URL: https://www.se.com/us/en/product-subcategory/87901-gasinsulated-switchgear-gis-for-primary-distribution/ (дата доступу: 13.06.2025).

IEC 60909-0:2016. Short-circuit currents in three-phase a.c. systems. Part 0: Calculation of currents. International Electrotechnical Commission, 2016. 13 p.

IEC 62271-100:2021. High-voltage switchgear and controlgear – Part 100: Alternating-current circuit-breakers. International Electrotechnical Commission, 2021. 600 p.

ПУЕ України. Правила улаштування електроустановок. Київ: Мінпаливенерго, 2017. 617 с.

Published

2025-10-30

How to Cite

Tsytsak, T. ., Semenova, N. ., & Semenov , A. . (2025). Enhancing the reliability of the 220 kV switchyard at a thermal power plant through modernization. Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical Sciences, (51), 127–133. https://doi.org/10.31498/2225-6733.51.2025.344826

Issue

Section

141 Electric power, electrical engineering and electromechanics