रिसिस्टिव सुपरकंडक्टिंग फ़ॉल्ट करंट लिमिटर्स के लिए ऑप्टिमल रिजिस्टेंस चयन पर अध्ययन जो फ्लेक्सिबल डीसी ट्रांसमिशन सिस्टम्स के लिए है

1 प्रतिरोधी अतिचालक दोष धारा सीमांकन

1.1 कार्यप्रणाली

जैसे-जैसे विद्युत ग्रिड का पैमाना बढ़ता जा रहा है, घरेलू विद्युत प्रणालियों की छोटे-सर्किट क्षमता तेजी से बढ़ रही है, जो ग्रिड निर्माण और संचालन के लिए महत्वपूर्ण चुनौतियाँ पेश कर रही है। अत्यधिक छोटे-सर्किट धाराओं की समस्या को संबोधित करने के लिए, अतिचालकता सिद्धांत पर आधारित अतिचालक दोष धारा सीमांकक (SFCLs) धीरे-धीरे ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। उच्च-प्रतिरोध अवस्था में परिवर्तित होने पर उनकी दमनकारी विशेषताओं के आधार पर, SFCLs को प्रतिरोधी और प्रेरक दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है।

इनमें से, प्रतिरोधी अतिचालक दोष धारा सीमांकक सरल संरचना, संकुचित आकार, और हल्का वजन के साथ, स्पष्ट कार्यप्रणाली वाला है। जब यह उच्च-प्रतिरोध अवस्था में प्रवेश करता है, तो इसका धारा-सीमांकन प्रतिरोध तेजी से बढ़ जाता है, जो मजबूत दोष धारा दमन क्षमता प्रदान करता है। इसके अलावा, युग्म से या समान्तर से अतिचालकों की व्यवस्था के माध्यम से उपकरण की क्षमता को लचीली तरीके से समायोजित किया जा सकता है। हाल के वर्षों में, कमरे के तापमान पर अतिचालक सामग्रियों में प्रगति हुई है, जिससे विद्यार्थी और उद्योग दोनों प्रतिरोधी SFCLs को भविष्य के विकास की प्राथमिक दिशा के रूप में व्यापक रूप से मानते हैं।

आवेश धारा, महत्वपूर्ण चुंबकीय क्षेत्र, और महत्वपूर्ण तापमान, ये तीन महत्वपूर्ण भौतिक पैरामीटर हैं जो निर्धारित करते हैं कि एक अतिचालक अतिचालक अवस्था में है या नहीं। जब इनमें से कोई भी पैरामीटर अपने महत्वपूर्ण मान से ऊपर जाता है, तो अतिचालक अतिचालक अवस्था से खुशकिस्मत अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। खुशकिस्मती की प्रक्रिया दो चरणों में होती है: पहले, फ्लक्स प्रवाह अवस्था, फिर नॉर्मल प्रतिरोध अवस्था। जब अतिचालक के माध्यम से धारा घनत्व इसके महत्वपूर्ण धारा घनत्व से अधिक हो जाता है, तो अतिचालक फ्लक्स प्रवाह अवस्था में प्रवेश करता है।

जहाँ: E विद्युत क्षेत्र की ताकत है; EC महत्वपूर्ण विद्युत क्षेत्र की ताकत है; J धारा घनत्व है; JCT महत्वपूर्ण धारा घनत्व है; α एक स्थिरांक है; Tt1 और Tt2 समय t1 और t2 पर अतिचालक का तापमान है; QRS तापीय ऊष्मा है जो तापमान Rs से t1 से t2 तक उत्पन्न होती है; QC अतिचालक और इसके आसपास के वातावरण के बीच तापीय ऊष्मा का आदान-प्रदान है जो समय अंतराल t1–t2 के दौरान होता है; Cm अतिचालक की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता है; JCT(77) 77 K (77 K एक तरल नाइट्रोजन वातावरण का तापमान है); TC महत्वपूर्ण तापमान है; T अतिचालक का तापमान है।

समीकरण (1) के अनुसार, जब धारा घनत्व J बढ़ता है, तो अतिचालक का विद्युत क्षेत्र E तेजी से बढ़ता है, जिससे इसका प्रतिरोध बढ़ता है। बढ़े हुए प्रतिरोध तापीय प्रभाव को बढ़ाता है, और समीकरण (2) के अनुसार, अतिचालक का तापमान उसके अनुसार बढ़ता है।

समीकरण (3) से यह ज्ञात होता है कि तापमान की वृद्धि महत्वपूर्ण धारा घनत्व को कम करती है, जिससे विद्युत क्षेत्र E और बढ़ता है, जिससे अतिचालक का प्रतिरोध लगातार बढ़ता है। जैसे-जैसे प्रतिरोध बढ़ता है, अतिचालक द्वारा उत्पन्न ताप धीरे-धीरे इसके आसपास के वातावरण में ताप के वितरण के साथ संतुलित हो जाता है, और तापमान स्थिर हो जाता है, अंततः एक स्थिर-प्रतिरोध नॉर्मल अवस्था तक पहुंचता है।

1.2 लचीले DC प्रणालियों में R-SFCL का अनुप्रयोग

लचीले DC प्रसारण प्रणालियों में, DC धारा के प्राकृतिक शून्य-पार नहीं होते हैं। जब एक छोटे-सर्किट दोष होता है, तो दोष धारा तेजी से बढ़ती है, जो प्रणाली के विद्युत उपकरणों के लिए गंभीर खतरा पेश करती है। प्रणाली की विश्वसनीयता को सुनिश्चित करने के लिए, सर्किट ब्रेकर दोषपूर्ण लाइन को तेजी से अलग करना चाहिए। वर्तमान में, DC सर्किट ब्रेकर प्रायोगिक अनुप्रयोग की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पा रहे हैं।

जब DC तरफ दोष होता है, तो आम तौर पर AC तरफ ब्रेकर ट्रिप होते हैं, लेकिन यह अपरिहार्य रूप से कनवर्टर स्टेशन को बंद कर देता है, और इस अवधि के दौरान विद्युत उपकरणों को अतिधारा से क्षति हो सकती है। DC सुरक्षा को कुछ मिलीसेकंडों में पूरा संरक्षण अनुक्रम पूरा करना चाहिए, जबकि AC सर्किट ब्रेकर का सबसे तेज संचालन समय आमतौर पर 50 मिलीसेकंड होता है, जो उन्हें प्रणाली के विद्युत उपकरणों को प्रभावी रूप से संरक्षित करने से रोकता है।

वर्तमान प्रौद्योगिकी R-SFCLs को लगभग 3 मिलीसेकंड में नॉर्मल प्रतिरोध अवस्था तक पहुंचने में सक्षम बनाती है। प्रतिरोधी अतिचालक दोष धारा सीमांकक रिले संरक्षण से बहुत तेजी से धारा-सीमांकन अवस्था में प्रवेश करता है, और दोष स्पष्टीकरण से पहले उच्च-प्रतिरोध अवस्था प्राप्त कर लेता है, जिससे छोटे-सर्किट धारा को प्रभावी रूप से कम किया जा सकता है।

2 लचीले DC प्रणालियों में DC दोष की विशेषताएँ

दोष बिंदु का स्थान केवल प्रणाली के प्रतिरोध को प्रभावित करता है, न कि धारा के पथ या छोटे-सर्किट दोष की मूल विशेषताओं को। मॉडलिंग की सुविधा के लिए, दोष को DC लाइन के मध्य बिंदु पर रखा गया है और इसे एक धातुगत छोटे-सर्किट माना गया है। PSCAD/EMTDC का उपयोग करके एक दो-अंत लचीले DC प्रणाली सिमुलेशन मॉडल और एक R-SFCL मॉडल बनाया गया है, जिसका निर्धारित वोल्टेज ±110 kV और निर्धारित शक्ति 75 MW है। R-SFCL की स्थापना का स्थान आकृति 1 में दिखाया गया है।

जब DC छोटे-सर्किट दोष होता है, तो IGBT दोष धारा को संवेदन करके तुरंत ब्लॉक किया जाता है। हालांकि, IGBT के साथ समान्तर जोड़े गए डायोड और प्रसारण लाइनें एक अनियंत्रित ब्रिज रेक्टिफायर सर्किट बनाते हैं, जो IGBT के ब्लॉक होने के बाद भी कम्युटेशन को जारी रखते हैं। एक DC पोल-से-पोल छोटे-सर्किट दोष को मुख्य रूप से तीन चरणों में विभाजित किया जा सकता है: पहला चरण दोष के तुरंत बाद होता है, जिसमें DC तरफ का कैपेसिटर तेजी से विसर्जित होता है और DC धारा कुछ मिलीसेकंडों में अपने चरम मान तक पहुंच जाती है।

दूसरे चरण में, जब कैपेसिटर वोल्टेज शून्य तक गिर जाता है, तो डायोड के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा अपने निर्धारित धारा से दस गुना अधिक हो सकती है, जिससे विद्युत उपकरण अतिधारा से क्षति होने की बहुत अधिक संभावना होती है। तीसरे चरण में, जब DC छोटे-सर्किट धारा AC ग्रिड धारा से कम हो जाती है, तो AC ग्रिड छोटे-सर्किट धारा को DC दोष बिंदु में फीड करना शुरू कर देता है। एक DC ग्राउंड दोष का दूसरा चरण नहीं होता; अन्यथा, इसकी विशेषताएँ पोल-से-पोल दोष की विशेषताओं के समान होती हैं।

AC धारा फीड के दौरान, डायोड के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा लगभग दस गुना अधिक होती है। लचीले DC प्रणाली में इन दो प्रकार के DC छोटे-सर्किट दोषों के लिए धारा के पथ आकृति 2 और आकृति 3 में दिखाए गए हैं। दोष धारा के पथ पर R-SFCL की स्थापना करके छोटे-सर्किट लूप का प्रतिरोध तेजी से बढ़ाया जा सकता है, जो दोष स्पष्टीकरण के लिए अधिक समय प्रदान करता है और DC सर्किट ब्रेकर की अंतिम खुलने के समय और अवरोधन क्षमता की आवश्यकताओं को कम करता है।

3 सिमुलेशन विश्लेषण

PSCAD/EMTDC सिमुलेशन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके, विकसित R-SFCL मॉडल को 75 MW की क्षमता वाले दो-अंत लचीले DC प्रणाली सिमुलेशन मॉडल में एकीकृत किया गया है जिसकी सत्यापन की गई है। DC पोल-से-पोल दोष के तहत धारा-सीमांकन प्रदर्शन आकृति 4 में दिखाया गया है, और DC लाइन-से-ग्राउंड दोष के तहत धारा-सीमांकन प्रदर्शन आकृति 5 में दिखाया गया है। आकृति 4 और आकृति 5 से स्पष्ट है कि चरम दोष धारा नॉर्मल-अवस्था प्रतिरोध के साथ घटती जाती है। यह स्पष्ट है कि R-SFCL का प्रतिरोध और स्थापना के बाद चरम दोष धारा के बीच एक निश्चित घटना-संबंधी फलन है।

विस्तारित अनुप्रयोग के लिए, मूल मॉडल को 75 MW, 150 MW, और 300 MW की तीन प्रणाली क्षमताओं पर आधारित धीरे-धीरे बढ़ाया गया था। DC पोल-से-पोल छोटे-सर्किट और DC लाइन-से-ग्राउंड छोटे-सर्किट की स्थितियों में, R-SFCL के नॉर्मल-अवस्था प्रतिरोध मान और चरम छोटे-सर्किट धारा के बीच संबंध का अध्ययन छोटे-सर्किट धाराओं के चरम मानों को प्राप्त करके किया गया था। परिणाम आकृति 6 और आकृति 7 में दिखाए गए हैं।

MATLAB के वक्र-फिटिंग फंक्शन का उपयोग करके, आकृति 6 और आकृति 7 के वक्र क्रमशः फिट किए गए हैं, जिससे f(x) = ae⁻ᵇˣ + c रूप के फंक्शन व्यंजक प्राप्त हुए हैं, जिनके विशिष्ट पैरामीटर टेबल 1 में सूचीबद्ध हैं। फिट किए गए फंक्शन का अवकलन f'(x) = -abe⁻ᵇˣ प्रदान करता है। टेबल 1 से यह देखा जा सकता है कि एक ही दोष प्रकार के लिए, पैरामीटर b लगभग स्थिर रहता है, जबकि पैरामीटर a प्रणाली क्षमता के साथ बढ़ता ह