फ्लेक्सिबल डीसी प्रसारण प्रणालीका लागि रिजिस्टिभ सुपरकंडक्टिङ फ़ॉल्ट करेन्ट लिमिटर्सको अनुकूल प्रतिरोध चयन अध्ययन

१ प्रतिरोधी सुपरकंडक्टिभ फाउल्ट करेंट लिमिटर

१.१ संचालन तत्व

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 उत्पन्न कर रही है। अत्यधिक छोटे-सर्किट करेंट की समस्या को समाधान करने के लिए, सुपरकंडक्टिभता के सिद्धांत पर आधारित सुपरकंडक्टिभ फाउल्ट करेंट लिमिटर (SFCLs) पर ध्यान बढ़ रहा है। SFCLs को उनके उच्च-प्रतिरोध अवस्था में परिवर्तित होने के समय उनकी डैम्पिंग विशेषताओं के आधार पर प्रतिरोधी और स्वाभाविक प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है।

इनमें से, प्रतिरोधी सुपरकंडक्टिभ फाउल्ट करेंट लिमिटर की संरचना सरल, छोटी आकार की और हल्की होती है, और इसका संचालन तत्व स्पष्ट होता है। जब यह उच्च-प्रतिरोध अवस्था में प्रवेश करता है, तो इसका करेंट-लिमिटिंग इम्पीडेंस तेजी से बढ़ जाता है, जिससे मजबूत फाउल्ट करेंट नियंत्रण क्षमता प्रदान की जाती है। इसके अलावा, सुपरकंडक्टर्स के श्रृंखला या समानांतर व्यवस्था के माध्यम से उपकरण की क्षमता लचीले रूप से समायोजित की जा सकती है। हाल के वर्षों में, कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टिव मैटेरियल्स में प्रगति हुई है, जिसके कारण विद्यार्थी और उद्योग दोनों ने प्रतिरोधी SFCLs को भविष्य के विकास की प्राथमिक दिशा के रूप में व्यापक रूप से माना है।

समाप्ति धारा, समाप्ति चुंबकीय क्षेत्र, और समाप्ति तापमान एक सुपरकंडक्टर के सुपरकंडक्टिव अवस्था में होने के लिए निर्धारित करने वाले महत्वपूर्ण भौतिक पैरामीटर हैं। जब इनमें से कोई भी पैरामीटर अपने समाप्ति मान से अधिक हो जाता है, तो सुपरकंडक्टर सुपरकंडक्टिव अवस्था से खंडित अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। खंडन प्रक्रिया दो चरणों में संपन्न होती है: पहले, फ्लक्स फ्लो अवस्था, फिर सामान्य प्रतिरोधी अवस्था। जब सुपरकंडक्टर से गुजरने वाली धारा घनत्व इसके समाप्ति धारा घनत्व से अधिक हो जाता है, तो सुपरकंडक्टर फ्लक्स फ्लो अवस्था में प्रवेश करता है।

जहाँ: E विद्युत क्षेत्र की ताकत है; EC समाप्ति विद्युत क्षेत्र की ताकत है; J धारा घनत्व है; JCT समाप्ति धारा घनत्व है; α एक स्थिरांक है; Tt1 और Tt2 क्रमशः t1 और t2 समय पर सुपरकंडक्टर का तापमान है; QRS t1 से t2 तक Rs प्रतिरोध से उत्पन्न ऊष्मा है; QC t1–t2 समय अंतराल के दौरान सुपरकंडक्टर और इसके आसपास के वातावरण के बीच विनिमित ऊष्मा है; Cm सुपरकंडक्टर की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता है; JCT(77) 77 K (77 K एक तरल नाइट्रोजन वातावरण का तापमान है) पर समाप्ति धारा घनत्व है; TC समाप्ति तापमान है; T सुपरकंडक्टर का तापमान है।

समीकरण (1) के अनुसार, जब धारा घनत्व J बढ़ता है, सुपरकंडक्टर का विद्युत क्षेत्र E तेजी से बढ़ता है, जिससे इसका प्रतिरोध बढ़ जाता है। बढ़ा हुआ प्रतिरोध ऊष्मीय प्रभाव को बढ़ाता है, और समीकरण (2) के अनुसार, सुपरकंडक्टर का तापमान तेजी से बढ़ता है।

समीकरण (3) से यह ज्ञात होता है कि तापमान में वृद्धि समाप्ति धारा घनत्व को कम करती है, जिससे विद्युत क्षेत्र E और बढ़ता है, सुपरकंडक्टर का प्रतिरोध लगातार बढ़ता है। जैसे-जैसे प्रतिरोध बढ़ता है, सुपरकंडक्टर द्वारा उत्पन्न ऊष्मा धीरे-धीरे इसके आसपास के वातावरण में विसरित होने वाली ऊष्मा के साथ संतुलित हो जाती है, और तापमान स्थिर हो जाता है, अंततः नियत-प्रतिरोध सामान्य अवस्था तक पहुँचता है।

१.२ लचीले DC प्रणालियों में R-SFCL का उपयोग

लचीले DC प्रसारण प्रणालियों में, DC धारा में प्राकृतिक शून्य-पार नहीं होते। जब एक छोटे-सर्किट फाउल्ट होता है, तो फाउल्ट करेंट तेजी से बढ़ता है, जो प्रणाली के विद्युत उपकरणों के लिए गंभीर खतरा पैदा करता है। प्रणाली की विश्वसनीयता को सुनिश्चित करने के लिए, सर्किट ब्रेकर्स को फाउल्ट लाइन को तेजी से अलग करना होता है। वर्तमान में, DC सर्किट ब्रेकर्स प्रायोगिक आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पा रहे हैं।

जब DC तरफ फाउल्ट होता है, तो आम तौर पर AC तरफ ब्रेकर्स को ट्रिप किया जाता है, लेकिन यह अनिवार्य रूप से कन्वर्टर स्टेशन को बंद कर देता है, और इस अवधि के दौरान विद्युत उपकरण अतिधारा के कारण क्षतिग्रस्त हो सकते हैं। DC सुरक्षा को कुछ मिलीसेकंड के भीतर पूरा संरक्षण अनुक्रम पूरा करना होता है, जबकि AC सर्किट ब्रेकर्स का सबसे तेज संचालन समय आमतौर पर 50 मिलीसेकंड होता है, जिससे वे प्रणाली में विद्युत उपकरणों की प्रभावी सुरक्षा नहीं कर पाते हैं।

वर्तमान प्रौद्योगिकी R-SFCLs को लगभग 3 मिलीसेकंड के भीतर नियत-प्रतिरोध अवस्था तक पहुँचने की अनुमति देती है। प्रतिरोधी सुपरकंडक्टिभ फाउल्ट करेंट लिमिटर रिले सुरक्षा संचालन से बहुत तेजी से फाउल्ट-सीमित अवस्था में प्रवेश करता है, और फाउल्ट साफ करने से पहले उच्च-इम्पीडेंस अवस्था प्राप्त कर लेता है, जिससे छोटे-सर्किट करेंट को प्रभावी रूप से कम किया जा सकता है।

२ लचीले DC प्रणालियों में DC फाउल्ट की विशेषताएँ

फाउल्ट बिंदु का स्थान केवल प्रणाली के इम्पीडेंस पर प्रभाव डालता है, न कि धारा पथ या छोटे-सर्किट फाउल्ट की मूल विशेषताओं पर। मॉडलिंग की सुविधा के लिए, फाउल्ट 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 चित्र १ में दिखाया गया है।

जब DC छोटे-सर्किट फाउल्ट होता है, तो IGBT को फाउल्ट करेंट को संवेदन करने पर तुरंत ब्लॉक किया जाता है। हालांकि, IGBT के साथ समानांतर जोड़े गए डायोड और प्रसारण लाइनें एक अनियंत्रित ब्रिज रेक्टिफायर सर्किट बनाते हैं, जो IGBT को ब्लॉक करने के बाद भी कम्युटेशन को जारी रखते हैं। एक DC पोल-से-पोल छोटे-सर्किट मुख्य रूप से तीन चरणों में विभाजित किया जा सकता है: पहला चरण फाउल्ट के तुरंत बाद होता है, जिसमें DC तरफ का कैपेसिटर तेजी से डिस्चार्ज होता है और DC करेंट कुछ मिलीसेकंड के भीतर अपने शिखर मान तक पहुँच जाता है।

दूसरे चरण में, जब कैपेसिटर वोल्टेज शून्य तक गिर जाता है, तो डायोडों के माध्यम से गुजरने वाली धारा उनकी निर्धारित धारा से दस गुना अधिक हो सकती है, जिससे विद्युत उपकरण बहुत आसानी से क्षतिग्रस्त हो सकते हैं। तीसरे चरण में, जब DC छोटे-सर्किट करेंट AC ग्रिड करेंट से कम हो जाता है, तो AC ग्रिड शुरू करता है और DC फाउल्ट बिंदु में छोटे-सर्किट करेंट देता है। एक DC ग्राउंड फाउल्ट का दूसरा चरण नहीं होता; अन्यथा, इसकी विशेषताएँ पोल-से-पोल फाउल्ट की विशेषताओं के समान होती हैं।

AC करेंट फीड-इन के दौरान, डायोडों के माध्यम से गुजरने वाली फाउल्ट करेंट लगभग उनकी निर्धारित धारा से दस गुना अधिक होती है। इन दो प्रकार के DC छोटे-सर्किट फाउल्टों के लिए लचीले DC प्रणाली में धारा पथ चित्र २ और चित्र ३ में दिखाए गए हैं। फाउल्ट करेंट पथ के साथ R-SFCL की स्थापना छोटे-सर्किट लूप के प्रतिरोध को तेजी से बढ़ा सकती है, जिससे फाउल्ट साफ करने के लिए अधिक समय मिलता है और DC सर्किट ब्रेकर्स के निहित खुलने के समय और बंद करने की क्षमता की आवश्यकताओं को कम किया जा सकता है।

३ सिमुलेशन विश्लेषण

PSCAD/EMTDC सिमुलेशन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके, विकसित R-SFCL मॉडल को 75 MW क्षमता वाले दो-अंत लचीले DC प्रणाली सिमुलेशन मॉडल में एकीकृत किया गया है जिसकी पुष्टि की गई है। DC पोल-से-पोल फाउल्ट के तहत करेंट-लिमिटिंग प्रदर्शन चित्र ४ में और DC लाइन-से-ग्राउंड फाउल्ट के तहत करेंट-लिमिटिंग प्रदर्शन चित्र ५ में दिखाया गया है। चित्र ४ और चित्र ५ से स्पष्ट है कि शिखर फाउल्ट करेंट नियत-अवस्था प्रतिरोध बढ़ने के साथ घटता है। स्पष्ट है कि R-SFCL का प्रतिरोध और स्थापना के बाद शिखर फाउल्ट करेंट के बीच एक निश्चित घटना संबंधित फलन होता है।

विस्तारित अनुप्रयोग के लिए, मूल मॉडल को तीन प्रणाली क्षमताओं: 75 MW, 150 MW, और 300 MW पर आधारित धीरे-धीरे बढ़ाया गया था। DC पोल-से-पोल छोटे-सर्किट और DC लाइन-से-ग्राउंड छोटे-सर्किट की शर्तों के तहत, R-SFCL के नियत-अवस्था प्रतिरोध मान और छोटे-सर्किट करेंट के शिखर मान के बीच के संबंध का अध्ययन किया गया था। परिणाम चित्र ६ और चित्र ७ में दिखाए गए हैं।

MATLAB के कर्व-फिटिंग फंक्शन का उपयोग करके, चित्र ६ और चित्र ७ में दिखाए गए कर्वों को फिट किया गया था, जिससे f(x) = ae⁻ᵇˣ + c के रूप के फंक्शन व्यंजक प्राप्त हुए, जिनके विशिष्ट पैरामीटर टेबल १ में सूचीबद्ध हैं। फिट किए गए फंक्शन का विभेदन f'(x) = -abe⁻ᵇˣ होता है। टेबल १ से, यह