उच्च वोल्टता सबस्टेशन में फ़ॉल्ट करंट लिमिटर्स का यथार्थता विश्लेषण

1 परिचय

विद्युत ऊर्जा की तेजी से बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए, विद्युत उत्पादन, प्रसारण और वितरण प्रणालियों का विकास अनुसार होना चाहिए। इस विकास से उत्पन्न एक महत्वपूर्ण मुद्दा है शॉर्ट-सर्किट धाराओं की तेजी से वृद्धि। शॉर्ट-सर्किट धाराओं की वृद्धि से कई खतरे उत्पन्न होते हैं:

• फ़ॉल्ट पथ पर श्रृंखला-संबद्ध उपकरणों का गर्मी से जलना;
• धारा विच्छेदन के दौरान अस्थायी और पुनर्स्थापन वोल्टेज की वृद्धि, जो इंसुलेशन प्रणालियों को क्षतिग्रस्त कर सकती है;
• कुंडली-आधारित उपकरणों (जैसे, ट्रांसफॉर्मर, जनरेटर, रिएक्टर) में अत्यंत उच्च यांत्रिक बलों का उत्पादन;
• फ़ॉल्ट धारा की तीव्रता और निर्देशन समय पर निर्भर कार्यक्षमता की संभावित अस्थिरता;
• मौजूदा सर्किट ब्रेकर बढ़ी हुई फ़ॉल्ट धारा को विच्छेदित करने में सक्षम नहीं हो सकते, जिससे समय और धन पर महंगे प्रतिस्थापन की आवश्यकता पड़ती है; ऐसी खर्चों से बचने के लिए, समानांतर विद्युत ट्रांसफॉर्मरों को सीमित किया जा सकता है या प्रणाली की जुड़ाव को कम किया जा सकता है, जो प्रसारण क्षमता और प्रणाली की विश्वसनीयता को कम करता है;
• बढ़ी हुई फ़ॉल्ट धाराएं संशोधन कार्यों को लंबा करती हैं, जिससे आउटेज की अवधि लंबी हो जाती है और अर्थिक नुकसान अधिक होता है;
• ग्रिड की विश्वसनीयता की कमी।

वर्तमान में, इन प्रभावों को कम करने के लिए तीन मुख्य समाधान उपलब्ध हैं:

• न्यूनतम फ़ॉल्ट संभावना वाली ग्रिड संरचनाओं का निर्माण;
• उच्च विच्छेदन क्षमता वाले सर्किट ब्रेकरों का उपयोग करना या कमजोर ब्रेकरों को अधिक सक्षम ब्रेकरों से प्रतिस्थापित करना;
• शॉर्ट-सर्किट स्तरों को कम करने के लिए ग्रिड को संशोधित करना। इन समाधानों का एक संयोजन आमतौर पर विश्वसनीयता की सीमाओं के भीतर ऑप्टीमल नेटवर्क डिजाइन प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है। हालांकि, फ़ॉल्ट की संभावना कभी भी पूरी तरह से नहीं खत्म की जा सकती, और बढ़ती शॉर्ट-सर्किट धाराओं पर आधारित विद्युत उपकरणों का डिजाइन व्यावसायिक रूप से असंभव है। तीसरे समाधान को आगे विभाजित किया जा सकता है:
  • सिस्टम जुड़ाव को कम करना (जैसे, बस स्प्लिटिंग);
  • फ़ॉल्ट करंट लिमिटर्स (FCLs) का उपयोग करना।

उच्च विच्छेदन क्षमता वाले सर्किट ब्रेकरों से प्रतिस्थापन एक महंगा समाधान है और कुछ मामलों में यह संभव नहीं हो सकता। इसके अलावा, सुरक्षा प्रणालियाँ रिले विनिर्देशों पर आधारित फ़ॉल्ट निर्णय में देरी दिखाती हैं। सर्किट ब्रेकर का संचालन और आर्क विलोपन तत्काल नहीं होता, आमतौर पर एक फ़ॉल्ट को पूरी तरह से निपटाने के लिए 3-5 चक्रों की आवश्यकता होती है। इस परिणामस्वरूप, फ़ॉल्ट के बाद 2-8 चक्रों के भीतर फ़ॉल्ट धारा आमतौर पर नहीं रोकी जा सकती। इस अवधि के दौरान, फ़ॉल्ट पथ पर श्रृंखला-संबद्ध उपकरणों के माध्यम से बहुत उच्च धाराएं बहती हैं, और यह संक्षिप्त अवधि भी विनाशक हो सकती है, विशेष रूप से पहले चक्र के दौरान जब फ़ॉल्ट धारा का DC घटक विशेष रूप से उच्च होता है।

बस स्प्लिटिंग और कम सिस्टम जुड़ाव इस मुद्दे को ठीक करने के लिए विकल्प के रूप में विचार किए जा सकते हैं। हालांकि, वे अन्य संचालनीय चुनौतियों, जैसे प्रसारण क्षमता की कमी, विद्युत प्रवाह के परिवर्तन, और नुकसान की वृद्धि को पेश करते हैं। FCLs की आवश्यकता लागत और कमजोर उपकरणों की सुरक्षा की आवश्यकता से उत्पन्न होती है। आमतौर पर, सभी प्रस्तावित FCL रणनीतियाँ फ़ॉल्ट के दौरान श्रृंखला पथ में उच्च प्रतिरोध को सम्मिलित करने पर आधारित होती हैं, केवल उनका लागू करना अलग होता है। आदर्श FCL की वांछित विशेषताएं आमतौर पर निम्न हैं:

• सामान्य विद्युत प्रणाली की स्थितियों के तहत बहुत कम प्रतिरोध;
• फ़ॉल्ट के दौरान उच्च प्रतिरोध को सम्मिलित करना;
• फ़ॉल्ट धारा के DC घटक को सीमित करने के लिए तेज संचालन;
• कम समय में बहुत सारे संचालन और स्व-पुनर्स्थापन की क्षमता;
• विद्युत प्रणाली में हार्मोनिक्स का समावेश न करना;
• अस्थायी अतिवोल्टेज की कमी;
• उच्च विश्वसनीयता।

2 फ़ॉल्ट करंट लिमिटर्स की विश्वसनीयता

FCLs के उपयोग को उप-स्टेशनों में आमतौर पर दो मुख्य कारणों से प्रेरित किया जाता है:

• उच्च शॉर्ट-सर्किट क्षमता वाले स्थापित सर्किट ब्रेकरों को प्रतिस्थापित करने के महंगे समाधान को बचाना;
• संचालन या विश्वसनीयता के मुद्दों के कारण बस स्प्लिटिंग से बचना और उप-स्टेशन टोपोलॉजी को बनाए रखना। वर्तमान में, FCLs की विश्वसनीयता विशेषताओं पर कोई विश्वसनीय स्रोत या संदर्भ उपलब्ध नहीं है; इसलिए, इस अध्ययन में, हम तकनीकी विशेषताओं को ध्यान में रखकर इस मुद्दे का विश्लेषण करने का प्रयास करते हैं। कुछ FCLs बहुत जटिल प्रौद्योगिकियों का उपयोग करते हैं, जो उनकी विश्वसनीयता को कम कर सकते हैं।

FCLs के विभिन्न प्रकार हैं, जिनमें रिझोनेंट-प्रकार और सुपरकंडक्टिव FCLs अधिक प्रमुख हैं।

A. रिझोनेंट-प्रकार FCLs

रिझोनेंट-प्रकार FCLs के लिए अनेक संरचनाएं प्रस्तावित की गई हैं। वे आमतौर पर श्रृंखला रिझोनेंट-प्रकार और समानांतर रिझोनेंट-प्रकार FCLs में वर्गीकृत होते हैं। रिझोनेंट-प्रकार FCLs के पास फ़ॉल्ट सीमा के लिए कई अनुकूल विशेषताएं होती हैं, जिनमें शामिल हैं:

• धारा विच्छेदन के बिना संचालन;
• फ़ॉल्ट पर तेज संचालन;
• फ़ॉल्ट अवधि के दौरान शॉर्ट-सर्किट धारा को ले जाने की क्षमता;
• रीसेट क्षमता।

हालांकि, रिझोनेंट-प्रकार FCLs आमतौर पर कई घटकों से बने होते हैं, और समग्र विश्वसनीयता प्रत्येक घटक के सही संचालन पर निर्भर करती है। इसके अलावा, कुछ रिझोनेंट-प्रकार FCLs बाह्य ट्रिगरिंग उपकरण की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि फ़ॉल्ट और ट्रिगरिंग शुरू करने के लिए अतिरिक्त घटकों की आवश्यकता होती है। यह प्रणाली की जटिलता बढ़ाता है और विश्वसनीयता को कम करता है। इसलिए, स्व-ट्रिगरिंग FCLs स्पष्ट रूप से अधिक विश्वसनीय हैं।

B. सुपरकंडक्टिव FCLs

रिझोनेंट-प्रकार FCLs की तुलना में, सुपरकंडक्टिव FCLs कम घटकों की आवश्यकता होती है और वे स्व-ट्रिगरिंग होते हैं। फ़ॉल्ट करंट सीमा रणनीति सरल होती है और सुपरकंडक्टिव सामग्रियों के प्राकृतिक व्यवहार पर आधारित होती है। सुपरकंडक्टिवता केवल बहुत कम तापमान पर मौजूद होती है, इसलिए सुपरकंडक्टिव FCLs अतिरिक्त शीतलन उपकरण की आवश्यकता होती है, जो निवेश की लागत बढ़ाता है। इस पेपर में प्रस्तावित अवधारणा FCLs के उपयोग के प्रभाव का मूल्यांकन करने पर सीमित है।

3 FCLs के फ़ैल्योर मोड्स

उच्च वोल्टेज उप-स्टेशनों के अन्य घटकों की तरह, FCLs भी विभिन्न फ़ैल्योर मोड्स प्रदर्शित करते हैं, जिन्हें FCLs वाले प्रसारण उप-स्टेशनों की विश्वसनीयता का मूल्यांकन करते समय ध्यान में रखा जाना चाहिए। इस खंड में विभिन्न प्रकार के FCLs के फ़ैल्योर दरों की तुलना की जाती है।

एक पूर्ण प्रणाली की विश्वसनीयता और उसके उप-प्रणालियों की संख्या के बीच मौलिक संबंध होता है, जिनमें से सभी सही तरीके से संचालित होने चाहिए ताकि अपेक्षित समग्र कार्य प्राप्त किया जा सके।

• A. सक्रिय फ़ैल्योर मोड्स
• B. निष्क्रिय फ़ैल्योर मोड्स
• C. निश्चित फ़ैल्योर मोड्स

स्पष्ट रूप से, ट्रिगरिंग प्रणाली आवश्यक FCLs (बाह्य ट्रिगरिंग FCLs) की फ़ैल्योर दर अधिक होती है। आमतौर पर, ट्रिगरिंग या कम्युटेशन शामिल किसी भी FCL के लिए एकाधिक स्विचिंग उपकरणों के अनुक्रमिक संचालन की आवश्यकता होती है, जिसके लिए सटीक संकल्पना और समन्वय आवश्यक होता है, जो पारंपरिक सर्किट ब्रेकरों की तुलना में जटिलता में बहुत बढ़ोतरी होती है।

रिझोनेंट-प्रकार FCLs (दोनों बाह्य और स्व-ट्रिगरिंग) में, ऑपरेशन शर्तों में परिवर्तन जैसे तापमान, या अनुमोदित शर्तों के बाहर ऑपरेशन के कारण रिझोनेंट तत्वों की विशेषताओं में परिवर्तन के कारण निश्चित फ़ैल्योर मोड्स उत्पन्न हो सकते हैं।

सुपरकंडक्टिव FCLs अतिरिक्त शीतलन के कारण इस तरह के फ़ैल्योर मोड्स दिखाते हैं, जो बहुत दुर्लभ होता है। इसलिए, कहा जा सकता है कि सुपरकंडक्टिव FCLs में इस फ़ैल्योर मोड का अस्तित्व लगभग नहीं होता। अधिकांश मामलों में, सुपरकंडक्टिव FCLs को पूर्वानुमानित पैरामीटरों के साथ डिजाइन किया जा सकता है और उन्हें हजारों एक्टिवेशन और रिकवरी चक्रों का सामना करने की क्षमता होती है। इसके अलावा, बड़े FCLs के बजाय छोटे FCLs का उपयोग करने से विश्वसनीयता और धारा-सीमा क्षमता दोनों में सुधार होता है। टेबल 1 विभिन्न प्रकार के FCLs में विभिन्न फ़ैल्योर मोड्स के घटना दरों की संक्षिप्त तुलना करता है।

4 व्यावहारिक अनुप्रयोग

चित्र 1 में दिखाए गए एक नमूना उप-स्टेशन का उपयोग FCLs के उपयोग के प्रभाव का मूल्यांकन क