ہائی-ولٹیج سب سٹیشنز میں فلٹ کرنٹ لیمیٹرز کا معیاریت تجزیہ

1 مقدمہ

برقی توان کی تیزی سے بڑھتی مانگ کو پورا کرنے کے لئے، برقی توان کی تولید، نقل و حمل اور تقسیم کے نظام کو مناسب طور پر ترقی دی جانا ضروری ہے۔ اس ترقی سے ایک اہم مسئلہ پیدا ہوتا ہے، جس کا خلاصہ شارٹ سرکٹ کرنٹ کی تیزی سے بڑھاؤ ہے۔ شارٹ سرکٹ کرنٹ کا بڑھاؤ کئی خطرات کا باعث بناتا ہے:

• دائرہ کار میں سیریز میں منسلک ڈیوائسز کا اوور ہیٹنگ;
• کرنٹ کے رکاوٹ کے دوران کشادہ اور ریکاوری ولٹیج کا اضافہ، جس سے انسلیشن سسٹم کو نقصان ہوسکتا ہے;
• کوئل کے مبنی معدات (مثال کے طور پر، ترانسفورمرز، جنریٹرز، ریاکٹرز) میں بہت زیادہ مکینکل فورس کا پیداوار;
• کرنٹ کے مقدار اور کلیرنگ وقت کے بنیاد پر سسٹم کی غیر استحکام کا امکان;
• موجودہ سرکٹ بریکرز کی مزید برآں کرنٹ کو رکاوٹ کرنے کی صلاحیت نہ ہونے کی وجہ سے، وقت اور رقم کی مہنگی تبدیلی کی ضرورت ہوتی ہے; اس مہنگی کو روکنے کے لئے، متوازی طاقت کے ترانسفورمرز کو محدود کر دیا جاسکتا ہے یا سسٹم کی درمیانی رابطہ کو کم کر دیا جاسکتا ہے، جس سے نقل و حمل کی صلاحیت اور سسٹم کی قابلیت کو نقصان ہوتا ہے;
• موجودہ کرنٹ کے بڑھنے سے تصحيحی کارروائیوں کا وقت لمبا ہوجاتا ہے، جس سے آؤٹیج کا وقت لمبہ ہوجاتا ہے اور معاشی نقصان بڑھجاتا ہے;
• گرڈ کی قابلیت کم ہوجاتی ہے۔

حال ہی میں، ان اثرات کو کم کرنے کے لئے تین اہم حل موجود ہیں:

• کم دائرہ کار کی امکان والی گرڈ کی ساخت کا تعمیر;
• زیادہ رکاوٹ کرنے کی صلاحیت والا سرکٹ بریکر کا استعمال یا کمزور بریکروں کو زیادہ صلاحیت والے سے تبدیل کرنا;
• گرڈ کو تبدیل کر کے شارٹ سرکٹ کی سطح کو کم کرنا۔ عام طور پر ان حل کا مجموعہ استعمال کیا جاتا ہے تاکہ بہترین نیٹ ورک کی طراحی کو حاصل کیا جاسکے اور سسٹم کی قابلیت قابل قبول حدود کے اندر برقرار رکھی جاسکے۔ تاہم، دائرہ کار کی امکان کو کبھی بھی مکمل طور پر ختم نہیں کیا جاسکتا، اور تیزی سے بڑھتی شارٹ سرکٹ کرنٹ کے بنیاد پر برقی معدات کی طراحی کomersially practicle نہیں ہے۔ تیسرے حل کو مزید تقسیم کیا جاسکتا ہے:
  • سسٹم کی درمیانی رابطہ کو کم کرنا (مثال کے طور پر، بس سپلٹنگ);
  • فولٹ کرنٹ لیمیٹرز (FCLs) کا استعمال کرنا۔

زیادہ رکاوٹ کرنے کی صلاحیت والے سرکٹ بریکرز کو استعمال کرنا ایک مہنگا حل ہے اور کچھ مخصوص حالات میں عملاً ممکن نہیں ہو سکتا۔ علاوہ ازیں، حفاظتی سسٹم میں رلی کے اوصاف کے بنیاد پر فولٹ کی شناخت میں تاخیر ہوتی ہے۔ سرکٹ بریکر کی کارکردگی اور آرک کے خاتمے کو فوری نہیں کیا جاسکتا، عام طور پر فولٹ کو مکمل طور پر ختم کرنے کے لئے 3–5 سائکل کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس لیے، فولٹ کے بعد کے پہلے 2–8 سائکل کے دوران عام طور پر فولٹ کرنٹ کو رکاوٹ کیا نہیں جاسکتا۔ اس مدت کے دوران، بہت زیادہ کرنٹ دائرہ کار کے سیریز میں منسلک ڈیوائسز کے ذریعے بہتا ہے، اور یہ مختصر مدت بھی تباہ کار ہو سکتی ہے، خاص طور پر پہلے سائکل کے دوران جب فولٹ کرنٹ کا DC کمپوننٹ خاص طور پر زیادہ ہوتا ہے۔

بس سپلٹنگ اور کم درمیانی رابطہ کو ایک الٹرنیٹیو کے طور پر دریافت کیا جاسکتا ہے۔ تاہم، یہ دیگر آپریشنل چیلنجز کو متعارف کراتا ہے، جیسے کم نقل و حمل کی صلاحیت، تبدیل طاقت کا فلو، اور اضافی نقصانات۔ FCLs کی ضرورت کی وجہ یہ ہے کہ مہنگے اور کمزور معدات کی حفاظت کی ضرورت ہوتی ہے۔ عام طور پر، تمام پیش کردہ FCL کے استراتیجیاں دائرہ کار کے سیریز میں فولٹ کے دوران بالائی رکاوٹ داخل کرنے پر مبنی ہوتے ہیں، صرف اپلیکیشن میں مختلف ہوتے ہیں۔ ایک ایدیل FCL کے مطلوبہ خصوصیات عام طور پر یہ ہیں:

• معمولی برقی سسٹم کی حالت کے تحت بہت کم رکاوٹ;
• فولٹ کے دوران بالائی رکاوٹ کا داخلہ;
• فولٹ کرنٹ کے DC کمپوننٹ کو محدود کرنے کے لئے تیز کارکردگی;
• کم وقت کے اندر متعدد کارکردگیوں کی صلاحیت اور خود کو واپس لانے کی صلاحیت;
• برقی سسٹم میں ہارمونکس کا داخل نہ کرنا;
• کشادہ ولٹیج کو کم کرنا;
• بالائی قابلیت۔

2 فولٹ کرنٹ لیمیٹرز کی قابلیت

FCLs کا سب سٹیشنز میں استعمال عام طور پر دو اہم وجہوں کی بنا پر ہوتا ہے:

• زیادہ شارٹ سرکٹ کی صلاحیت والے سرکٹ بریکرز کے ساتھ موجودہ سرکٹ بریکرز کو مہنگے حل کو روکنا;
• سب سٹیشن کی ٹاپولوجی کو برقرار رکھنا اور آپریشنل یا قابلیت کے مسائل کی وجہ سے بس سپلٹنگ سے بچنا۔ حال ہی میں، FCLs کی قابلیت کے خصوصیات پر کوئی معتبر ذرائع یا ریفرنس دستیاب نہیں ہیں؛ اس لیے، اس مطالعہ میں ہم ٹیکنالوجی کے خصوصیات کو مد نظر رکھتے ہوئے اس مسئلے کا تجزیہ کرنے کی کوشش کرتے ہیں۔ کچھ FCLs نے بہت پیچیدہ ٹیکنالوجی کا استعمال کیا ہے، جس سے ان کی قابلیت کم ہو سکتی ہے۔

FCLs کی مختلف قسمیں ہیں، جن میں ریزوننٹ-ٹائپ اور سپرکنڈکٹنگ FCLs زیادہ مشہور ہیں۔

A. ریزوننٹ-ٹائپ FCLs

ریزوننٹ-ٹائپ FCLs کے لئے کئی کنفیگریشن پیش کیے گئے ہیں۔ ان کو عام طور پر سیریز ریزوننٹ-ٹائپ اور پیرلیل ریزوننٹ-ٹائپ FCLs کے طور پر درج کیا جاتا ہے۔ ریزوننٹ-ٹائپ FCLs کے فولٹ محدود کرنے کے لئے کئی مفید خصوصیات ہیں، جن میں شامل ہیں:

• کرنٹ کی رکاوٹ بغیر کرنے کے ساتھ کارکردگی;
• فولٹ کے لئے تیز جواب;
• فولٹ کے دوران کرنٹ کو رکاوٹ کرنے کی صلاحیت;
• ریسیٹ کی صلاحیت۔

تاہم، ریزوننٹ-ٹائپ FCLs عام طور پر کئی کمپوننٹوں سے ملکر بنے ہوتے ہیں، اور کلی قابلیت ہر کمپوننٹ کی صحیح کارکردگی پر منحصر ہوتی ہے۔ علاوہ ازیں، کچھ ریزوننٹ-ٹائپ FCLs کو بیرونی ٹریگرنگ ڈیوائس کی ضرورت ہوتی ہے، جس کا مطلب یہ ہے کہ کمپوننٹوں کی اضافی ضرورت ہوتی ہے تاکہ شارٹ سرکٹ کو سنسکریٹ کریں اور ٹریگرنگ کو شروع کریں۔ یہ سسٹم کی پیچیدگی کو بڑھاتا ہے اور قابلیت کو کم کرتا ہے۔ اس لیے، خود ٹریگرنگ FCLs واضح طور پر زیادہ قابلیت ہوتے ہیں۔

B. سپرکنڈکٹنگ FCLs

ریزوننٹ-ٹائپ FCLs کے مقابلے میں، سپرکنڈکٹنگ FCLs کو کم کمپوننٹوں کی ضرورت ہوتی ہے اور یہ خود ٹریگرنگ ہوتے ہیں۔ فولٹ کرنٹ محدود کرنے کا استراتیجیا سپرکنڈکٹنگ میٹریلز کی طبیعت کے بنیاد پر آسان ہوتا ہے۔ سپرکنڈکٹیوٹی صرف بہت کم درجہ حرارت پر موجود ہوتی ہے، لہذا سپرکنڈکٹنگ FCLs کو اضافی کولنگ معدات کی ضرورت ہوتی ہے، جس سے سرمایہ کاری کی لاگت بڑھتی ہے۔ اس مقالے میں پیش کی گئی کانسیپٹ FCL کے اطلاق کے ذریعے سب سٹیشن کی قابلیت پر اثر کا تجزیہ محدود کرتی ہے۔

3 FCLs کے فیلیور موڈز

ہائی ولٹیج سب سٹیشنز کے دیگر کمپوننٹوں کی طرح، FCLs کے مختلف فیلیور موڈز ہوتے ہیں جن کو FCLs کے ساتھ نقل و حمل کے سب سٹیشن کی قابلیت کا جائزہ لینے کے وقت مد نظر رکھا جانا چاہئے۔ اس سیکشن میں مختلف قسم کے FCLs کے فیلیور ریٹس کا موازنہ کیا گیا ہے۔

کامل سسٹم کی قابلیت اور اس کے سب سسٹمز کی تعداد کے درمیان بنیادی تعلق ہوتا ہے، جن کی صحیح کارکردگی کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ کلی مطلوبہ کارکردگی حاصل کی جاسکے۔

• A. ایکٹو فیلیور موڈز
• B. پاسو فیلیور موڈز
• C. فکسڈ فیلیور موڈز

واضح رہے کہ ٹریگرنگ سسٹم کی ضرورت والے FCLs (بیرونی طور پر ٹریگرنگ FCLs) کے فیلیور ریٹس زیادہ ہوتے ہیں۔ عام طور پر، ٹریگرنگ یا کمیوٹیشن کے ساتھ کوئی بھی FCL متعدد سوئچنگ ڈیوائسز کی ترتیبی کارکردگی کی ضرورت ہوتی ہے، جس کے لئے صحت سے کام کرنے کی ضرورت ہوتی ہے اور کوئرڈینیشن کی ضرورت ہوتی ہے، جس سے کنونشنل سرکٹ بریکرز کے مقابلے میں پیچیدگی میں کافی اضافہ ہوتا ہے۔

ریزوننٹ-ٹائپ FCLs (دونوں بیرونی اور خود ٹریگرنگ) میں، فکسڈ فیلیور موڈز کی امکان ہوتی ہے جو کام کرنے کی شرائط کے تبدیل ہونے کی وجہ سے (مثل درجہ حرارت)، یا غیر ریٹڈ شرائط کے تحت کام کرنے کی وجہ سے ریزوننٹ عنصر کی خصوصیات کے تبدیل ہونے کی وجہ سے پیدا ہوتی ہیں۔

4 عملی اطلاق

فگر 1 میں دکھایا گیا ایک نمونہ سب سٹیشن FCLs کے اطلاق کے سب سٹیشن کی قابلیت پر اثر کا جائزہ لینے کے لئے استعمال کیا گیا ہے۔ یہ عام طور پر جانا جاتا ہے کہ نگہداشت کے دوران، بس سیکشننگ سرکٹ بریکرز کو استعمال کرتے ہوئے حفاظتی سکیموں کو مانجمنٹ کرنا اور سب سٹیشن کی کنفیگریشن کی فلیکسیبلٹی کو بہتر بنانا عام پرکٹس ہے۔ جب سب سٹیشن میں فولٹ کرنٹ کی سطح سرکٹ بریکرز کی رکاوٹ کرنے کی صلاحیت سے زیادہ ہو جاتی ہے، تو بس سیکشننگ بریکر کو FCL سے تبدیل کرنا ایک ممکنہ حل بن جاتا ہے۔ حقیقتاً، انٹر-بس FCL FCLs کے سب سے عام اطلاقوں میں سے ایک ہے۔

فرض کیا جائے کہ 330 kV بس سے منسلک تمام لوڈز یکساں ہیں۔ قابلیت کے جائزہ کو لیفٹ 330 kV بس پر لوڈ 1 اور دائیں 330 kV بس پر لوڈ 5 پر مرکوز کیا گیا ہے۔ لوڈ کی قابلیت کو درج ذیل اشاریوں کا استعمال کرتے ہوئے جائزہ لیا جاتا ہے: (1) لوڈ کی کمی کی امکان (%); (2) سنہانہ آؤٹیج وقت (U)۔ 330 kV بس کو مکمل طور پر قابلیت کے طور پر فرض کیا گیا ہے۔ غیر ضروری کیلکولیشن سے بچنے کے لئے، تین سے زیادہ کمپوننٹوں کی ساتھ ہی فیلیور کے موڈز کو مد نظر نہیں لیا گیا ہے۔ چونکہ ایسے فیلیور موڈز کی امکان بہت کم ہوتی ہے، اس فرض کو کرنے سے کوئی معقول خرابی نہیں ہوتی ہے۔

جدول 2 کمپوننٹس کے فیلیور ریٹس اور میںٹیننگ کے وقت کو ظاہر کرتا ہے۔ ابتدائی تجزیہ کے لئے، ہم لیفٹ 330 kV بس کے ساتھ متعلقہ قابلیت کے اشاریوں کا حساب لگانے کے ساتھ شروع کرتے ہیں۔ معلوماتی اور مکمل موازنہ کے لئے، نظریاتی طور پر ہم L1 سے L7 تک کے تمام لوڈ پوائنٹس کے لئے قابلیت کے اشاریوں کا حساب لگانے کی ضرورت ہوتی ہے۔ تاہم، چونکہ یہ لوڈ یکساں ہیں اور ایک ہی بس سے منسلک ہیں، ان کے فیلیور موڈز یکساں ہوں گے۔ اس لیے، ہم صرف لیفٹ بس پر لوڈ پوائنٹ 1 (L1) اور دائیں بس پر لوڈ پوائنٹ 5 (L5) کے لئے قابلیت کے اشاریوں کا حساب لگانے کی ضرورت ہوتی ہے۔

جیسے کہ اوپر ذکر کیا گیا ہے، تجزیہ کے لئے دو احتمالی اشاریے استعمال کئے گئے ہیں: لوڈ کی کمی کی امکان (f/yr میں) اور سنہانہ آؤٹیج وقت (घنٹے/سال، A میں)۔ یہ اشاریے ایک کمپوننٹ کی فیلیور کے کیس کے لئے جائزہ لیے گئے ہیں۔

دو کمپوننٹس کی ساتھ ہی فیلیور کے کیس کے لئے، مساوی فیلیور ریٹ (λₑ)، اوسط آؤٹیج دوران (r)، اور سنہانہ آؤٹیج وقت (u) کو نیچے کے طور پر ظاہر کیا گیا ہے:

تین لیول پر ساتھ ہی فیلیور کے کیس کے لئے، یہ نیچے کے طور پر ظاہر کیا گیا ہے: