गेनरेटर सर्किट ब्रेकर के फ़ॉल्ट सुरक्षा मеханиз्मों का गहन विश्लेषण

1.परिचय

1.1 जीसीबी का मूल कार्य और पृष्ठभूमि
जनरेटर सर्किट ब्रेकर (GCB), जो जनरेटर को अपग्रेड ट्रांसफॉर्मर से जोड़ने वाला महत्वपूर्ण नोड है, दोनों सामान्य और फ़ॉल्ट स्थितियों में धारा को टूटने के लिए जिम्मेदार है। पारंपरिक सबस्टेशन सर्किट ब्रेकरों के विपरीत, GCB सीधे जनरेटर से आने वाली विशाल शॉर्ट-सर्किट धारा का सामना करता है, जिसकी निर्धारित शॉर्ट-सर्किट ब्रेकिंग धारा सैकड़ों किलोएंपियर तक पहुंच जाती है। बड़ी जनरेटिंग इकाइयों में, GCB का विश्वसनीय संचालन जनरेटर की सुरक्षा और विद्युत ग्रिड के स्थिर संचालन से सीधे जुड़ा हुआ है।

1.2 फ़ॉल्ट संरक्षण तंत्रों का महत्व
जब जनरेटर के भीतर या इसकी आउटगोइंग लाइन पर फ़ॉल्ट होता है, तो फ़ॉल्ट धारा दस से दो सौ मिलीसेकंड के भीतर अपने चरम स्तर तक पहुंच सकती है। लक्ष्यों के संरक्षण तंत्रों के बिना, वाइंडिंग ओवरहीट/विकृति और इन्सुलेशन ब्रेकडाउन जैसे अपुनर्जीवित नुकसान हो सकते हैं। 2010 में उत्तर अमेरिकी क्षेत्रीय ग्रिड घटना के विश्लेषण ने दिखाया कि तेज संरक्षण के बिना विद्युत उत्पादन उपकरणों के लिए पोस्ट-फ़ॉल्ट रिपेयर लागत 300% से अधिक थी। इसलिए, विद्युत उत्पादन प्रणालियों की विश्वसनीयता को सुनिश्चित करने के लिए बहु-आयामी, समन्वित संरक्षण तंत्रों की स्थापना महत्वपूर्ण है।

2.जीसीबी संरक्षण तंत्रों के मौलिक सिद्धांत
2.1 संरक्षण तंत्रों की परिभाषा और मुख्य उद्देश्य
GCB संरक्षण तंत्र वास्तव में एक प्रणाली इंजीनियरिंग समाधान है जो वास्तविक समय में असामान्य विद्युत पैरामीटर्स की निगरानी करता है और पूर्वनिर्धारित तर्क के आधार पर सर्किट ब्रेकर ट्रिपिंग ऑपरेशन को ट्रिगर करता है। इसके मुख्य उद्देश्य तीन हैं: पहला, तीन चक्रों (60 मिलीसेकंड) के भीतर फ़ॉल्ट धारा को टूटने के लिए; दूसरा, आंतरिक फ़ॉल्ट और बाहरी विक्षोभ के बीच सटीक रूप से अंतर करने के लिए; और तीसरा, फ़ॉल्ट स्थिति को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए ताकि बाद के रखरखाव के निर्णयों का समर्थन किया जा सके।

2.2 सामान्य फ़ॉल्ट प्रकारों का सारांश
सामान्य फ़ॉल्ट परिदृश्य तीन श्रेणियों में विभाजित होते हैं: (1) फेज-से-फेज शॉर्ट सर्किट, जिसकी विशेषता है अचानक धारा छलांग और अत्यधिक तीन-फेज असंतुलन; (2) एकल-फेज ग्राउंड फ़ॉल्ट, जिसे न्यूट्रल-पॉइंट वोल्टेज ऑफसेट द्वारा पहचाना जाता है; और (3) विकसित फ़ॉल्ट, जो शुरू में असामान्य आंशिक डिस्चार्ज के रूप में दिखाई देते हैं और धीरे-धीरे इन्सुलेशन ब्रेकडाउन में विकसित होते हैं। आंकड़े दिखाते हैं कि 600 MW से अधिक इकाइयों में, ग्राउंड फ़ॉल्ट 67% का हिस्सा है, जो संरक्षण प्रणालियों की संवेदनशीलता पर अधिक मांग करता है।

3.मुख्य प्रकार के संरक्षण तंत्र
3.1 ओवरकरंट संरक्षण तंत्र
एक बहु-स्तरीय संयुक्त मानदंड ग्रेडेड प्रतिक्रिया की सुविधा प्रदान करता है: तात्कालिक उच्च-गति ट्रिपिंग गंभीर निकट-अंत फ़ॉल्टों को लक्ष्य करता है, जिसका संचालन समय 25 मिलीसेकंड के भीतर नियंत्रित किया जाता है; निश्चित-समय व्युत्क्रम वक्र उपकरणों की थर्मल टोलरेंस क्षमता के साथ मेल खाते हैं, जब धारा लगातार 1.5 गुना निर्धारित मूल्य से अधिक होती है तो देर से ट्रिपिंग शुरू होती है; दिशात्मक विभेदन तत्व बाहरी फ़ॉल्ट के दौरान गलत संचालन को प्रभावी रूप से रोकते हैं। एक समुद्री तट की विद्युत स्टेशन से फील्ड डेटा ने यह सत्यापित किया कि यह मेकेनिज्म शॉर्ट-सर्किट धारा की अवधि को 83 मिलीसेकंड तक सीमित करने में सफल रहा।

3.2 डिफ़्रेंशियल संरक्षण तंत्र
किरचॉफ़ के धारा कानून पर आधारित एक पूरी तरह से डिजिटल संरक्षण योजना बनाई गई है। जनरेटर न्यूट्रल पॉइंट और GCB आउटलेट साइड पर 0.2S वर्ग के धारा ट्रांसफॉर्मर संकालित रूप से स्थापित किए गए हैं। जब दोनों पक्षों के बीच वेक्टर अंतर थ्रेशहोल्ड (आमतौर पर निर्धारित धारा का 15%) से अधिक होता है, तो एक आंतरिक फ़ॉल्ट घोषित किया जाता है। नवीनतम लागू करने में एक फेज-संशोधन एल्गोरिथ्म शामिल है, जो वितरित कैपेसिटिव धाराओं द्वारा उत्पन्न 15° फेज-कोण त्रुटि को सफलतापूर्वक हल करता है।

3.3 ग्राउंड फ़ॉल्ट संरक्षण तंत्र
उच्च-आवेग ग्राउंडिड सिस्टमों के लिए, शून्य-क्रम दिशात्मक संरक्षण विकसित किया गया है: विशेष वोल्टेज ट्रांसफॉर्मरों के माध्यम से शून्य-क्रम वोल्टेज घटक प्राप्त किए जाते हैं और शून्य-क्रम धारा के साथ संयोजित होकर एक दिशात्मक विभेदन मैट्रिक्स बनाते हैं। एक नवीन तीसरे-हार्मोनिक ब्लॉकिंग तकनीक ने नियमित संचालन के दौरान न्यूट्रल पॉइंट पर हार्मोनिक वोल्टेज से व्यवधान को प्रभावी रूप से रोका है। फील्ड प्रथा दिखाती है कि यह मेकेनिज्म 10 Ω से अधिक प्रतिरोध के साथ ग्राउंड फ़ॉल्ट की 98.7% सफलता दर से पहचान करता है।

4.संरक्षण तंत्रों का लागू करने की प्रक्रिया
4.1 रिले और नियंत्रण प्रणालियों की भूमिका
आधुनिक माइक्रोप्रोसेसर-आधारित संरक्षण उपकरण तीन-स्तरीय वास्तुकला का उपयोग करते हैं: मापन स्तर 4000 Hz सैंपलिंग दर पर वास्तविक समय में वेवफ़ॉर्म पकड़ता है; निर्णय स्तर बहु-CPU समान्तर प्रोसेसिंग का उपयोग करता है ताकि 10 मिलीसेकंड के भीतर 32 गणनाएं—फुरिये ट्रांसफॉर्म और हार्मोनिक विश्लेषण—पूरी हो सकें; निष्पादन स्तर फाइबर-ऑप्टिक डायरेक्ट ट्रिपिंग सर्किट का उपयोग करता है ताकि कमांड ट्रांसमिशन देरी 2 मिलीसेकंड से कम रहे। महत्वपूर्ण इकाइयों में आमतौर पर "तीन में से दो" मतदान तर्क का उपयोग किया जाता है ताकि एकल-बिंदु विफलता के जोखिम को दूर किया जा सके।

4.2 फ़ॉल्ट पहचान और तेज संचालन अनुक्रम
एक आम ट्रिपिंग अनुक्रम आठ महत्वपूर्ण चरणों को शामिल करता है: फ़ॉल्ट धारा का होना → धारा ट्रांसफॉर्मरों द्वारा द्वितीयक सिग्नल कन्वर्जन → संरक्षण उपकरण का सक्रियीकरण → फ़ॉल्ट प्रकार की पहचान → ट्रिपिंग तर्क गणना → ब्लॉकिंग सिग्नल की सत्यापन → सर्किट ब्रेकर ट्रिप कोइल का ऊर्जांकन → आर्क निर्मोचन। समय अनुकूलन अध्ययन दिखाते हैं कि प्रेशराइज्ड आर्क-क्वेंचिंग चेम्बर्स का उपयोग करके कुल बंद करने का समय 58 मिलीसेकंड तक कम किया जा सकता है, जो पारंपरिक मेकेनिज्मों से 22% बेहतर है।

5.निष्कर्ष
5.1 मुख्य संरक्षण तंत्र बिंदुओं का सारांश
आधुनिक GCB संरक्षण एक बहु-स्तरीय, बुद्धिमान रक्षा प्रणाली में विकसित हो गया है: ओवरकरंट संरक्षण मौलिक स्तर का काम करता है, डिफ़्रेंशियल संरक्षण सटीक क्षेत्र अलगाव प्रदान करता है, और ग्राउंड फ़ॉल्ट संरक्षण कमजोरी के कवरेज को मजबूत करता है। मुख्य ब्रेकथ्रू तीन चक्रों के भीतर फ़ॉल्ट साफ करने में और वार्षिक 0.01 बार से कम गलत ट्रिप दर बनाए रखने में है। हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि संरक्षण सेटिंग्स को हर दो वर्षों में उपकरणों के उम्रन परिवर्तन वक्रों के आधार पर फिर से कैलिब्रेट किया जाना चाहिए।

5.2 व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए इष्टतमीकरण सुझाव
तीन उन्नत सुधार उपाय प्रस्तावित किए गए हैं: पहला, फ़ॉल्ट स्थान शुद्धता ±5 मीटर तक बढ़ाने के लिए अस्थायी यात्री तरंग फ़ॉल्ट स्थान प्रौद्योगिकी को एकीकृत करें; दूसरा, यूनिट कार्यान्वयन आयु के आधार पर संवेदनशीलता गुणांकों को स्वचालित रूप से समायोजित करने वाली अनुकूली संरक्षण एल्गोरिदम विकसित करें; तीसरा, सर्किट ब्रेकर की यांत्रिक स्थिति की ऑनलाइन निगरानी करें, 12 पैरामीटरों—जिनमें खुलने की गति और संपर्क ध्वस्त होना शामिल हैं—का उपयोग करके यांत्रिकी की विश्वसनीयता का अनुमान लगाएं। एक प्रदर्शन विद्युत स्टेशन ने ये उपाय संरक्षण प्रणाली की उपलब्धता 99.97% तक बढ़ाने में सफल रहे।