पारंपरिक गति रेलवे विद्युत प्रणालियों के लिए न्यूट्रल ग्राउंडिंग विधियाँ

रेलवे विद्युत प्रणाली मुख्य रूप से स्वचालित ब्लॉक संकेतन लाइनों, थ्रॉ-फीडर विद्युत लाइनों, रेलवे उप-स्टेशन और वितरण स्टेशन, और आगत विद्युत आपूर्ति लाइनों से गठित होती है। ये क्रियात्मक रेलवे संचालन—संकेतन, संचार, रोलिंग स्टॉक प्रणाली, स्टेशन पर यात्री संचालन, और रखरखाव सुविधाओं को विद्युत प्रदान करती हैं। राष्ट्रीय विद्युत ग्रिड का एक अभिन्न भाग के रूप में, रेलवे विद्युत प्रणालियाँ विद्युत ऊर्जा अभियांत्रिकी और रेलवे बुनियादी ढांचे के विशिष्ट विशेषताओं को प्रदर्शित करती हैं।

पारंपरिक गति वाले रेलवे विद्युत प्रणालियों के न्यूट्रल ग्राउंडिंग तकनीकों के अध्ययन को मजबूत करना—और इन तकनीकों को डिजाइन, निर्माण, और संचालन के दौरान समग्र रूप से विचार करना—रेलवे विद्युत आपूर्ति की सुरक्षा और विश्वसनीयता को बढ़ाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

1. रेलवे विद्युत प्रणालियों में न्यूट्रल ग्राउंडिंग तकनीकों का सारांश

रेलवे विद्युत प्रणालियों में न्यूट्रल ग्राउंडिंग तकनीक आमतौर पर ट्रांसफार्मरों के ग्राउंडिंग विन्यास को संदर्भित करती है—एक ऐसा कार्यात्मक (कार्य) ग्राउंडिंग जो वोल्टेज स्तर, एक-फेज ग्राउंड फ़ॉल्ट धारा, ओवरवोल्टेज स्तर, और रिले संरक्षण योजनाओं से घनिष्ठ रूप से जुड़ा होता है। यह एक जटिल तकनीकी मुद्दा है जिसे व्यापक रूप से निम्नलिखित में विभाजित किया जा सकता है:

• निर्वाती ग्राउंडिंग प्रणाली: जिसमें अनग्राउंडिड, आर्क-सुपरेशन कोइल (पीटरसन कोइल) ग्राउंडिड, और उच्च-प्रतिरोध ग्राउंडिड प्रणालियाँ शामिल हैं;

• ठोस ग्राउंडिंग प्रणाली: जिसमें तुल्यकालिक ग्राउंडिंग और निम्न-प्रतिरोध ग्राउंडिंग शामिल हैं।

राष्ट्रीय ग्रिड से रेलवे तक आपूर्ति प्रदान करने वाली विद्युत आमतौर पर एक अनग्राउंडिड न्यूट्रल विन्यास का उपयोग करती है। रेलवे उप-स्टेशन और वितरण स्टेशन से फीडर सर्किट आमतौर पर द्वितीयक बसबार (आगत विद्युत बसबार के बाद लेकिन वोल्टेज रेगुलेटर से पहले) से टैप किए जाते हैं, इसलिए ये भी अनग्राउंडिड न्यूट्रल प्रणाली का उपयोग करते हैं। थ्रॉ-फीडर लाइनों के लिए, वोल्टेज-रेगुलेटिंग ट्रांसफार्मर की ग्राउंडिंग तकनीक का चयन वास्तविक आवश्यकताओं पर आधारित हो सकता है।

उच्च-गति वाले रेलवे विद्युत प्रणालियों, जो आमतौर पर निम्न-प्रतिरोध ग्राउंडिंग का उपयोग करती हैं, के विपरीत, पारंपरिक-गति वाले रेलवे प्रणालियाँ अधिकांशतः अनग्राउंडिड न्यूट्रल विन्यास का उपयोग करती हैं। यद्यपि यह दृष्टिकोण कुछ लाभ प्रदान करता है, लेकिन विकसित हो रहे सुरक्षा मानकों और लगातार तकनीकी अपग्रेड के कारण आज के संचालन के संदर्भ में ग्राउंडिंग रणनीतियों का पुनर्मूल्यांकन आवश्यक है।

2. अनग्राउंडिड न्यूट्रल प्रणालियों के लाभ और सीमाएं

रेलवे विद्युत डिजाइन कोड (टीबी 10008–2015) के अनुसार, थ्रॉ-फीडर लाइनों की व्यवस्था विद्युत आपूर्ति की विश्वसनीयता और परियोजना-विशिष्ट स्थितियों पर आधारित होनी चाहिए, जिसमें ओवरहेड-केबल हाइब्रिड लाइनों या पूरी तरह से अंतर्राष्ट्रीय केबल लाइनों का उपयोग किया जा सकता है।

बजटीय सीमाओं और तकनीकी योग्यता के कारण, वर्तमान में संचालन में लगी पारंपरिक-गति वाली रेलवे थ्रॉ-फीडर लाइनें अधिकांशतः ओवरहेड कंडक्टरों या ओवरहेड-प्रधान हाइब्रिड व्यवस्थाओं पर निर्भर करती हैं। इसलिए, उनकी न्यूट्रल ग्राउंडिंग योजनाएं आमतौर पर अनग्राउंडिड (अनग्राउंडिड) या छोटी-धारा ग्राउंडिंग प्रणालियों का उपयोग करती हैं। रेलवे विद्युत प्रबंधन नियमों के अनुच्छेद 69 के अनुसार, ऐसी प्रणालियों में एक-फेज ग्राउंड फ़ॉल्ट को तुरंत दूर किया जाना चाहिए, जिसका संभव फ़ॉल्ट संचालन समय आमतौर पर 2 घंटे से अधिक नहीं होना चाहिए।

2023 के जनवरी से अक्टूबर तक के एक विशिष्ट रेलवे ब्यूरो खंड के संचालन डेटा में 152 विद्युत ट्रिप रिकॉर्ड किए गए, जिनमें से 15 उपकरण-संबंधित फ़ॉल्ट थे (2 आंतरिक जिम्मेदारी से, 13 बाहरी कारकों से)। विशेष रूप से, पर्यावरणीय खतरों—विशेष रूप से वनस्पति का आक्रमण—ओवरहेड लाइनों की स्थिरता के लिए प्राथमिक खतरा है। एक घटना में, वृक्ष की शाखाएं अनुमत सीमा में घुस गई, जिससे एक तरफ़ी फ़ॉज़ लाइन पर आंशिक फ़ॉज़-टो-ग्राउंड कनेक्शन हुआ। फ़ॉल्ट 2 घंटे के खिडकी में पहचाना गया और सुलझाया गया, जिससे ट्रेन संचालन पर कोई प्रभाव नहीं पड़ा और विस्तारित फ़ॉल्टों से बचा गया। यह दर्शाता है कि, मौजूदा तकनीकी परिस्थितियों के तहत, अनग्राउंडिड न्यूट्रल प्रणालियाँ व्यावहारिक लाभ प्रदान करती हैं।

हालाँकि, केबल लाइनें अलग चुनौतियाँ प्रस्तुत करती हैं। ओवरहेड लाइनों की तुलना में, विद्युत केबलों की इन्सुलेशन मार्जिन कम होती है और ओवरवोल्टेज टोलरेंस सीमित होता है। अनग्राउंडिड प्रणाली में एक-फेज ग्राउंड फ़ॉल्ट के दौरान, स्वस्थ फ़ॉज़ की वोल्टेज सामान्य फ़ॉज़-टो-ग्राउंड स्तर से ऊपर बढ़ जाती है—संभवतः लाइन-टो-लाइन वोल्टेज तक—जो गैर-फ़ॉल्ट फ़ॉज़ों में बहु-बिंदु इन्सुलेशन ब्रेकडाउन के जोखिम को बढ़ाती है। इसके अलावा, केबल प्रणालियों में क्षमतात्मक ग्राउंड-फ़ॉल्ट धाराएं अपेक्षाकृत बड़ी होती हैं, जो फ़ॉल्ट बिंदु पर तेज़ इन्सुलेशन की अपशिष्टता और फ़ॉज़-टो-फ़ॉज़ शॉर्ट सर्किट में विकसित होने की उच्च संभावना लाती हैं।

क्योंकि केबल आमतौर पर दफनाए, नली, या ट्रे विधि से स्थापित किए जाते हैं, फ़ॉल्ट की स्थिति का पता लगाना कठिन होता है। केबल जंक्शन तकनीकों, मरम्मत लॉजिस्टिक्स, और रेलवे संचालन खिडकियों के बंधनों के साथ, ऐसे फ़ॉल्ट अक्सर तेज़ी से सुलझाए नहीं जा सकते। वास्तव में, केबल फ़ॉल्ट अधिकांशतः स्थायी इन्सुलेशन ब्रेकडाउन के कारण होते हैं—ऑर्गेनिक इन्सुलेशन सामग्रियाँ स्व-पुनर्स्थापित नहीं हो सकतीं। अनग्राउंडिड प्रणाली में, तुरंत ट्रिपिंग की कमी के कारण फ़ॉल्ट धारा लंबे समय तक बनी रहती है, जिससे गंभीर इन्सुलेशन नुकसान, फ़ॉल्ट क्षेत्र का विस्तार, और संभावित रूप से द्वितीयक मुद्दे जैसे विद्युत स्क्रीन अलार्म या यहाँ तक कि "रेड-बैंड" सिग्नल फ़ॉल्ट हो सकते हैं, जो ट्रेन सेवाओं को विघटित कर सकते हैं—कभी-कभी लंबी अवधि के बंद होने और महत्वपूर्ण सुरक्षा या सार्वजनिक संबंधों के जोखिम के साथ।

3. पारंपरिक-गति वाले रेलवे विद्युत प्रणालियों के लिए न्यूट्रल ग्राउंडिंग तकनीकों का चयन

उपयुक्त न्यूट्रल ग्राउंडिंग तकनीक का चयन स्थिर रेलवे विद्युत संचालन के लिए आवश्यक है। मुख्य चुनौती निम्नलिखित में संतुलन बनाना है:

• बाहरी विक्षोभों से अनावश्यक ट्रिपिंग को कम करना,

• क्रियात्मक लोडों को अविवक्त विद्युत प्रदान करना,

• प्रभावी फ़ॉल्ट संरक्षण सुनिश्चित करना,

• फ़ॉल्ट प्रसारण को नियंत्रित करना, और

• फ़ॉल्ट के दौरान स्वस्थ उपकरणों की विद्युत और इन्सुलेशन संपूर्णता बनाए रखना।

रेलवे विद्युत डिजाइन कोड (टीबी 10008–2015) के अनुसार, 10(20) किलोवोल्ट थ्रॉ-फीडर लाइनों के लिए, जो वोल्टेज रेगुलेटर के माध्यम से आपूर्ति प्रदान की जाती है, निम्नलिखित ग्राउंडिंग दिशानिर्देश लागू होते हैं:

• यदि एकल-पार्शीय ग्राउंड-फ़ॉल्ट क्षमता धारा ≤ 10 A हो, तो एक अनग्राउंडेड सिस्टम का प्रयोग किया जाना चाहिए।

• यदि धारा ≤ 150 A हो, तो निम्न-रोध ग्राउंडिंग या आर्क-सुप्रेशन कोइल ग्राउंडिंग का उपयोग किया जा सकता है; यदि > 150 A हो, तो निम्न-रोध ग्राउंडिंग का उपयोग सिफारिश किया जाता है।

• पूर्णतः केबल-आधारित लाइनों में निम्न-रोध ग्राउंडिंग का प्रयोग किया जाना चाहिए।

• निम्न-रोध ग्राउंडिंग के लिए, ग्राउंडिंग रेझिस्टर का चयन इस प्रकार किया जाना चाहिए कि एकल-पार्शीय ग्राउंड धारा 200–400 A हो, और दोष की पहचान के तुरंत बाद ट्रिपिंग हो।

इसके विपरीत, हाई-स्पीड रेलवे डिज़ाइन कोड (TB 10621–2014) ग्राउंड-फ़ॉल्ट क्षमता धारा ≤ 30 A होने पर अनग्राउंडेड न्यूट्रल सिस्टम की अनुमति देता है, जिसमें एक न्यूट्रल-ग्राउंड रिएक्टर द्वारा भरपाई की जाती है।

मानक रेलवे विद्युत इंजीनियरिंग हैंडबुकों के आधार पर गणना की गई है, आम एल्युमिनियम-कोर केबलों (70 mm² और 95 mm² खंड) की अधिकतम अनुमत लंबाई एकल-पार्शीय ग्राउंड-फ़ॉल्ट क्षमता धारा 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, और 150 A के लिए टेबल 1 में सारांशित की गई है। ये मान वास्तविक केबल लंबाई के आधार पर उपयुक्त ग्राउंडिंग विधि के चयन का निर्देशन कर सकते हैं।

न्यूट्रल बिंदु के माध्यम से ग्राउंडिंग तेजी से दोष को साफ़ करने में सक्षम बनाता है। जीरो-सीक्वेंस सुरक्षा 0.2–2.0 सेकंड के भीतर दोष को अलग करने के लिए कार्य कर सकती है, जिससे द्वितीयक निरंतर विद्युत घटनाओं की संभावना कम होती है और विद्युत उपकरणों की इन्सुलेशन की विश्वसनीयता और उपयोगकाल की रक्षा की जाती है।

4. सामान्य न्यूट्रल ग्राउंडिंग विधियों की तुलना

4.1 अग्राह्य न्यूट्रल प्रणाली

अग्राह्य न्यूट्रल विधि ओवरहेड कंडक्टरों से आधिपत्य वाली लाइनों में एकल-फेज ग्राउंड दोष के दौरान 1-2 घंटे के लिए निरंतर विद्युत आपूर्ति की अनुमति देती है। हालांकि, केबल-आधिपत्य वाली लाइनों में, यह विधि दोष की चढ़ाई का कारण बन सकती है।

4.2 आर्क-सुप्रेशन कुंडल के माध्यम से न्यूट्रल ग्राउंडिंग

अग्राह्य न्यूट्रल प्रणाली की तुलना में, यह विधि आर्क-सुप्रेशन कुंडल के इंडक्टिव करंट का उपयोग करके कैपेसिटिव करंट का भुगतान करती है, जिससे ग्राउंड-दोष करंट ऐसे स्तर तक कम हो जाता है जहाँ यह स्वतः विलुप्त हो सकता है, इस प्रकार आर्क-प्रेरित ओवरवोल्टेज को कम करती है। यह 1-2 घंटे के लिए एकल-फेज ग्राउंड दोष के दौरान निरंतर ऑपरेशन की अनुमति देती है और एकल-फेज दोषों को फेज-से-फेज दोषों में विकसित होने से रोकती है। हालांकि, यह विधि ग्राउंड-दोष सुरक्षा पर उच्च आवश्यकताएं लगाती है, दोषी लाइन की पहचान नहीं कर सकती, रिझोनेंस के प्रति संवेदनशील होती है और लाइन पर अवशिष्ट चार्ज को प्रभावी ढंग से छोड़ने में असमर्थ होती है।

4.3 निम्न प्रतिरोध के माध्यम से न्यूट्रल ग्राउंडिंग

केबल-आधिपत्य वाली लाइनों में, निम्न प्रतिरोध ग्राउंडिंग विधि एकल-फेज ग्राउंड दोष के दौरान आर्क-ग्राउंड ओवरवोल्टेज को प्रभावी रूप से नियंत्रित करती है, सिस्टम रिझोनेंट ओवरवोल्टेज को दबाती है, अच्छे करंट-सीमित और वोल्टेज-कम करने के प्रभाव प्रदान करती है, और अपेक्षाकृत उच्च जीरो-सीक्वेंस ओवरकरंट सुरक्षा प्रदर्शन प्रदान करती है, जिससे टाइमली दोष निरसन की सुविधा होती है। हालांकि, यह विधि कुछ सीमाएं रखती है, विशेष रूप से ओवरहेड लाइन खंडों में: बढ़ी हुई ट्रिपिंग आवृत्ति विद्युत प्रणाली के संचालन को प्रभावित करती है, विद्युत आपूर्ति क्षमता को कमजोर करती है, और उपकरण रखरखाव की कठिनाई को कुछ हद तक बढ़ाती है।

5. रेलवे विद्युत प्रणालियों के लिए न्यूट्रल ग्राउंडिंग विधियों पर चर्चा

(1) स्वचालित ट्रैकिंग आर्क-सुप्रेशन कुंडल उपकरणों के उपयोग को बढ़ावा दें। यह दृष्टिकोण विद्युत प्रणाली में अस्थायी ग्राउंड दोषों को स्वचालित रूप से दूर करने का लाभ प्रदान करता है, जिससे ट्रिपों की संख्या कम होती है। जब दोष अलार्म सिग्नल जारी किया जाता है, तो स्वचालित ट्रैकिंग आर्क-सुप्रेशन कुंडल एक संबंधित प्रतिभुगतान करंट उत्पन्न करता है, जिससे विद्युत लाइन का पुनर्प्रतिभुगतान संभव होता है। यह तीन फेजों के बीच शॉर्ट-सर्किट दोषों की घटना को कम करता है और प्रणाली की स्थिरता और सुरक्षा को सुनिश्चित करता है। इसके साथ ही, क्योंकि आर्क-सुप्रेशन उपकरण की एक विशिष्ट आर्क-विलुप्त करने वाली महत्वपूर्ण मान होती है, यदि ग्राउंड-दोष करंट इस महत्वपूर्ण मान से कम हो, तो आर्क-सुप्रेशन उपकरण के प्रभाव के तहत वोल्टेज की वसूली की गति बढ़ जाती है, जो आर्क को विश्वसनीय रूप से विलुप्त करने में मदद करती है और आर्क की पुनर्जागरण की संभावना को कम करती है, इस प्रकार विद्युत घटनाओं को कम करता है और न्यूट्रल ग्राउंडिंग संचालन को प्रभावी रूप से समर्थित करता है।

(2) मौजूदा पारंपरिक गति के थ्रू-फीडर और स्वचालित ब्लॉक सिग्नलिंग लाइनों के पुनर्निर्माण के दौरान, यदि केबल लाइनें—ओवरहेड लाइनों को बदलने के बाद—एक महत्वपूर्ण अनुपात में हो, तो बॉक्स-टाइप रिएक्टरों का उपयोग करके केंद्रीय या वितरित प्रतिभुगतान को विचार करना चाहिए, जो सामान्य कैपेसिटिव करंट की स्थितियों के तहत इंडक्टिव रिएक्टिव पावर का प्रतिभुगतान करता है। टेबल 2 में गणना के अनुसार, 70 मिमी² एल्युमिनियम-कोर केबल के लिए ऑपरेटिंग कैपेसिटेंस मान 0.22 μF/किमी और 95 मिमी² एल्युमिनियम-कोर केबल के लिए 0.24 μF/किमी हैं। साथ ही, वितरण कक्षों के लिए अनुकूलन संशोधनों को विचार किया जाना चाहिए, और वितरण कक्षों में दोनों तरफ के वोल्टेज रेगुलेटरों की न्यूट्रल ग्राउंडिंग विधियों को गणना डेटा के आधार पर उपयुक्त रूप से समायोजित किया जाना चाहिए।

अत्यधिक परिस्थितियों में, यदि सिस्टम अनग्राउंड है और उच्च-गति वाली रेलवे मानकों का पालन करने वाली एकल-कोर केबलों का उपयोग किया जाता है, तो एकल-फेज़ ग्राउंड फ़ॉल्ट 2-घंटे की अनुमतिप्राप्त अवधि के भीतर साफ़ नहीं होगा। इससे केबल को निरंतर ऊष्मीय क्षति होती है। इसके अलावा, एकल-कोर केबल को क्षति होने के बाद, इसका पड़ोसी फ़ेज़ों पर अपेक्षाकृत कम प्रभाव पड़ता है, जिससे स्थिति और भी खराब हो जाती है, क्योंकि इससे संरक्षण ट्रिपिंग नहीं होती, जो आसानी से सिस्टमिक फ़ॉल्ट का कारण बन सकती है।

6. निष्कर्ष

पारंपरिक-गति वाली रेलवे शक्ति सिस्टम में, न्यूट्रल ग्राउंडिंग विधि का चयन सिस्टम के संचालन की सुरक्षा और स्थिरता को प्रत्यक्ष रूप से प्रभावित करता है। न्यूट्रल ग्राउंडिंग योजना का अनुपयुक्त चयन आसानी से द्वितीयक फ़ॉल्ट और झुंडियाँ घटनाओं का कारण बन सकता है। गणना और तुलनात्मक विश्लेषण के माध्यम से, न्यूट्रल ग्राउंडिंग विधि का समग्र और तर्कसंगत चयन फ़ॉल्ट को प्रभावी रूप से साफ़ करने, उपकरण इंसुलेशन की सुरक्षा, विश्वसनीय ट्रैक्शन शक्ति आपूर्ति, और कर्मचारियों और ट्रेन संचालन की सुरक्षा को बढ़ावा देने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।