110 kV ट्रांसफॉर्मर न्यूट्रल पॉइंट बिजली ओवरवोल्टेज: ATP सिमुलेशन और सुरक्षा समाधान

प्रकाशित साहित्य में बिजली के उत्पात की स्थितियों के अंतर्गत ट्रांसफॉर्मर न्यूट्रल बिंदु पर ओवरवोल्टेज के विश्लेषण पर व्यापक रूप से चर्चा की गई है। हालांकि, बिजली की तरंगों की जटिलता और यादृच्छिकता के कारण, एक सटीक सैद्धांतिक विवरण प्राप्त करना अभी भी चुनौती है। इंजीनियरिंग अभ्यास में, संरक्षण उपाय आमतौर पर ऊर्जा प्रणाली कोड के आधार पर चुनी गई उपयुक्त बिजली संरक्षण उपकरणों पर आधारित होते हैं, जिसके लिए विस्तृत समर्थक दस्तावेज़ उपलब्ध हैं।

प्रसारण लाइनों या उप-स्टेशनों पर बिजली की चपेट में आने की संभावना रहती है। बिजली की तरंगें प्रसारण लाइनों के साथ फैल सकती हैं और उप-स्टेशनों में प्रवेश कर सकती हैं या उप-स्टेशन के उपकरणों पर सीधे प्रहार कर सकती हैं, जिससे ट्रांसफॉर्मर न्यूट्रल बिंदु पर ओवरवोल्टेज पैदा होता है, जो न्यूट्रल-बिंदु इन्सुलेशन के लिए खतरा बनता है। इसलिए, बिजली की स्थितियों के अंतर्गत न्यूट्रल-बिंदु ओवरवोल्टेज की विशेषताओं का अध्ययन और संरक्षण उपकरणों की वोल्टेज-सीमित क्षमता का मूल्यांकन व्यावहारिक महत्व रखता है [1]। यह शोधपत्र एक विशिष्ट 110 kV उप-स्टेशन की विन्यास पर आधारित एक सिमुलेशन अध्ययन का प्रस्ताव करता है, जो वैकल्पिक ट्रांसिएंट्स प्रोग्राम (ATP) का उपयोग करता है, जो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ट्रांसिएंट्स प्रोग्राम (EMTP) का सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला संस्करण है। बिजली की ओवरवोल्टेज सिद्धांत को 110 kV ट्रांसफॉर्मर न्यूट्रल बिंदुओं की इन्सुलेशन विशेषताओं के साथ जोड़कर, यह शोधपत्र विभिन्न बिजली तरंग स्थितियों के अंतर्गत न्यूट्रल-बिंदु ओवरवोल्टेज का सिमुलेशन करता है। सिमुलेशन के परिणामों का तुलनात्मक विश्लेषण किया जाता है, और न्यूट्रल-बिंदु ओवरवोल्टेज को कम करने के उपाय प्रस्तावित किए जाते हैं।

1. सैद्धांतिक विश्लेषण

1.1 प्रसारण लाइनों पर बिजली का प्रहार

जब एक ओवरहेड प्रसारण लाइन पर बिजली का प्रहार होता है, तो एक यात्रा तरंग चालक के साथ फैलती है [1]। उप-स्टेशनों के अंदर, अनेक छोटे संयोजक लाइनों (जैसे, ट्रांसफॉर्मर से बसबार या सर्ज आरेस्टर्स तक की कनेक्शन) बहुत संक्षिप्त अवधि की बिजली धक्के के अंतर्गत प्रसारण लाइनों की तरह व्यवहार करते हैं। ये लाइनें तेज तरंग फैलाव, प्रतिबिंब और अपवर्तन प्रक्रियाओं को प्रदर्शित करती हैं, जो अक्सर बहुत ऊंचे शिखर वाले ट्रांसिएंट ओवरवोल्टेज उत्पन्न करती हैं, जो उपकरणों को क्षति पहुंचा सकते हैं।

1.2 बिजली के उत्पात की स्थितियों के अंतर्गत Y-संयोजित ट्रांसफॉर्मर वाइंडिंग्स के पैरामीटर विश्लेषण

तीन-पावर ट्रांसफॉर्मर वाइंडिंग्स आमतौर पर Y, Yo, या Δ विन्यासों में संयोजित होते हैं। संचालन के दौरान, बिजली की तरंगें एक, दो, या तीन फेजों के माध्यम से प्रवेश कर सकती हैं [1]। यह शोधपत्र Y-संयोजित वाइंडिंग्स पर केंद्रित है, क्योंकि केवल ऐसे विन्यासों में एक उपलब्ध न्यूट्रल बिंदु होता है। जब एक ट्रांसफॉर्मर Yo में संयोजित होता है और फेजों के बीच सामान्य जोड़ को नगण्य माना जाता है, तो चाहे एक, दो, या तीन फेजों पर प्रहार हो, सिस्टम को तीन स्वतंत्र वाइंडिंग्स के रूप में विश्लेषण किया जा सकता है जिनके टर्मिनल ग्राउंड किए गए होते हैं।

2. 110 kV ट्रांसफॉर्मर न्यूट्रल बिंदुओं की इन्सुलेशन स्थिति

110 kV ट्रांसफॉर्मर न्यूट्रल बिंदुओं पर ग्रेडेड इन्सुलेशन का उपयोग किया जाता है, जो 35 kV, 44 kV, या 60 kV स्तरों में वर्गीकृत होता है। वर्तमान में, निर्माताओं द्वारा मुख्य रूप से 60 kV न्यूट्रल-बिंदु इन्सुलेशन वाले ट्रांसफॉर्मर उत्पादित किए जाते हैं। विभिन्न इन्सुलेशन स्तरों में विभिन्न डाइएलेक्ट्रिक टोलरेंस क्षमताएं होती हैं, जैसा कि सारणी 1 में दिखाया गया है। व्यावहारिक स्थितियों, इन्सुलेशन की उम्र, और विद्युत आवृत्ति वोल्टेज के लिए सुरक्षा मार्जिन को ध्यान में रखते हुए, संशोधन गुणांक लागू किए जाते हैं। एक बिजली धक्के का टोलरेंस मार्जिन गुणांक 0.6 और विद्युत आवृत्ति टोलरेंस मार्जिन गुणांक 0.85 अपनाया जाता है [1], जिससे सारणी 1 में दिए गए संदर्भ टोलरेंस मान प्राप्त होते हैं।

सारणी 1 इन्सुलेशन टोलरेंस स्तर / न्यूट्रल बिंदुओं के लिए संदर्भ टोलरेंस मान

3. सिमुलेशन और गणना

एक 110 किलोवोल्ट (kV) उपस्टेशन पर विचार कीजिए, जिसमें दो ट्रांसफॉर्मर (Y/Δ) समान्तर में कार्य कर रहे हैं, दो 110 kV आगत लाइनें, और चार 35 kV निकासी लाइनें। एकल-लाइन आरेख चित्र 1 में दिखाया गया है। एकल-प्रकार की भूमिक संबंधी दोष धारा को सीमित करने और संचार हस्तक्षेप को कम करने के लिए, आम तौर पर केवल एक ट्रांसफॉर्मर का न्यूट्रल बिंदु ग्राउंड किया जाता है, जबकि दूसरा अग्राउंड रहता है। बिजली झटके की स्थिति में, अग्राउंड ट्रांसफॉर्मर के न्यूट्रल बिंदु पर बहुत उच्च ओवरवोल्टेज पैदा हो सकता है, जो इसकी इन्सुलेशन को धमकी दे सकता है। निम्नलिखित खंड विभिन्न परिस्थितियों के तहत ATP प्रोग्राम का उपयोग करके सिमुलेशन विश्लेषण प्रस्तुत करते हैं।

चित्र 1 110 kV उपस्टेशन का एकल-लाइन आरेख

3.1 ट्रांसमिशन लाइनों से उपस्टेशन में फैलने वाला बिजली झटका

3.1.1 बिजली तरंग पैरामीटर्स का चयन

उपस्टेशन में ओवरवोल्टेज का मुख्य कारण ट्रांसमिशन लाइनों से फैलने वाला बिजली झटका है। लाइन पर अधिकतम वोल्टेज एम्प्लिट्यूड लाइन के इन्सुलेटर स्ट्रिंग के U50% सहनशीलता स्तर से अधिक नहीं हो सकता; अन्यथा, झटका उपस्टेशन में प्रवेश करने से पहले लाइन पर फ्लैशओवर हो जाएगा। क्योंकि आगत लाइन के पहले 1-2 किमी आमतौर पर सीधे बिजली झटके से सुरक्षित होते हैं, उपस्टेशन में प्रवेश करने वाली बिजली तरंगें इस सुरक्षित खंड से परे के झटकों से उत्पन्न होती हैं। उपस्टेशन के बाहर के झटकों के लिए, लाइनों ≤220 kV से उपस्टेशन में प्रवेश करने वाली बिजली धारा की मात्रा आमतौर पर ≤5 किलोऐंपियर (kA), और 330-500 kV लाइनों के लिए ≤10 kA होती है, जिसकी तीव्रता बहुत कम हो जाती है [15,17]। इन परिस्थितियों पर आधारित, बिजली तरंग एक आदर्श डबल-एक्सपोनेंशियल फंक्शन का उपयोग करके मॉडल की जाती है:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
जहाँ a और b ऋणात्मक स्थिरांक हैं, और k, a, b झटके की एम्प्लिट्यूड, फ्रंट टाइम, और टेल टाइम द्वारा निर्धारित होते हैं। यहाँ 5 kA की शिखर धारा और मानक 20/50 μs एक्सपोनेंशियल तरंग का उपयोग किया गया है।

3.1.2 उपस्टेशन उपकरण पैरामीटर सेटिंग्स

बिजली झटके में बहुत उच्च-आवृत्ति के हार्मोनिक होते हैं; इसलिए, उपस्टेशन लाइन पैरामीटर वितरित पैरामीटर के रूप में मॉडल किए जाते हैं। उपस्टेशन के अंदर के स्विच, सर्किट ब्रेकर, धारा ट्रांसफॉर्मर (CTs), और वोल्टेज ट्रांसफॉर्मर (VTs) तुल्य शंकु क्षमताओं द्वारा प्रतिनिधित्व किए जाते हैं। ट्रांसफॉर्मर की तुल्य इनपुट क्षमता Cₜ = kS⁰·⁵ द्वारा दी जाती है, जहाँ S त्रिपाद ट्रांसफॉर्मर की क्षमता है। वोल्टेज स्तर ≤220 kV के लिए, n=3, और 110 kV ट्रांसफॉर्मरों के लिए, k=540। बसबार सर्ज आरेस्टर YH1OWx-108/290 चुना गया है, और न्यूट्रल-पॉइंट सर्ज आरेस्टर YH1.5W-72/186।

3.1.3 गणना और विश्लेषण

न्यूट्रल बिंदु पर उत्पन्न ओवरवोल्टेज, यह यहाँ ग्राउंड किया गया है या नहीं, इस पर निर्भर करता है। तीन परिस्थितियों पर सिमुलेशन किया गया है: एकल-सर्किट एकल-प्रकार का झटका, एकल-सर्किट दो-प्रकार का झटका, और दो-सर्किट एकल-प्रकार का झटका, ग्राउंड और अग्राउंड न्यूट्रल-पॉइंट सर्ज आरेस्टर के साथ-साथ बिना उसके दोनों हालातों के लिए। परिणाम तालिका 2 में दिखाए गए हैं।

तालिका 2 स्थानीय रूप से ग्राउंड / अग्राउंड न्यूट्रल स्थितियों के तहत शिखर ओवरवोल्टेज

3.1.4 परिणाम विश्लेषण

सारणी 2 से, जहाँ ट्रांसफॉर्मर का न्यूट्रल स्थानीय रूप से ग्राउंड किया गया है, बसबार सर्ज आरेस्टर अतिवोल्टेज को प्रभावी रूप से सीमित करता है, इसलिए ग्राउंड न किए गए ट्रांसफॉर्मर के न्यूट्रल बिंदु पर उच्च अतिवोल्टेज नहीं आता, और न्यूट्रल-बिंदु आरेस्टर आमतौर पर संचालन नहीं करता। जहाँ न्यूट्रल बिंदु स्थानीय रूप से ग्राउंड नहीं किया गया है, वहाँ न्यूट्रल-बिंदु अतिवोल्टेज बहुत ऊँचा होता है। सर्ज आरेस्टर के बिना, यह इन्सुलेशन के लिए गंभीर धमकी खड़ा करता है (ग्रेडेड इन्सुलेशन वाले 110 किलोवोल्ट ट्रांसफॉर्मर के लिए, सुरक्षा मार्जिन को ध्यान में रखते हुए, बिजली की चाप टोक विद्युत टेंशन 195 किलोवोल्ट है)। न्यूट्रल-बिंदु सर्ज आरेस्टर को स्थापित करने से अतिवोल्टेज की चोटी में बहुत कमी आती है। इसलिए, लाइनों से फैलने वाले बिजली के सर्ज न्यूट्रल बिंदु की इन्सुलेशन को खतरा नहीं पहुंचाते, जिसमें सर्ज आरेस्टर लगाया गया है।

3.2 सबस्टेशन पर बिजली का प्रत्यक्ष प्रहार

हालांकि सबस्टेशनों में आमतौर पर व्यापक बिजली की रक्षा होती है, बिजली की जटिलता और यादृच्छिकता के कारण प्रत्यक्ष बिजली के प्रहार, हालांकि दुर्लभ, फिर भी हो सकते हैं [2] और उपकरण को नुकसान पहुंचा सकते हैं। इसलिए, प्रत्यक्ष प्रहार से न्यूट्रल बिंदु पर उत्पन्न अतिवोल्टेज और संबंधित संरक्षण उपायों का अध्ययन आवश्यक है।

3.2.1 बिजली और सबस्टेशन पैरामीटर्स का चयन

सबस्टेशन पैरामीटर्स पूर्व में परिभाषित किए गए रहते हैं। गणनाएं मानक बिजली पैरामीटर्स (1.2/50 μs) का उपयोग करके 50, 100, 200, और 250 kA के एम्प्लीच्यूर के साथ की जाती हैं। बिजली चैनल तरंग इम्पीडेंस 400 Ω लिया जाता है।

3.2.2 गणना और विश्लेषण

स्थानीय रूप से ग्राउंड और ग्राउंड न किए गए न्यूट्रल शर्तों के तहत एक-फेज बसबार पर प्रत्यक्ष बिजली के प्रहार (दो-फेज प्रहार दुर्लभ हैं) के परिणाम सारणी 3 में दिखाए गए हैं (I और II क्रमशः न्यूट्रल-बिंदु सर्ज आरेस्टर के बिना और साथ में के मामलों को दर्शाते हैं)।

सारणी 3 स्थानीय रूप से ग्राउंड / ग्राउंड न किए गए न्यूट्रल शर्तों के तहत अतिवोल्टेज की चोटी (प्रत्यक्ष प्रहार)

3.2.3 परिणाम विश्लेषण

सारणी 3 में दिखाया गया है कि बिजली की धारा की तीव्रता बढ़ने से न्यूट्रल पॉइंट पर चोटी की अतिरिक्त वोल्टेज में एक महत्वपूर्ण वृद्धि होती है, और दोलन अधिक स्पष्ट होते हैं। भारी विद्युत विसर्जक (सर्ज आरेस्टर) के भी साथ, आरेस्टर पर अवशिष्ट वोल्टेज बढ़ता है। स्थानीय रूप से अनग्राउंडेड न्यूट्रल वाले सबस्टेशनों में, बिजली के कारण न्यूट्रल-पॉइंट पर अतिरिक्त वोल्टेज विशेष रूप से गंभीर होता है। भारी विद्युत विसर्जक के भी साथ, अतिरिक्त वोल्टेज उच्च रहता है। उदाहरण के लिए, 250 किलोऐम्पियर की सीधी प्रहार के कारण न्यूट्रल-पॉइंट पर 224.1 किलोवोल्ट की अतिरिक्त वोल्टेज उत्पन्न होती है। इस मामले में, भले ही न्यूट्रल-पॉइंट आरेस्टर कार्य करे, ट्रांसफॉर्मर को नुकसान हो सकता है।

3.2.4 सुधार कार्यवाही की चर्चा

(1) ट्रांसफॉर्मर के टर्मिनल पर भारी विद्युत विसर्जक (जैसे, अनग्राउंडेड ट्रांसफॉर्मर के लिए YH10Wx-108/290 जोड़ें) लगाएं ताकि बिजली के कारण होने वाली अतिरिक्त वोल्टेज को सीमित किया जा सके।
(2) न्यूट्रल-पॉइंट भारी विद्युत विसर्जक की विसर्जन धारा क्षमता बढ़ाएं। मौजूदा विसर्जक की 186 किलोवोल्ट की अवशिष्ट वोल्टेज पर 1.5 किलोऐम्पियर की विसर्जन क्षमता है। इसे 15 किलोऐम्पियर तक बढ़ाने का प्रस्ताव है।

स्थानीय रूप से अनग्राउंडेड न्यूट्रल प्रणाली में बसबार पर सीधी बिजली के प्रहार के लिए फिर से सिमुलेशन की गई, और परिणाम सारणी 4 में दिखाए गए हैं।

सारणी 4 भारी विद्युत विसर्जक के साथ चोटी न्यूट्रल-पॉइंट अतिरिक्त वोल्टेज (सुधार कार्यवाही)

टेबल 3 और 4 की तुलना करने पर, ट्रांसफॉर्मर टर्मिनल पर एक आरेस्टर स्थापित करना न्यूट्रल-पॉइंट लाइटनिंग ओवरवोल्टेज को कम करने में असरकश है। हालांकि, सर्ज आरेस्टर की डिचार्ज क्षमता में वृद्धि करने से ओवरवोल्टेज सीमित करने में महत्वपूर्ण सुधार होता है। इसलिए, यह विधि सिफारिश की जाती है। सर्ज आरेस्टर निर्माताओं को तकनीकी सुधारों पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए ताकि डिचार्ज करंट क्षमता में वृद्धि हो सके।

4. निष्कर्ष

a) बसबार और ट्रांसफॉर्मर न्यूट्रल-पॉइंट दोनों पर सर्ज आरेस्टर स्थापित करने से, ट्रांसमिशन लाइनों से फैलने वाले लाइटनिंग सर्ज से न्यूट्रल-पॉइंट पर ओवरवोल्टेज को प्रभावी रूप से सीमित किया जा सकता है।
b) जब एक सबस्टेशन पर लाइटनिंग का सीधा हमला होता है, तो ग्राउंड नहीं किए गए ट्रांसफॉर्मर के न्यूट्रल-पॉइंट पर उच्च ओवरवोल्टेज विकसित हो सकता है। यह प्रभाव आंशिक रूप से ग्राउंड नहीं किए गए न्यूट्रल वाले प्रणालियों में अधिक उल्लेखनीय होता है, और मौजूदा ओवरवोल्टेज सुरक्षा योजनाओं के तहत, न्यूट्रल-पॉइंट इन्सुलेशन को भी नुकसान हो सकता है।
c) ट्रांसफॉर्मर टर्मिनल पर सर्ज आरेस्टर स्थापित करने से न्यूट्रल-पॉइंट ओवरवोल्टेज को सीमित करने में कोई महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं होता; न्यूट्रल-पॉइंट सर्ज आरेस्टर की डिचार्ज करंट क्षमता में वृद्धि करना ओवरवोल्टेज सीमित करने की प्रभावी विधि है।