110 kV ترانسفورمر نیوٹرل پوائنٹ بجلی کا زیادہ دباؤ: ATP سимولیشن اور پروٹیکشن سلوشنز

ترفیع کے زیر برق کی شدید حالت کے تحت ترانس فارمر کے نیوٹرل پوائنٹس پر اکثر مطالعہ کیا جاتا ہے۔ لیکن، برق کی لہروں کی پیچیدگی اور اتفاقیت کی وجہ سے، درست نظریاتی وصف کو حاصل کرنا مشکل رہا ہے۔ مهندسی عمل میں، حفاظتی اقدامات عام طور پر برق کے نظام کے قوانین کے بنیاد پر منتخب کردہ مناسب برق کے تحفظ کے آلات کے ذریعے تعین کیے جاتے ہیں، جس کے لئے وسیع معلوماتی دستاویزات دستیاب ہیں۔

انتقالی لائنوں یا سب سٹیشنوں کو برق کے حملے کا نشانہ بنایا جا سکتا ہے۔ برق کی شدید حالت کے لہر انتقالی لائنوں کے ساتھ سب سٹیشنوں میں داخل ہوسکتی ہیں یا سب سٹیشن کے آلات پر مستقیم حملہ کرسکتی ہیں، جس سے ترانس فارمر کے نیوٹرل پوائنٹس پر اوورولٹیج پیدا ہوتا ہے، جو نیوٹرل پوائنٹ کی عایقیت کے لئے خطرہ ہوتا ہے۔ اس لئے، برق کی شدید حالت کے تحت نیوٹرل پوائنٹ کے اوورولٹیج کی خصوصیات کا مطالعہ کرنا اور حفاظتی آلات کی ولٹیج محدود کرنے کی کارکردگی کا جائزہ لینا عملی اہمیت رکھتا ہے [1]۔ اس مقالے میں، الٹرنیٹیو ٹرانزیئنٹ پروگرام (ATP) کا استعمال کرتے ہوئے ایک مخصوص 110 kV سب سٹیشن کی کنفیگریشن کے بنیاد پر ایک محاکاة کا مطالعہ پیش کیا گیا ہے۔ برق کی اوورولٹیج کے نظریہ کو 110 kV ترانس فارمر کے نیوٹرل پوائنٹس کی عایقیت کے خصوصیات کے ساتھ جوڑ کر، مقالہ مختلف برق کی لہروں کی حالت کے تحت نیوٹرل پوائنٹ کے اوورولٹیج کی محاکاة کرتا ہے۔ محاکاة کے نتائج کا متعلقہ تجزیہ کیا گیا ہے، اور نیوٹرل پوائنٹ کے اوورولٹیج کو کم کرنے کے اقدامات پیش کیے گئے ہیں۔

1. نظریاتی تجزیہ

1.1 انتقالی لائنوں پر برق کا حملہ

جب ایک اوورہیڈ انتقالی لائن کو برق کا حملہ ہوتا ہے، تو ایک سفر کرنے والی لہر کونڈکٹر کے ساتھ سفر کرتی ہے [1]۔ سب سٹیشنوں کے اندر، بہت ساری مختصر کنکشن لائنز (مثال کے طور پر، ترانس فارمر سے بس بار یا سرگرمی کے روکنے والے تک کنکشن) بہت مختصر مدت کی برق کی شدید حالت کے تحت انتقالی لائنوں کی طرح کام کرتی ہیں۔ ان لائنوں میں تیز لہر کی منتقلی، انعکاس اور انکسار کی پروسیسوں کا پیدا ہونا عام ہے، جس سے موقتی اوورولٹیج پیدا ہوتا ہے جس کی بہت زیادہ اونچائی ہوتی ہے جس سے آلات کو نقصان پہنچ سکتا ہے۔

1.2 برق کی شدید حالت کے تحت Y-کنکشن والے ترانس فارمر کے وائنڈنگز کا پیرامیٹرز کا تجزیہ

تین فیز ترانس فارمر کے وائنڈنگز عام طور پر Y، Yo، یا Δ کنکشن میں ہوتے ہیں۔ آپریشن کے دوران، برق کی شدید حالت کوئی ایک، دو یا حتی کہ تین فیز کے ذریعے داخل ہوسکتی ہے [1]۔ اس مقالے میں Y-کنکشن والے وائنڈنگز پر توجہ مرکوز کی گئی ہے، کیونکہ صرف ایسی کنکشن میں نیوٹرل پوائنٹ دستیاب ہوتا ہے۔ جب ترانس فارمر Ko-کنکشن میں ہوتا ہے اور فیزوں کے درمیان باہمی جوڑ کو غیر موثر سمجھا جاتا ہے، تو کسی ایک، دو یا تین فیز پر حملہ ہونے پر، نظام کو تین مستقل وائنڈنگز کے طور پر تجزیہ کیا جاسکتا ہے جن کے ٹرمینل گراؤنڈ ہوتے ہیں۔

2. 110 kV ترانس فارمر کے نیوٹرل پوائنٹس کی عایقیت کی حالت

110 kV ترانس فارمر کے نیوٹرل پوائنٹس پر گریڈڈ عایقیت کا استعمال کیا جاتا ہے، جس کی کیفیت 35 kV، 44 kV، یا 60 kV کی ہوتی ہے۔ حالیہ وقت میں، صنعت کار 60 kV نیوٹرل پوائنٹ کی عایقیت کے ساتھ ترانس فارمر کی تیاری کرتے ہیں۔ مختلف عایقیت کی کیفیتوں کی الیکٹریکل کیپیسٹی مختلف ہوتی ہے، جیسا کہ جدول 1 میں دکھایا گیا ہے۔ عملی شرائط، عایقیت کی پرانی ہونے اور پاور فریکوئنسی ولٹیج کے لئے سلامتی کے مارجن کو مد نظر رکھتے ہوئے، تصحيح کے عوامل کا استعمال کیا جاتا ہے۔ برق کی شدید حالت کے لئے 0.6 کا مارجن اور پاور فریکوئنسی کے لئے 0.85 کا مارجن کا استعمال کیا جاتا ہے [1]، جس سے جدول 1 میں مرجعی تحمل کی قیمتیں حاصل ہوتی ہیں۔

جدول 1 نیوٹرل پوائنٹس کی عایقیت کی تحمل کی کیفیت / مرجعی تحمل کی قیمتیں

3. تشبیہ اور حساب

دو ٹرانسفارمرز (Y/Δ) کے ساتھ ایک 110 kV کا سب اسٹیشن تصور کریں جو متوازی میں کام کر رہے ہوں، دو 110 kV ان کمنگ لائنوں، اور چار 35 kV آؤٹ گونگ لائنوں کے ساتھ۔ سنگل لائن ڈائریگرام شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔ سنگل-فیز گراؤنڈنگ فالٹ کرنٹس کو محدود کرنے اور مواصلاتی تداخل کو کم کرنے کے لیے، عام طور پر صرف ایک ٹرانسفارمر کا نیوٹرل پوائنٹ گراؤنڈ کیا جاتا ہے جبکہ دوسرا غیر گراؤنڈ رہتا ہے۔ بجلی کے طوفان کی حالت میں، غیر گراؤنڈ ٹرانسفارمر کے نیوٹرل پوائنٹ پر بہت زیادہ اوور وولٹیج پیدا ہو سکتی ہے، جو اس کے عزل کے لیے خطرہ ہوتی ہے۔ مندرجہ ذیل حصوں میں مختلف حالات کے تحت ATP پروگرام کا استعمال کرتے ہوئے تشبیہاتی تجزیہ پیش کیا گیا ہے۔

شکل 1 110 kV سب اسٹیشن کا سنگل لائن ڈائریگرام

3.1 ٹرانسمیشن لائنوں سے سب اسٹیشن میں داخل ہونے والی بجلی کی لہر کا پھیلاؤ

3.1.1 بجلی کی لہر کے پیرامیٹرز کا انتخاب

سب اسٹیشنوں میں اوور وولٹیج کی بنیادی وجہ ٹرانسمیشن لائنوں سے پھیلنے والی بجلی کی لہر ہوتی ہے۔ لائن پر زیادہ سے زیادہ وولٹیج کی امپلیٹیوڈ لائن کے ان سولیٹر سٹرنگ کی U50% برداشت سطح سے زیادہ نہیں ہو سکتی؛ ورنہ لائن پر فلاش اوور ہو جائے گا اس سے قبل کہ لہر سب اسٹیشن میں داخل ہو۔ چونکہ ان کمنگ لائن کے پہلے 1–2 کلومیٹر عام طور پر براہ راست بجلی کے حملوں سے محفوظ ہوتے ہیں، اس لیے سب اسٹیشن میں داخل ہونے والی بجلی کی لہریں عموماً اس محفوظ حصے سے باہر کے حملوں سے نکلتی ہیں۔ سب اسٹیشن کے باہر بجلی گرنے کی صورت میں، ≤220 kV لائنوں کے ذریعے سب اسٹیشن میں داخل ہونے والے بجلی کے کرنٹ کی مقدار عام طور پر ≤5 kA ہوتی ہے، اور 330–500 kV لائنوں کے لیے ≤10 kA، جس کی شدّت میں قابلِ ذکر کمی ہوتی ہے [15,17]۔ ان شرائط کی بنیاد پر، بجلی کی لہر کو ایک معیاری ڈبل ایکسپوننشل فنکشن کے ذریعے ماڈل کیا گیا ہے:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
جہاں a اور b منفی دائم ہیں، اور k, a, b لہر کی شدت، فرنٹ ٹائم، اور ٹیل ٹائم کی بنیاد پر طے کیے جاتے ہیں۔ یہاں 5 kA کا پیک کرنٹ اور معیاری 20/50 μs ایکسپوننشل لہر استعمال کی گئی ہے۔

3.1.2 سب اسٹیشن کے سامان کے پیرامیٹرز کی ترتیب

بجلی کی لہروں میں بہت زیادہ فریکوئنسی ہارمونکس شامل ہوتے ہیں؛ اس لیے سب اسٹیشن لائن کے پیرامیٹرز کو تقسیم شدہ پیرامیٹرز کے طور پر ماڈل کیا جاتا ہے۔ سب اسٹیشن کے اندر سوئچ، سرکٹ بریکرز، کرنٹ ٹرانسفارمرز (CTs)، اور وولٹیج ٹرانسفارمرز (VTs) کو مساوات شانٹ کیپاسیٹنس کے ذریعے ظاہر کیا جاتا ہے۔ ٹرانسفارمر کی مساوات اندراج کیپاسیٹنس Cₜ = kS⁰·⁵ کے ذریعے دی جاتی ہے، جہاں S تین فیز ٹرانسفارمر کی صلاحیت ہے۔ وولٹیج سطحوں ≤220 kV کے لیے، n=3، اور 110 kV ٹرانسفارمرز کے لیے، k=540۔ بس بار سرج اریسٹر YH1OWx-108/290 منتخب کیا گیا ہے، اور نیوٹرل پوائنٹ سرج اریسٹر YH1.5W-72/186 کے طور پر ہے۔

3.1.3 حساب اور تجزیہ

نیوٹرل پوائنٹ پر پیدا ہونے والی اوور وولٹیج مختلف ہوتی ہے چاہے وہ مقامی طور پر گراؤنڈ ہو یا غیر گراؤنڈ۔ تین مناظر کے لیے تشبیہات کی گئی ہیں: سنگل سرکٹ سنگل فیز سرج، سنگل سرکٹ ٹو فیز سرج، اور ڈبل سرکٹ سنگل فیز سرج، دونوں صورتوں پر غور کرتے ہوئے نیوٹرل پوائنٹ سرج اریسٹر کے ساتھ اور بغیر۔ نتائج جدول 2 میں دکھائے گئے ہیں۔

جدول 2 مقامی طور پر گراؤنڈ / غیر گراؤنڈ نیوٹرل کی حالت میں زیادہ سے زیادہ اوور وولٹیج

3.1.4 نتائج التحليل

من الجدول 2، في الأنظمة التي يتم فيها تردي الأرضية المحلية للحول، يقوم مانع الصواعق على الحافلة بتحديد الفولتية الزائدة بشكل فعال، لذا فإن نقطة الوسط للحول غير المتصل بالأرض لا تتعرض لفولتية زائدة عالية، ولا يعمل عادةً مانع الصواعق لنقطة الوسط. في الأنظمة التي تكون نقطة الوسط غير متصلة بالأرض محلياً، تكون الفولتية الزائدة لنقطة الوسط مرتفعة جداً. بدون مانع الصواعق، يشكل هذا تهديداً خطيراً للعزل (حيث أن الجهد المقاوم للصواعق الكهربائية لحول 110 كيلوفولت مع العزل المتدرج، ومع الأخذ بعين الاعتبار الهامش الأمني، هو 195 كيلوفولت). تثبيت مانع الصواعق لنقطة الوسط يقلل بشكل كبير من الذروة الفولتية الزائدة. وبالتالي، فإن الصواعق الكهربائية المنتشرة عبر الخطوط لا تشكل تهديداً للعزل لنقطة الوسط المزودة بممانع الصواعق.

3.2 الصاعقة المباشرة على المحطة الكهربائية

على الرغم من أن المحطات الكهربائية عادة ما تكون مجهزة بحماية صواعق شاملة، إلا أن الصواعق المباشرة، رغم ندرتها بسبب تعقيد وعشوائية الصواعق، يمكن أن تحدث [2] وتسبب أضرارًا للمعدات. لذا، من الضروري دراسة الفولتية الزائدة عند نقطة الوسط الناجمة عن الصواعق المباشرة والتدابير الوقائية المقابلة.

3.2.1 اختيار معلمات الصاعقة والمحطة الكهربائية

تبقى معلمات المحطة الكهربائية كما تم تعريفها سابقاً. يتم إجراء الحسابات باستخدام المعلمات القياسية للصاعقة (1.2/50 ميكروثانية) مع سعات 50 و 100 و 200 و 250 كيلوامبير. يتم اعتبار معاوقة موجة قناة الصاعقة 400 أوم.

3.2.2 الحساب والتحليل

تظهر النتائج للصاعقة المباشرة على حافلة أحادية الطور (الصواعق ثنائية الطور نادرة) تحت ظروف الأرضية المحلية والغير متصلة بالأرض في الجدول 3 (I و II يمثلان الحالات دون وجود وموجود مانع الصواعق لنقطة الوسط).

جدول 3 ذروة الفولتية الزائدة تحت ظروف الأرضية المحلية / الغير متصلة بالأرض (الصاعقة المباشرة)

3.2.3 نتائج التحليل

كما هو موضح في الجدول 3، مع زيادة سعة تيار الرعد، يزداد ذروة الجهد الزائد عند نقطة المحايد بشكل كبير، وتصبح التذبذبات أكثر وضوحاً. حتى مع وجود مثبط للشرارة، يزداد الجهد المتبقي عبر المثبط. في محطات التحويل التي تكون فيها النقطة المحايدة غير مربوطة بالأرض محلياً، يكون الجهد الزائد عند نقطة المحايد بسبب الرعد شديد بشكل خاص. وحتى مع وجود مثبط للشرارة، يبقى الجهد الزائد مرتفعاً. على سبيل المثال، ضربة مباشرة بقوة 250 كا تولد جهد زائد عند نقطة المحايد بقيمة 224.1 كف. في هذه الحالة، حتى لو عمل مثبط الشرارة عند نقطة المحايد، قد يتعرض المحول للتلف.

3.2.4 مناقشة إجراءات التحسين

(1) تثبيت مثبط للشرارة عند طرف المحول (مثل إضافة YH10Wx-108/290 للمحولات غير المرتبطة بالأرض) لتقييد الجهد الزائد بسبب الرعد.
(2) زيادة قدرة تفريغ التيار لـ مثبط الشرارة عند نقطة المحايد. المثبط الحالي لديه قدرة تفريغ تبلغ 1.5 كا عند جهد متبقي قدره 186 كف. تم اقتراح زيادة هذه القدرة إلى 15 كا.

تم إجراء محاكاة جديدة لضربة رعد مباشرة على الحافلة في نظام غير مربوط بالأرض محلياً، والنتائج موضحة في الجدول 4.

الجدول 4 ذروة الجهد الزائد عند نقطة المحايد مع مثبط للشرارة (إجراءات محسنة)

جدول 3 اور جدول 4 کے موازنہ سے ظاہر ہوتا ہے کہ ترانس فارمر کے ٹرمینل پر ایک آریسٹر لگانے سے نیوٹرل پوائنٹ پر بجلی کی چمک کی وجہ سے بننے والی اوور وولٹیج کو کم کرنے میں کامیابی نہیں ہوتی۔ البتہ، سرگ آریسٹر کی ڈسچارج صلاحیت میں اضافہ کرنا اوور وولٹیج کی محدودیت میں معقول حد تک بہتری لاتا ہے۔ لہذا، یہ طریقہ تجویز کیا جاتا ہے۔ سرگ آریسٹر کے صنعت کاروں کو ڈسچارج کرنٹ کیپیسٹی میں بہتری کے لئے ٹیکنالوجی کی ترقی پر مرکوز ہونے کی تجویز دی جاتی ہے۔

4. نتیجة

a) بس بار اور ترانس فارمر کے نیوٹرل پوائنٹ دونوں پر سرگ آریسٹرز لگانے سے ترانسمیشن لائنوں سے پھیلنے والی بجلی کی چمک کی وجہ سے نیوٹرل پوائنٹ پر پیدا ہونے والی اوور وولٹیج کو محدود کرنے میں کامیابی حاصل ہوتی ہے۔
b) جب کسی سبسٹیشن کو بجلی کی چمک کا مستقیم حملہ ہوتا ہے تو غیر زمینی ترانس فارمر کے نیوٹرل پوائنٹ پر بہت زیادہ اوور وولٹیج پیدا ہوسکتی ہے۔ یہ اثر جزوی طور پر غیر زمینی نظاموں میں زیادہ واضح ہوتا ہے، اور موجودہ اوور وولٹیج کی حفاظتی منصوبوں کے تحت نیوٹرل پوائنٹ کی عایقیت کسی بھی طور پر نقصان پہنچ سکتی ہے۔
c) ترانس فارمر کے ٹرمینل پر سرگ آریسٹر لگانے سے نیوٹرل پوائنٹ پر پیدا ہونے والی اوور وولٹیج کو محدود کرنے میں کوئی قابل ذکر اثر نہیں ہوتا؛ نیوٹرل پوائنٹ کے سرگ آریسٹر کی ڈسچارج کرنٹ کیپیسٹی میں اضافہ کرنا اوور وولٹیج کی محدودیت کے لئے ایک موثر طریقہ ہے۔