पारेषण वाहिनीचे विद्युत दोषापासून संरक्षण : संरोध अंतर अभिचलित्र (Protection of Transmission line : Impedance Distance Relay)

आपल्या दैनंदिन जीवनात विद्युत प्रवाहाचा स्रोत सतत उपलब्ध असणे अतिशय आवश्यक आहे. त्यासाठी शक्ती प्रणाली निरोगी कशी राहील, याची काळजी घेणे जरूरीचे आहे. पारेषण वाहिनी हा विद्युत जालातील प्रमुख घटक आहे. दोन लगतच्या वाहिन्यांवर झाड पडल्यामुळे किंवा मोठा पक्षी बसल्यामुळे वाहिनी ते वाहिनी मंडल संक्षेप दोष (Short Circuit Fault) निर्माण होऊ शकतो. अशाच प्रकारे वाहिनी ते जमीन तार (Ground) मंडल संक्षेप दोषही उत्पन्न होऊ शकतो. पारेषण वाहिनीचे अशा दोषांपासून संरक्षण करण्यासाठी अंतर अभिचलित्र वापरले जाते. अंतर अभिचलित्राचे संरोध अभिचलित्र, अवरोध (Reactance) अभिचलित्र, म्हो (Mho) अभिचलित्र, चौकोनी अभिचलित्र असे अनेक प्रकार आहेत. त्यांपैकी संरोध अंतर अभिचलित्र हा महत्त्वाचा प्रकार आहे.

एखाद्या वाहिनीचा संरोध म्हणजे संरोध / किमी. गुणिले वाहिनीची लांबी होय (आ. १)

Z_AB = (Z per km) * L_AB

Z_AB = वाहिनी AB चा संरोध

L_AB = वाहिनी AB ची लांबी (km)

वाहिनी A वरील P या ठिकाणचा संरोध हा संरोध / किमी.  गुणिले अंतर AP इतका असतो.

पारेषण वाहिनी AB चा आता आपण विचार करू (आ. २). पारेषण वाहिनी AB च्या A या टोकाला विद्युत उद्गम (Generator G) आहे. आपल्याला वाहिनीच्या A टोकापासून B टोकापर्यंत संरक्षित क्षेत्र तयार करायचे आहे. प्रस्तावित अंतर अभिचलित्र A या टोकाला बसवलेले असते आणि त्याचा संरोध Z_AB इतका सेट केलेला असतो. वाहिनी AB च्या अंतर्गत कुठेही दोष निर्माण झाला, तर A या ठिकाणी बसवलेले अंतर अभिचलित्र कार्य करते आणि दोषयुक्त (faulted) मंडल खंडित (Trip) करते.

मंडल खंडनाचा (Trip) नियम खालीलप्रमाणे लिहिता येतो :

जर  |Z_R| < |Z_set|  तर मंडल खंडित; अन्यथा निरुद्ध.

येथे Z_R म्हणजे  अभिचलित्राने त्याच्या स्थानावरून पाहिलेला दोषयुक्त पारेषण वाहिनीचा संरोध होय. मंडल खंडनाचा निर्णय घेण्यासाठी अभिचलित्र त्याच्या स्थानावरून दिसत असल्याप्रमाणे संरोधाची गणना करून त्याची सेट मूल्यासह (Z_set) तुलना करते.

पारेषण वाहिनीचा विद्युत दाब (Voltage) काही हजार व्होल्ट (few kV) व त्यातून जाणारा प्रवाह काही शतक (Few Hundreds) अँपिअर असतो. त्या तुलनेने अंतर अभिचलित्र कमी दाब व कमी प्रवाहावर काम करते (उदा., ११० V व ५ A). यासाठी दाब रोहित्राच्या (PT) साहाय्याने विद्युत दाब कमी केला जातो व प्रवाह रोहित्राच्या (CT) साहाय्याने विद्युत प्रवाह कमी करून तो अभिचलित्राला दिला जातो (आ. १). दोष आल्यावर अंतर अभिचलित्र मंडळ खंडकाला (Circuit breaker) सूचित करते व त्याप्रमाणे मंडल खंडक विद्युत मंडल खंडित करतो.

पारेषण वाहिनी  AB  चे दोषापासून रक्षण करण्यासाठी अंतर अभिचलित्राचे संरक्षण क्षेत्र (Zone of protection)  पारेषण वाहिनी पुरते मर्यादित ठेवलेले असते. Z_AB = Z_SET म्हणजेच पारेषण वाहिनी AB मधील अंतर्गत (Internal) दोषांसाठी (उदा., F₁) अंतर अभिचलित्र कार्य करते. परंतु पारेषण वाहिनी AB च्या बाहेरील दोषांसाठी  (उदा.,  F₂)  ते निरुद्ध (Restrain) राहते (आ. २). रोध-अवरोध प्रतलावर संरोध अभिचलित्राची कार्यकारी लक्षणे एक वर्तुळाने दाखवली जातात (आ.३). ठरविलेला संरोध Z_set ही त्या वर्तुळाची त्रिज्या असते. आदिबिंदू O (0, 0) हा वर्तुळाचा मध्यबिंदू असतो. जेव्हा दोष वाहिनी AB च्या आत असेल (उदा., F₁), तेव्हा अभिचलित्राने पाहिलेला संरोध (Z_R) ठरविलेल्या संरोधापेक्षा (Z_set) कमी असतो, म्हणजेच दोषाचा कार्यबिंदू (Operating point) वर्तुळाच्या आत असतो. संरोध अभिचलित्राचा कार्य करण्याचा नियम आहे जर  |Z_R| < |Z_set|  तर मंडल खंडन, म्हणून अभिचलित्र कार्य करते. त्यामुळे वर्तुळाच्या आतील भागाला धन घूर्णी परिबलाचा (Positive operating torque) भाग म्हणतात. जेव्हा दोष  वाहिनी AB च्या बाहेरील असेल (उदा., F₂), तेव्हा अभिचलित्राने पाहिलेला संरोध (Z_R) ठरविलेल्या संरोधापेक्षा (Z_set) जास्त असतो, म्हणजेच दोषाचा कार्यबिंदू वर्तुळाच्या बाहेर असेल तर अभिचलित्र निरुद्ध (Restrain) राहते.  जर  |Z_R| > |Z_set|  तर निरुद्ध. म्हणून वर्तुळाच्या बाहेरील भाग ऋण घूर्णी परिबलाचा (Negative operating torque) असतो.

साध्या संरोध अभिचलित्राचे कार्य फक्त संरोधाच्या मूल्यावर अवलंबून असते. Z=V/I

दाब व प्रवाह यामधील कलेच्या फरकाचा (Phase difference) विचार त्यामध्ये केलेला नसतो. त्यामुळेच साधे संरोध अभिचलित्र दिशादर्शक गुणधर्म (Directional Property) दाखवत नाही म्हणजेच सlध्या संरोध अभिचलित्राची पोहोच (Reach) ही पुढील व मागील अशा दोन्ही बाजूंना असते (आ. ४-अ आणि आ. ४-ब ). आकृतीमध्ये वर्तुळाचा पहिला चतुर्थ भाग (First Quadrant) पुढील दोष (Forward Faults) दर्शवतो व तिसरा चतुर्थ भाग मागील बाजूचे दोष (Reverse Faults) दर्शवतो.

परंतु A या ठिकाणी बसवलेल्या अंतर अभिचलित्राचे संरक्षण क्षेत्र वाहिनी AB इतके सीमित असल्याने A या ठिकाणच्या अभिचलित्राने वाहिनी AC मधील दोष पाहणे योग्य नसते. म्हणून दिशादर्शक (Directional Element) घटक वापरून अभिचलित्राची पोहोच AB इतकी सीमित ठेवली जाते (आ. ५).

जेव्हा विद्युत मंडलामध्ये दोष निर्माण होतो, तेव्हा बहुतेक वेळा लहान ठिणगी/प्रज्योत (Arc) तयार होते. दोषाच्या या प्रज्योत रोधाचा (Fault Arc Resistance) परिणाम संरोध अभिचलित्रावर होतो आणि त्याची पोहोच ठरवलेल्या पोहोचेपेक्षा कमी होते. दोषाच्या प्रज्योत रोधासह संरोध अभिचलित्राची कार्यकारी लक्षणे आ. ६ मध्ये दाखवली आहेत. वाहिनी AB वरील C येथे प्रज्योत दोष असेल आणि CR हा  ठिणगीचा रोध असेल, तर कार्यबिंदू  C पासून R येथे सरकेल. R हा बिंदू वर्तुळाच्या परिघावर असल्याने या ठिकाणी अभिचलित्र मंडल खंडित होण्याच्या शेवटच्या टोकावर राहते. जेव्हा वाहिनी AB च्या CB या भागात दोष निर्माण होतो, तेव्हा कार्यबिंदू C च्या पुढे जातो आणि ठिणगी/प्रज्योत रोधामुळे तो वर्तुळाच्या परिघाबाहेर सरकतो. त्यामुळे अभिचलित्र निरुद्ध राहते. म्हणजे दोष वाहिनीच्या CB या अंतर्भागात असूनही अभिचलित्र निरुद्ध राहते. याला अभिचलित्राची पोहोच कमतरता (Under reach) असे म्हणतात.

वाहिनीच्या संपूर्ण लांबीचे संरक्षण करण्यासाठी अंतर अभिचलित्राचे मंडल खंडनाचे लक्षण हे R – X प्रतलावरती छोटेसे क्षेत्र असायला हवे. परंतु, साध्या संरोध अभिचलित्राचे मंडल खंडनाचे लक्षण हे R – X  प्रतलावरती आवश्यकतेपेक्षा जास्त क्षेत्र व्यापते. हा गुणधर्म अभिचलित्राच्या कार्यामध्ये अडथळा उत्पन्न करतो. त्यामुळे संरोध अभिचलित्राऐवजी म्हो किंवा चौकोनी अभिचलित्र वापरण्याचे प्रमाण वाढत आहे.

दाब आणि प्रवाह रोहित्रामधील त्रुटी, वातावरणीय परिस्थिती (Atmospheric conditions) इत्यादींसारख्या कारणांमुळे अंतर अभिचलित्राची पोहोच ठरवलेल्या पोहोचेपेक्षा जास्त होण्याची शक्यता असते. त्यामुळे अभिचलित्राची पोहोच वाहिनीच्या लांबीच्या ८० —९० % इतकी ठेवली जाते. तसेच तीन पदरी अंतर अभिचलित्र संरक्षणाचा वापर केला जातो.

संदर्भ :

• Bhide, S. R.; Paithankar, Y. G. Fundamentals of Power System Protection Prentice-Hall of India Private Limited.
• Mason, Switchgear and Protection.
• Rao, S. Switchgear and Protection.

समीक्षक : एस. पी. घाणेगावकर