Insulation-Structure Optimization for a Uniform Air Field and Optimal Gas-Mixture Selection for 500 kV Eco-Friendly Gas-Insulated Current Transformers

तकनीकी सारांश: 500 kV पर्यावरण-अनुकूल गैस-इन्सुलेटेड करंट ट्रांसफॉर्मर के लिए इन्सुलेशन-संरचना अनुकूलन और गैस-मिश्रण चयन

समस्या विवरण
अल्ट्रा-हाई-वोल्टेज (UHV) सबस्टेशनों के संक्रमण के लिए ऐसे करंट ट्रांसफॉर्मर (CTs) की आवश्यकता है जो उच्च परावैद्युत शक्ति (dielectric strength) और पर्यावरणीय स्थिरता के बीच संतुलन बनाए रखें। पारंपरिक तेल-मृत्त (oil-immersed) और एपॉक्सी-रेज़िन CTs कठोर परिस्थितियों में आग, उम्र बढ़ने और विफलता के जोखिमों का सामना करते हैं, जबकि SF6-इन्सुलेटेड CTs, अपने उत्कृष्ट परावैद्युत गुणों के बावजूद, 23,500 के उच्च ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल (GWP) रखते हैं, जो पेरिस समझौते और चीन के "दोहरे-कार्बन" लक्ष्यों के साथ विरोधाभासी है। SF6 को स्वच्छ शुष्क वायु या N2/O2/He मिश्रण जैसे पर्यावरण-अनुकूल विकल्पों से बदलना एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौती प्रस्तुत करता है: ये गैसें समान दबाव पर SF6 की तुलना में लगभग 30–35% कम परावैद्युत शक्ति प्रदर्शित करती हैं। फलस्वरूप, एयर-टाइप CTs के इंजीनियरिंग के लिए गैर-समान विद्युत क्षेत्रों (non-uniform electric fields) को पार करने, परावैद्युत शक्ति, तापीय प्रसार (thermal diffusion), पहचान संवेदनशीलता, पर्यावरणीय प्रभाव और लागत के बीच के समझौतों को प्रबंधित करने, और विनिर्माण सहिष्णुता (manufacturing tolerances) एवं परिचालन उतार-चढ़ाव के विरुद्ध मजबूती सुनिश्चित करने की आवश्यकता है। मौजूदा शोध में 500 kV पर्यावरण-अनुकूल गैस CTs के लिए एक व्यवस्थित दृष्टिकोण का अभाव है जो वास्तविक दुनिया की अनिश्चितताओं को ध्यान में रखते हुए ज्यामिति, गैस संरचना और परिचालन मापदंडों को एक साथ अनुकूलित कर सके।

कार्यप्रणाली
यह शोध पत्र एक क्लोज्ड-लूप डिज़ाइन फ्रेमवर्क प्रस्तावित करता है जो ज्यामितीय आयाम न्यूनीकरण (geometric dimension reduction), बहु-उद्देश्यीय गैस अनुकूलन और मजबूती स्क्रीनिंग को एकीकृत करता है।

1. ज्यामितीय न्यूनीकरण के लिए वैश्विक संवेदनशीलता विश्लेषण (Global Sensitivity Analysis):
   डिज़ाइन स्पेस की उच्च आयामीता (सात ज्यामितीय चर) को संबोधित करने के लिए, एक तीन-चरणीय स्क्रीनिंग प्रक्रिया अपनाई गई:

• मॉरिस स्क्रीनिंग (Morris Screening): महत्वपूर्ण मुख्य प्रभावों और अंतःक्रियाओं (interactions) की पहचान करने के लिए उपयोग किया गया।
• क्रिगिंग सरोगेट मॉडलिंग (Kriging Surrogate Modeling): लैटिन हाइपरक्यूब सैंपलिंग डेटा पर एक गॉसियन प्रोसेस सरोगेट को प्रशिक्षित किया गया ताकि अधिकतम विद्युत क्षेत्र शक्ति ($E_{max}$) और क्षेत्र-विकृति गुणांक ($k_E$) का अनुमान लगाया जा सके, जिससे $R^2 \geq 0.95$ की क्रॉस-वैलिडेशन प्राप्त हुई।
• सोबोल वेरिएंस डिकंपोजिशन (Sobol Variance Decomposition): सरोगेट मॉडल पर लागू किया गया ताकि प्रथम-क्रम और कुल-प्रभाव सूचकांकों को मापा जा सके, जिससे अंतःक्रिया योगदान का पता चला।
  इस प्रक्रिया ने ज्यामितीय डिज़ाइन स्पेस को सात चरों से घटाकर चार प्रमुख मापदंडों में बदल दिया: हाई-वोल्टेज इलेक्ट्रोड फिलाइट त्रिज्या ($r_{hv}$), इंटरमीडिएट-इलेक्ट्रोड सामान्यीकृत स्थिति ($h_m$), इंटरमीडिएट-इलेक्ट्रोड लंबाई ($l_m$), और मुख्य इन्सुलेशन गैप ($d$)।

2. बहु-उद्देश्यीय पारेटो अनुकूलन (NS-GA-II):
   N2/O2/He गैस मिश्रण के अनुपात और पूर्ण दबाव को अनुकूलित करने के लिए एक नॉन-डोमिनेटेड सॉर्टिंग जेनेटिक एल्गोरिदम II (NSGA-II) का उपयोग किया गया। अनुकूलन पाँच परस्पर विरोधी उद्देश्यों को लक्षित करता था:

• परावैद्युत प्रदर्शन (ब्रेकडाउन, PD, और इम्पल्स मार्जिन)।
• तापीय प्रसार (तापीय चालकता और तापमान-वृद्धि मार्जिन)।
• पहचान संवेदनशीलता (फॉल्ट गैस प्रतिक्रिया और He ट्रेसर रिटेंशन)।
• पर्यावरणीय प्रभाव (GWP और विषाक्तता)।
• इंजीनियरिंग लागत (गैस, सीलिंग और विनिर्माण लागत)।
  उद्देश्य कार्यों के लिए आवश्यक विद्युत क्षेत्र मात्राओं का वास्तविक समय में क्रिगिंग सरोगेट द्वारा पूर्वानुमान लगाया गया, जिससे बार-बार परिमित-तत्व सिमुलेशन (finite-element simulations) से बचा जा सका।

3. मजबूती मूल्यांकन (Robustness Assessment):
   इंजीनियरिंग प्रयोज्यता सुनिश्चित करने के लिए, प्रत्येक पारेटो-इष्टतम समाधान के लिए 1,000 मोंटे कार्लो सिमुलेशन किए गए। इन सिमुलेशनों में ज्यामितीय विनिर्माण सहिष्णुता ($\pm 0.5$–$2$ mm), गैस दबाव उतार-चढ़ाव ($\pm 5\%$), परिवेशी तापमान परिवर्तन ($-40^\circ\text{C}$ से $+60^\circ\text{C}$), और गैस-मिश्रण भरने की सटीकता को शामिल किया गया। समाधानों को मजबूती सूचकांक ($\eta = \mu/\sigma$) और विद्युत-क्षेत्र सुरक्षा मार्जिन के लिए 5% क्वांटाइल बाधा ($P_{5}M_E \geq 1.2$) के आधार पर फ़िल्टर किया गया।

4. व्यापक मूल्यांकन और वेटिंग (Weighting):
   पारेटो फ्रंट से एक एकल अनुशंसित योजना चुनने के लिए, इस शोध पत्र ने व्यक्तिपरक एनालिटिक हाइरार्की प्रोसेस (AHP) भार को वस्तुनिष्ठ एंट्रॉपी (Entropy) भार के साथ संयोजित किया। परिणामी रैंकिंग की निरंतरता को स्पीयरमैन रैंक-सहसंबंध गुणांकों का उपयोग करके सत्यापित किया गया।

प्रमुख योगदान

• आयामी न्यूनीकरण (Dimensionality Reduction): अध्ययन ने मात्रात्मक रूप से प्रदर्शित किया कि हाई-वोल्टेज इलेक्ट्रोड फिलाइट त्रिज्या ($r_{hv}$) और इंटरमीडिएट-इलेक्ट्रोड स्थिति ($h_m$) $E_{max}$ को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक हैं, जो आउटपुट वेरिएंस का लगभग 88% हिस्सा है। यह एक केंद्रित अनुकूलन रणनीति की अनुमति देता है बजाय एक कम्प्यूटेशनल रूप से महंगे फुल-फैक्टोरियल स्कैन के।
• एकीकृत अनुकूलन ढांचा: यह शोध पत्र एक विधि स्थापित करता है जो संरचनात्मक ज्यामिति अनुकूलन को गैस-मिश्रण चयन के साथ जोड़ता है, जो एकल-कारक अनुभवजन्य दृष्टिकोणों से आगे बढ़ता है।
• मजबूत डिज़ाइन रणनीति: पारेटो फ्रंट पर मोंटे कार्लो मजबूती मूल्यांकन को सुपरइम्पोज़ करके, अध्ययन उन समाधानों की पहचान करता है जो वास्तविक परिचालन गड़बड़ियों के तहत सुरक्षा मार्जिन बनाए रखते हैं, जो नियतात्मक अनुकूलन अध्ययनों में एक अंतर को भरता है।
• वेटिंग निरंतरता: इंजीनियरिंग डिज़ाइन में बहु-उद्देश्यीय समाधानों की रैंकिंग के लिए AHP और एंट्रॉपी विधियों का संयोजन एक स्थिर और बचाव योग्य आधार प्रदान करता है, जिसे उच्च स्पीयरमैन सहसंबंध ($\rho > 0.85$) द्वारा सत्यापित किया गया है।

परिणाम
500 kV केस स्टडी के लिए, अनुशंसित कॉन्फ़िगरेशन है:

• ज्यामिति: $r_{hv} = 45$ mm, $h_m = 0.52$।
• गैस मिश्रण: $\alpha_{N2} = 0.78$, $\alpha_{O2} = 0.21$, $\alpha_{He} = 0.01$ (1% वॉल्यूम अंश)।
• दबाव: $p = 0.5$ MPa।

प्रदर्शन तुलना:

• अनुशंसित योजना ने एक संयुक्त स्कोर ($J$) 0.812 प्राप्त किया।
• इसने SF6 बेसलाइन से 17% बेहतर प्रदर्शन किया (मुख्य रूप से पर्यावरणीय स्कोर सुधारों द्वारा संचालित)।
• इसने ड्राई-एयर स्कीम से 14% अधिक प्रदर्शन किया (बेहतर परावैद्युत और तापीय प्रदर्शन के कारण)।
• इसने N2/CO2 स्कीम को 17% से पीछे छोड़ दिया।
• मजबूती: अनुशंसित योजना ने विद्युत-क्षेत्र सुरक्षा मार्जिन के लिए मजबूती सूचकांक $\eta = 17.5$ प्रदर्शित किया, जिसमें 95% परिचालन स्थितियों में $M_E \geq 1.74$ है। यह बिना-He योजना ($\eta = 11.4$) और उच्च-He योजना ($\eta = 10.7$) की तुलना में बेहतर है, हालांकि SF6 की अंतर्निहित मजबूती ($\eta = 28.9$) से कम है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह कार्यप्रणाली पर्यावरण-अनुकूल UHV करंट ट्रांसफॉर्मर के फॉरवर्ड डिज़ाइन और प्रोटोटाइप सत्यापन के लिए एक मात्रात्मक आधार प्रदान करती है। गैस-मिश्रण चयन को अनुभवजन्य सेटिंग्स से बदलकर एक नियंत्रित मजबूत अनुकूलन आउटपुट की ओर ले जाकर, यह दृष्टिकोण इन्सुलेशन विश्वसनीयता, पर्यावरणीय प्रभाव और लागत के बीच महत्वपूर्ण ट्रेड-ऑफ को संबोधित करता है। लेखक का कहना है कि प्रस्तावित ढांचा स्थिर है और इसे भविष्य के डिजिटल-ट्विन मॉडल में शामिल किया जा सकता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हीलियम की सूक्ष्म मात्रा (~1%) लीक-ट्रेसिंग डिटेक्शन के लिए पर्याप्त है, बिना उच्च सांद्रता से जुड़ी उच्च लागतों के, जबकि अनुकूलित ज्यामिति और गैस दबाव पर्यावरण-अनुकूल गैसों की कम परावैद्युत शक्ति की भरपाई करते हैं। भविष्य के कार्य में तेज़ क्षेत्र भविष्यवाणी के लिए फिजिक्स-इन्फॉर्म्ड न्यूरल नेटवर्क्स (PINN) और प्रोटोटाइप पार्शियल डिस्चार्ज डेटा का प्रयोगात्मक सत्यापन शामिल करने का सुझाव दिया गया है।