Concerns with Faults to Ground in Wind and Solar Power Plants Implanted in Tropical Areas – The Influence of Underground Cables on the Methods of Neutral Grounding

उन गर्म, धूप से सराबोर अक्षांशों में जहाँ दुनिया के पवन और सौर फार्म तेजी से बढ़ रहे हैं, इंजीनियरों को मिट्टी के नीचे छिपी एक शांत लेकिन जिद्दी समस्या का सामना करना पड़ रहा है। ये बिजली संयंत्र बिजली को व्यक्तिगत टर्बाइनों या सौर पैनलों से एक केंद्रीय संग्रह बिंदु तक ले जाने के लिए जमीन के नीचे दबी विशाल केबल नेटवर्क पर निर्भर करते हैं। हालांकि केबल को जमीन में दबाने से वे तूफानों से सुरक्षित रहते हैं और परिदृश्य साफ रहता है, लेकिन यह सिस्टम की विद्युत प्रकृति को इस तरह बदल देता है जैसे कि ओवरहेड तार नहीं करते। भूमिगत केबल विद्युत आवेश के एक विशाल, अदृश्य स्पंज की तरह कार्य करते हैं, जो धातु के चालक और पृथ्वी के बीच काफी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत करते हैं। जब कोई दोष (फॉल्ट) होता है—जैसे कि कोई तार गलती से जमीन को छू लेता है—तो यह संग्रहीत ऊर्जा बाहर निकल आती है, जिससे एक ऐसा करंट उत्पन्न होता है जो पारंपरिक ओवरहेड लाइनों पर प्रशिक्षित इंजीनियरों की अपेक्षा बहुत अलग व्यवहार करता है। यदि सुरक्षा प्रणालियाँ, जो मूल रूप से सर्किट ब्रेकर और सेंसर हैं जिन्हें आपदा के दौरान बिजली काटने के लिए डिज़ाइन किया गया है, इस छिपे हुए उछाल (सर्ज) के लिए समायोजित नहीं की जाती हैं, तो वे आवश्यकता पड़ने पर कार्य करने में विफल हो सकती हैं या, इससे भी बदतर, अनावश्यक रूप से ट्रिप होकर एक स्वस्थ प्लांट को बंद कर सकती हैं।

ब्राजील और जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में पवन और सौर संयंत्रों में वास्तविक दुनिया की विफलताओं की जांच करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने इन संयंत्रों के डिजाइन के दौरान लिए गए एक महत्वपूर्ण निर्णय पर ध्यान केंद्रित किया: मुख्य ट्रांसफार्मर के केंद्र बिंदु को जमीन से कैसे जोड़ा जाए। यह कनेक्शन, जिसे ग्राउंडिंग कहा जाता है, यह निर्धारित करता है कि सिस्टम एक एकल तार के जमीन को छूने पर कैसे व्यवहार करता है। शोधकर्ताओं ने तीन विशिष्ट, वास्तविक जीवन की घटनाओं का विश्लेषण किया जहाँ सुरक्षा प्रणालियाँ विफल रहीं, जिसमें वोल्टेज और करंट की विस्तृत रिकॉर्डिंग का उपयोग यह समझने के लिए किया गया कि वास्तव में क्या गलत हुआ। उनकी जांच से पता चला कि लंबे भूमिगत केबल और ग्राउंडिंग पद्धति के चुनाव का संयोजन एक नाजुक संतुलन बनाता है जो आसानी से बिगड़ सकता है। कुछ मामलों में, सिस्टम इतना संवेदनशील होता है कि एक लाइन में दोष होने पर एक स्वस्थ पड़ोसी लाइन भी बंद हो जाती है। अन्य मामलों में, केबल की संग्रहीत ऊर्जा और ग्राउंडिंग उपकरण के बीच की अंतःक्रिया विद्युत कंपनों (वाइब्रेशन) को जन्म देती है जो सेंसरों को भ्रमित कर देती है, जिससे वे वास्तविक खतरे को अनदेखा कर देते हैं।

यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि सबसे आम समाधान, जिसमें ट्रांसफार्मर के केंद्र को सीधे पृथ्वी से जोड़ना शामिल है, इन लंबे भूमिगत नेटवर्क के लिए अक्सर बहुत जोखिम भरा होता है क्योंकि यह दोषपूर्ण करंट (फॉल्ट करंट) को खतरनाक रूप से उच्च होने देता है, जिससे केबलों के चारों ओर सुरक्षात्मक धातु कवच पिघल सकते हैं। इसके बजाय, इंजीनियर आमतौर पर दो विकल्पों में से एक चुनते हैं: या तो वे बिजली के प्रवाह को जमीन की ओर धीमा करने के लिए एक रेजिस्टर (प्रतिरोधक) लगाते हैं, या वे करंट के लिए एक रास्ता बनाने हेतु 'जिग-ज़ैग' (zig-zag) नामक एक विशेष प्रकार के ट्रांसफार्मर का उपयोग करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि रेजिस्टर आम तौर पर अधिक विश्वसनीय विकल्प है, लेकिन इसका उपयोग तभी किया जा सकता है जब ट्रांसफार्मर में एक सुलभ केंद्र बिंदु हो। जब वह बिंदु छिपा हुआ होता है, तो जिग-ज़ैग ट्रांसफार्मर ही एकमात्र विकल्प बन जाता है, लेकिन यह अपने साथ कई चुनौतियाँ भी लाता है।

एक मामले में जिसका उन्होंने अध्ययन किया, एक विशिष्ट केबल में दोष उत्पन्न हुआ, लेकिन उस केबल के लिए सुरक्षा प्रणाली ट्रिप नहीं हुई। इसके बजाय, पास के एक पूरी तरह से स्वस्थ केबल की प्रणाली बंद हो गई। रिकॉर्डिंग ने दिखाया कि पूरे प्लांट के केबलों में संग्रहीत विद्युत आवेश दोष की ओर तेजी से बढ़ा, जिससे एक ऐसा करंट उत्पन्न हुआ जो गलत ब्रेकर को सक्रिय करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली था। दूसरे मामले में, जहाँ जिग-ज़ैग ट्रांसफार्मर का उपयोग किया गया था, दोष ने विद्युत तरंगों का एक अराजक मिश्रण पैदा किया जिसमें छिपी हुई आवृत्तियाँ (फ्रीक्वेंसी) शामिल थीं। इन आवृत्तियों ने सुरक्षा सेंसरों को भ्रमित कर दिया, जो सामान्य स्टार्टअप सर्ज के कारण होने वाले समान पैटर्न को अनदेखा करने के लिए प्रोग्राम किए गए थे, जिससे सिस्टम ने दोष को हानिरहित मान लिया और बिजली काटने में विफल रहा। इस विफलता ने दोष को तब तक जारी रहने दिया जब तक कि एक बैकअप सिस्टम ने हस्तक्षेप नहीं किया, लेकिन तब तक वोल्टेज अस्थिर हो चुका था।

शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि दोष दूर होने के बाद सिस्टम के उबरने का तरीका ग्राउंडिंग पद्धति पर निर्भर करता है। जब जिग-ज़ैग ट्रांसफार्मर का उपयोग किया जाता है, तो केबलों में संग्रहीत ऊर्जा का अचानक निकलना वोल्टेज में भारी उछाल और विकृति पैदा कर सकता है, जिसे फेरोरेजोनेंस (ferroresonance) नामक घटना कहा जाता है। यह उछाल ऐसे स्तर तक पहुँच सकता है जो सर्ज प्रोटेक्टर्स जैसे महंगे उपकरणों को नुकसान पहुँचा सके। इसके विपरीत, जब रेजिस्टर का उपयोग किया जाता है, तो दोष समाप्त होने के बाद वोल्टेज सुचारू रूप से और अनुमानित रूप से स्थिर हो जाता है। अपने निष्कर्षों की पुष्टि करने के लिए, टीम ने बिजली संयंत्र का एक डिजिटल मॉडल बनाया और दोषों का अनुकरण (सिमुलेशन) किया। कंप्यूटर सिमुलेशन ने वास्तविक दुनिया की रिकॉर्डिंग से सटीक मिलान किया, जिससे पता चला कि रेजिस्टर ने लगातार करंट और वोल्टेज को सुरक्षित सीमाओं के भीतर रखा, जबकि जिग-ज़ैग ट्रांसफार्मर अक्सर अप्रत्याशित उछाल और करंट कैंसिलेशन की ओर ले गया जिसने दोष का पता लगाना कठिन बना दिया।

अंतिम निष्कर्ष यह है कि कोई एक एकल, पूर्ण समाधान नहीं है जो हर प्लांट के लिए काम करे, लेकिन ग्राउंडिंग पद्धति का चुनाव ही यह तय करने वाला कारक है कि सुरक्षा प्रणाली सही ढंग से काम करेगी या नहीं। रेजिस्टर पसंदीदा विधि है क्योंकि यह सुरक्षा उपकरणों के लिए एक स्थिर वातावरण प्रदान करती है, लेकिन इसके लिए एक विशिष्ट प्रकार के ट्रांसफार्मर की आवश्यकता होती है। जब वह संभव न हो, तो जिग-ज़ैग ट्रांसफार्मर का उपयोग किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए सुरक्षा सेंसरों की बहुत सावधानीपूर्वक ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है ताकि विद्युत हार्मोनिक्स और वोल्टेज स्पाइक्स के कारण होने वाले भ्रम से बचा जा सके। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि चूंकि ये भूमिगत केबल आधुनिक नवीकरणीय ऊर्जा परियोजनाओं में इतने सामान्य हैं, इसलिए इंजीनियर अब पुराने नियमों पर भरोसा नहीं कर सकते। इसके बजाय, उन्हें अपने साइट की विशिष्ट स्थितियों का अनुकरण करने के लिए उन्नत कंप्यूटर टूल का उपयोग करना चाहिए, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सुरक्षा सेटिंग्स जमीन के नीचे के केबलों के अद्वितीय व्यवहार के लिए ट्यून की गई हैं। यह सावधानीपूर्वक तैयारी ही एकमात्र तरीका है जिससे यह सुनिश्चित किया जा सके कि जब कोई दोष होता है, तो सिस्टम बिल्कुल इच्छित तरीके से प्रतिक्रिया करता है, जिससे बिजली भी चालू रहती है और उपकरण भी सुरक्षित रहते हैं।