निर्वात अवरोधक
विद्युत अभियन्त्रण में, वैक्यूम इंटरप्टर एक स्विच होता है जो वैक्यूम में विद्युत संपर्कों का उपयोग करता है। यह मध्यम-वोल्टेज सर्किट-ब्रेकर, जनरेटर सर्किट-ब्रेकर और हाई-वोल्टेज सर्किट-ब्रेकर का मुख्य घटक है। विद्युत संपर्कों के पृथक्करण का परिणाम धातु वाष्प आर्क होता है, जो जल्दी से समाप्त हो जाता है। वैक्यूम इंटरप्रेटर का उपयोग व्यापक रूप से यूटिलिटी पॉवर ट्रांसमिशन प्रणाली, विद्युत उत्पादन इकाई और रेलवे के लिए विद्युत शक्ति वितरण प्रणाली, इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस और औद्योगिक संयंत्रों में किया जाता है।
चूंकि आर्क इंटरप्टर के भीतर समाहित है, इसलिए वैक्यूम इंटरप्टर्स का उपयोग करने वाले स्विचगियर वायु, SF6 या ऑइल सर्किट ब्रेकर का उपयोग करने वाले स्विचगियर की तुलना में बहुत कॉम्पैक्ट हैं। सर्किट-ब्रेकर और लोड स्विच के लिए वैक्यूम इंटरप्टर्स का उपयोग किया जा सकता है। सर्किट-ब्रेकर वैक्यूम इंटरप्टर्स मुख्य रूप से विद्युत क्षेत्र में सबस्टेशन और बिजली उत्पादन सुविधाओं में किया जाता है और पावर-ग्रिड एंड यूजर्स के लिए लोड-स्विचिंग वैक्यूम इंटरप्टर्स का उपयोग किया जाता है।
इतिहास
विद्युत धाराओं को स्विच करने के लिए वैक्यूम का उपयोग इस अवलोकन से प्रेरित था कि एक्स-रे ट्यूब में एक सेंटीमीटर अंतर हजारों वोल्ट का सामना कर सकता है। यद्यपि 19 वीं शताब्दी के दौरान कुछ वैक्यूम स्विचन उपकरणों को पेटेंट किया गया था, लेकिन वे व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं थे। 1926 में, कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान में रॉयल सोरेनसेन के नेतृत्व में एक समूह ने वैक्यूम स्विचन की जांच की और कई उपकरणों का परीक्षण किया, वैक्यूम में आर्क व्यवधान के मौलिक पहलुओं की जांच की गई। सोरेनसन ने उस साल AIEE बैठक में परिणाम प्रस्तुत किए और स्विचों के वाणिज्यिक उपयोग की भविष्यवाणी की। 1927 में, जनरल इलेक्ट्रिक ने पेटेंट अधिकारों को खरीदा और वाणिज्यिक विकास शुरू किया। ग्रेट डिप्रेशन और ऑइल से भरे स्विचगियर के विकास के कारण कंपनी को विकास कार्य कम करना पड़ा और बहुत कम व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण काम 1950 के दशक तक वैक्यूम पावर स्विचगियर पर किया गया था।।[1]
1956 में, एच क्रॉस ने हाई-फ्रिक्वेंसी-सर्किट वैक्यूम स्विच को क्रांति प्रदान की और 200 A पर 15 kV की रेटिंग के साथ वैक्यूम स्विच का उत्पादन किया। पांच साल बाद, जनरल इलेक्ट्रिक में थॉमस एच. ली ने पहला वैक्यूम सर्किट ब्रेकर बनाया[2][3] 12.5 kA के शॉर्ट-सर्किट ब्रेकिंग करंट पर 15 kV के रेटेड वोल्टेज के साथ। 1966 में, उपकरणों को 15 kV के रेटेड वोल्टेज और 25 और 31.5 kA के शॉर्ट सर्किट ब्रेकिंग धाराओं के साथ विकसित किया गया था। 1970 के दशक के बाद, वैक्यूम स्विचों ने मध्यम-वोल्टेज स्विचगियर में न्यूनतम-ऑइल स्विचों को बदलना शुरू कर दिया। 1980 के दशक के प्रारंभ में, SF6 स्विच और ब्रेकर को भी धीरे-धीरे मध्यम-वोल्टेज अनुप्रयोग में वैक्यूम प्रौद्योगिकी द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था।
2018 तक, वैक्यूम सर्किट ब्रेकर 145 kV तक पहुंच गया और ब्रेकिंग करंट 200 kA तक पहुंच गया था।[4]
वर्गीकरण
वैक्यूम अवरोधकों को संलग्नक प्रकार, अनुप्रयोग द्वारा और वोल्टेज वर्ग द्वारा वर्गीकृत किया जा सकता है।
प्रायोगिक, रेडियो-आवृत्ति और प्रारंभिक शक्ति-स्विचिंग वैक्यूम इंटरप्टर्स में कांच के संलग्न थे। हाल ही में, पावर स्विचगियर के लिए वैक्यूम इंटरप्टर्स सिरेमिक आवरण के साथ बनाए जाते हैं।
अनुप्रयोगों और उपयोगों में सर्किट-ब्रेकर, जनरेटर सर्किट-ब्रेकर, लोड स्विच, मोटर कॉन्टैक्टर्स और रिकलोज़र शामिल हैं। विशेष-उद्देश्य वाले वैक्यूम इंटरप्टर्स भी निर्मित होते हैं, जैसे ट्रांसफार्मर टैप चेंजर्स या इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस में उपयोग किए जाते हैं।
जेनरेटर सर्किट-ब्रेकर
1990 के दशक के प्रारंभ में अनुसंधान और जांच ने जनरेटर अनुप्रयोगों के लिए वैक्यूम स्विचिंग प्रौद्योगिकी के रोजगार की अनुमति दी। जनरेटर स्विचिंग अनुप्रयोगों को बाधित उपकरणों पर उनके उच्च उपभेदों के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है, जैसे उच्च असममिति या उच्च और अतिप्रवण अस्थायी पुनराप्ति वोल्टेज की उच्च धारा; मानक IEC/IEEE 62271-37-013 (पूर्व और अभी भी वैध IEEE C37.013, 1997) को जनरेटर अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले सर्किट ब्रेकरों पर ऐसी आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पेश किया गया था।
वैक्यूम सर्किट ब्रेकर को IEC/IEEE 62271-37-013 के अनुसार जनरेटर सर्किट ब्रेकर के रूप में योग्य बनाया जा सकता है। अन्य क्विन्चिंग मीडिया (जैसे SF6 (सल्फर हेक्साफ्लोराइड), एयर ब्लास्ट या न्यूनतम ऑइल) का उपयोग करते हुए सर्किट ब्रेकरों की तुलना में, वैक्यूम सर्किट ब्रेकर के निम्नलिखित लाभ हैं:
- बड़ी रिकवरी क्षमता, अस्थायी रिकवरी वोल्टेज (अधिकांश SF6 GCB में आवश्यक) की स्थिरता को कम करने के लिए संधारकों की आवश्यकता को समाप्त करना;
- उच्च यांत्रिक और विद्युत स्थायित्व के साथ काफी अधिक संख्या और रखरखाव के बिना संभावित स्विचिंग संचालन की आवृत्ति; और
- F-गैस का उपयोग न करके पर्यावरण अनुकूल।
वैक्यूम GCBs लगातार स्विचिंग ड्यूटी के लिए उपयुक्त हैं और पंप स्टोरेज पावर प्लांट में पाए जाने वाले कम आवृत्ति धाराओं को बाधित करने के लिए उपयुक्त हैं।[5]
संरचना
वैक्यूम इंटरप्टर में सामान्यतः निश्चित और गतिमान संपर्क होता है, उस संपर्क की गति की अनुमति देने के लिए लचीला बेलोज और उच्च वैक्यूम के साथ हर्मेटिक-सील्ड ग्लास, सिरेमिक या मेटल हाउसिंग में संलग्न आर्क शील्ड होती हैं। मूविंग कॉन्टैक्ट लचीला ब्राइड द्वारा बाहरी सर्किट से जुड़ा हुआ है और उपकरण को खोलने या बंद करने की आवश्यकता होने पर प्रक्रिया द्वारा स्थानांतरित किया जाता है। चूंकि वायु दबाव संपर्कों को बंद करने की प्रवृत्ति रखता है, इसलिए परिचालन प्रक्रिया को बेलोज पर वायु के दबाव के समापन बल होने के विरूद्व संपर्क को खुला रखना चाहिए।
वायुरोधी संलग्नक
इंटरप्टर का संलग्नक कांच या सिरेमिक से बना होता है। हर्मेटिक सील यह सुनिश्चित करते हैं कि उपकरण के जीवन के लिए इंटरप्रेटर वैक्यूम को बनाए रखा जाए। एन्क्लेव गैस के लिए अभेद्य होना चाहिए और फंसे हुए गैस को छोड़ना नहीं चाहिए। स्टेनलेस-स्टील बेलोज़ इंटरप्रेटर के भीतर वैक्यूम को बाहरी वायुमंडल से अलग करता है और स्विच को खोलने और बंद करने के लिए निर्दिष्ट सीमा के भीतर संपर्क को स्थानांतरित करता है।
परिरक्षण
वैक्यूम इंटरप्टर में संपर्कों के चारों ओर और इंटरप्टर के अंत में, किसी भी संपर्क सामग्री को वैक्यूम आवरण के अंदर कोंडेंसिंग करने से रोकने के लिए ढाल होती है। इससे आवरण की इन्सुलेशन शक्ति कम हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप अंत में खुलने पर इंटरप्टर का आर्किंग हो जाता है। यह शील्ड इंटरप्रेटर के अंदर विद्युत-क्षेत्र वितरण के आकार को नियंत्रित करने में भी मदद करता है, जो उच्च ओपन-सर्किट वोल्टेज रेटिंग में योगदान देता है। यह आर्क में उत्पादित कुछ ऊर्जा को अवशोषित करने में मदद करता है, जिससे उपकरण की इंटरप्टिंग रेटिंग बढ़ जाती है।
संपर्क
बंद होने पर संपर्क सर्किट चालू करते हैं, खुले होने पर चाप के टर्मिनल बनाते हैं। वे विभिन्न प्रकार की सामग्रियों से बने होते हैं, जो लंबे समय तक संपर्क जीवन के लिए वैक्यूम इंटरप्टर के उपयोग और डिजाइन पर निर्भर करता है, वोल्टेज की तेजी से रिकवरी रेटिंग का सामना करता है, और वर्तमान चॉपिंग के कारण ओवरवॉल्टेज का नियंत्रण होता है।
एक बाहरी ऑपरेटिंग मैकेनिज्म मूविंग कॉन्टैक्ट को ड्राइव करता है, जो कनेक्टेड सर्किट को खोलता और बंद करता है। वैक्यूम इंटरप्ट्टर में मूविंग कॉन्टैक्ट को नियंत्रित करने और सीलिंग धौंकनी को मुड़ने से बचाने के लिए एक गाइड स्लीव शामिल है, जो इसके जीवन को काफी कम कर देगा।
हालांकि कुछ वैक्यूम-इंटरप्रटर डिज़ाइनों में साधारण बट संपर्क होते हैं, संपर्क आमतौर पर उच्च धाराओं को तोड़ने की क्षमता में सुधार करने के लिए स्लॉट, लकीरें या खांचे के आकार के होते हैं। आकार के संपर्कों के माध्यम से बहने वाली चाप धारा चाप स्तंभ पर चुंबकीय बल उत्पन्न करती है, जिससे चाप संपर्क स्थान संपर्क की सतह पर तेजी से आगे बढ़ता है। यह चाप द्वारा क्षरण के कारण संपर्क पहनने को कम करता है, जो संपर्क बिंदु पर संपर्क धातु को पिघला देता है।
दुनिया भर में वैक्यूम इंटरप्टर्स के केवल कुछ निर्माता ही संपर्क सामग्री का उत्पादन करते हैं। मूल कच्चा माल, तांबा और क्रोम, चाप-पिघलने की प्रक्रिया के माध्यम से एक शक्तिशाली संपर्क सामग्री में संयुक्त होते हैं। परिणामी कच्चे भागों को आरएमएफ या एएमएफ संपर्क डिस्क में संसाधित किया जाता है, अंत में स्लॉटेड एएमएफ डिस्क के साथ। संपर्क सामग्री के लिए निम्नलिखित की आवश्यकता होती है:
- उच्च तोड़ने की क्षमता: उत्कृष्ट विद्युत चालकता, छोटी तापीय चालकता, अधिक ताप क्षमता और कम गर्म इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन क्षमता;
- उच्च वोल्टेज एकदम से नीचे आ जाना और विद्युत क्षरण का प्रतिरोध;
- वेल्डिंग का प्रतिरोध;
- कम कटऑफ वर्तमान मूल्य; और
- कम गैस सामग्री (विशेष रूप से तांबा)।
सर्किट ब्रेकरों में, वैक्यूम-इंटरप्टर संपर्क सामग्री मुख्य रूप से 50-50 कॉपर-क्रोमियम मिश्र धातु होती है। वे ऑक्सीजन रहित तांबे से बनी संपर्क सीट पर ऊपरी और निचली संपर्क सतहों पर कॉपर-क्रोम मिश्र धातु शीट को वेल्डिंग करके बनाए जा सकते हैं। अन्य सामग्रियों, जैसे चांदी, टंगस्टन और टंगस्टन यौगिकों का उपयोग अन्य अवरोधक डिजाइनों में किया जाता है। वैक्यूम इंटरप्टर की संपर्क संरचना का इसकी ब्रेकिंग क्षमता, विद्युत स्थायित्व और वर्तमान चॉपिंग के स्तर पर बहुत प्रभाव पड़ता है।
धौंकनी
वैक्यूम इंटरप्रटर धौंकनी मूविंग कॉन्टैक्ट को इंटरप्रटर एनक्लोजर के बाहर से संचालित करने की अनुमति देता है, और इंटरप्टर के अपेक्षित ऑपरेटिंग जीवन पर एक लंबी अवधि के उच्च वैक्यूम को बनाए रखना चाहिए। धौंकनी 0.1 से 0.2 मिमी की मोटाई के साथ स्टेनलेस स्टील से बनी होती है। इसकी थकान (भौतिक) जीवन चाप से संचालित गर्मी से प्रभावित होता है।
वास्तविक अभ्यास में उच्च धीरज की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए उन्हें सक्षम करने के लिए, धौंकनी नियमित रूप से हर तीन महीने में सहनशक्ति परीक्षण के अधीन होती है। संबंधित प्रकार के लिए समायोजित यात्रा के साथ परीक्षण पूरी तरह से स्वचालित परीक्षण केबिन में किया जाता है।
धौंकनी जीवनकाल 30,000 सीओ ऑपरेशन चक्र से अधिक है।
ऑपरेशन
एक वैक्यूम इंटरप्टर संपर्कों की एक जोड़ी के बीच चाप को बुझाने के लिए एक उच्च वैक्यूम का उपयोग करता है। जैसे-जैसे संपर्क अलग होते जाते हैं, धारा एक छोटे से क्षेत्र से प्रवाहित होती है। संपर्कों के बीच प्रतिरोध में तेज वृद्धि होती है, और इलेक्ट्रोड-धातु वाष्पीकरण की घटना तक संपर्क सतह पर तापमान तेजी से बढ़ता है। इसी समय, छोटे संपर्क अंतराल में विद्युत क्षेत्र बहुत अधिक होता है। गैप के टूटने से एक वैक्यूम आर्क बनता है। जैसा कि प्रत्यावर्ती धारा को चाप प्रतिरोध के लिए शून्य धन्यवाद से गुजरने के लिए मजबूर किया जाता है, और निश्चित और गतिमान संपर्कों के बीच की खाई चौड़ी हो जाती है, चाप द्वारा निर्मित प्रवाहकीय प्लाज्मा (भौतिकी) अंतराल से दूर चला जाता है और गैर-प्रवाहकीय हो जाता है। करंट बाधित है।
AMF और RMF संपर्कों के चेहरों पर स्पाइरल (या रेडियल) स्लॉट होते हैं। संपर्कों का आकार चुंबकीय बल उत्पन्न करता है जो चाप स्थान को संपर्कों की सतह पर ले जाता है, इसलिए चाप बहुत लंबे समय तक एक स्थान पर नहीं रहता है। कम चाप वोल्टेज बनाए रखने और संपर्क क्षरण को कम करने के लिए चाप समान रूप से संपर्क सतह पर वितरित किया जाता है।
उत्पादन प्रक्रिया
असेंबली से पहले वैक्यूम इंटरप्टर के घटकों को अच्छी तरह से साफ किया जाना चाहिए, क्योंकि संदूषक वैक्यूम लिफाफे में गैस का उत्सर्जन कर सकते हैं। एक उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज सुनिश्चित करने के लिए, घटकों को एक साफ कमरा में इकट्ठा किया जाता है जहां धूल को सख्ती से नियंत्रित किया जाता है।
इलेक्ट्रोप्लेटिंग द्वारा सतहों को समाप्त और साफ करने के बाद और सभी एकल भागों की सतह की स्थिरता का एक ऑप्टिकल निरीक्षण किया गया है, इंटरप्रटर को इकट्ठा किया गया है। घटकों के जोड़ों पर उच्च-वैक्यूम मिलाप लगाया जाता है, भागों को संरेखित किया जाता है, और इंटरप्टर्स को ठीक किया जाता है। चूंकि असेंबली के दौरान साफ-सफाई विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, इसलिए सभी ऑपरेशन वातानुकूलित क्लीन-रूम परिस्थितियों में किए जाते हैं। इस तरह से निर्माता IEC/IEEE 62271-37-013 के अनुसार इंटरप्टर्स की लगातार उच्च गुणवत्ता और 100 kA तक की अधिकतम संभावित रेटिंग की गारंटी दे सकता है।
वैक्यूम इंटरप्टर्स की सब-असेंबली को शुरू में इकट्ठा किया गया था और एक हाइड्रोजन-वातावरण भट्टी में एक साथ टांकना किया गया था। इंटरप्टर के इंटीरियर से जुड़ी एक ट्यूब का उपयोग बाहरी वैक्यूम पंप के साथ इंटरप्टर को खाली करने के लिए किया गया था, जबकि इंटरप्टर को लगभग बनाए रखा गया था 400 °C (752 °F). 1970 के दशक के बाद से, एक संयुक्त टांकना और निकासी प्रक्रिया द्वारा एक निर्वात भट्टी | उच्च-वैक्यूम टांकना भट्टी में इंटरप्टर उप-घटकों को इकट्ठा किया गया है। दसियों (या सैकड़ों) बोतलों को एक उच्च-वैक्यूम भट्टी का उपयोग करके एक बैच में संसाधित किया जाता है, जो उन्हें 900 °C तक के तापमान और 10 के दबाव पर गर्म करता है।−6 एमबार।[6] इस प्रकार, अवरोधक जीवन भर के लिए सील की गई गुणवत्ता की आवश्यकता को पूरा करते हैं। पूरी तरह से स्वचालित उत्पादन प्रक्रिया के लिए धन्यवाद, उच्च गुणवत्ता को किसी भी समय लगातार पुन: पेश किया जा सकता है
फिर, एक्स-रे प्रक्रिया के माध्यम से रुकावटों का मूल्यांकन स्थिति के साथ-साथ आंतरिक घटकों की पूर्णता, और टांकने वाले बिंदुओं की गुणवत्ता को सत्यापित करने के लिए किया जाता है। यह वैक्यूम इंटरप्टर्स की उच्च गुणवत्ता सुनिश्चित करता है।
बनाने के दौरान, वैक्यूम इंटरप्टर की निश्चित आंतरिक ढांकता हुआ ताकत धीरे-धीरे बढ़ती वोल्टेज के साथ स्थापित की जाती है, और यह बाद में बिजली के आवेग वोल्टेज परीक्षण द्वारा सत्यापित की जाती है। वैक्यूम इंटरप्टर्स की गुणवत्ता के प्रमाण के रूप में, दोनों ऑपरेशन मानकों में निर्दिष्ट की तुलना में उच्च मूल्यों के साथ किए जाते हैं। यह लंबे धीरज और उच्च उपलब्धता के लिए आवश्यक शर्त है।
जीवन भर के लिए सील
उनकी निर्माण प्रक्रिया के कारण, वैक्यूम इंटरप्टर्स को जीवन भर के लिए सील कर दिया जाता है।[7] यह पैरा 6.8.3 पर IEEE std C37.100.1 में बताए अनुसार मॉनिटरिंग सिस्टम या जकड़न परीक्षणों की आवश्यकता से बचा जाता है।[8]
वोल्टेज से अधिक प्रभाव
कुछ परिस्थितियों में, वैक्यूम सर्किट ब्रेकर वैकल्पिक-वर्तमान सर्किट में प्राकृतिक शून्य (और वर्तमान के उलट) से पहले सर्किट में वर्तमान को शून्य करने के लिए बाध्य कर सकता है। यदि एसी-वोल्टेज वेवफॉर्म के संबंध में इंटरप्टर ऑपरेशन का समय प्रतिकूल है (जब चाप बुझ जाता है लेकिन संपर्क अभी भी चल रहे हैं और इंटरप्टर में आयनीकरण अभी तक समाप्त नहीं हुआ है), तो वोल्टेज अंतर के वोल्टेज को झेलने से अधिक हो सकता है। यह चाप को फिर से प्रज्वलित कर सकता है, जिससे अचानक क्षणिक धाराएँ बन सकती हैं। किसी भी मामले में, दोलन # विद्युत प्रणाली में पेश किया जाता है जिसके परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण ओवरवॉल्टेज हो सकता है। वैक्यूम-इंटरप्टर निर्माता वर्तमान चॉपिंग को कम करने के लिए संपर्क सामग्री और डिज़ाइन का चयन करके इन चिंताओं को दूर करते हैं। उपकरण को ओवरवॉल्टेज से बचाने के लिए, वैक्यूम स्विचगियर में आमतौर पर उछाल बन्दी शामिल होते हैं।[9] आजकल, बहुत कम करंट चॉपिंग के साथ, वैक्यूम सर्किट ब्रेकर एक ओवरवॉल्टेज को प्रेरित नहीं करेंगे जो आसपास के उपकरणों से इन्सुलेशन को कम कर सके।
संदर्भ
- ↑ Allan Greenwood, Vacuum Switchgear, IET, 1994 ISBN 0852968558, chapter 1.
- ↑ "Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers". 10. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 1982: 105.
{{cite journal}}: Cite journal requires|journal=(help) - ↑ "Summer Meeting Papers". I. E. E. E. Power Engineering Society. 1976: 36.
{{cite journal}}: Cite journal requires|journal=(help) - ↑ "Vacuum interrupter (VI) | Products & Services".
- ↑ Portal, EEP-Electrical Engineering (2019-07-01). "Protection of pumped storage power plants using vacuum generator circuit breaker (VGCB) | EEP". EEP - Electrical Engineering Portal (in English). Retrieved 2019-07-01.
- ↑ Joseph A. Eichmeier, Manfred Thumm (eds), Vacuum Electronics: Components and Devices, Springer Science & Business Media, 2008 ISBN 3540719296, page 408
- ↑ R Renz; D Gentsch; H Fink; P Slade; M Schlaug (2007). "Vacuum Interrupter - Sealed for life" (PDF). CIRED.
- ↑ C37.100.1-2007 - IEEE Standard of Common Requirements for High Voltage Power Switchgear Rated Above 1000 V. IEEE. 12 October 2007. doi:10.1109/IEEESTD.2007.4350337. ISBN 978-0-7381-5606-4.
- ↑ Robert W. Smeaton, William H. Ubert, Switchgear and Control Handbook, 3rd Edition, McGraw Hill, 1998, pages 14-29 and 14-30
