निम्न-वोल्टेज इन्सुलेटर विद्युत उपकरणों की रक्षा कैसे करता है

परावैद्युत सामर्थ्य और सामग्री की दृढ़ता: कम वोल्टेज इन्सुलेटर के आधारभूत सुरक्षा तंत्र

परावैद्युत सामर्थ्य कम वोल्टेज की नामित स्थितियों के तहत विद्युत भंग को कैसे रोकती है

किसी पदार्थ की विद्युतरोधी सामर्थ्य, जिसे किलोवोल्ट प्रति मिलीमीटर (kV/mm) में मापा जाता है, बताती है कि कोई विद्युतरोधी पदार्थ संपूर्ण रूप से विफल होने से पहले कितने विद्युत क्षेत्र को सहन कर सकता है। 1 kV से कम निम्न वोल्टेज पर कार्य करने वाले परिपथों के लिए, उच्च विद्युतरोधी गुणों वाले पदार्थ सर्वोत्तम कार्य करते हैं। सिरेमिक्स की सामर्थ्य आमतौर पर 12 से 20 kV/mm के बीच होती है, जबकि कांच-प्रबलित प्लास्टिक्स की सामर्थ्य लगभग 10 से 15 kV/mm के आसपास होती है। ये पदार्थ विद्युत धाराओं के खिलाफ एक अच्छा बफर उत्पन्न करते हैं, भले ही मानकों जैसे IEC 60664-1 के अनुसार सामान्य स्तर के लगभग 150% तक के अचानक वोल्टेज स्पाइक्स हों। हालाँकि, आर्द्रता एक वास्तविक समस्या पैदा करती है। नमी इन विद्युतरोधकों की प्रभावशीलता को 15% से 30% तक कम कर सकती है, विशेष रूप से उन पदार्थों में जिनमें सूक्ष्म छिद्र होते हैं। इसीलिए इंजीनियर्स अक्सर विश्वसनीय दीर्घकालिक प्रदर्शन के लिए सतह-सील किए गए संयोजक पदार्थों को निर्दिष्ट करते हैं। जब अपर्याप्त प्रतिरोध के कारण विद्युतरोधन विफल होता है, तो खतरनाक ट्रैकिंग होती है। यह पदार्थ की सतह पर कार्बन के मार्ग उत्पन्न करता है जो कभी भी नहीं गायब होते, और समय के साथ-साथ विद्युतरोधन के सुरक्षात्मक गुणों को क्रमशः नष्ट कर देते हैं।

यांत्रिक दृढ़ता क्यों सुनिश्चित करती है कि तापीय चक्र और कंपन के बीच दीर्घकालिक स्थिरता बनी रहे

घटकों की यांत्रिक दृढ़ता ऊष्मीय तनाव और कंपन के कारण होने वाले क्रमिक क्षरण को रोकने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, जो विद्युत रोधक विफलताओं के प्रमुख कारक हैं। जब सामग्रियाँ 50 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान परिवर्तन के साथ ऊष्मीय चक्रण का अनुभव करती हैं, तो वे बार-बार फैलती और सिकुड़ती हैं, जिससे सूक्ष्म दरारें उत्पन्न होती हैं जो धीरे-धीरे उनके विद्युत गुणों को कमजोर कर देती हैं। खनिज भरे एपॉक्सी जैसी दृढ़ संयोजित सामग्रियाँ, जिनका ऊष्मीय प्रसार गुणांक 30 प्रति मिलियन प्रति डिग्री सेल्सियस से कम होता है, आकारिक रूप से स्थिर रहने की प्रवृत्ति रखती हैं और इन दरारों के आगे फैलने को रोकती हैं। कंपन प्रतिरोध का महत्व भी उतना ही है, विशेष रूप से उन उपकरणों के लिए जिनका परीक्षण IEC 60068-2-6 जैसे मानकों के अनुसार किया जाता है। औद्योगिक वातावरण में अक्सर 5 से 200 हर्ट्ज़ के बीच कंपन का सामना करना पड़ता है, लेकिन दृढ़ डिज़ाइन 10 G त्वरण तक को संभाल सकते हैं, बिना झुके या विकृत हुए, सुरक्षित क्रीपेज दूरी और समग्र संरचनात्मक दृढ़ता को बनाए रखते हुए। ऐसे तरीके से निर्मित घटक आमतौर पर विनिर्माण सुविधाओं में मोटर नियंत्रण केंद्रों में पाए जाने वाले कठोर परिस्थितियों में भी 100,000 से अधिक परिचालन चक्रों तक अपना जीवनकाल पूरा करते हैं।

वैद्युत विभाजन डिज़ाइन: कम वोल्टेज इन्सुलेटर में क्रीपेज, क्लीयरेंस और रिसाव नियंत्रण

आर्द्र या प्रदूषित वातावरण में सतह ट्रैकिंग का प्रतिरोध करने के लिए क्रीपेज दूरी का अनुकूलन

क्रीपेज दूरी से आशय किसी विद्युतरोधी की सतह पर विद्युत के प्रवाह के लिए सबसे छोटे मार्ग से है। यह माप उन स्थानों में सतही ट्रैकिंग की समस्याओं को रोकने के प्रयास में बहुत महत्वपूर्ण है, जहाँ आर्द्रता या धूल की समस्या होती है। जब तटीय क्षेत्रों से आने वाले नमक का मिश्रण धूल और रासायनिक पदार्थों के साथ होता है, तो ये पदार्थ सतहों पर चालक फिल्में बनाते हैं। अत्यधिक आर्द्र परिस्थितियों में, यह रिसाव धाराओं को काफी हद तक बढ़ा सकता है—कभी-कभी 60% तक भी। इसीलिए उद्योग के दिशा-निर्देशों में क्रीपेज के लिए न्यूनतम दूरी के निर्धारित मान दिए गए हैं। सामान्य वातावरण के लिए, आमतौर पर 20 से 25 मिमी प्रति किलोवोल्ट की सिफारिश की जाती है। लेकिन यदि क्षेत्र में भारी प्रदूषण की समस्या है, तो ये मान बढ़कर लगभग 31 से 40 मिमी प्रति किलोवोल्ट हो जाते हैं। निर्माता अक्सर घटकों को रिब्ड (उभरी हुई) या करुगेटेड (लहरदार) सतहों के साथ डिज़ाइन करते हैं, ताकि इस मार्ग को लम्बा किया जा सके और दूषक पदार्थों द्वारा चालक सेतु (ब्रिज) बनाने से रोका जा सके। कुछ सामग्रियाँ, जैसे सिलिकॉन रबर, ऐसे गुणों के साथ आती हैं जो वास्तव में नमी को दूर धकेलती हैं, जिससे वे बाहरी या औद्योगिक वातावरणों में उपयोग के लिए निम्न वोल्टेज उपकरणों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त विकल्प बन जाती हैं, जहाँ कठोर तत्वों के संपर्क में आने की संभावना अपरिहार्य होती है।

क्लियरेंस बनाम क्रीपेज: दोनों पैरामीटर कैसे सामूहिक रूप से फ्लैशओवर और लीकेज धाराओं को रोकते हैं

शब्द 'क्लियरेंस' (स्पष्ट दूरी) और 'क्रीपेज' (सतही दूरी) विद्युत प्रणालियों में दो अलग-अलग किंतु संबंधित सुरक्षा उपायों का वर्णन करते हैं। क्लियरेंस से आशय चालक भागों के बीच वायु के माध्यम से न्यूनतम दूरी से है, जबकि क्रीपेज एक विद्युतरोधी सामग्री की सतह के अनुदिश सबसे छोटी दूरी है। ये दूरियाँ महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि क्लियरेंस वोल्टेज में अचानक वृद्धि के समय चिंगारियों को अंतराल पार करने से रोकती है, और क्रीपेज धूल या नमी से आच्छादित संदूषित सतहों के अनुदिश धारा के प्रवाह को रोकती है। उदाहरण के लिए, 600 वोल्ट पर संचालित एक प्रणाली लीजिए। यदि क्लियरेंस पर्याप्त नहीं है, तो हमें तुरंत खतरनाक फ्लैशओवर (आकस्मिक विस्फोट) का सामना करना पड़ सकता है। दूसरी ओर, पर्याप्त क्रीपेज की कमी समय के साथ एक और गंभीर समस्या का कारण बनती है—कार्बन ट्रैक (कार्बन के अवशेष) धीरे-धीरे जमा होते रहते हैं, जिससे अंततः एक चालक पथ बन जाता है। अधिकांश उद्योग मानक 1 किलोवोल्ट के लिए लगभग 5 से 8 मिलीमीटर क्लियरेंस और लगभग 15 मिलीमीटर क्रीपेज की आवश्यकता निर्दिष्ट करते हैं। व्यावहारिक अनुभव से पता चलता है कि इन दोनों मापों को सही ढंग से प्राप्त करने से आर्द्र वातावरण में लगभग तीन-चौथाई शॉर्ट सर्किट की घटनाएँ कम हो जाती हैं। वास्तविक दुनिया की परिस्थितियों के तहत कम वोल्टेज विद्युतरोधन के विश्वसनीयता को बनाए रखने के लिए यह द्वैध सुरक्षा दृष्टिकोण वास्तव में सभी अंतर को निर्धारित करता है।

अनुप्रयोग-विशिष्ट निम्न वोल्टेज विद्युतरोधक प्रकार और उनके सुरक्षात्मक कार्य

निम्न वोल्टेज विद्युतरोधकों को विद्युत विफलताओं को रोकने के लिए सटीक परिचालन वातावरण के अनुसार डिज़ाइन किया जाता है। विभिन्न प्रकार के विद्युतरोधक अनुप्रयोगों में विशिष्ट चुनौतियों का सामना करते हैं, जिससे विशेषीकृत डिज़ाइनों के माध्यम से उपकरणों की विश्वसनीय सुरक्षा सुनिश्चित होती है।

स्टैंडऑफ विद्युतरोधक: स्विचगियर और नियंत्रण पैनलों में जीवित भागों का पृथक्करण

स्टैंडऑफ इन्सुलेटर स्विचगियर और नियंत्रण पैनलों के भीतर लाइव तारों और ग्राउंडेड भागों के बीच भौतिक अवरोधक के रूप में कार्य करते हैं। ये लंबे सेरामिक या पॉलिमर घटक आवश्यक अंतराल बनाते हैं जो वोल्टेज में अप्रत्याशित उछाल के समय खतरनाक आर्किंग को रोकते हैं। अधिकांश स्टैंडऑफ डिज़ाइन लगभग 120 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान को सहन कर सकते हैं, बिना विघटित हुए। ये अवांछित धारा के रिसाव को भी रोकते हैं और तीव्र शॉर्ट सर्किट के बलों के अधीन होने पर भी दृढ़ता बनाए रखते हैं। यह दृढ़ता बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह कंडक्टर्स को स्थिर स्थिति में रखती है, भले ही कंपन या शक्तिशाली चुंबकीय पल्स उन्हें स्थिति से विस्थापित करने का प्रयास करें। इस अतिरिक्त स्थिरता के कारण उन भीड़-भाड़ वाले नियंत्रण पैनल व्यवस्थाओं में अनियोजित संपर्क बनने की संभावना कम हो जाती है, जहाँ स्थान की कमी होती है।

सोलर कॉम्बाइनर बॉक्स में बसबार इन्सुलेटर: आंशिक डिस्चार्ज और दूषण-प्रेरित विफलता को रोकना

सोलर कॉम्बाइनर बॉक्स में उपयोग किए जाने वाले इंसुलेटर्स को फोटोवोल्टिक प्रणालियों से संबंधित कुछ विशिष्ट चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। उदाहरण के लिए, लगातार यूवी (UV) प्रकाश के संपर्क में आना, दिन और रात के बीच तापमान में तीव्र परिवर्तन, और ओस के बनने के कारण नमी का जमा होना। इसीलिए हम विशेष जल-विरोधी सिलिकॉन कोटिंग वाले कस्टम-निर्मित बसबार इंसुलेटर्स को देखते हैं। ये कोटिंग्स मूल रूप से पानी को प्रतिकर्षित करती हैं और धूल के चिपकने को रोकती हैं, जिससे महीनों तक बाहर रखे जाने के बाद भी अच्छी विद्युत प्रतिरोधकता बनी रहती है। डिज़ाइन स्वयं भी रोचक है — सतह पर उभरी हुई रिब्स (पर्व) वास्तव में सामान्य चिकनी डिज़ाइनों की तुलना में लगभग 40% अधिक क्रीपेज दूरी उत्पन्न करती हैं। चालक भागों के बीच यह अतिरिक्त स्थान आंशिक डिस्चार्ज के शुरू होने की संभावना को काफी कम कर देता है, जो भविष्य में बड़ी समस्याओं का कारण बन सकता है। जब डीसी (DC) चालकों को उचित रूप से एनकैप्सुलेट किया जाता है, तो वे ओस के कारण होने वाले उन झंझट भरे लीकेज पाथ्स का निर्माण करने से बच जाते हैं। क्षेत्र अध्ययनों से पता चलता है कि कॉम्बाइनर बॉक्स की विफलताओं में लगभग 23% ठीक इसी प्रकार की समस्या के कारण होती हैं। और प्रदर्शन मापदंडों की बात करें तो, ये विशिष्ट इंसुलेटर्स बार-बार गर्म होने और ठंडे होने के चक्रों के बावजूद भी अपनी विद्युत रोधकता को 1000 मेगाओम से काफी ऊपर बनाए रखते हैं।

विफलता के मोड और उनका उपकरण विश्वसनीयता पर प्रभाव

निम्न वोल्टेज इन्सुलेटरों में विफलता के मोड को समझना विद्युत प्रणाली की विश्वसनीयता बनाए रखने के लिए आवश्यक है। सामान्य समस्याएँ इस प्रकार हैं:

• सतह ट्रैकिंग , जो नमी या अशुद्धियों के कारण उत्पन्न होती है, लगातार रिसाव धाराओं को सक्षम करने वाले चालक कार्बनीकृत पथ बनाती है और इन्सुलेशन के क्रमिक अपघटन को बढ़ावा देती है
• यांत्रिक भंगुरता , जो तापीय चक्र या कंपन के कारण उत्पन्न होती है, संरचनात्मक निरंतरता को समाप्त कर देती है और डाइइलेक्ट्रिक भंग को तीव्र कर देती है
• आंशिक निर्वहन , जो खाली स्थानों या अंतरापृष्ठों पर होता है, दोहराव वाले स्थानीय आर्किंग के माध्यम से सूक्ष्म स्तर पर सामग्री का क्षरण करता है

जब ये तंत्र विफल हो जाते हैं, तो इनके नीचे के सभी उपकरणों के लिए छोटे परिपथ (शॉर्ट सर्किट), खतरनाक आर्किंग, और यहाँ तक कि कर्मचारियों के लिए खतरनाक तथा पूरी तरह से संचालन को बाधित करने वाली आग जैसी समस्याओं का खतरा पैदा हो जाता है। यदि विद्युतरोधक (इंसुलेटर्स) का अवक्षय शुरू हो जाए और कोई इसे न देख पाए, तो समस्याएँ पूरे प्रणाली में फैलने लगती हैं, जिससे अप्रत्याशित बंद करने (शटडाउन) और भविष्य में महँगी मरम्मत की आवश्यकता पड़ सकती है। उद्योग रिपोर्टों के अनुसार, कारखानों में स्विचगियर से संबंधित समस्याओं में से लगभग ३५% या उससे अधिक का कारण विद्युतरोधन (इंसुलेशन) से संबंधित समस्याएँ होती हैं। इसीलिए सही विद्युतरोधकों का चयन करना बहुत महत्वपूर्ण है। ऐसे विद्युतरोधकों की तलाश करें जो उनके कार्य करने वाले वातावरण के अनुकूल हों—जैसे कि प्रदूषण का स्तर, तापमान की चरम स्थितियाँ, कंपन की मात्रा आदि। इसे सही ढंग से करने से उपकरणों का लंबे समय तक संचालन सुनिश्चित होता है और विभिन्न औद्योगिक स्थापनाओं में विश्वसनीय विद्युत आपूर्ति बनी रहती है।