एक विद्युतरोधी, विद्युत दोषों को रोकने में कैसे सहायता करता है

एक रोधक के मुख्य विद्युत अलगाव तंत्र

उच्च प्रतिरोधकता और बैंडगैप संरचना के माध्यम से धारा प्रवाह को अवरुद्ध करना

इन्सुलेटर्स विद्युत विफलताओं को रोकते हैं, क्योंकि वे अपनी प्राकृतिक सामग्री विशेषताओं का उपयोग करके विद्युत धारा के प्रवाह को अवरुद्ध करते हैं। इन सामग्रियों का विद्युत प्रतिरोध बहुत उच्च होता है, जो अक्सर 10^10 ओम-मीटर से अधिक होता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों के उनके माध्यम से गति करने की संभावना बहुत कम हो जाती है। यह एक ऐसी घटना के कारण होता है जिसे 'इलेक्ट्रॉनिक बैंडगैप' कहा जाता है, जो सामान्यतः 5 इलेक्ट्रॉन वोल्ट से अधिक चौड़ा होता है। जब यह अंतराल मौजूद होता है, तो संयोजकता बैंड के इलेक्ट्रॉन सामान्य संचालन वोल्टेज के दौरान चालन बैंड में कूदने में सक्षम नहीं होते, जिससे आवेश मूलतः फँस जाते हैं और गति नहीं कर पाते। पोर्सिलेन इन्सुलेटर्स जिनमें ठोस कोर होते हैं, और विभिन्न पॉलिमर प्रकार, ठीक इसी सिद्धांत पर कार्य करते हैं, जो लंबे समय तक वोल्टेज तनाव के संपर्क में आने पर भी रिसाव धाराओं को नियंत्रित रखते हैं। प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए, निर्माता सिरेमिक सामग्रियों में घने क्रिस्टल संरचनाएँ बनाते हैं या आयनों की यात्रा को सीमित करने के लिए क्रॉस-लिंक्ड पॉलिमर का उपयोग करते हैं। संदर्भ के लिए, ताँबे की प्रतिरोधकता लगभग 10^-8 ओम-मीटर होती है। इसका अर्थ है कि इन्सुलेटिंग सामग्रियाँ विद्युत प्रवाह को प्राकृतिक रूप से रोकने में लगभग 18 ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड (घात) तक अधिक प्रभावी हैं।

डाइइलेक्ट्रिक शक्ति और भंग सीमा के माध्यम से वोल्टेज प्रतिबल का प्रतिरोध

अच्छी विद्युतरोधी सामग्रियाँ अचानक आने वाले वोल्टेज के झटकों को संभाल सकती हैं, क्योंकि उनमें इतनी उच्च पारद्युतिक सामर्थ्य (डाय-इलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ) होती है। यह मूल रूप से उस विद्युत क्षेत्र के दबाव (किलोवोल्ट प्रति मिलीमीटर में मापा जाता है) को दर्शाता है, जिसे सामग्री पूरी तरह विफल होने से पहले सहन कर सकती है। अधिकांश सामान्य सामग्रियाँ, जैसे काँच और सिलिकॉन रबर, आमतौर पर 10 से 40 किलोवोल्ट/मिमी के बीच के वोल्टेज को सहन कर सकती हैं, जो सामान्य वायु की तुलना में काफी अधिक है, जो केवल लगभग 3 किलोवोल्ट/मिमी के बारे में ही संभाल पाती है। जब वोल्टेज इन सीमाओं के नीचे रहता है, तो छोटे विद्युत डिस्चार्ज हो सकते हैं, लेकिन आमतौर पर वे कोई समस्या नहीं पैदा करते हैं। हालाँकि, एक बार जब ये सीमाएँ पार कर ली जाती हैं, तो स्थिति तेजी से खराब हो जाती है, क्योंकि आयन अनियंत्रित रूप से गुणा होने लगते हैं, जब तक कि सामग्री पूरी तरह से विघटित नहीं हो जाती है। इसीलिए इंजीनियर विद्युतरोधन प्रणालियों के डिज़ाइन के समय हमेशा अतिरिक्त सुरक्षा की व्यवस्था करते हैं, जिसमें आमतौर पर यह लक्ष्य रखा जाता है कि संचालन सामग्री की वास्तविक क्षमता के लगभग आधे स्तर पर ही किया जाए। इससे बिजली के झटके या बिजली आपूर्ति जाल में उतार-चढ़ाव जैसी अप्रत्याशित घटनाओं के लिए भी सुरक्षा का अतिरिक्त भंडार बना रहता है। और सामग्रियों की बात करें तो, उनकी गुणवत्ता भी काफी महत्वपूर्ण होती है। सतहों पर नमी, धातु के कण या धूल की भी सूक्ष्म मात्रा पारद्युतिक सामर्थ्य को लगभग दो-तिहाई तक कम कर सकती है, जिससे विद्युतरोधन की आयु तेजी से कम हो जाती है और यह अपेक्षित समय से पहले ही विफल हो जाता है।

सतही फ्लैशओवर को रोकना: क्रीपेज, प्रदूषण और जलविरोधी गुण

सतही रिसाव पथ को बढ़ाने के लिए क्रीपेज दूरी डिज़ाइन

क्रीपेज दूरी (Creepage Distance) शब्द का मूल अर्थ एक विद्युतरोधक की सतह पर विभिन्न विद्युतित घटकों को जोड़ने वाला सबसे छोटा मार्ग होता है। जब इंजीनियर इन मार्गों का डिज़ाइन करते हैं, तो वे अवांछित रिसाव धाराओं (leakage currents) के निर्माण को रोकने का प्रयास करते हैं। इस मार्ग को लंबा बनाकर, हम वास्तव में सतह प्रतिरोध को बढ़ाते हैं और संभावित फ्लैशओवर (flashovers) की गति को धीमा करते हैं, क्योंकि विद्युत को अधिक प्रतिरोधी प्रदूषण परतों के माध्यम से अधिक दूरी तय करनी पड़ती है। आईईसी 60815 जैसे मानक संगठन यह निर्धारित करते हैं कि किसी विशिष्ट स्थान की प्रदूषण स्थिति के आधार पर न्यूनतम स्वीकार्य दूरियाँ क्या होनी चाहिए। कुछ विशेष कोहरे-आकार के डिज़ाइन, जिनमें गहरी पसलियाँ (deep ribs) होती हैं, सामान्य चिकनी सतहों की तुलना में वास्तविक सतह क्षेत्रफल को लगभग 30 से 40 प्रतिशत तक बढ़ा सकते हैं। उन उप-केंद्रों के लिए, जो समुद्र के ठीक बगल में स्थित हैं और जहाँ नमक हर जगह फैल जाता है, आवश्यक क्रीपेज विनिर्देशन अक्सर 31 मिमी प्रति किलोवोल्ट या उससे अधिक हो जाता है। यह उपकरणों के आकार को नियंत्रित रखते हुए भी अच्छे प्रदर्शन स्तर को बनाए रखने में सहायता करता है।

जलविरोधी सतहें और चालक प्रदूषण परतों का दमन

जल-विकर्षकता का गुण इन्सुलेटर की सतहों पर निरंतर चालक फिल्मों के निर्माण को रोकता है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन रबर की सतह पर कम ऊर्जा वाले मिथाइल समूह होते हैं, जो ९० डिग्री से अधिक संपर्क कोण उत्पन्न करते हैं। इस कारण से, जल सामग्री के पूरी सतह पर फैलने के बजाय बूँदों के रूप में बन जाता है। जब जल नहीं फैलता, तो दूषक पदार्थ भी घुलकर विद्युत-अपघटनी पथों के अनुदिश गति नहीं कर पाते। इसके बजाय, ये दूषक कण अलग-अलग कणों के रूप में बने रहते हैं और इलेक्ट्रोडों के बीच कोई संपर्क नहीं स्थापित करते। नमी या दूषण से संबंधित समस्याओं के सामने आने पर पॉलिमर इन्सुलेटर पारंपरिक पोर्सिलेन सामग्रियों की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करते हैं। कुछ अत्यधिक जल-विकर्षक उपचार १५० डिग्री से अधिक संपर्क कोण बनाए रखते हैं। तटीय क्षेत्रों के निकट किए गए क्षेत्र परीक्षणों में यह दिखाया गया कि ऐसे उपचारों ने दूषण के कारण होने वाले फ्लैशओवर के जोखिम को लगभग दो-तिहाई तक कम कर दिया। अतः जलरोधी (हाइड्रोफोबिक) गुण, इन्सुलेशन प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए आणविक स्तर पर भौतिक डिज़ाइन में सुधार के साथ-साथ कार्य करते हैं।

इन्सुलेटर के अपघटन मार्ग और प्रारंभिक विफलता संकेतक

तापीय आयुवृद्धि, आंशिक डिस्चार्ज अपरदन और रासायनिक दूषण के प्रभाव

इन्सुलेटर सामग्रियाँ समय के साथ कई जुड़ी हुई प्रक्रियाओं के माध्यम से क्षीण होने लगती हैं: ऊष्मा के कारण क्षति, आंशिक डिस्चार्ज के कारण क्षरण, और सतहों पर रासायनिक निक्षेपण। ये सभी कारक मिलकर इन्सुलेटरों के विद्युत गुणों को कमजोर करते हैं। जब तापमान लगभग 80 डिग्री सेल्सियस से अधिक हो जाता है, तो सामग्रि का क्षरण तेजी से शुरू हो जाता है। प्रत्येक अतिरिक्त 8 से 10 डिग्री के लिए, बहुलक इन्सुलेशन का जीवनकाल आधा हो जाता है, क्योंकि अणु टूटने लगते हैं और भंगुर हो जाते हैं। आंशिक डिस्चार्ज इन्सुलेशन के अंदर छोटे-छोटे चैनल बनाता है, जब स्थानीय स्तर पर छोटी चिंगारियाँ उत्पन्न होती हैं। खराब स्थितियों में, यह कुछ ही महीनों में वोल्टेज प्रतिरोध की क्षमता को 70 से 90 प्रतिशत तक कम कर सकता है। कारखानों से निकलने वाले सल्फेट, तटीय क्षेत्रों से आने वाला नमक, और अम्लीय वर्षा का जल ऐसी चालक परतें बनाता है जो रिसाव धाराओं को बढ़ाती हैं और शुष्क स्थानों के बीच खतरनाक आर्किंग का कारण बनती हैं। प्रारंभिक चेतावनी संकेतों में 500 माइक्रोएम्पियर से अधिक की रिसाव धारा, सतहों पर कार्बन ट्रैक्स का दिखाई देना, और उपकरणों से अजीब कड़कड़ाहट की आवाज़ शामिल हैं। इन संकेतों पर नज़र रखने से विफलता के पहले मरम्मत की जा सकती है, जो उन स्थानों पर विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहाँ नमी या प्रदूषण का स्तर अधिक है और जहाँ सब कुछ सामान्य परिस्थितियों की तुलना में 5 से 10 गुना तेजी से क्षीण हो जाता है।

पूर्वानुमानात्मक इन्सुलेटर विश्वसनीयता प्रबंधन

जब कंपनियाँ सक्रिय विश्वसनीयता प्रबंधन रणनीतियों को अपनाती हैं, तो उन्हें उत्पाद जीवन चक्र के दौरान अप्रत्याशित उपकरण विफलताओं में भारी कमी और कुल लागत में कमी देखने को मिलती है। भागों को टूटने का इंतज़ार करने के बजाय उनके प्रतिस्थापन पर स्थानांतरित होने का अर्थ है कि ऊष्मा संबंधी समस्याओं का पता लगाने के लिए अवरक्त स्कैन का उपयोग करना, विद्युत समस्याओं का पता लगाने के लिए अल्ट्रासोनिक उपकरणों का उपयोग करना और भौगोलिक सूचना प्रणालियों (GIS) के माध्यम से प्रदूषण मानचित्र तैयार करना जैसी चीज़ों को लागू करना। PAS 55 मानकों का पालन करने से एक प्रणालीगत निगरानी दिशा-निर्देश तैयार होती है, जिसमें तकनीशियन मासिक रूप से सतहों पर घिसावट या दरारों के संकेतों की जाँच करते हैं और विद्युत रोधन सामग्रियों पर तिमाही आधार पर परीक्षण करते हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे अभी भी अपना कार्य कर रही हैं। ARC सलाहकार समूह द्वारा 2022 में किए गए शोध के अनुसार, इस प्रकार के दृष्टिकोण से अनियोजित डाउनटाइम में लगभग तीन-चौथाई की कमी की जा सकती है। जब रखरखाव के कार्यक्रम उपकरण की वास्तविक स्थिति के अनुरूप होते हैं, बजाय कि वे सामान्यीकृत समयसीमा का अनुसरण करें, तो संपत्तियाँ अधिक समय तक चलती हैं। विश्वसनीयता-केंद्रित रखरखाव प्रणालियों में विद्युत रोधकों के बारे में सेंसर डेटा को शामिल करने से घटकों के रिसाव धाराओं या तापमान परिवर्तन के बारे में वास्तविक समय के सभी मापन अधिक उपयोगी बन जाते हैं। सुविधा प्रबंधकों को वास्तविक स्थितियों के आधार पर सटीक रूप से यह जानने के लिए विशिष्ट जानकारी प्राप्त होती है कि मरम्मत की आवश्यकता कब है, बजाय कि अनुमान या अटकलों पर निर्भर रहा जाए।