SF6 सर्किट ब्रेकर

परिचय

विद्युत प्रणालियों में, सर्किट ब्रेकर का उपयोग सामान्य और दोष स्थितियों में विद्युत उपकरण और नेटवर्क को स्विच करने के लिए किया जाता है। सर्किट ब्रेकर का मुख्य कार्य अपने संपर्कों को खोलकर और इस प्रकार प्रणाली के स्विच किए गए भागों को अलग करके करंट (लोड या शॉर्ट सर्किट) के प्रवाह को बाधित करना है। सर्किट ब्रेकर का डिज़ाइन और कार्य इसके अनुप्रयोग और वोल्टेज रेटिंग पर निर्भर करता है। मोल्डेड केस तकनीक (वायुमंडलीय दबाव पर हवा के साथ) निम्न वोल्टेज (< 1000 V) पर उपयोग की जाती है, जबकि एयर-ब्लास्ट और वैक्यूम सर्किट ब्रेकर मध्यम वोल्टेज (< 72 kV) पर प्रचलित हैं। SF₆ सर्किट ब्रेकर आमतौर पर उच्च वोल्टेज प्रणालियों (> 72 kV) के लिए उपयोग किए जाते हैं।

    लोड को डिस्कनेक्ट करना                         दोष को बाधित करना

SF₆ गैस

SF₆ सर्किट ब्रेकर सल्फर हेक्सा फ्लोराइड (SF₆) गैस का उपयोग करते हैं जो चलती ब्रेकर संपर्कों के बीच स्थापित आर्क को बुझाने के लिए परिवेशीय इन्सुलेटिंग माध्यम के रूप में कार्य करता है। इसमें कई अनुकूल विशेषताएँ हैं जो इसे आधुनिक उच्च वोल्टेज स्विचगियर में एक आदर्श इन्सुलेशन उम्मीदवार बनाती हैं:

• उच्च डाइलेक्ट्रिक शक्ति (लगभग 5 बार दबाव पर हवा से 8 से 9 गुना अधिक)।
• इलेक्ट्रोनेगेटिव प्रकृति में, अर्थात् मुक्त इलेक्ट्रॉनों को पकड़कर भारी आयन बनाना जो कम गतिशीलता वाले होते हैं और जो ब्रेकडाउन के हिमस्खलन प्रकार को रोकते हैं।
• अच्छी थर्मल हीट ट्रांसफर क्षमता, उच्च आयनीकरण ऊर्जा और कम विघटन तापमान जिसके परिणामस्वरूप उत्कृष्ट आर्क बुझाने के गुण होते हैं।
• उच्च तापमान पर बहुत उच्च विद्युत चालकता जो कम आर्क वोल्टेज साबित करती है
• रंगहीन, गंधहीन, निष्क्रिय और गैर-विषाक्त।

SF₆ गैस के कुछ नुकसान इसके उच्च लागत, आर्किंग के दौरान संक्षारक धातु फ्लोराइड बनाने की प्रवृत्ति और यह तथ्य है कि यह एक ग्रीनहाउस गैस है।

SF₆ सर्किट ब्रेकर प्रकार

वर्तमान में, SF₆ सर्किट ब्रेकर को दो प्रमुख श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

1. डेड टैंक – ग्राउंड पोटेंशियल पर संलग्नक।
2. लाइव टैंक – लाइन पोटेंशियल पर संलग्नक।

डेड टैंक डिज़ाइन अधिक शॉर्ट सर्किट करंट ब्रेकिंग क्षमता और भूकंपीय रेटिंग प्रदान कर सकते हैं लेकिन अपेक्षाकृत भारी होते हैं (अधिक SF₆ गैस की आवश्यकता होती है), जबकि लाइव टैंक डिज़ाइन मॉड्यूलर और अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं।

 लाइव टैंक सर्किट ब्रेकर

डेड टैंक सर्किट ब्रेकर

SF₆ सर्किट ब्रेकर में विद्युत धारा (और परिणामी आर्क) को बाधित करने के कई अलग-अलग तरीके भी हैं। इनमें शामिल हैं: डबल प्रेशर (अब अप्रचलित), सिंगल प्रेशर (जिसे पफर भी कहा जाता है), सेल्फ-ब्लास्ट (जहां आर्क ऊर्जा आर्क चेंबर में दबाव निर्माण का समर्थन करती है), रोटेटिंग आर्क (आर्क ठंडी पृष्ठभूमि गैस में इलेक्ट्रो-डायनामिक रूप से घूमता है) और डबल मोशन तकनीक (दो चलती संपर्कों के साथ)। इसके अलावा, सर्किट ब्रेकर का ड्राइव तंत्र हाइड्रोलिक या स्प्रिंग-लोडेड प्रकार का हो सकता है।

इस लेख के शेष भाग के लिए, हम एक SF₆ गैस इन्सुलेटेड सर्किट ब्रेकर की बुनियादी असेंबली और कार्यप्रणाली पर अधिक विस्तार से चर्चा करेंगे जो सिंगल प्रेशर (पफर तकनीक) के साथ एक स्प्रिंग लोडेड ऑपरेटिंग तंत्र का उपयोग करता है; यह उच्च वोल्टेज उद्योग में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला प्रकार है।

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निर्माण और मुख्य घटक

एक सिंगल प्रेशर पफर प्रकार SF₆ सर्किट ब्रेकर की पूरी असेंबली में निम्नलिखित भाग होते हैं:

इंटरप्टर यूनिट

सर्किट ब्रेकर संपर्कों का विभाजन, परिणामी आर्क का क्वेंचिंग और धारा का बाधित होना इंटरप्टर यूनिट में होता है। इसमें दो सेट के संपर्क होते हैं जिन्हें आमतौर पर 'मुख्य' या 'सामान्य धारा वहन करने वाले संपर्क' और 'आर्किंग संपर्क' कहा जाता है। इन संपर्क सेटों में से प्रत्येक के एक स्थिर संपर्क होते हैं जबकि अन्य संपर्क चल सकते हैं। करंट कैरियर्स (बाहरी सर्किट ब्रेकर टर्मिनलों से कनेक्शन प्रदान करते हैं) स्थिर और चलती मुख्य संपर्कों से जुड़े होते हैं। सभी सर्किट ब्रेकर संपर्कों के सिरे कॉपर-टंगस्टन आर्क-प्रतिरोधी सामग्री के साथ लेपित होते हैं।

इंटरप्टर का मुख्य शरीर (जो SF₆ गैस से भरा होता है) में एक चलती पफर सिलेंडर होता है जो संपर्कों के साथ ऊपर और नीचे की ओर अक्षीय रूप से स्लाइड कर सकता है। सिलेंडर के अंदर एक स्थिर पिस्टन होता है जो SF₆ सर्किट ब्रेकर के अन्य स्थिर भागों के साथ इस तरह से जुड़ा होता है कि यह सिलेंडर की गति के दौरान अपनी स्थिति नहीं बदल सकता। सिलेंडर के उद्घाटन पर एक नोजल स्थित होता है।

SF₆ सर्किट ब्रेकर इंटरप्टर के मुख्य घटक

इन्सुलेटिंग स्टैक

इंटरप्टर यूनिट को एक इन्सुलेटिंग स्टैक के ऊपर लंबवत रूप से माउंट किया जाता है जो एक खोखले इन्सुलेटर से बना होता है जो ड्राइव रॉड को समाहित करता है जो सर्किट ब्रेकर के यांत्रिक ऑपरेटिंग तंत्र को इंटरप्टर में स्थित चलती संपर्कों से जोड़ता है। प्रणाली की वोल्टेज रेटिंग के आधार पर, इन्सुलेटिंग स्टैक एकल टुकड़ा हो सकता है, या कई खंड यांत्रिक रूप से श्रृंखला में युग्मित हो सकते हैं। किसी अन्य इन्सुलेटर की तरह, यह लाइन-टू-ग्राउंड ड्राई आर्किंग और क्रीपेज दूरी प्रदान करता है ताकि फ्लैशओवर को रोका जा सके जो क्षणिक ओवरवोल्टेज और पर्यावरणीय प्रदूषण से जुड़े होते हैं। पूरी सर्किट ब्रेकर यूनिट को आमतौर पर एक स्टील संरचना पर तय किया जाता है जो इसे एक एम्बेडेड कंक्रीट नींव से सुरक्षित करता है।

यांत्रिक ऑपरेटिंग तंत्र

ड्राइविंग उपकरण सर्किट ब्रेकर संपर्कों को खोलने और बंद करने के लिए आवश्यक गतिज ऊर्जा प्रदान करता है। इसमें खोलने और बंद करने वाले स्प्रिंग्स का एक सेट होता है जिसे मैन्युअल रूप से, या एक छोटे इलेक्ट्रिक मोटर की मदद से चार्ज किया जाता है।

नियंत्रण पैनल

नियंत्रण क्यूबिकल सर्किट ब्रेकर के यांत्रिक ऑपरेटिंग तंत्र, प्रणाली सुरक्षा (रिले) और पर्यवेक्षी उपकरणों के बीच संचार करता है। इसे या तो 'दूरस्थ' या 'मैनुअल' ऑपरेटिंग सेटिंग के लिए कॉन्फ़िगर किया जा सकता है।

245-kV (सिंगल इंटरप्टर) लाइव टैंक SF₆ सर्किट ब्रेकर

अतिरिक्त घटक

अतिरिक्त उच्च वोल्टेज (आमतौर पर 380-kV और उससे ऊपर) पर, निर्माण अर्थशास्त्र और डिज़ाइन आवश्यकताओं के कारण, SF₆ सर्किट ब्रेकर में निर्माण में उल्लेखनीय अंतर हो सकता है और इसमें अतिरिक्त घटक भी हो सकते हैं:

• एकल इंटरप्टर यूनिट के बजाय, दो या अधिक इंटरप्टर यूनिट्स को श्रृंखला में जोड़ा जाता है (और क्षैतिज रूप से इन्सुलेटिंग स्टैक पर माउंट किया जाता है)। ऐसे सर्किट ब्रेकरों के लिए ग्रेडिंग कैपेसिटर (C) इंटरप्टर के पार जोड़े जाते हैं ताकि उनके पार वोल्टेज को बराबर किया जा सके।
• ट्रांसमिशन लाइन स्विचिंग अनुप्रयोगों के लिए, इन सर्किट ब्रेकरों को प्री-इन्सर्शन रेजिस्टर्स (PIR) के साथ सुसज्जित किया जा सकता है ताकि स्विचिंग क्षणिक ओवरवोल्टेज की उच्च परिमाण को कम किया जा सके। ये PIRs (आमतौर पर 300 से 600 ओम) CB मुख्य संपर्कों के समानांतर में जुड़े होते हैं। उन्हें मुख्य ब्रेकर संपर्कों के बंद होने से पहले एक निर्दिष्ट समय अंतराल (8 से 12ms) के लिए सर्किट में डाला जाता है।

SF₆ सर्किट ब्रेकर के विभिन्न कॉन्फ़िगरेशन

• बाहरी कनेक्टिंग टर्मिनलों को ग्रेडिंग रिंग्स के साथ फिट किया जाता है ताकि टर्मिनल सतह पर विद्युत क्षेत्र तनाव कोरोना शुरुआत से अधिक न हो

550-kV (श्रृंखला में दो इंटरप्टर) लाइव टैंक SF₆ सर्किट ब्रेकर

SF₆ सर्किट ब्रेकर कैसे काम करते हैं

सामान्य स्थिति

सामान्य स्थिति में, सर्किट ब्रेकर संपर्क बंद होते हैं और धारा एक संपर्क कैरियर से दूसरे के माध्यम से मुख्य संपर्कों और स्लाइडिंग पफर सिलेंडर के माध्यम से बहती है।

सर्किट ब्रेकर खोलने का संचालन

जब सर्किट ब्रेकर नियंत्रण पैनल को खोलने का आदेश (दोष को साफ करने या नेटवर्क के एक हिस्से को डिस्कनेक्ट करने के लिए) प्राप्त होता है, तो यह यांत्रिक ऑपरेटिंग तंत्र के ट्रिप कॉइल को एक सिग्नल भेजता है, जो बदले में चार्ज किए गए खोलने वाले स्प्रिंग को पकड़ने वाले लैच को छोड़ता है। जैसे ही खोलने वाला स्प्रिंग डिस्चार्ज होता है, यह ड्राइव रॉड (जो इंटरप्टर से जुड़ा होता है) को एक रैखिक दिशा में खींचता है, जिससे चलते संपर्क और पफर सिलेंडर नीचे की ओर बढ़ते हैं।

स्थिर पिस्टन के खिलाफ पफर सिलेंडर की गति के कारण पफर सिलेंडर की आंतरिक मात्रा में कमी होती है, जिससे सिलेंडर के अंदर SF₆ गैस का संपीड़न होता है। संपर्क ओवरलैप के कारण, गैस का संपीड़न किसी भी संपर्क के खुलने से पहले शुरू होता है। जैसे ही नीचे की ओर गति जारी रहती है, मुख्य संपर्क अलग हो जाते हैं और धारा आर्किंग संपर्कों में स्थानांतरित हो जाती है जो अभी भी बंद स्थिति में होते हैं (उनकी शारीरिक रूप से लंबी निर्माण के कारण)। आगे के खोलने के दौरान, आर्किंग संपर्क अलग होना शुरू हो जाते हैं और उनके बीच एक आर्क स्थापित होता है।

पफर प्रकार SF₆ सर्किट ब्रेकर का संचालन

जैसे ही आर्क प्रवाहित होता है, यह कुछ हद तक नोजल के माध्यम से SF₆ गैस के प्रवाह को अवरुद्ध कर देता है। इस प्रकार, पफर सिलेंडर में गैस का दबाव बढ़ता रहता है। जब साइनसॉइडल करंट वेवफॉर्म शून्य के करीब पहुंचता है, तो आर्क अपेक्षाकृत कमजोर हो जाता है और पफर सिलेंडर के अंदर दबावयुक्त SF₆ गैस (नोजल के माध्यम से) आर्क लंबाई पर अक्षीय रूप से प्रवाहित होती है। SF₆ गैस का यह विस्फोट संपर्क अंतराल में थर्मल ऊर्जा को हटा देता है और आयनीकरण (विद्युत चालकता) की डिग्री को कम कर देता है ताकि आर्क बुझ जाए।

जब आर्क बाधित होता है, तो क्षणिक रिकवरी वोल्टेज (TRV) संपर्कों के पार दिखाई देने लगता है; सर्किट ब्रेकर संपर्कों के बीच पर्याप्त संपर्क पृथक्करण दूरी बनाने के लिए संपर्कों की खोलने की गति तेज होनी चाहिए ताकि इस वोल्टेज तनाव का सामना किया जा सके। यदि संपर्क अंतराल की डाइलेक्ट्रिक शक्ति TRV तनाव से कम है, तो आर्क फिर से स्थापित हो जाएगा, जिसे आमतौर पर सर्किट ब्रेकर पुनः प्रज्वलन या पुनः स्ट्राइक कहा जाता है।

सर्किट ब्रेकर बंद करने का संचालन

सर्किट ब्रेकर बंद करने के अनुक्रम के दौरान, क्लोजिंग कॉइल क्लोजिंग स्प्रिंग की ऊर्जा को छोड़ता है जिससे संपर्क एक-दूसरे की ओर बढ़ते हैं, अंततः उन्हें उनकी सामान्य बंद स्थिति में लाते हैं। साथ ही, SF₆ गैस को पफर सिलेंडर में पुनः खींचा जाता है जिससे सर्किट ब्रेकर अगली क्रिया के लिए तैयार हो जाता है।

बंद करते समय, एक सर्किट ब्रेकर कभी-कभी प्री-स्ट्राइक नामक घटना का अनुभव कर सकता है। बंद करते समय संपर्क एक-दूसरे की ओर बढ़ते हैं, संपर्क अंतराल की डाइलेक्ट्रिक शक्ति घट जाती है। किसी बिंदु पर, संपर्क अंतराल के पार वोल्टेज तनाव उसकी डाइलेक्ट्रिक शक्ति से अधिक हो जाता है, इस प्रकार एक 'प्री-स्ट्राइक' आर्क उत्पन्न होता है जो संपर्कों को जोड़ता है।

डिज़ाइन आवश्यकताएँ

एक विद्युत स्विच के साथ सामान्य रूप से जुड़े सामान्य लक्षणों के अलावा, अर्थात् बंद होने पर कम संपर्क प्रतिरोध और खुली स्थिति में लगभग पूर्ण इन्सुलेशन, एक उच्च वोल्टेज SF₆ सर्किट ब्रेकर को अतिरिक्त डिज़ाइन आवश्यकताओं को पूरा करने की आवश्यकता होती है। इनमें से सबसे प्रासंगिक आवश्यकताओं का संक्षेप में वर्णन नीचे किया गया है:

• रेटेड करंट – सर्किट ब्रेकर के करंट वहन करने वाले भागों को अधिकतम प्रत्याशित लोड करंट को बिना तापमान वृद्धि के पार किए ले जाने में सक्षम होना चाहिए
• रेटेड शॉर्ट सर्किट ब्रेकिंग करंट – सर्किट ब्रेकर को नेटवर्क के अधिकतम शॉर्ट सर्किट करंट को बाधित करने की क्षमता होनी चाहिए (विशिष्ट मानकीकृत मान 25, 40 और 63 kA हैं)।
• रेटेड वोल्टेज और इन्सुलेशन स्तर – सर्किट ब्रेकर का इन्सुलेशन बाहरी रूप से और संपर्कों के पार निर्दिष्ट परिमाण के कम आवृत्ति और क्षणिक ओवरवोल्टेज का सामना करने में सक्षम होना चाहिए।
• पुनः स्ट्राइक – धारिता धारा बाधित करते समय, सर्किट ब्रेकर संपर्कों के बीच पुनः स्ट्राइक (पुनः प्रज्वलन) की संभावना बहुत कम होनी चाहिए।
• यांत्रिक सहनशीलता – सर्किट ब्रेकर को बहुत अधिक संख्या में संचालन (2,000 से 10,000) के साथ बहुत सीमित रखरखाव के साथ सहन करने में सक्षम होना चाहिए।
• खोलने का समय – संपर्कों के बीच पर्याप्त निकासी प्राप्त करने और TRV का सामना करने के लिए, सर्किट ब्रेकर को अत्यधिक तेज गति से खोलने की आवश्यकता होती है (40 से 60 ms के क्रम में)।
• रेटेड ऑपरेटिंग अनुक्रम – सर्किट ब्रेकर को एक निर्दिष्ट ऑपरेटिंग अनुक्रम को संतोषजनक रूप से पूरा करने की आवश्यकता होती है। उच्च गति पुनः बंद करने वाले सर्किट ब्रेकरों के लिए, एक विशिष्ट अनुक्रम है: O-0.3sec-CO-3min-CO (जहां O और C क्रमशः खोलने और बंद करने का प्रतिनिधित्व करते हैं, और 0.3sec और 3min समय विलंब हैं)।
• स्विचिंग ड्यूटी – अपनी सेवा जीवन के दौरान, सर्किट ब्रेकर को विभिन्न प्रकार के स्विचिंग (बाधित) कर्तव्यों को सफलतापूर्वक पूरा करने में सक्षम होना चाहिए, जिसमें विशेष रूप से शामिल हैं: टर्मिनल और शॉर्ट लाइन दोष, ट्रांसफॉर्मर और रिएक्टर स्विचिंग, और धारिता धारा बाधित। सर्किट ब्रेकर पर मांगों के संदर्भ में, इन विभिन्न प्रकार के स्विचिंग कर्तव्यों धारा और TRV की परिमाण को बदलते हैं जो एक सर्किट ब्रेकर को सहन करने की आवश्यकता होती है।

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https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_hexafluoride_circuit_breaker

https://www.electricalengineeringinfo.com/2016/03/sf6-circuit-breakers-working-and-construction-sf6-circuit-breakers.html