परिचय
सर्ज अरेस्टर का उपयोग सबस्टेशनों में उच्च वोल्टेज उपकरण जैसे ट्रांसफार्मर, सर्किट ब्रेकर और बुशिंग्स को बिजली के प्रभाव और स्विचिंग सर्ज से बचाने के लिए किया जाता है। सर्ज अरेस्टर को उपकरण के पास और समानांतर में जोड़ा जाता है जिसे सुरक्षित रखना होता है। इसका उद्देश्य सर्ज ऊर्जा को सुरक्षित रूप से पृथ्वी की ओर मोड़ना और यह सुनिश्चित करना है कि टर्मिनलों के पार वोल्टेज इतना कम रहे कि संबंधित उपकरणों के इन्सुलेशन को ओवरवोल्टेज के प्रभाव से नुकसान न हो।
सर्ज अरेस्टर पावर ट्रांसफार्मर बुशिंग्स की सुरक्षा करते हुए
आधुनिक उच्च वोल्टेज पावर सिस्टम में उपयोग किए जाने वाले लगभग सभी सर्ज अरेस्टर गैपलेस मेटल-ऑक्साइड (MO) वेरिस्टर प्रकार के होते हैं; यह लेख इस प्रकार पर केंद्रित है।
इन्सुलेशन समन्वय और सर्ज अरेस्टर
इन्सुलेशन समन्वय को उपकरण की डाइलेक्ट्रिक शक्ति के चयन के रूप में परिभाषित किया गया है जो सिस्टम में प्रकट हो सकने वाले विभिन्न प्रकार के ओवरवोल्टेज के संबंध में होता है। सर्ज अरेस्टर विद्युत पावर सिस्टम में आर्थिक इन्सुलेशन समन्वय के लिए एक अनिवार्य सहायता प्रदान करते हैं। यह नीचे दिए गए चित्र में दर्शाया गया है, जहां किसी भी सर्ज सुरक्षा उपकरण की अनुपस्थिति में, उपकरण बिजली और स्विचिंग ओवरवोल्टेज के कारण उत्पन्न उच्च डाइलेक्ट्रिक तनावों को सहन नहीं कर सकता। यह इस सीमा के भीतर है कि सर्ज अरेस्टर सिस्टम में अपनी भूमिका निभाते हैं, वोल्टेज को उस स्तर पर रखते हैं जो उपकरण के विथस्टैंड वोल्टेज (वह उच्चतम वोल्टेज जो किसी आइटम पर बिना नुकसान के लागू किया जा सकता है) से नीचे होता है, एक पर्याप्त सुरक्षा (संरक्षण) मार्जिन द्वारा। दूसरी ओर, सर्ज अरेस्टर ऑसिलेटरी पावर फ्रीक्वेंसी अस्थायी ओवरवोल्टेज (TOV) को सीमित नहीं कर सकते और इसलिए उन्हें ऐसे अस्थायी ओवरवोल्टेज को सहन करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए, साथ ही सिस्टम के अधिकतम ऑपरेटिंग वोल्टेज के साथ, बिना नुकसान के।
पावर सिस्टम इन्सुलेशन समन्वय में सर्ज अरेस्टर की भूमिका
एक रुचिकर बिंदु के रूप में, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पावर सिस्टम में TOVs को स्विच्ड रिएक्टिव क्षतिपूर्ति (जैसे कि शंट रिएक्टर द्वारा), या, लचीला प्रत्यावर्ती धारा संचरण (FACT उपकरणों जैसे SVC और STATCOM) के अनुप्रयोग के माध्यम से सीमित किया जाता है।
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निर्माण और मुख्य घटक
सर्ज अरेस्टर यूनिट के केंद्र में MO वेरिस्टर कॉलम होता है, जो इसका सक्रिय भाग बनाता है। कॉलम MO वेरिस्टर ब्लॉक्स से बना होता है जो एक-दूसरे के ऊपर स्टैक किए जाते हैं। ये ब्लॉक्स जिंक ऑक्साइड (ZnO) और अन्य धात्विक पाउडर से बने होते हैं जिन्हें मिलाकर फिर सिलेंड्रिकल डिस्क में दबाया जाता है। प्रत्येक डिस्क का व्यास सर्ज अरेस्टर की ऊर्जा संभालने की क्षमता निर्धारित करता है। उच्च वोल्टेज सिस्टम के लिए आमतौर पर 100 मिमी (3.9 इंच) या अधिक का व्यास आवश्यक होता है।
आवश्यक TOV सहनशक्ति क्षमता (अरेस्टर रेटेड वोल्टेज द्वारा शासित), साथ ही वांछित स्विचिंग और बिजली के प्रभाव सुरक्षा स्तर MO वेरिस्टर कॉलम की कुल ऊंचाई को नियंत्रित करते हैं। हालांकि अधिकांश मामलों में, सर्ज अरेस्टर का पोरसेलिन हाउसिंग डाइलेक्ट्रिक कारणों (क्लीयरेंस और लीकेज दूरी आवश्यकताओं) के लिए काफी लंबा डिज़ाइन किया जाता है और सक्रिय भाग की ऊंचाई द्वारा नियंत्रित नहीं होता है। परिणामस्वरूप, MO वेरिस्टर कॉलम को अरेस्टर यूनिट के हाउसिंग में मेटलिक स्पेसर्स की मदद से स्थापित किया जाता है। स्पेसर्स में एल्यूमीनियम ट्यूब होते हैं जिनके सिरों पर कवर होते हैं ताकि संपर्क दबाव को समान रूप से वितरित किया जा सके।
कई सहायक रॉड्स और होल्डिंग प्लेट्स जो फाइबर-ग्लास प्रबलित प्लास्टिक (FRP) सामग्री से निर्मित होती हैं, MO वेरिस्टर कॉलम को पिंजरे के रूप में घेरती हैं; पिंजरा आंतरिक सक्रिय भाग को यांत्रिक रूप से सुरक्षित करता है। अरेस्टर के ऊपरी सिरे पर, एक कंप्रेशन स्प्रिंग MO वेरिस्टर के स्टैक को एक साथ दबाने के लिए आवश्यक अक्षीय दबाव प्रदान करता है। फ्लैंजेस सर्ज अरेस्टर पोरसेलिन हाउसिंग के दोनों सिरों पर सीमेंटेड होते हैं; फ्लैंजेस आमतौर पर एल्यूमीनियम से निर्मित होते हैं और सीलिंग व्यवस्था को संलग्न करते हैं।
उच्च वोल्टेज सिस्टम में, सर्ज अरेस्टर को सीधे अर्थिंग करने के बजाय, निगरानी उपकरण अरेस्टर के साथ श्रृंखला में जोड़े जाते हैं। ऐसे मामलों में, सर्ज अरेस्टर के निचले फ्लैंज को इन्सुलेटिंग फीट के साथ स्थापित किया जाता है और अर्थिंग कनेक्शन (ग्राउंड कनेक्शन) निगरानी उपकरण के माध्यम से किया जाता है।
पोरसेलिन हाउस्ड MO सर्ज अरेस्टर का क्रॉस सेक्शन दृश्य
सर्ज अरेस्टर का सीलिंग सिस्टम सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक है। सबसे पहले, इसे सर्ज अरेस्टर हाउसिंग में नमी और प्रदूषण के प्रवेश को रोकना चाहिए। दूसरा, इसे एक तेज़ ऑपरेटिंग प्रेशर रिलीफ डिवाइस (PRD) के रूप में कार्य करना चाहिए, यदि अरेस्टर ओवरलोड हो जाए, जो सर्ज अरेस्टर हाउसिंग के भीतर तेजी से दबाव संचय का परिणाम हो सकता है। अंत में, इसे सर्ज अरेस्टर बाहरी कनेक्शन टर्मिनल से MO वेरिस्टर कॉलम तक करंट के स्थानांतरण के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित संपर्क बिंदु प्रदान करना चाहिए।
सर्ज अरेस्टर का सीलिंग सिस्टम एक सिंथेटिक सीलिंग रिंग और एक प्रेशर रिलीफ डायाफ्राम से बना होता है, जिनमें से दोनों को सर्ज अरेस्टर बॉडी के दोनों सिरों पर दो बार स्थापित किया जाता है। बहुत पतला डायाफ्राम (केवल कुछ दसवें मिलीमीटर मोटा, या इंच के हजारवें हिस्से) निकल या उच्च-ग्रेड स्टील से बना होता है। डायाफ्राम को सीलिंग रिंग के खिलाफ क्लैम्पिंग रिंग के माध्यम से फ्लैंज बॉडी में स्क्रू करके दबाया जाता है।
अरेस्टर ओवरलोड की स्थिति में, हाउसिंग के अंदर दो फ्लैंज के बीच एक आर्क विकसित होता है। इस आर्क की थर्मल ऊर्जा (जो नेटवर्क के पूर्ण शॉर्ट सर्किट करंट को वहन करती है) सर्ज अरेस्टर के भीतर तेजी से दबाव निर्माण का परिणाम होती है। परिणामी दबाव को रिलीफ डायाफ्राम द्वारा राहत दी जाती है, इस प्रकार अरेस्टर की विनाशकारी विफलता और आसपास के क्षेत्र को संभावित नुकसान से बचाया जाता है। ओवरलोड के कारण सर्ज अरेस्टर हाउसिंग के भीतर उत्पन्न होने वाली गर्म गैसों को किसी भी दो वेंटिंग आउटलेट्स के माध्यम से निर्देशित किया जाता है। सर्ज अरेस्टर के बाहर, गैस धाराएं मिलती हैं, जिससे हाउसिंग के अंदर जल रही आर्क शिफ्ट (कम्यूटेट) होती है और तब तक बाहर जलती रहती है जब तक कि दोष साफ नहीं हो जाता।
उच्च वोल्टेज पर, इन्सुलेशन आवश्यकताओं और निर्माण अर्थशास्त्र के कारण, एक पूर्ण सर्ज अरेस्टर में कई अरेस्टर यूनिट्स होते हैं जो श्रृंखला में जुड़े होते हैं। इसके अलावा, उच्च वोल्टेज टर्मिनल पर एक ग्रेडिंग रिंग स्थापित की जाती है ताकि उच्च वोल्टेज छोर से पृथ्वी तक वोल्टेज वितरण को नियंत्रित किया जा सके।
मल्टी-यूनिट उच्च वोल्टेज सर्ज अरेस्टर
सर्ज अरेस्टर स्थिति निगरानी
आधुनिक MO सर्ज अरेस्टर सही तरीके से कॉन्फ़िगर किए जाने पर अत्यधिक विश्वसनीय उपकरण होते हैं। उनसे अपेक्षा की जा सकती है कि वे 30 वर्षों या उससे अधिक की लगभग रखरखाव-मुक्त सेवा जीवन प्रदान करें। फिर भी, उन उपकरणों की उच्च लागत को देखते हुए जिन्हें सर्ज अरेस्टर सुरक्षा प्रदान करते हैं, और अरेस्टर ओवरलोड्स के हानिकारक प्रभावों को देखते हुए, सर्ज अरेस्टर की स्थिति की निगरानी करने का अच्छा कारण है।
सामान्य सेवा वोल्टेज पर, सर्ज अरेस्टर उच्च प्रतिबाधा प्रदर्शित करते हैं ताकि वे अपने कार्य सेवा जीवन के अधिकांश समय के लिए एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करें। इस तरह का व्यवहार अरेस्टर के लिए एक लंबा जीवन सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है, साथ ही संबंधित विद्युत प्रणाली की स्थिरता के लिए भी। इसलिए, यह अनिवार्य है कि सर्ज अरेस्टर की इन्सुलेटिंग गुणों के किसी भी क्षय का पता लगाया जाए इससे पहले कि स्थिति गंभीर हो जाए। उच्च वोल्टेज MO अरेस्टर के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले दो प्रकार के निगरानी उपकरण हैं:
- सर्ज काउंटर जो सर्ज इम्पल्स की संख्या को पंजीकृत करते हैं।
- लीकेज करंट मॉनिटर्स जो अरेस्टर के माध्यम से बहने वाले लीकेज करंट को मापते हैं।
सर्ज काउंटर का उपयोग करने का मूल आधार यह पहचानना है कि क्या कोई दिया गया ट्रांसमिशन लाइन या सिस्टम का चरण असाधारण रूप से उच्च संख्या में ओवरवोल्टेज का अनुभव कर रहा है जो अरेस्टर संचालन की ओर ले जाता है। इसके अलावा, सर्ज काउंट दर में अचानक वृद्धि भी आंतरिक अरेस्टर दोष का संकेत दे सकती है। हालांकि, सर्ज काउंटर अकेले केवल आंशिक स्थिति निगरानी जानकारी प्रकट करते हैं। अधिकांश सर्ज अरेस्टर निगरानी उपकरण सर्ज इम्पल्स की संख्या (गिनती) को पंजीकृत करते हैं, जबकि किसी भी लीकेज करंट को भी मापते हैं। लीकेज करंट किसी भी सर्ज की परिमाण के बारे में अतिरिक्त जानकारी प्रदान करता है और इसकी प्रासंगिकता यदि सिस्टम ओवरवोल्टेज घटना होती है। सर्ज काउंटर और लीकेज करंट मापन उपकरणों का एक साथ उपयोग करना, अरेस्टर की स्थिति की निगरानी और निदान के लिए एक अधिक लचीला साधन प्रदान करता है।
ऑपरेटिंग विशेषताएँ
वोल्टेज-करंट (V-I) विशेषता यह दर्शाती है कि सर्ज अरेस्टर की प्रतिरोधता वोल्टेज के साथ कैसे भिन्न होती है, साथ ही इसके संचालन में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है। MO वेरिस्टर की अत्यधिक गैर-रैखिक V-I विशेषताएँ इसे सर्ज सुरक्षा अनुप्रयोग के लिए एक उपयुक्त उम्मीदवार बनाती हैं। वेरिस्टर मूल रूप से एक परिवर्तनीय प्रतिरोधक है जिसकी प्रतिरोधता लागू वोल्टेज पर विपरीत रूप से निर्भर करती है अर्थात वोल्टेज जितना अधिक होगा, प्रतिरोध उतना ही कम होगा। नीचे दी गई छवि 550 kV रेटेड सिस्टम (फेज-टू-फेज) के भीतर लागू 420 kV रेटेड MO सर्ज अरेस्टर की विशिष्ट विशेषताएँ दिखाती है।
420 kVrms रेटेड वोल्टेज के साथ सर्ज अरेस्टर की ऑपरेटिंग विशेषताएँ
सर्ज अरेस्टर की ऑपरेटिंग विशेषताओं की बेहतर समझ विकसित करने के लिए, कुछ महत्वपूर्ण शब्दों और मापदंडों की परिभाषाओं की आवश्यकता है:
अधिकतम सिस्टम वोल्टेज (Us)
सामान्य स्थिति के दौरान किसी दिए गए सिस्टम के लिए निर्दिष्ट उच्चतम फेज-टू-फेज rms पावर फ्रीक्वेंसी वोल्टेज।
निरंतर ऑपरेटिंग वोल्टेज (Uc)
अरेस्टर टर्मिनलों के पार एक निरंतर, या अनिश्चित काल के लिए लागू किया जा सकने वाला अधिकतम अनुमत rms पावर फ्रीक्वेंसी वोल्टेज; इसे कभी-कभी MCOV के रूप में भी निर्दिष्ट किया जाता है। व्यवहार में, अरेस्टर का निरंतर ऑपरेटिंग वोल्टेज (Uc) उच्चतम फेज-टू-ग्राउंड सिस्टम वोल्टेज ( ) से अधिक सेट किया जाता है जिसमें कम से कम पांच प्रतिशत का मार्जिन होता है।
रेटेड वोल्टेज (Ur)
अधिकतम rms पावर फ्रीक्वेंसी वोल्टेज जो सर्ज अरेस्टर को निर्दिष्ट कम अवधि (जैसे 10 या 100 सेकंड) के लिए सहन करना चाहिए। यह सिस्टम TOV को सहन करने की अरेस्टर की क्षमता को दर्शाता है। जब सर्ज अरेस्टर को उसके रेटेड वोल्टेज (Ur) तक और उससे परे तनाव दिया जाता है, तो लीकेज करंट प्रवाहित होगा। लीकेज करंट को ग्राउंड तक अनजाने में करंट के प्रवाह के रूप में परिभाषित किया जाता है। यह स्थिति वांछनीय नहीं है क्योंकि जैसे ही लीकेज करंट प्रवाहित होता है, अरेस्टर के ऑपरेटिंग तापमान में आनुपातिक वृद्धि होगी। यदि इस स्थिति को निर्दिष्ट कम अवधि से परे जारी रखने की अनुमति दी जाती है, तो अरेस्टर का तापमान तब तक बढ़ेगा जब तक कि वह थर्मली अस्थिर न हो जाए, जो अंततः अरेस्टर की विफलता का कारण बन सकता है।
स्विचिंग इम्पल्स प्रोटेक्टिव लेवल (SIPL)
सर्ज अरेस्टर के शेष टर्मिनल वोल्टेज का शिखर मान नाममात्र डिस्चार्ज के दौरान स्विचिंग करंट इम्पल्स के साथ 30/60 µs वेवशेप और 2 kA की शिखर परिमाण के साथ (अतिरिक्त उच्च वोल्टेज सिस्टम के मामले में)।
लाइटनिंग इम्पल्स प्रोटेक्टिव लेवल (LIPL)
सर्ज अरेस्टर के शेष टर्मिनल वोल्टेज का शिखर मान नाममात्र डिस्चार्ज के दौरान लाइटनिंग करंट इम्पल्स के साथ 8/20 µs वेवशेप और 20 kA की शिखर परिमाण के साथ।
सर्ज अरेस्टर का चयन और कॉन्फ़िगरेशन
किसी विशेष सिस्टम के लिए सर्ज अरेस्टर का चयन करते समय सामान्य दर्शन, अरेस्टर की विद्युत और यांत्रिक विशेषताओं को सिस्टम की विद्युत मांगों और यांत्रिक आवश्यकताओं के साथ मिलाने की आवश्यकता होती है। निम्नलिखित सरलीकृत प्रवाह चार्ट MO अरेस्टर को कॉन्फ़िगर करने की सामान्य विधि और प्रक्रिया को प्रदर्शित करता है।
सर्ज अरेस्टर के चयन का सरलीकृत प्रवाह चार्ट
सर्ज अरेस्टर के इष्टतम और संतोषजनक चयन के लिए आवश्यकताएँ यह निर्धारित करती हैं कि अरेस्टर को पर्याप्त सुरक्षा मार्जिन प्रदान करना चाहिए और यह भी कि वे स्थिर निरंतर संचालन के लिए उपयुक्त होने चाहिए। 'पर्याप्त सुरक्षा मार्जिन' का अर्थ है कि डिवाइस ओवरवोल्टेज हमेशा इसके विथस्टैंड वोल्टेज से नीचे होते हैं, जिसमें पर्याप्त सुरक्षा कारक (सुरक्षा मार्जिन) होता है। जबकि, 'स्थिर निरंतर संचालन' का अर्थ है कि अरेस्टर सभी दीर्घकालिक, अस्थायी, या क्षणिक तनावों (जो सिस्टम संचालन के कारण हो सकते हैं) को संभालने में सक्षम है, जबकि इसके उपयोगी कार्य जीवन के दौरान विद्युत और थर्मली स्थिर रहता है।
दुर्भाग्य से, पर्याप्त सुरक्षा मार्जिन और स्थिर निरंतर संचालन दोनों को स्वतंत्र रूप से संतुष्ट नहीं किया जा सकता है। अरेस्टर के सुरक्षात्मक स्तर में कमी (अधिक सुरक्षात्मक मार्जिन प्रदान करने के लिए) अनिवार्य रूप से निरंतर संचालन के दौरान उच्च विद्युत तनावों का परिणाम होती है। इसके अलावा, अरेस्टर के रेटेड वोल्टेज को इसके सुरक्षात्मक स्तर को बढ़ाए बिना मनमाने ढंग से नहीं बढ़ाया जा सकता है (जिसके परिणामस्वरूप सुरक्षात्मक मार्जिन में एक संबंधित कमी होती है)। इस प्रकार एक समझौता आवश्यक है, जहां दोनों आवश्यकताओं को संतुलित किया जाता है ताकि एक इष्टतम समाधान प्राप्त किया जा सके।
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