வெற்றிட சர்க்யூட் பிரேக்கர் உயர் மின்னழுத்த மின்சார அமைப்புகளுக்கு ஏன் பொருத்தமானது?

வெற்றிட பிரேக்கர்கள்: மின்னழுத்த வரம்பின் உச்ச முனையில் தடைகளை உடைத்தல்

வெற்றிட விற்கு அடக்கம் நிகழும்போது என்ன நிகழ்கிறது: பிளாஸ்மா விற்கின் விரைவான மீண்டும் இணைப்பு மற்றும் விரைவான மின்னோட்ட மீட்டல்

வெற்றிட சுற்று மின்கடத்தி (vacuum circuit breaker) தொடர்புகள் திறக்கும்போது, உலோக ஆவியானது அயனியாக்கப்பட்டு பிளாஸ்மா வில் (plasma arc) உருவாகிறது. அதிக வெற்றிட நிலையில் (அழுத்தம் < 10^-4 டார்), மின்னூட்டப்பட்ட துகள்கள் தொடர்புகளில் வெற்றிட வீழ்படிவாகின்றன, இதனால் 1-5 மில்லிவினாடிகளில் பிளாஸ்மா வில்லின் விரைவான மீண்டும் இணைப்பு ஏற்படுகிறது. இது அடுத்த மின்னழுத்த உச்சத்திற்கு முன்பாக மின்னோட்ட செதில் (current sheath) மூலம் அமைப்பிற்கு விரைவான மின்காப்பு வழங்க உதவுகிறது; இதன் மூலம் மின்னோட்டம் பூஜ்ஜியத்திற்கு வர எதிர்பார்க்கப்படும் துல்லியமான முதல் கணத்தில் வில்லை நம்பகமாகக் கட்டுப்படுத்த முடிகிறது. வெற்றிட நிலை எலக்ட்ரான் பாய்வுக்கு SF6 வாயுவை விட தோராயமாக 1000 மடங்கு அதிக சராசரி இலவச பாதையை (mean free path) அனுமதிக்கிறது. இதுவே வெற்றிட சுற்று மின்கடத்திகள், வாயு மற்றும் காற்று சுற்று மின்கடத்திகளை விட மின்னோட்டத்தை பாதுகாப்பாக துண்டிப்பதில் மேம்பட்டவை என்பதற்கான அடிப்படைக் காரணமாகும்.

15 மில்லிவினாடிக்கு குறைவான துண்டிப்பு வேகம் மற்றும் SF₆ மற்றும் காற்று-துண்டிப்பு மாற்று முறைகளை விட சிறந்த பூஜ்ஜிய-கடந்து செல்லும் அடக்குதல் (zero-crossing suppression).

தவறு தடுப்பு சந்தர்ப்பத்தில், வெற்றிட தடுப்பான்கள் (vacuum interrupters) 15 மில்லிசெகண்டுகள் அல்லது அதற்கு குறைவான நேரத்தில் தவறுகளை நீக்க முடியும், இது SF6 அல்லது காற்று-முறிவு (air-break) அமைப்புகளை விட 30–50% வேகமானது. வெற்றிட தடுப்பான் ஒரு வெற்றிடத்தில் அமைந்திருப்பதால், அது ஒரு முறிவை வெல்லும் வேகம் சிக்கலான வாயு ஓட்ட வழிமுறைகளால் கட்டுப்படுத்தப்படுவதில்லை; இருப்பினும், வாயு மின்காப்பி (gas insulators) களில் இது உண்மையாகும். 72.5 kV வகுப்பில், வெற்றிட தடுப்பான் தொழில்நுட்பம், பெரும்பாலான பொறியாளர்கள் சராசரியாகக் கருதும் அளவை விட, அந்த சிரமமான TRVகளில் (Transient Recovery Voltages) SF6 ஐ விட ஏறத்தாழ மூன்று மடங்கு சிறப்பாகச் செயல்படுகிறது. பெரும்பாலான பொறியாளர்கள், மரபுவழி காற்று-முறிவு வழிமுறைகள் ஒரு விற்று விலகலை (arc) நம்பகமாகத் தடுக்க குறைந்தது 8 முதல் 10 மின்னோட்ட பூஜ்ஜிய கடந்து செல்லும் நேரங்கள் (current zero crossings) தேவைப்படும் எனக் கருதுகின்றனர். மாறாக, வெற்றிட தடுப்பான்கள் அனைத்து விற்று விலகல்களையும் (IEC 62271-100 படி 99.8% விற்று அழிப்பு) 2 அல்லது அதற்குக் குறைவான பூஜ்ஜிய கடந்து செல்லும் நேரங்களில் தடுக்க வேண்டும் என எதிர்பார்க்கப்படுகின்றன. 100% உண்மை வாழ்வில் பயன்பாடுகளில் வெற்றிட தடுப்பான்கள் குறிப்பிடத்தக்க அளவில் குறைந்த மின்னழுத்த உச்சிகளை (voltage spikes) காட்டியுள்ளன. உண்மை வாழ்வில் நடத்தப்பட்ட சோதனைகளும், வாயு மின்காப்பிடப்பட்ட வெற்றிட சுஇட்சுகளை விட மின்னழுத்த உச்சிகள் ஏறத்தாழ 40% குறைவாக உள்ளன எனக் காட்டியுள்ளன. அதிக மின்காப்பு வலிமை (High Dielectric Strength) சிறிய அளவிலான, நம்பகமான உயர் மின்னழுத்த (HV) ஒருங்கிணைப்பை சாத்தியமாக்குகிறது.

வெற்றிடத்தின் உள்ளார்ந்த மின்காப்பு வலிமை (>30 kV/செ.மீ) மற்றும் 72.5–145 kV பயன்பாடுகளுக்கான அளவிடக்கூடிய தொடர்பு-இடைவெளி வடிவமைப்பு

வெற்றிடம் 30 kV/செ.மீ-க்கு மேற்பட்ட குறிப்பிடத்தக்க மின்காப்பு வலிமையைக் கொண்டுள்ளது, இது கூடுதல் வாயுக்களைப் பயன்படுத்தாமல் உயர் மின்னழுத்த அமைப்புகளை திறம்பட மின்காப்பு செய்ய அனுமதிக்கிறது. இந்த பண்பு, பொறியாளர்களுக்கு 72.5 kV முதல் 145 kV வரையிலான தரநிலை IEC அளவுகளில் தொடர்பு இடைவெளியை மேம்படுத்த உதவுகிறது. SF6 சுடிச்சுகளிலிருந்து மாறுபட்டு, வெற்றிட தொழில்நுட்பம் வெப்பநிலை, உயரம் மற்றும் ஈரப்பதம் ஆகியவற்றைப் பொறுத்து தொடர்ந்து நிலையான செயல்திறனை வழங்குவதால் மேம்பட்டதாகும். மேலும், வெற்றிட தொழில்நுட்பம் வாயு மேலாண்மை தொடர்பான கவலைகளைக் குறைக்கிறது, இது மோசமான சூழ்நிலைகளிலும் நம்பகமான மின்நிலைய இயக்கத்தை உறுதி செய்கிறது.

இடம் மற்றும் எடை நன்மைகள்: GIS மற்றும் கலப்பு மின்நிலையங்களில் SF₆ சுடிச்சுகளை விட 30–40% குறைந்த இடத்தை எடுக்கிறது

வெற்றிடம் உண்மையிலேயே மிக அதிக மின்காப்பு வலிமையைக் கொண்டுள்ளது, இதனால் கூறுகளுக்கு இடையே குறைந்த தொடர்பு இடைவெளிகளை அனுமதிக்கிறது. இது சிறிய அளவிலான தடையிடும் கருவிகளை உருவாக்குகிறது, எனவே மொத்தத்தில் மிகவும் சிக்கனமான மின்சார விரிவாக்கிகளை (breakers) வழங்குகிறது. இடச் சேமிப்பு மிகவும் குறிப்பிடத்தக்கது. வெற்றிடத் தொழில்நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தும் வாயு மின்காப்பு சுஇட்ச்கியர் (GIS) நிறுவல்களை SF6 ஐப் பயன்படுத்தும் நிறுவல்களுடன் ஒப்பிடும்போது, பொதுவாக 30 முதல் 40 சதவீதம் வரை குறைந்த இடப்பயன்பாடு தேவைப்படுகிறது. இயக்க வழிமுறைகளும் எடை குறைந்தவையாக உள்ளன; சில சந்தர்ப்பங்களில் அவை 60% வரை எடை குறைந்திருக்கலாம். இது கலப்பு மின்நிலையங்களுக்கு மிகவும் நன்மை பயக்கிறது, ஏனெனில் இது பஸ்பார் வழிமுறைகளை மேம்படுத்துகிறது மற்றும் பழைய அமைப்புகளை புதுப்பிக்கும் வேகத்தை அதிகரிக்கிறது. ஐரோப்பாவில் மின் வலையின் மேம்பாட்டு திட்டங்களில், பல நிறுவனங்கள் 145kV தரத்தில் வெற்றிடத் தொழில்நுட்பத்தை அறிமுகப்படுத்திய பின்னர் சுமார் 35% அதிக இடத்தைப் பெற்றதாக அறிவித்துள்ளன.

அதிக செயல்பாட்டு சுழற்சியுடன் நீண்டகால நம்பகத்தன்மை மற்றும் குறைந்த பராமரிப்பு

20,000-க்கும் மேற்பட்ட செயல்பாடுகள் < IEEE C37.09-2018 படி 0.001% தவறு விகிதம்

வெற்றிட இடைநிறுத்திகள் (Vacuum interrupters) முற்றிலும் சீல் செய்யப்பட்டவை ஆகும்; அவை சூழலைச் சார்ந்து பாதிக்கப்படாது, எனவே IEEE C37.09-2018 படி 20,000-க்கும் மேற்பட்ட இயந்திர செயல்பாடுகளை மேற்கொள்ள முடியும், மேலும் தவறு விகிதம் 0.001% ஐ விடக் குறைவாக இருக்கும். வாயு கசிவு அல்லது இயங்கும் சீல்களுக்கு எந்த இடமும் இல்லாததால், பல ஆண்டுகள் சேவையில் இருக்கும் போதும் மின்காப்பு வலிமை (dielectric strength) பராமரிக்கப்படுகிறது. புல தரவுகள் (Field data) பல பயன்பாட்டு நிறுவனங்கள் 72.5 kV கூறுகளை மாற்றுவதற்கு முன்னர் தோராயமாக 30 ஆண்டுகள் சேவையை அனுபவிக்கின்றன எனக் குறிப்பிடுகின்றன. மாறாக, புதிய வடிவமைப்புகளில், இயக்குநர்கள் தோராயமாக 40% செலவு சேமிப்பை அனுபவிக்கின்றனர். திரும்பத் திரும்ப குறைபாடு நீக்கும் (fault clearing) செயல்பாடுகளின் போது பொதுவாக தவறு ஏற்படும் இயங்கும் பாகங்கள் மற்றும் உராயும் தொடுதல்கள் (sliding contacts) ஆகியவற்றின் வடிவமைப்பு வரம்புகள் இல்லாததுதான் இவ்வகை வடிவமைப்புகளின் நம்பகத்தன்மையை மேம்படுத்துகிறது.

வாயு மேலாண்மை, ஈரப்பதம் தொடர்பான பிரச்சினைகள் அல்லது நச்சுத்தன்மை வாய்ந்த சிதைவு துணைத்தயாரிப்புகள் இல்லை — இது SF₆ அமைப்புகளின் முக்கிய தவறு வகைகளை நீக்குகிறது.

வெற்றிட இடைநிறுத்த அமைப்புகள் (Vacuum interruption systems), செறிவூட்டப்பட்ட வாயு அமைப்பின் (compressed gas system) மூன்று முக்கிய தவறு புள்ளிகளைத் தவிர்க்கின்றன:

வாயு மேலாண்மை இல்லை: SF₆ மேலாண்மை, கசிவு கண்டறிதல் அல்லது விலையுயர்ந்த மீட்பு வாயு மேலாண்மை ஆகியவை தேவையில்லை

ஈரப்பத எதிர்ப்புத்தன்மை: SF₆ சுற்று முறிவுகளின் முக்கிய காரணமான ஈரப்பதத்துடன் தொடர்புடைய மின்காப்பு முறிவு தவிர்க்கப்படுகிறது.

நச்சுத்தன்மை இல்லை: வாயு அமைப்பை மாசுபடுத்தும் உலோக புளோரைடு துணைத்தயாரிப்புகள் ஏற்படுவதில்லை

இதன் விளைவாக, பயன்பாட்டு நிறுவனங்களின் சந்தர்ப்ப ஆய்வுகள், பராமரிப்புத் தேவைகள் 75% குறைந்ததாகக் காட்டின. மேலும், ஈபிஏ (EPA) ஒழுங்குமுறை சரிபார்ப்பு தண்டனை ஆய்வுகளில் குறிப்பிடப்பட்ட $740,000/ஆண்டு சராசரி SF₆ வெளியேற்ற தண்டனைகளை அவை தவிர்த்தன. திண்ம-தொடர்பு வடிவமைப்பு மேலும், சில குறுகிய-சுற்று செயல்பாடுகளுக்குப் பிறகு வாயு தடுப்பான்களில் ஏற்படும் தொடர்பு அரிப்பு சிதைவையும் தவிர்க்கிறது.

மாறும் மின்னழுத்த வரம்புகள்: இடைநிலை மின்னழுத்தத்திலிருந்து உயர் மின்னழுத்தம் வரை
நிறுவல்கள்

தரநிலையாக்கப்பட்ட வெற்றிட சுற்று முறிவிகள் 12–145 kV வரை தரவரையறுக்கப்பட்டுள்ளன, மேலும் 145 kV பயன்பாட்டு நிறுவன நிறுவல்கள் உள்ளன

வெற்றிட சுற்று மின்சார விரைவு தடுப்பான்கள் (Vacuum circuit breakers) சமீபத்தில், இடைநிலை மற்றும் 145 kV உயர் மின்னழுத்த அமைப்புகளில் இயக்கத்திற்கு ஏற்றவாறு அவற்றின் பயன்பாட்டை மேம்படுத்துவதற்காக மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளன. தொடர்பு பொருள்கள், வெற்றிடம், சீலிங் மற்றும் மின்காந்த இயக்கம் ஆகியவற்றின் வளர்ச்சி காரணமாக, இவை 145 kV நிறுவல்களில் அதிக திறனுடன் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இவற்றின் இயக்க மின்னோட்ட தடுப்புத் திறன் அதிகபட்சம் 40 kA வரை (அதாவது < 20 மில்லிவினாடிகள்) ஆகும். இந்த தடுப்பான்கள், -40° முதல் +55° செல்சியஸ் வரையிலான மிக அகன்ற வெப்பநிலை வரம்புகளிலும், சுற்றுச்சூழலுக்கு ஹானியான வாயுக்கள் இல்லாத சூழலிலும், பெரிய முதன்மை மின்சார உபகரணங்களை மாற்றிடுகின்றன.

245 kV க்கான வெற்றிட இடைநிறுத்தி தொழில்நுட்பம்: IEC 62271-100 தரநிலைகள் மற்றும் பல-இடைநிறுத்தி தொடர் இடைநிறுத்தி வளர்ச்சி

தயாரிப்பாளர்கள் பல-முறிவு தொடர் தடுப்பான் வடிவமைப்புகளுடன் 245KV பயன்பாடுகளுக்கான வெற்றிட தொழில்நுட்பத்தை வணிக ரீதியாக அறிமுகப்படுத்தி வருகின்றனர். இதன் சாரம், மின்னழுத்தம் ஒரே இடத்தில் குவியாமல், பல சாதனங்களில் சீராக பகிரப்படுமாறு பல வெற்றிட தடுப்பான்களை ஒன்றிணைத்து உருவாக்குவதாகும். இந்த வடிவமைப்புகள் சமீபத்தில் 245kV/50kA மின்னோட்டத்தை துண்டிக்கும் திறனுக்கான IEC 62271-100 தரநிலைகளுக்கு உட்பட்டவையாக மாறியுள்ளன, இது தொழில்துறைக்கு முக்கியமான முன்னேற்றமாகும். இதில் ஒரு முன்மாதிரி மாதிரியானது, மின்னோட்டப் பாய்வை 2 மின்சுற்று சுழற்சிகளில் துண்டிக்க வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது, இது பாரம்பரிய ஒற்றை-முறிவு தடுப்பான்களை விட 40% வேகமானது. மேலும், இந்த மாதிரி தாமிர-குரோமியம் (Cu/Cr) தொடர்பு முறைகளைப் பயன்படுத்துகிறது, இது துண்டிப்பு மின்னோட்டத்தை < 3 A ஆகக் குறைக்கிறது.

சில ஆரம்ப முன்மாதிரி மாதிரிகள் கடந்த ஆண்டு முதல் ஐரோப்பிய மின்சார வலையமைப்பில் ஒருங்கிணைக்கப்பட்டுள்ளன. பெரும்பாலான தொழில் வல்லுநர்கள், சுற்றுச்சூழல் கவலைகள் முதன்மையாக உள்ள உயர் மின்னழுத்த பயன்பாடுகளில் வெற்றிட தொழில்நுட்பம் இறுதியில் SF6 வாயுவை மாற்றிடும் என நம்புகின்றனர்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

SF6 மற்றும் காற்று-முறிவு அமைப்புகளுக்கு மாறாக வெற்றிட சுற்று முறிவு இயக்கிகளைப் பயன்படுத்துவதன் முக்கிய நன்மை என்ன?

அதிக மின்னழுத்த அமைப்புகளில், வெற்றிட சுற்று முறிவு இயக்கிகள் மின்காப்பு வலிமையை விரைவாக மீட்டெடுக்கின்றன, இது விற்று விளைவை விரைவாக அடக்குவதற்கும், மின்னழுத்த உச்சத்தைக் குறைப்பதற்கும் வழிவகுக்கிறது. இதன் பொருள், வெற்றிட சுற்று முறிவு இயக்கிகள் மற்ற அமைப்புகளை விட மிக அதிக திறனுடன் இயங்க முடியும் என்பதாகும்.

SF6 முறிவு இயக்கிகளின் வடிவமைப்பில் என்ன சிறப்பு உள்ளது, அதனால் வெற்றிட இடைநிறுத்திகள் சிறிய அளவில் இருக்க முடிகிறது?

SF6 முறிவு இயக்கிகள் குறைந்த மின்காப்பு வலிமையைக் கொண்டிருப்பதால், அவை பெரிய தொடர்பு இடைவெளிகளைக் கொண்டிருக்க வேண்டும். இதன் காரணமாக, வெற்றிட இடைநிறுத்திகள் SF6 முறிவு இயக்கிகளை விட 30-40% குறைந்த இடத்தை மட்டுமே எடுத்துக்கொள்கின்றன.

வெற்றிட இடைநிறுத்திகள் 20,000-க்கும் மேற்பட்ட செயல்பாடுகளை நீடிக்கும் ஆயுளைக் கொண்டவை; எனவே இவற்றின் தவறு ஏற்படும் விகிதம் மிகக் குறைவு. இந்தக் குறைந்த தவறு விகிதம் என்பது இவை தோராயமாக 30 ஆண்டுகள் வெற்றிகரமாகச் செயல்படும் என்பதைக் குறிக்கிறது. இந்தக் குறைந்த தவறு விகிதமும், அதிக வெற்றி விகிதமும் வெற்றிட இடைநிறுத்திகளை, பழைய தொழில்நுட்பங்களை விட தேவையான பராமரிப்பு மற்றும் சரிசெய்தல் குறைவாக இருப்பதால், சுமார் 40% குறைந்த செலவில் இயங்க வைக்க முடியும் என்பதைக் குறிக்கிறது.

சுற்றுச்சூழலைப் பொறுத்தவரை, SF6 மின்சார உடைப்பிகளை விட வெற்றிட இடைநிறுத்திகளைப் பயன்படுத்துவதற்கு ஏதேனும் சாதகமான அம்சம் உள்ளதா?

நிச்சயமாக! வெற்றிட இடைநிறுத்திகள் வாயு மேலாண்மை அமைப்புகளின் தேவையை நீக்குகின்றன, மேலும் இவை ஈரப்பதத்திற்கு எதிரானவையும் கூட. இவற்றால் ஆபத்தான துணைத் தயாரிப்புகள் மிகக் குறைவாகவோ அல்லது முற்றிலும் இல்லையோ உருவாகின்றன. எனவே, SF6 அமைப்புகளுடன் தொடர்புடைய சுற்றுச்சூழல் செலவுகளும், நிதிச் செலவுகளும் குறைவாகவே இருக்கும்.