मध्यम वोल्टेज स्विचगियर: ट्रांसमिशन में बिजली के नुकसान को कम करने की कुंजी

बिजली हानि का भौतिकीय आधार और मध्यम वोल्टेज स्विचगियर का हानि न्यूनीकरण में केंद्रीय महत्व

I²R हानि की व्याख्या: उच्च वोल्टेज वितरण कैसे धारा को कम करता है और प्रतिरोधी हानि को कम करता है

जब बिजली तारों के माध्यम से प्रवाहित होती है, तो अधिकांश हानि चालक में प्रतिरोध के कारण उत्पन्न ऊष्मा के कारण होती है, जो हमारे द्वारा जूल के नियम (P_loss = I² × R) के नाम से जाने जाने वाले नियम का पालन करती है। यहाँ रोचक बात यह है कि शक्ति हानि धारा से कैसे संबंधित है — जब धारा में केवल थोड़ी-सी कमी आती है, तो दक्षता काफी अधिक बढ़ जाती है। यही एक कारण है कि अब कई प्रणालियाँ निम्न वोल्टेज स्तरों के बजाय १ से ३६ किलोवोल्ट के मध्यम वोल्टेज स्तरों पर शक्ति का वितरण करती हैं। इन उच्च वोल्टेज स्तरों पर, समान मात्रा में शक्ति बहुत कम धारा के प्रवाह के साथ केबलों के माध्यम से स्थानांतरित की जा सकती है। यदि कोई वोल्टेज को आधा कर देता है, तो धारा वास्तव में दोगुनी हो जाती है; लेकिन यदि वोल्टेज को दोगुना कर दिया जाता है, तो धारा आधी हो जाती है। यह सरल परिवर्तन, समान आकार के चालकों का उपयोग करने पर, उन अवांछित I²R हानियों को लगभग तीन-चौथाई तक कम कर देता है। इसलिए आश्चर्य नहीं कि मध्यम वोल्टेज उपकरण अधिकांश कुशल औद्योगिक एवं वाणिज्यिक शक्ति वितरण व्यवस्थाओं की मेरुदंड का गठन करते हैं। ये प्रणालियाँ लंबी दूरियों तक स्थिर उच्च वोल्टेज की आपूर्ति जारी रखती हैं, बिना इतनी अधिक अपव्यय ऊष्मा उत्पन्न किए। आज के आधुनिक स्विचगियर में उत्कृष्ट चालकता वाले तांबे के बसबार और प्रतिरोध को जहाँ भी संभव हो, कम करने के लिए चांदी के लेपित संपर्क जैसे घटक शामिल हैं। ये सभी सुधार अनावश्यक ऊर्जा अपव्यय को कम करने में सहायता करते हैं, जो अनुसंधान के अनुसार पोनेमॉन संस्थान द्वारा २०२३ में प्रकाशित एक अध्ययन के अनुसार, औसत सुविधाओं से प्रति वर्ष लगभग सात लाख चालीस हज़ार डॉलर की ऊर्जा का अपव्यय करते हैं।

मध्यम वोल्टेज स्विचगियर उप-केंद्र और अंतिम लोड के बीच रणनीतिक नियंत्रण नोड के रूप में

मध्यम वोल्टेज स्विचगियर उन बड़े उच्च वोल्टेज उप-केंद्रों और लाइन के अंत में बिजली की आवश्यकता वाले किसी भी उपकरण के बीच सीधे स्थित होता है। हालाँकि, ये कोई साधारण कनेक्टर नहीं हैं; वास्तव में ये बिजली के प्रवाह को पूरे प्रणाली के माध्यम से नियंत्रित करते हैं। इसके अंदर विभिन्न घटक—जैसे सर्किट ब्रेकर, रिले और सभी प्रकार के सेंसर—लगातार लोड के साथ क्या हो रहा है, इसकी जाँच करते रहते हैं, किसी भी समस्या का पूर्वानुमान लगाते हैं और फिर बिजली को उस जगह पर पुनः निर्देशित करते हैं जहाँ इसकी सबसे कुशलता से आवश्यकता होती है। जब कोई समस्या उत्पन्न होती है, तो ये प्रणालियाँ दोषों को अत्यंत तीव्र गति से, अक्सर मिलीसेकंड के भीतर, अलग कर देती हैं, जिससे बड़ी समस्याओं के विकसित होने से रोका जाता है और उपकरणों के साथ-साथ समग्र ऊर्जा दक्षता की रक्षा की जाती है। उदाहरण के लिए गैस इन्सुलेटेड सिस्टम (GIS) को लीजिए। ये पुराने वायु इन्सुलेटेड संस्करणों की तुलना में रिसाव धाराओं और उन झंझट भरे आंशिक डिस्चार्ज को कहीं अधिक प्रभावी ढंग से संभालते हैं, जिससे हम सभी के द्वारा भुगतान किए जाने वाले उन अप्रिय फैंटम नुकसानों में कमी आती है। अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी (IEA) के अनुसार, विश्व स्तर पर विद्युत नुकसानों में केवल १% के सुधार से प्रति वर्ष लगभग ८७ टेरावॉट-घंटा की ऊर्जा की बचत हो सकती है। मध्यम वोल्टेज स्विचगियर की इतनी महत्वपूर्णता इस बात में निहित है कि यह सुरक्षा तंत्रों, मापन क्षमताओं और स्मार्ट नियंत्रणों को एक ही पैकेज में समेकित करता है, जो बिजली के ग्रिड में प्रवेश करने के बिंदु से लेकर व्यक्तिगत उपकरणों तक पूरी बिजली प्रणाली में वास्तविक सुधार प्रदान करता है।

मुख्य मध्यम वोल्टेज स्विचगियर घटक जो प्रत्यक्ष रूप से दक्षता में सुधार करते हैं

अनुकूलित बसबार और संपर्क सामग्री: चालकता और सतह इंजीनियरिंग के माध्यम से जूल तापन को कम करना

उच्च चालकता वाले तांबे और एल्युमीनियम के बसबार विद्युत धारा के प्रवाह के लिए मुख्य मार्ग के रूप में कार्य करते हैं, और उनकी डिज़ाइन का उन छोटी-छोटी, परेशान करने वाली I²R हानियों पर बड़ा प्रभाव पड़ता है, जिनसे हम सभी बचने का प्रयास करते हैं। जब संपर्क बिंदुओं पर चांदी का लेप लगाया जाता है, तो यह सामान्य अनकोटेड संपर्कों की तुलना में संपर्क प्रतिरोध को लगभग 15% तक कम कर देता है। इसका अर्थ है कि उन स्थानों पर कम ऊष्मा उत्पन्न होगी और जब प्रणालियाँ लगातार चल रही होंगी, तो तापमान नियंत्रण बेहतर होगा। आंकड़े भी एक रोचक कहानी कहते हैं। पोनेमॉन संस्थान द्वारा 2023 में किए गए शोध के अनुसार, एक मध्यम आकार के सबस्टेशन में कुल बसबार प्रतिरोध से केवल 1% की कमी करने से प्रति वर्ष लगभग 7,40,000 अमेरिकी डॉलर की बचत हो सकती है। भविष्य की ओर देखें तो, इस क्षेत्र में कुछ रोमांचक विकास हो रहे हैं। निर्माता ऐसे विशेष मिश्र धातुओं पर काम कर रहे हैं जो शुद्ध तांबे के लगभग उतनी ही दक्षता से (लगभग 98% IACS रेटिंग) विद्युत का संचार करती हैं, ऑक्सीकरण के कारण खतरनाक गर्म बिंदुओं के निर्माण को रोकने के लिए सुरक्षात्मक कोटिंग्स लगा रहे हैं, और आकृतियों को फिर से डिज़ाइन कर रहे हैं ताकि वे उपकरण पैनलों पर अतिरिक्त स्थान घेरे बिना अधिक धारा को संभाल सकें।

इन्सुलेशन सिस्टम (GIS बनाम AIS): रिसाव धारा, आंशिक डिस्चार्ज और थर्मल स्थिरता पर प्रभाव

गैस इन्सुलेटेड स्विचगियर, जिसे आमतौर पर GIS कहा जाता है, सभी लाइव भागों को दबाव वाली SF6 गैस या नवीनतर SF6-मुक्त विकल्पों के भीतर संलग्न करके कार्य करता है। यह व्यवस्था मूल रूप से उन अप्रिय सतह रिसाव धाराओं को रोक देती है और पारंपरिक वायु इन्सुलेटेड प्रणालियों की तुलना में आंशिक डिस्चार्ज को लगभग 90 प्रतिशत तक कम कर देती है। इसके सभी घटकों को संलग्न रखने के तरीके के कारण, तापमान 40 डिग्री सेल्सियस से अधिक हो जाने पर भी विद्युत गुण स्थिर बने रहते हैं। इसका एक और बड़ा लाभ स्थान की बचत है—GIS पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में लगभग 70% कम स्थान घेरता है। इसके अतिरिक्त, इन इकाइयों की रिसाव दर बहुत कम होती है, जो प्रति वर्ष 0.005% से कम होती है। दूसरी ओर, पारंपरिक वायु इन्सुलेटेड उपकरणों की दक्षता में कमी आ जाती है, जो नम या गंदी परिस्थितियों में सतह ट्रैकिंग की समस्याओं और घटकों में जल के अवशोषण के कारण प्रति वर्ष 8 से 12% तक गिर जाती है। ये सभी कारक इस बात की व्याख्या करते हैं कि क्यों GIS उन परिस्थितियों में इतना उभरा हुआ है, जहाँ विश्वसनीय संचालन की आवश्यकता होती है, साथ ही छोटे फुटप्रिंट की आवश्यकता भी होती है, और फिर भी समय के साथ ऊर्जा की बचत की जा सके।

आधुनिक मध्यम वोल्टेज स्विचगियर द्वारा सक्षम की गई बुद्धिमान सुरक्षा और समन्वयण रणनीतियाँ

चयनात्मक समन्वयन: श्रृंखलाबद्ध आउटेज और ऊर्जा अपव्यय को रोकने के लिए समय-धारा वक्रों को संरेखित करना

जब चयनात्मक समन्वय (सिलेक्टिव कॉर्डिनेशन) ठीक से काम करता है, तो विद्युत दोषों को उनके स्रोत पर ही अलग कर दिया जाता है, बजाय इसके कि वे पूरे सिस्टम में समस्याएँ उत्पन्न करें। इससे उन परिपथों पर बिजली की आपूर्ति चिकनी और निर्बाध रूप से जारी रहती है जो जो कुछ भी गलत हुआ हो, उससे प्रभावित नहीं हुए हों। इसका रहस्य विभिन्न सुरक्षा उपकरणों—जैसे सर्किट ब्रेकर और फ्यूज़—के बीच समय-धारा वक्रों (टाइम करंट कर्व्स) को सटीक रूप से मिलाने में निहित है। आधुनिक मध्यम वोल्टेज उपकरण पुराने सिस्टमों की तुलना में इस कार्य को बेहतर ढंग से करते हैं; अतः जब कुछ भी गड़बड़ होता है, तो व्यवधान सीमित रहता है, बजाय ऊर्जा के अपव्यय और पूरे संचालन को बंद करने के। सोचिए: पोनेमॉन संस्थान (Ponemon Institute) की पिछले वर्ष की रिपोर्ट के अनुसार, नियंत्रित न होने वाली विद्युत समस्याएँ प्रत्येक घटना में लगभग 740,000 अमेरिकी डॉलर के विशाल वित्तीय नुकसान का कारण बन सकती हैं। लेकिन जो कंपनियाँ उचित समन्वय रणनीतियों में निवेश करती हैं, उनकी लागत आमतौर पर 40 से 60 प्रतिशत तक कम हो जाती है, जबकि रखरखाव या मरम्मत के दौरान भी आवश्यक सेवाएँ ऑनलाइन बनी रहती हैं।

डिजिटल रिले और कृत्रिम बुद्धिमत्ता-सहायित सेटिंग्स: अवांछित ट्रिपिंग को कम करना और निरंतर, कुशल प्रवाह को बनाए रखना

आधुनिक डिजिटल सुरक्षा रिले पुराने इलेक्ट्रोमैकेनिकल रिले की जगह ले रहे हैं, क्योंकि उनमें वास्तविक समय में विश्लेषण की क्षमता, आवश्यकतानुसार समायोज्य सेटिंग्स और बुद्धिमान स्व-कैलिब्रेशन क्षमताएँ शामिल हैं। ये नए सिस्टम मशीन लर्निंग तकनीकों के साथ-साथ पिछली दोषों का विश्लेषण करके अस्थायी गड़बड़ियों और वास्तविक समस्याओं के बीच अंतर स्पष्ट करते हैं, जिससे क्षेत्र परीक्षणों के अनुसार उन अप्रिय झूठे ट्रिप्स में लगभग 80 प्रतिशत की कमी आ जाती है। जब अवरोधन कम बार होते हैं, तो उपकरणों को बार-बार पुनः आरंभ करने की आवश्यकता नहीं रहती, जिससे तापन और शीतलन चक्रों के कारण होने वाले क्षरण में कमी आती है और बिजली बिना किसी व्यवधान के निरंतर प्रवाहित होती रहती है। निरंतर निगरानी का पहलू ऐसी समस्याओं को पहचानता है जैसे कि विद्युतरोधन का क्षरण शुरू होना या संपर्कों का गुणवत्ता में कमी आना—इन्हें बड़ी समस्याओं में बदलने से पहले ही, जिससे रखरखाव टीमें विफलताओं की प्रतीक्षा किए बिना पूर्वव्यवहार (प्रोएक्टिव) रूप से मरम्मत कर सकती हैं। कंपनियाँ रिपोर्ट करती हैं कि उनके समग्र सिस्टम का प्रदर्शन सुधरा है, उपकरणों का जीवनकाल बढ़ा है और उन्हें ऊर्जा बिलों में कमी के साथ-साथ अपने संचालन में महंगी डाउनटाइम घटनाओं से बचने के कारण काफी धनराशि की बचत हुई है।

सामान्य प्रश्न

I²R हानियाँ क्या हैं, और उन्हें कैसे कम किया जा सकता है?

I²R हानियाँ विद्युत प्रतिरोध के कारण उत्पन्न ऊष्मा के कारण होने वाली शक्ति हानि को संदर्भित करती हैं, जो जूल के नियम का अनुसरण करती हैं। इन्हें उच्च वोल्टेज पर शक्ति के वितरण द्वारा कम किया जा सकता है, जिससे धारा कम हो जाती है, और परिणामस्वरूप प्रतिरोधी हानियाँ काफी कम हो जाती हैं।

विद्युत वितरण में मध्यम वोल्टेज स्विचगियर का क्या महत्व है?

मध्यम वोल्टेज स्विचगियर उच्च वोल्टेज उप-केंद्रों और अंतिम उपकरणों के बीच एक नियंत्रण नोड के रूप में कार्य करता है, जो शक्ति प्रवाह को प्रभावी ढंग से प्रबंधित करता है तथा उपकरण सुरक्षा और ऊर्जा दक्षता को बढ़ाने के लिए दोषों को त्वरित रूप से अलग करता है।

गैस इन्सुलेटेड स्विचगियर (GIS) के मुकाबले एयर इन्सुलेटेड सिस्टम (AIS) की तुलना में क्या लाभ हैं?

GIS रिसाव धाराओं और आंशिक विसर्जनों के प्रबंधन में बेहतर प्रदर्शन करता है, तापीय स्थिरता बनाए रखता है, स्थान बचाता है और AIS की तुलना में वार्षिक रिसाव दर कम होती है, जिससे यह अधिक कुशल और विश्वसनीय बन जाता है।

आधुनिक डिजिटल रिले विद्युत प्रणाली के प्रदर्शन में सुधार कैसे करते हैं?

आधुनिक डिजिटल रिले वास्तविक समय में विश्लेषण और मशीन लर्निंग का उपयोग करके गड़बड़ियों और वास्तविक दोषों के बीच अंतर करके अनावश्यक ट्रिपिंग को कम करते हैं, जिससे निरंतर और कुशल बिजली प्रवाह बना रहता है और अवरोध समय कम हो जाता है।