நடுத்தர மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர்: மின்சார கடத்தலில் மின்சக்தி இழப்பைக் குறைப்பதற்கான முக்கிய காரணி

மின்சக்தி இழப்பின் இயற்பியல் மற்றும் ஏன் நடுத்தர மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர் அதனை குறைப்பதில் மையப் பங்கு வகிக்கிறது

I²R இழப்புகள் விளக்கம்: உயர் மின்னழுத்த மின்சக்தி பரிமாற்றம் எவ்வாறு மின்னோட்டத்தைக் குறைத்து மின்தடை இழப்புகளைக் குறைக்கிறது

மின்சாரம் கம்பிகள் வழியாகச் செல்லும்போது, பெரும்பாலான இழப்புகள் கடத்தியின் மின்தடையால் உருவாகும் வெப்பத்தினால் ஏற்படுகின்றன, இது நாம் 'ஜூலின் விதி' (P_loss = I² × R) எனக் குறிப்பிடும் விதியைப் பின்பற்றுகிறது. இங்கு கவனிக்கத்தக்க விஷயம் என்னவென்றால், மின்னோட்டத்துடன் மின்சக்தி இழப்பு எவ்வாறு தொடர்புடையது என்பதாகும் — மின்னோட்டம் சிறிது குறைந்தாலும், திறன் பயன்பாட்டு திறன் (எஃபிசியன்சி) மிகவும் அதிகமாக அதிகரிக்கிறது. இதுதான் பல அமைப்புகள் தற்போது குறைந்த மின்னழுத்தத்தை விட 1 முதல் 36 கிலோவோல்ட் வரையிலான நடுத்தர மின்னழுத்தத்தில் மின்சக்தியை பரவலாக்குவதற்கான ஒரு காரணம். இந்த உயர் மின்னழுத்தத்தில், அதே அளவு மின்சக்தியை மிகக் குறைந்த மின்னோட்டத்துடன் கம்பிகள் வழியாக அனுப்ப முடியும். யாரேனும் மின்னழுத்தத்தை பாதியாகக் குறைத்தால், மின்னோட்டம் உண்மையில் இருமடங்காகிறது; ஆனால் மின்னழுத்தத்தை இருமடங்காக்கினால், மின்னோட்டம் பாதியாகக் குறைகிறது. இந்த எளிய மாற்றம், அதே அளவு கடத்திகளைப் பயன்படுத்தும்போது, அந்த தொந்தரவான I²R இழப்புகளை ஏறக்குறைய மூன்றில் இரண்டு பங்கு (மூன்றில் இரண்டு வீதம்) குறைக்கிறது. இதனால்தான் நடுத்தர மின்னழுத்த உபகரணங்கள் பெரும்பாலான திறன் வாய்ந்த தொழில்துறை மற்றும் வணிக மின்சக்தி பரவல் அமைப்புகளின் அடித்தளமாக விளங்குகின்றன. இந்த அமைப்புகள், நீண்ட தூரங்களில் நிலையான உயர் மின்னழுத்தத்தை வழங்குவதோடு, அதிகமான வெப்ப வீணழிவை உருவாக்காமல் இருக்கின்றன. தற்கால நவீன ஸ்விட்ச்கியர் அமைப்புகளில், சிறந்த மின்கடத்துத்திறன் கொண்ட தாமிர பஸ்பார்கள் மற்றும் மின்தடையை எங்கும் சாத்தியமான அளவு குறைக்க வெள்ளியால் பூசப்பட்ட தொடர்பு புள்ளிகள் போன்றவை அடங்கும். இந்த அனைத்து மேம்பாடுகளும், சாதாரண தொழில்நுட்ப வசதிகளில் ஆண்டுக்கு சுமார் 7,40,000 டாலர்களை வீணாக்கும் தேவையில்லாத ஆற்றல் வீணழிவைக் குறைக்க உதவுகின்றன — இது 2023-இல் பொனெமான் நிறுவனம் வெளியிட்ட ஆய்வின் படி.

மித மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர் – சப்ஸ்டேஷன் மற்றும் முடிவு சுமைக்கு இடையேயான முக்கிய கட்டுப்பாட்டு முனை

நடுத்தர மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர் (Medium voltage switchgear), பெரிய உயர் மின்னழுத்த மின்நிலையங்களுக்கும், வரிசையின் இறுதியில் மின்சாரத்தைத் தேவைப்படும் எந்தவொரு கருவிக்கும் இடையில் நேரடியாக அமைந்துள்ளது. இவை எளிய இணைப்புகள் மட்டுமல்ல; மாறாக, மின்சாரம் முழு அமைப்பின் வழியாக எவ்வாறு பாய்கிறது என்பதை உண்மையில் மேலாண்மை செய்கின்றன. சுற்று முறிப்பான்கள் (circuit breakers), ரிலேக்கள் (relays) மற்றும் பல்வேறு வகையான சென்சார்கள் ஆகியவை உள்ளடங்கிய பல்வேறு கூறுகள், சுமையின் நிலையைத் தொடர்ந்து கண்காணித்து, ஏதேனும் பிரச்சனைகளை முறையாக முறுகிய நேரத்தில் கண்டறிந்து, மின்சாரத்தை அதிக திறனுடன் தேவையான இடங்களுக்கு மறுவழித்திருப்பின்றன. ஏதேனும் கோளாறு ஏற்படும்போது, இந்த அமைப்புகள் பழுதுகளை மிக விரைவாக — பெரும்பாலும் மில்லிசெகண்டுகளில் — தனிமைப்படுத்தி, பெரிய பிரச்சனைகள் வளர்வதைத் தடுக்கின்றன; இது கருவிகளையும், முழு மின்சார திறன் சிக்கனத்தையும் பாதுகாக்கிறது. எடுத்துக்காட்டாக, வாயு மூலம் காப்பிடப்பட்ட அமைப்புகள் (Gas Insulated Systems – GIS) ஆகியவை, பழைய காற்று மூலம் காப்பிடப்பட்ட அமைப்புகளை விட கசிவு மின்னோட்டங்கள் மற்றும் பகுதி மின்னிறக்கங்கள் (partial discharges) ஆகியவற்றை மிகவும் திறம்பட கையாளுகின்றன; இது நாம் அனைவரும் செலுத்தும் சிரமமான 'பேண்டம்' இழப்புகளை (phantom losses) குறைக்கிறது. சர்வதேச ஆற்றல் முகமை (International Energy Agency) கூறுவது என்னவெனில், உலகளவில் மின்சார இழப்புகளைக் குறைப்பதில் சிறிய 1% முன்னேற்றம் கூட, ஒவ்வொரு ஆண்டும் சுமார் 87 டெராவாட்-மணி நேரத்திற்கு சமமான ஆற்றலை சேமிக்க உதவும். நடுத்தர மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியரின் மதிப்பு என்னவெனில், இது பாதுகாப்பு ஏற்பாடுகள், அளவீட்டுத் திறன்கள் மற்றும் ஸ்மார்ட் கட்டுப்பாடுகள் ஆகியவற்றை ஒரே தொகுப்பில் ஒன்றிணைக்கிறது; இது மின்சாரம் வலையமைப்பில் நுழையும் இடத்திலிருந்து தனிப்பட்ட கருவிகள் வரை முழு மின்சார அமைப்புகளிலும் உண்மையான முன்னேற்றங்களை வழங்குகிறது.

திறனை நேரடியாக மேம்படுத்தும் முக்கிய நடு-மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர் பாகங்கள்

மேம்படுத்தப்பட்ட பஸ்பார்கள் மற்றும் தொடர்பு பொருள்கள்: கடத்துத்திறன் மற்றும் மேற்பரப்பு பொறியியல் மூலம் ஜூல் வெப்பத்தைக் குறைத்தல்

உயர் கடத்துத்திறன் கொண்ட தாமிரம் மற்றும் அலுமினியம் பஸ்பார்கள் மின்னோட்டத்திற்கான முக்கிய பாதையாகச் செயல்படுகின்றன, மேலும் அவை எவ்வாறு வடிவமைக்கப்படுகின்றன என்பது நாம் அனைவரும் தவிர்க்க முயற்சிக்கும் அந்த எரிச்சலூட்டும் I²R இழப்புகளில் பெரும் தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது. இணைப்புப் புள்ளிகளில் வெள்ளி பூசப்படும்போது, அது வழக்கமான பூசப்படாத இணைப்புகளுடன் ஒப்பிடும்போது தொடர்பு எதிர்த்துணையை தோராயமாக 15% வரை குறைக்கிறது. இதன் விளைவாக, அந்த இடங்களில் குறைந்த வெப்ப உருவாக்கம் ஏற்படுகிறது மற்றும் அமைப்புகள் தொடர்ந்து இயங்கும்போது சிறந்த வெப்பநிலை கட்டுப்பாடு உறுதி செய்யப்படுகிறது. எண்களும் ஒரு சுவாரஸ்யமான கதையைச் சொல்கின்றன. 2023-இல் பொனெமான் நிறுவனம் மேற்கொண்ட ஆய்வின்படி, ஒரு நடுத்தர அளவு சப்ஸ்டேஷனில் மொத்த பஸ்பார் எதிர்த்துணையில் வெறும் 1% ஐக் குறைத்தால், ஒவ்வொரு ஆண்டும் தோராயமாக 740,000 டாலர் சேமிக்க முடியும். மேலும், இத்துறையில் சில சுவாரஸ்யமான முன்னேற்றங்கள் நிகழ்ந்து வருகின்றன. தயாரிப்பாளர்கள், தூய தாமிரத்தின் கடத்துத்திறனை தோராயமாக 98% IACS தரத்தில் அடையும் சிறப்பு உலோகக் கலவைகளை உருவாக்குவதில் ஈடுபட்டுள்ளனர்; ஆக்ஸிஜனேஷனைத் தடுக்கும் பாதுகாப்பு பூச்சுகளைப் பயன்படுத்தி ஆபத்தான சூடான புள்ளிகள் உருவாகாமல் தடுப்பதில் ஈடுபட்டுள்ளனர்; மேலும், கருவிப் பலகைகளில் கூடுதல் இடத்தை எடுக்காமல் அதிக மின்னோட்டத்தைக் கையாளக்கூடிய வடிவங்களை மீண்டும் வடிவமைப்பதிலும் ஈடுபட்டுள்ளனர்.

மின்காப்பு அமைப்புகள் (GIS மற்றும் AIS): சீரற்ற மின்னோட்டம், பகுதி மின்னிறக்கம் மற்றும் வெப்ப நிலைத்தன்மை ஆகியவற்றின் மீதான தாக்கம்

வாயு காப்பிடப்பட்ட ஸ்விட்ச்கியர் (Gas Insulated Switchgear), பொதுவாக GIS என அழைக்கப்படுவது, அனைத்து செயலிலுள்ள பாகங்களையும் அழுத்தமேற்றப்பட்ட SF6 வாயுவில் அல்லது புதிய SF6-இல்லாத மாற்று வாயுக்களில் மூடி வைப்பதன் மூலம் செயல்படுகிறது. இந்த அமைப்பு மேற்பரப்பு கசிவு மின்னோட்டங்களை (surface leakage currents) தடுக்கிறது, மேலும் பாரம்பரிய காற்று காப்பிடப்பட்ட அமைப்புகளுடன் ஒப்பிடும்போது பகுதி மின்னிறக்கங்களை (partial discharges) தோராயமாக 90% வரை குறைக்கிறது. இது அனைத்து உறுப்புகளையும் மூடிய வடிவமைப்பால், வெப்பநிலை 40°C-ஐ மிகைத்தாலும் மின்சார பண்புகள் நிலையாகவே இருக்கின்றன. இதன் மற்றொரு முக்கிய நன்மை இடச் சேமிப்பு ஆகும் – GIS ஆனது பாரம்பரிய அமைப்புகளை விட தோராயமாக 70% குறைந்த இடத்தை மட்டுமே பயன்படுத்துகிறது. மேலும், இந்த அலகுகளின் கசிவு வீதம் மிகக் குறைவு – ஆண்டுக்கு 0.005% ஐ விடக் குறைவாகவே உள்ளது. ஆனால், பாரம்பரிய காற்று காப்பிடப்பட்ட உபகரணங்கள் ஈரப்பதமான அல்லது அழுக்கான சூழ்நிலைகளில் மேற்பரப்பு டிராக்கிங் (surface tracking) பிரச்சினைகள் மற்றும் உறுப்புகளுள் தண்ணீர் உறிஞ்சப்படுவதால், ஒவ்வொரு ஆண்டும் 8% முதல் 12% வரை திறனை இழக்கின்றன. இந்த அனைத்துக் காரணிகளும், நமக்கு நம்பகமான இயக்கம், சிறிய இடத்தைப் பயன்படுத்தும் தேவை மற்றும் நீண்டகாலத்தில் ஆற்றலைச் சேமிக்கும் தேவை ஆகியவற்றை ஒரே நேரத்தில் பூர்த்தி செய்ய வேண்டிய சூழ்நிலைகளில் GIS எவ்வளவு முக்கியமானது என்பதை விளக்குகின்றன.

சமீபத்திய நடுத்தர மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர் மூலம் இயக்கப்படும் புத்திசாலித்தனமான பாதுகாப்பு மற்றும் ஒருங்கிணைப்பு முறைகள்

தெரிவு செய்யப்பட்ட ஒருங்கிணைப்பு: வரிசையில் தொடர்ச்சியான மின்வெட்டுகள் மற்றும் ஆற்றல் வீணாதலைத் தடுக்க நேர-மின்னோட்ட வளைவுகளை ஒருங்கிணைத்தல்

தேர்வு செய்யப்பட்ட ஒத்திசைவு (Selective Coordination) சரியாகச் செயல்படும்போது, மின் குறைபாடுகள் அவற்றின் மூலத்திலேயே தனிமைப்படுத்தப்படுகின்றன; அது முழு மின்சார அமைப்பிலும் பிரச்சனைகளை ஏற்படுத்தாது. இதனால், எதுவும் தவறினாலும் அதனால் பாதிக்கப்படாத மின்சுற்றுகளில் மின்சாரம் தடையின்றி தொடர்ந்து வழங்கப்படுகிறது. இதன் முக்கிய ரகசியம் என்னவென்றால், மின்சுற்று முறியடைப்பான்கள் (Circuit Breakers) மற்றும் ஃபியூஸ்கள் போன்ற பல்வேறு பாதுகாப்பு சாதனங்களுக்கு இடையே உள்ள நேர-மின்னோட்ட வளைவுகளை (Time-Current Curves) சரியாக ஒத்திசைவு செய்வதாகும். தற்கால நடுத்தர மின்னழுத்த (Medium Voltage) உபகரணங்கள் இதை பழைய அமைப்புகளை விட சிறப்பாகச் செய்கின்றன; எனவே, ஏதேனும் குறைபாடு ஏற்படும்போது, அதன் தாக்கம் கட்டுப்பாட்டிலேயே நிலைத்து, ஆற்றலை வீணடிப்பதையும், முழு செயல்பாடுகளையும் நிறுத்துவதையும் தவிர்க்கின்றன. இதை நினைத்துப் பாருங்கள்: கடந்த ஆண்டு பொனெமன் நிறுவனம் (Ponemon Institute) வெளியிட்ட அறிக்கைப்படி, கட்டுப்படுத்தப்படாத மின் பிரச்சனைகள் ஒவ்வொன்றும் சராசரியாக சுமார் $740,000 எனும் பெரும் நிதிப் பாதிப்பை ஏற்படுத்துகின்றன. ஆனால், சரியான ஒத்திசைவு முறைகளில் முதலீடு செய்யும் நிறுவனங்கள் பொதுவாக தங்கள் செலவுகளை 40 முதல் 60 சதவீதம் வரை குறைத்துக் கொள்கின்றன; மேலும், பராமரிப்பு அல்லது பழுது நீக்கும் போதும் அவசியமான சேவைகள் தொடர்ந்து இயங்குமாறு உறுதிப்படுத்தப்படுகின்றன.

டிஜிட்டல் ரிலேக்கள் மற்றும் செயற்கை நுண்ணறிவு உதவியுடன் அமைக்கப்பட்ட அமைப்புகள்: தவறான டிரிப்பிங்கைக் குறைத்தல் மற்றும் தொடர்ச்சியான, திறம்பட செயல்படும் ஓட்டத்தை பராமரித்தல்

சமீபத்திய டிஜிட்டல் பாதுகாப்பு ரிலேக்கள், மெய்நேர பகுப்பாய்வு அம்சங்கள், தேவைக்கேற்ப தனிப்பயனாக்கக்கூடிய அமைப்புகள் மற்றும் ஸ்மார்ட் சுய-கேலிப்ரேஷன் திறன்கள் ஆகியவற்றுடன் வழங்குவதால், பழைய மின்காந்த மெக்கானிக்கல் ரிலேக்களை மாற்றிவிட்டன. இந்தப் புதிய அமைப்புகள், முந்தைய தவறுகளையும் இயந்திர கற்றல் (மெஷின் லெர்னிங்) நுணுக்கங்களையும் ஒன்றிணைத்து, தற்காலிக குறைபாடுகளுக்கும் உண்மையான பிரச்சனைகளுக்கும் இடையே வேறுபாடு காண முடியும்; இதனால் கள சோதனைகளின்படி, அநாவசியமான தவறான செயல்பாடுகள் (ஃபால்ஸ் டிரிப்ஸ்) ஏறக்குறைய 80 சதவீதம் குறைகின்றன. இயந்திரங்களில் தடைகள் குறைவாக ஏற்படும்போது, அவை மீண்டும் மீண்டும் துவங்க வேண்டிய அவசியம் குறைகிறது; இதனால் வெப்பம் மற்றும் குளிர்விப்பு சுழற்சிகளுக்கு ஏற்படும் தேய்மானமும் குறைகிறது, மேலும் மின்சாரம் தடையின்றி சீராக ஓடிக்கொண்டே இருக்கிறது. தொடர் கண்காணிப்பு அம்சம், மின்காப்பு படிப்படியாக சீர்குலைதல் அல்லது தொடுதல் புள்ளிகள் (கான்டாக்ட்ஸ்) மோசமாதல் போன்ற சிக்கல்களை, அவை பெரிய பிரச்சனைகளாக மாறுவதற்கு முன்பே கண்டறிகிறது; இதனால் பராமரிப்புக் குழுக்கள் தவறுகள் ஏற்படுவதற்கு முன்பே முன்கூட்டியே சரிசெய்ய முடிகிறது. நிறுவனங்கள், மொத்த அமைப்பு செயல்திறனில் மேம்பாடு, உபகரணங்களின் நீண்ட ஆயுள் மற்றும் மின் பில்களில் குறைந்த செலவு மற்றும் செயல்பாட்டு நிறுத்தத்திற்கான அதிக செலவுகளைத் தவிர்ப்பதன் மூலம் பெரும் பொருளாதார சேமிப்புகளை அடைந்ததாக அறிவித்துள்ளன.

தேவையான கேள்விகள்

I²R இழப்புகள் என்றால் என்ன, மேலும் அவற்றை எவ்வாறு குறைக்கலாம்?

I²R இழப்புகள் என்பவை ஜூலின் விதிக்கு ஏற்ப மின்தடையால் உருவாகும் வெப்பத்தினால் ஏற்படும் மின்சக்தி இழப்புகளைக் குறிக்கின்றன. இவற்றை உயர் மின்னழுத்தத்தில் மின்சக்தியை பரவலாக்குவதன் மூலம் மின்னோட்டத்தைக் குறைப்பதன் மூலம் மின்தடை இழப்புகளை மிகவும் குறைக்கலாம்.

மின்சக்தி பரவலில் நடுத்தர மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர் (Medium Voltage Switchgear) ஏன் முக்கியமானது?

நடுத்தர மின்னழுத்த ஸ்விட்ச்கியர் உயர் மின்னழுத்த மின்நிலையங்கள் மற்றும் இறுதி சாதனங்களுக்கு இடையில் கட்டுப்பாட்டு முனையாகச் செயல்படுகிறது; இது மின்சக்தி பாய்வை திறம்பட மேலாண்மை செய்வதுடன், குறைபாடுகளை விரைவாக பிரித்துள்ளது, இதனால் சாதனங்களின் பாதுகாப்பு மற்றும் ஆற்றல் திறன் ஆகியவை மேம்படுகின்றன.

வாயு காப்பிடப்பட்ட ஸ்விட்ச்கியர் (GIS) காற்று காப்பிடப்பட்ட அமைப்புகள் (AIS) ஐ விட என்ன நன்மைகளை வழங்குகிறது?

GIS என்பது கசிவு மின்னோட்டங்கள் மற்றும் பகுதி மின்னிறக்கங்களை சிறப்பாக மேலாண்மை செய்கிறது, வெப்ப நிலைத்தன்மையை பராமரிக்கிறது, இடத்தை சэкономிக்கிறது, மேலும் AIS ஐ விட ஆண்டுதோறும் குறைந்த கசிவு வீதத்தைக் கொண்டுள்ளது; இதனால் இது அதிக திறனும், நம்பகத்தன்மையும் கொண்டதாக உள்ளது.

நவீன டிஜிட்டல் ரிலேக்கள் மின்சக்தி அமைப்பின் செயல்திறனை எவ்வாறு மேம்படுத்துகின்றன?

சமீபத்திய டிஜிட்டல் ரிலேக்கள், சிக்னல் குறைபாடுகள் மற்றும் உண்மையான குறைபாடுகளை வேறுபடுத்திக் கொள்ள மெய்நேர பகுப்பாய்வு மற்றும் இயந்திர கற்றலைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் தவறான செயல்பாடுகளை (nuisance tripping) குறைக்கின்றன; இதனால் தொடர்ச்சியான மற்றும் திறம்பட மின்சக்தி ஓட்டம் பராமரிக்கப்படுகிறது மற்றும் நிறுத்த நேரம் குறைக்கப்படுகிறது.