विभिन्न प्रकार के इंसुलेटर प्रदर्शन में कैसे भिन्न होते हैं?

इन्सुलेटर प्रकार की सामग्री संरचना और संरचनात्मक डिजाइन

चीनी मिट्टी के इन्सुलेटर: संरचना और निर्माण प्रक्रिया

पोर्सिलेन इन्सुलेटर दुनिया भर में उच्च वोल्टेज संचरण लाइनों पर मानक उपकरण बन गए हैं। इन पारंपरिक इन्सुलेटर में आमतौर पर लगभग 40 प्रतिशत कैओलिन, 30 प्रतिशत क्वार्ट्ज़ और अन्य 30 प्रतिशत फेल्डस्पार मिलाया जाता है। जब लगभग 1,400 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर इन सामग्रियों को आग दी जाती है, तो यह एल्युमीनियम सिलिकेट के आपस में जुड़े क्रिस्टलों की एक सेरामिक संरचना बनाता है जो 60 किलोन्यूटन तक के संपीड़न बल का सामना कर सकती है। चिकनी ग्लेज़्ड परत सतह पर धूल और अन्य प्रदूषकों के चिपकने को रोकने में मदद करती है, जिसके कारण पोर्सिलेन इन्सुलेटर तब भी बहुत विश्वसनीय ढंग से काम करते हैं जब उन्हें औद्योगिक क्षेत्रों के पास या ऐसे राजमार्गों के साथ स्थापित किया जाता है जहाँ प्रदूषण का स्तर अधिक रहता है। हालांकि एक समस्या है। यद्यपि ये इन्सुलेटर काफी लंबे समय तक चलते हैं, लेकिन अगर कोई चीज उन्हें पर्याप्त जोर से मारती है तो वे दरार या टूट सकते हैं। 2023 में बिजली क्षेत्र के हालिया आंकड़ों के अनुसार, मौजूदा बुनियादी ढांचे के लगभग दो-तिहाई हिस्से अभी भी पोर्सिलेन तकनीक पर निर्भर हैं क्योंकि विफलताएं ऐसे तरीके से होती हैं जिन्हें इंजीनियर प्रबंधित करना जानते हैं। फिर भी, यह तथ्य बना रहता है कि पोर्सिलेन इन्सुलेटर प्रति किलोमीटर लाइन के लिए आठ से पंद्रह किलोग्राम के बीच वजन करते हैं, जिसके कारण वे कई नए संचरण परियोजनाओं के लिए बहुत भारी होते हैं जो हल्की सामग्री को प्राथमिकता देती हैं।

टेम्पर्ड ग्लास इंसुलेटर: संरचना और स्वतः विस्फोट विशेषताएं

तीव्र शीतलन के माध्यम से टेम्पर किए गए ग्लास इंसुलेटर 140 kV प्रति सेंटीमीटर के आसपास के प्रभावशाली ढंग से विद्युत रोधन ताकत तक पहुंच जाते हैं, क्योंकि इस प्रक्रिया के कारण उनकी सतहों पर संपीड़न तनाव उत्पन्न होता है। इन इंसुलेटर्स को विशेष बनाने वाली बात यह है कि वे सुरक्षा उपकरणों के रूप में कैसे काम करते हैं। अगर कुछ गलत हो जाए और वे क्षतिग्रस्त हो जाएं, तो वे सामान्य पोर्सिलेन की तरह दरार नहीं पड़ते, बल्कि पूरी तरह से टूट जाते हैं। EPRI द्वारा 2024 में किए गए हालिया अध्ययनों के अनुसार, इससे खतरनाक आर्क ओवर की घटनाओं में लगभग 93 प्रतिशत की कमी आती है। टेम्पर्ड ग्लास की स्पष्ट प्रकृति तकनीशियनों को दृश्य रूप से समस्याओं की जांच करने की अनुमति देती है, हालांकि इसकी एक कमी है। रेगिस्तानी क्षेत्रों में लगातार रेत और धूल के झोंकों के संपर्क में रहने के बाद, इन इंसुलेटर्स की सतहों पर छोटे-छोटे गड्ढे बनने लगते हैं। समय के साथ, इसके परिणामस्वरूप लीकेज धाराओं में लगभग 17 प्रतिशत अंकों की वृद्धि होती है, जो कि सिरेमिक विकल्पों की तुलना में अधिक है।

संयुक्त इन्सुलेटर: सिलिकॉन रबर और एपॉक्सी राल कोर प्रौद्योगिकी

संयुक्त इन्सुलेटर में आमतौर पर फाइबर द्वारा मजबूत किए गए एपॉक्सी कोर पर सिलिकॉन रबर या ईपीडीएम के शेड होते हैं। ये डिज़ाइन पारंपरिक सिरेमिक विकल्पों की तुलना में वजन में लगभग आधे की कमी करते हैं। कोर स्वयं 120 किलोन्यूटन से अधिक तनाव बल का सामना कर सकता है और विफलता से पहले लगभग 15 डिग्री की गति की अनुमति देता है, जिससे ये इन्सुलेटर भूकंप प्रवण क्षेत्रों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बन जाते हैं। निर्माता अपने सूत्रों में यूवी सुरक्षा क्षमताओं को बढ़ाने के लिए सूक्ष्म गोलाकार कण शामिल करना शुरू कर चुके हैं। फील्ड परीक्षणों में दिखाया गया है कि कठोर परिस्थितियों के तहत इन संशोधित संस्करणों में कम से कम 25 वर्षों तक पानी को धकेलने के गुण बनाए रखे जाते हैं। हालाँकि विभिन्न ब्रांडों के बीच विद्युत ट्रैकिंग क्षति का प्रतिरोध करने की क्षमता में काफी अंतर है। इस कारण से, उत्पाद चयन प्रक्रियाओं के दौरान IEC 61109 दिशानिर्देशों का पालन करना पूर्णतः आवश्यक हो जाता है।

सामग्री के लाभ और सीमाओं का तुलनात्मक अवलोकन

यह सामग्री पदानुक्रम इष्टतम चयन का मार्गदर्शन करता है: स्थिर, अधिक भार वाले अनुप्रयोगों के लिए पोर्सिलेन; संक्षारण-प्रवण तटीय ग्रिड के लिए टेम्पर्ड ग्लास; और वजन-संवेदनशील या अत्यधिक प्रदूषित वातावरण के लिए कंपोजिट्स।

विभिन्न वोल्टेज स्तरों और पर्यावरणीय स्थितियों में विद्युत प्रदर्शन

उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों में परावैद्युत शक्ति और विद्युत रोधन समन्वय

परावैद्युत शक्ति के मामले में, 50 kV/mm की शानदार रेटिंग के साथ पोर्सिलेन इंसुलेटर प्रतिस्पर्धियों से कहीं आगे हैं। टेम्पर्ड ग्लास लगभग 40 kV/mm पर इसका अनुसरण करता है, जबकि संयुक्त सामग्री लगभग 35 kV/mm पर पीछे रहती है। इस कारण से, 800 kV से अधिक के अति उच्च वोल्टेज प्रणालियों के साथ काम करने वालों के लिए पोर्सिलेन अभी भी पसंदीदा विकल्प बना हुआ है। इसका रहस्य उनकी संरचना में अल्युमिना सामग्री की समृद्धता में निहित है, जो अचानक वोल्टेज स्पाइक्स के सामने आने पर आंशिक निर्वहन की घटनाओं को प्रभावी ढंग से कम कर देती है। अधिकांश उद्योग दिशानिर्देश वास्तविक संचालन स्थितियों के आधार पर आवश्यकता से 15% से 20% ऊपर सुरक्षा बफर बनाए रखने की वास्तव में आवश्यकता करते हैं। इससे उचित इन्सुलेशन समन्वय बनता है, जैसा कि 2023 के नवीनतम IEEE मानक 1313.2 में बताया गया है, जो वास्तविक दुनिया के विद्युत तनाव के तहत उपकरणों की सुरक्षा सुनिश्चित करता है।

फ्लैशओवर वोल्टेज: साफ बनाम प्रदूषित सतह की स्थिति

2024 में साइंटिफिक रिपोर्ट्स में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन में पाया गया कि लगभग हर प्रकार के इंसुलेटर के बीच फ्लैशओवर वोल्टेज 40 से 60 प्रतिशत तक कम हो जाता है जब वे प्रदूषित होते हैं। जब चीजें गंदी हो जाती हैं, तो कंपोजिट इंसुलेटर स्वच्छ अवस्था की तुलना में लगभग 85% प्रदर्शन बनाए रखते हैं, जो पारंपरिक विकल्पों की तुलना में काफी बेहतर है। चीनी मिट्टी (पोर्सिलेन) केवल लगभग 55% तक पहुँच पाती है, जबकि कांच लगभग 60% पर आता है। नमक की धुंध के परीक्षणों में भी एक दिलचस्प बात देखने को मिली। इन कंपोजिट सामग्रियों पर 0.25 मिलीग्राम प्रति वर्ग सेंटीमीटर तक के जमाव होने के बाद भी फ्लैशओवर नहीं होता। इससे तटीय क्षेत्रों के लिए जहाँ नमकीन हवा हर जगह फैली रहती है, ये विशेष रूप से उपयुक्त विकल्प बन जाते हैं।

निम्न से अति उच्च वोल्टेज तक प्रदर्शन: इंसुलेटर प्रकार के अनुसार उपयुक्तता

यह संरेखण संचालन विश्वसनीयता के लिए सामग्री-विशिष्ट लाभों का उपयोग करते हुए मानक वोल्टेज वर्गीकरण को दर्शाता है।

विद्युत क्षेत्र वितरण और बाह्य फ्लैशओवर तंत्र

संयुक्त इन्सुलेटर एकीकृत ग्रेडिंग रिंग्स के माध्यम से 30–40% तक विद्युत क्षेत्र प्रवणता को कम कर देते हैं, जिससे 765 kV से अधिक वोल्टेज पर कोरोना डिस्चार्ज के जोखिम को कम किया जा सकता है। परिमित तत्व विश्लेषण से पता चलता है कि नमी की स्थिति में पोर्सिलेन इन्सुलेटर सतह प्रवणता 12–15 kV/cm विकसित करते हैं—सिलिकॉन रबर के मुकाबले 20% अधिक—जिससे तूफान के दौरान बाह्य फ्लैशओवर के प्रति संवेदनशीलता बढ़ जाती है।

बहस: क्या अति उच्च वोल्टेज पर संयुक्त इन्सुलेटर अधिक विश्वसनीय होते हैं?

69 से 230 kV प्रणालियों में कॉम्पोजिट्स हर जगह पाए जाते हैं, लेकिन जब हम 900 kV से अधिक की अत्यधिक उच्च वोल्टेज स्थापना में प्रवेश करते हैं, तो वे वास्तव में अच्छे पुराने पोर्सिलेन की तुलना में लगभग 18% अधिक बार विफल हो जाते हैं। समस्या इस बात पर निर्भर करती है कि गर्म होने पर विभिन्न सामग्रियाँ कैसे फैलती हैं। सिलिकॉन आवास समय के साथ विशेष रूप से बिजली के लोडिंग और अनलोडिंग के उन सभी चक्रों के बाद फाइबरग्लास कोर के साथ ठीक से काम नहीं करते। पिछले वर्ष की CIGRE ग्रिड रेजिलिएंस रिपोर्ट में यह बात वास्तव में ध्यान आकर्षित की गई थी। यद्यपि कॉम्पोजिट्स हल्के होने और प्रदूषण का बेहतर ढंग से विरोध करने के कारण बेहतर माने जाते हैं, फिर भी ये छिपी हुई खामियाँ इस बात का कारण बनती हैं कि लंबे समय तक सबसे कठिन उच्च वोल्टेज स्थितियों में वे टिकाऊ नहीं रह पाते।

यांत्रिक शक्ति, टिकाऊपन और स्थापना पर विचार

विभिन्न सामग्रियों में तन्य और संपीड़न भार प्रतिरोध

चीनी मिट्टी संपीड़न के तहत बहुत अच्छा प्रदर्शन करती है, जो 300 से 400 MPa के दबाव को संभालती है, लेकिन यह तनाव को बिल्कुल भी अच्छी तरह से सहन नहीं करती। तन्य ताकत में इस कमजोरी के कारण, हमें चीनी मिट्टी के घटकों में भार को ठीक से स्थानांतरित करने के लिए धातु फिटिंग्स की आवश्यकता होती है। लेकिन संयुक्त इन्सुलेटर एक अलग दृष्टिकोण अपनाते हैं। उनके पास इन फाइबरग्लास कोर होते हैं जो वास्तव में 100 kN से अधिक तन्य बल का प्रतिरोध कर सकते हैं। इसके अलावा आवश्यकता पड़ने पर वे थोड़े मुड़ भी सकते हैं, जिससे वे उन परिस्थितियों के लिए बेहतर ढंग से उपयुक्त होते हैं जहाँ लोड लगातार बदलता रहता है। टेम्पर्ड ग्लास इन दोनों के बीच की स्थिति में होता है। यह संपीड़न बल के तहत लगभग 200-250 MPa तक का अच्छा प्रतिरोध करता है बिना स्थायी क्षति के। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि निर्माण के दौरान कांच को एक विशेष तरीके से गर्म और ठंडा किया जाता है, जिससे वह मजबूत बाहरी परत बनती है जिसके बारे में सभी जानते हैं।

सिंथेटिक इन्सुलेटर्स के वजन, हैंडलिंग और स्थापना के लाभ

पॉलिमर-आधारित इन्सुलेटर सिरेमिक की तुलना में संरचनात्मक वजन को 60–80% तक कम करते हैं, जिससे एकल श्रमिक द्वारा निर्माण और टावर स्थापना को तेज किया जा सकता है। इनके मॉड्यूलर निर्माण से सीमेंट सील जैसे नाजुक घटकों को हटा दिया गया है, जिससे क्षेत्र परीक्षणों में स्थापना के समय 40% तक की कमी आई है।

यांत्रिक तनाव के तहत सामान्य विफलता के तरीके

प्रमुख यांत्रिक विफलता तंत्र इस प्रकार हैं:

• फ्रैक्चर प्रसार गलत स्थापना के दौरान ट्विस्ट तनाव के अधीन कांच या पोर्सिलेन में
• कोर का भंगुरता -40°C तक की गंभीर ठंड के संपर्क में आए पुराने कॉम्पोजिट इकाइयों में
• इंटरफ़ेस संक्षारण धातु-पॉलिमर जंक्शन पर, तटीय क्षेत्रों में यांत्रिक विफलता का 34% कारण (2023 यांत्रिक इंजीनियरिंग रिपोर्ट)

कठोर संचालन वातावरण में दीर्घकालिक संरचनात्मक अखंडता

रेगिस्तानी वातावरण में, रेत का क्षरण सालाना 0.1–0.3 मिमी की दर से पोर्सिलेन ग्लेज को क्षरित कर देता है। रासायनिक अम्लीकरण के कारण अम्ल वर्षा कांच के टूटने के जोखिम को 18% तक बढ़ा देती है। इसके विपरीत, तटीय कोहरे के क्षेत्रों में 15 वर्षों तक रहने के बाद भी सिलिकॉन रबर कंपोजिट 85% जल-विकर्षकता बरकरार रखते हैं, जो IEC 62217 त्वरित बुढ़ापा परीक्षणों में उत्कृष्ट प्रतिरोधकता का प्रदर्शन करता है।

प्रदूषण प्रतिरोध और इंसुलेटर प्रदर्शन पर पर्यावरणीय प्रभाव

लीकेज धारा का विकास और प्रदूषण फ्लैशओवर तंत्र

2023 के ऊर्जा प्रणाली अनुसंधान के अनुसार, तटरेखा के साथ बिजली ग्रिड में लगभग 38% विफलताएँ वास्तव में प्रदूषण के कारण होती हैं। जब उपकरणों की सतहों पर नमक, धूल और औद्योगिक गंदगी जमा हो जाती है, तो बिजली के रिसाव के लिए मार्ग बन जाते हैं, जिससे यह वहाँ नहीं रहती जहाँ होनी चाहिए। इससे हम सभी को पता है, उन खतरनाक आर्किंग घटनाओं का कारण बनता है। यह समस्या चीनी मिट्टी के इन्सुलेटर्स को विशेष रूप से अधिक प्रभावित करती है - इन परिस्थितियों के संपर्क में आने पर उनकी परावैद्युत ताकत संयुक्त इन्सुलेटर्स की तुलना में 14 से लगभग 30 प्रतिशत तक कम हो जाती है। यह भी पाया गया है कि निर्माण के दौरान नमक के जमाव की मात्रा को समायोजित करने से बड़ा अंतर पड़ सकता है। अध्ययनों से पता चलता है कि नमक जमाव घनत्व अनुपात में समायोजन करने से फ्लैशओवर के खिलाफ सुरक्षा लगभग 26% तक बढ़ जाती है, जिसका अर्थ है तट के निकट समुदायों के लिए कम अप्रत्याशित बिजली आउटेज।

तटीय, औद्योगिक और रेगिस्तानी वातावरण में प्रदर्शन

तटरेखा के साथ नमक हर चीज में घुल जाता है और संक्षारण की समस्याएं पैदा करता है, जहां चीनी मिट्टी के इन्सुलेटर सिलिकॉन रबर की तुलना में तीन गुना तेजी से खराब हो जाते हैं। रेगिस्तानी क्षेत्रों में स्थिति अलग होती है लेकिन फिर भी ग्लास सतहों के लिए खराब होती है। कठोर हवाएं और धूल वास्तव में पहनने की प्रक्रिया को तेज कर देते हैं, जिसके कारण सतह समय के साथ इतनी खुरदरी हो जाती है कि खतरनाक कोरोना डिस्चार्ज होते हैं। औद्योगिक प्रदूषण के मामले में, सल्फर डाइऑक्साइड (SO2) विशेष रूप से समस्याग्रस्त है क्योंकि यह उपकरणों पर चालक अम्ल फिल्में बना देता है। वास्तविक प्रदर्शन के आंकड़ों को देखने से हमें यह भी पता चलता है। इन स्थितियों के संपर्क में आने पर सिलिकॉन संयुक्त सामग्री अपनी मूल वोल्टेज प्रतिरोध क्षमता का लगभग 92% बरकरार रखती है, जबकि पारंपरिक चीनी मिट्टी केवल लगभग 74% क्षमता बनाए रख पाती है। इससे कारखानों या अन्य प्रदूषण स्रोतों के पास संचालित होने वाली बिजली प्रणालियों की विश्वसनीयता में बड़ा अंतर आता है।

पराबैंगनी विकिरण, अपक्षय और आंतरिक बनाम बाहरी अपक्षय प्रभाव

बाहरी तत्काल के कारण विघटन की दर में भिन्नता आती है:

आंतरिक स्थापनाएं पराबैंगनी क्षति से बच जाती हैं, लेकिन आर्द्र, संलग्न वातावरण में आंशिक निर्वहन कटाव के प्रति संवेदनशील बनी रहती हैं।

केस अध्ययन: तटीय क्षेत्रों में पोर्सिलेन इंसुलेटर विफलताएं

एक तीन वर्षीय ग्रिड विश्लेषण में पाया गया कि पोर्सिलेन इंसुलेटर की 63% विफलताएं तटरेखा के 2 किमी के भीतर हुई थीं। विफलता के बाद की जांच में पता चला:

• सीमेंट जोड़ों में नमक का क्रिस्टलीकरण (82% मामलों में)
• कोरोना के कारण ग्लेज़ का क्षरण (67%)
• रासायनिक संक्षारण के कारण यांत्रिक शक्ति में 40% की हानि

इन क्षेत्रों में कंपोजिट इंसुलेटर्स पर स्विच करने से 18 महीनों के भीतर आउटेज आवृत्ति में 58% की कमी आई।

उम्रदराजगी, रखरखाव और दीर्घकालिक संचालन विश्वसनीयता

चीनी मिट्टी, कांच और कंपोजिट इंसुलेटर्स में अवनयन तंत्र

चीनी मिट्टी के इंसुलेटर्स आंशिक डिस्चार्ज के कारण सतही क्षरण का अनुभव करते हैं, जिसमें लवण दूषण 15 वर्ष बाद परावैद्युत शक्ति को 30% तक कम कर देता है (आईईईई रिपोर्ट 2023)। कांच की इकाइयाँ आर्द्र वातावरण में तनाव संक्षारण फ्रैक्चर के प्रति संवेदनशील होती हैं, जबकि कंपोजिट सिलिकॉन रबर के पराबैंगनी-प्रेरित भंगुरीकरण और ऑक्सीकरण उम्रदराजगी के माध्यम से अवनयन करते हैं।

चीनी मिट्टी के इंसुलेटर की लंबी आयु पर तापीय चक्रण के प्रभाव

-40°C से 50°C के बीच तापमान में लगातार उतार-चढ़ाव से सिरेमिक इंसुलेटर्स में संचयी तनाव उत्पन्न होता है। शोध से पता चलता है कि स्थिर परिस्थितियों की तुलना में इससे सूक्ष्म दरारों के निर्माण में 2.7% की वृद्धि होती है (CIGRE अध्ययन 2021), जिससे इंसुलेटर की अखंडता कमजोर होती है और बर्फ जमने की स्थिति के दौरान टूटने का खतरा बढ़ जाता है।

सिलिकॉन रबर कोटिंग में जल-प्रतिक्षेपण क्षमता का क्षरण एवं पुनर्स्थापन

दूषित होने के कारण संयुक्त इंसुलेटर्स में जल-प्रतिक्षेपण क्षमता अस्थायी रूप से कम हो जाती है, जिसमें लवण-ूलि के संपर्क में आने से 18 महीनों में जल संपर्क कोण 120° से घटकर 60° रह जाता है। हालाँकि, सिलिकॉन रबर में स्वतः पुनर्स्थापन की क्षमता होती है: शुष्क परिस्थितियों में, पॉलिमर श्रृंखला के प्रवास द्वारा मूल जल-प्रतिक्षेपण प्रदर्शन का 72 घंटे के भीतर 85% भाग पुनः स्थापित हो जाता है (EPRI निष्कर्ष 2022)।

सेवा आयु को अधिकतम करने के लिए रखरखाव रणनीतियाँ

प्रभावी रखरखाव में हॉटस्पॉट का पता लगाने के लिए हर 24 महीने में अवरक्त थर्मोग्राफी सर्वेक्षण, बुशिंग के लिए वार्षिक घुलित गैस विश्लेषण, और सफाई कार्यक्रम को अनुकूलित करने के लिए प्रदूषण गंभीरता मानचित्रण शामिल है। भविष्यवाणी आधारित ढांचे का उपयोग करने वाली यूटिलिटीज की रिपोर्ट के अनुसार, पारंपरिक समय-आधारित रखरखाव की तुलना में 40% कम आउटेज और 22% अधिक सेवा जीवन होता है (NERC डेटा 2023)।

सामान्य प्रश्न अनुभाग

चीनी मिट्टी के इन्सुलेटर्स का मुख्य लाभ क्या है?

चीनी मिट्टी के इन्सुलेटर्स अपनी चिकनी ग्लेज़ड सतह के कारण प्रदूषित वातावरण में भी विश्वसनीय ढंग से काम करते हैं, हालाँकि आधुनिक विकल्पों की तुलना में वे भारी होते हैं।

टेम्पर्ड ग्लास इन्सुलेटर्स को सुरक्षित क्यों माना जाता है?

क्षतिग्रस्त होने पर टेम्पर्ड ग्लास इन्सुलेटर्स पूरी तरह से टूट जाते हैं, जिससे खतरनाक विद्युत आर्क के जोखिम में काफी कमी आती है।

कंपोजिट इन्सुलेटर्स को भूकंप प्रभावित क्षेत्रों के लिए उपयुक्त क्यों बनाता है?

कंपोजिट इन्सुलेटर्स महत्वपूर्ण तनाव को संभाल सकते हैं और गति की अनुमति देते हैं, जिससे वे उन क्षेत्रों में प्रभावी होते हैं जहाँ भूकंप के कारण यांत्रिक भार में उतार-चढ़ाव हो सकता है।

प्रदूषण और पराबैंगनी (यूवी) उजागर विभिन्न इन्सुलेटर की स्थायित्व को कैसे प्रभावित करते हैं?

प्रदूषण और पराबैंगनी (यूवी) उजागर इन्सुलेटर में विघटन की विभिन्न डिग्री का कारण बन सकते हैं, जिसमें संयुक्त सामग्री अक्सर पर्यावरणीय कारकों के प्रति बेहतर प्रतिरोधक क्षमता दर्शाती है।