बिजली के उपकरणों की रक्षा कैसे करते हैं लाइटनिंग अरेस्टर?

लाइटनिंग अरेस्टर का कार्य सिद्धांत: वोल्टेज-ट्रिगर्ड आघात सुरक्षा

दहलीज-आधारित सक्रियण: सामान्य वोल्टेज के तहत विद्युतरोधी, आघात के दौरान चालन

लाइटनिंग अरेस्टर्स काम करते हैं जैसे कि स्मार्ट स्विचों की तरह, जिनके दो मुख्य संचालन मोड होते हैं। जब सब कुछ सामान्य रूप से चल रहा होता है—यानी उनकी रेटिंग के 100% या उससे कम पर—तो इनके आंतरिक भाग मुख्य रूप से उन धातु ऑक्साइड वैरिस्टर डिस्क्स से बने होते हैं, जिन्हें हम MOVs कहते हैं। ये घटक बहुत उच्च प्रतिरोध स्तर प्रदर्शित करते हैं, जो लगभग 10 लाख ओम से अधिक हो सकता है, जिसका अर्थ है कि वे अच्छे विद्युतरोधक की तरह कार्य करते हैं और भू-संपर्क (ग्राउंड) की ओर किसी भी धारा को जाने से रोकते हैं। इससे शक्ति के नुकसान को कम किया जाता है और स्थिर स्थिति में हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) भी रुक जाता है। लेकिन यदि बिजली के झटके या स्विचिंग कार्यों के कारण वोल्टेज में अचानक वृद्धि हो जाए, जो उनके सावधानीपूर्ण रूप से निर्धारित ट्रिगर बिंदु—जो सामान्य वोल्टेज स्तर से आमतौर पर 20 से 40 प्रतिशत अधिक होता है—से अधिक हो जाए, तो अरेस्टर लगभग तुरंत, अर्थात् अरबवें हिस्से के एक सेकंड के भीतर, कार्य में प्रवेश कर जाता है। इस समय यह पृथ्वी के साथ एक अत्यंत कम प्रतिरोध वाला मार्ग बनाता है, कभी-कभी केवल एक ओम से भी कम, जो विशाल आकस्मिक धाराओं—जो 1 लाख ऐम्पियर से भी अधिक हो सकती हैं—को उस उपकरण से दूर भू-संपर्क की ओर ले जाता है जिसकी सुरक्षा की आवश्यकता होती है। जब वोल्टेज झटका समाप्त हो जाता है और सब कुछ सामान्य संचालन में वापस आ जाता है, तो अरेस्टर स्वतः ही उस उच्च प्रतिरोध मोड में वापस सेट हो जाता है। इस स्वतः सेट होने की क्षमता के कारण यह हमेशा तैयार रहता है, दैनिक वोल्टेज परिवर्तनों से प्रभावित नहीं होता है, और महत्वपूर्ण रूप से, यह तब सक्रिय हो जाता है जब कोई जुड़ा हुआ उपकरण अपनी अधिकतम विद्युतरोधन सीमा तक पहुँचने से पहले ही क्षतिग्रस्त होने के जोखिम में होता है।

धातु ऑक्साइड वैरिस्टर (MOV) प्रौद्योगिकी और गैर-रैखिक VI विशेषताएँ

आज के लाइटनिंग अरेस्टर्स में मेटल ऑक्साइड वैरिस्टर (MOV) प्रौद्योगिकी पर काफी हद तक निर्भरता होती है, जो सिंटर्ड जिंक ऑक्साइड (ZnO) से बने सिरेमिक डिस्क्स पर आधारित है, जिनमें बिस्मथ ऑक्साइड और विभिन्न अन्य धातु यौगिकों को मिलाया गया है। इन सामग्रियों की विशेषता उनकी वह क्षमता है जो वोल्टेज और धारा के बीच आवश्यक गैर-रैखिक संबंध को उत्पन्न करती है, जो प्रभावी सर्ज सुरक्षा के लिए आवश्यक है। सामान्य संचालन की स्थिति में, रिसाव धारा बहुत कम रहती है, अक्सर 1 मिलीएम्पियर से भी कम, क्योंकि यह सामग्रि लगभग अनंत प्रतिरोध के समान व्यवहार करती है। लेकिन जब कोई वोल्टेज स्पाइक आता है, तो इलेक्ट्रॉन ZnO के दानों के बीच के सूक्ष्म अंतरालों के माध्यम से गति करना शुरू कर देते हैं, जिससे प्रतिरोध तेज़ी से कम हो जाता है। इससे बड़ी मात्रा में धारा को प्रवाहित होने की अनुमति मिलती है, जबकि वोल्टेज स्तर को कड़ाई से नियंत्रित रखा जाता है। इन सामग्रियों के लिए प्रदर्शन वक्र, पुराने विकल्पों जैसे सिलिकॉन कार्बाइड या गैप-प्रकार के अरेस्टर्स की तुलना में काफी अधिक तीव्र होता है, जिसके लिए विशिष्ट घातांक 30 से 50 के बीच होते हैं। यह विशेषता MOV-आधारित अरेस्टर्स को आधुनिक बिजली प्रणालियों में विद्युत सर्ज के खिलाफ उत्कृष्ट सुरक्षा प्रदान करने की अनुमति देती है।

• 25 नैनोसेकंड से कम प्रतिक्रिया समय
• वोल्टेज क्लैम्पिंग अनुपात 2:1 से 3:1 तक
• प्रति डिस्क 20 किलोजूल से अधिक ऊर्जा अवशोषण क्षमता

उनकी स्व-उपचार क्षमता वाली सूक्ष्मसंरचना बार-बार आने वाली अतिवोल्टेज घटनाओं को बिना स्थायी अवक्षय के सहन करती है, जिससे उपकरणों के मूल विद्युत रोधन स्तर (BIL) रेटिंग के साथ दीर्घकालिक समन्वय सुनिश्चित होता है।

अतिवोल्टेज विचलन एवं भू-पथ प्रबंधन

अस्थायी धाराओं के लिए पृथ्वी की ओर कम प्रतिबाधा वाला मार्ग निर्माण करना

अच्छी आकस्मिक वोल्टेज सुरक्षा (सर्ज प्रोटेक्शन) वास्तव में अरेस्टर और पृथ्वी के बीच एक मजबूत, कम प्रतिबाधा (इम्पीडेंस) वाला संपर्क बनाने पर निर्भर करती है। आदर्श रूप से, प्रत्येक डाउन कंडक्टर के लिए ग्राउंडिंग प्रतिरोध १ ओम से कम बना रहना चाहिए। जब बिजली गिरती है या आकस्मिक वोल्टेज उत्पन्न होते हैं, तो यह व्यवस्था डिस्चार्ज घटनाओं के दौरान V = I × Z समीकरण को कम करके वोल्टेज स्पाइक्स को नियंत्रित रखती है। उचित ग्राउंडिंग के बिना, उपकरणों को खतरनाक वोल्टेज अंतर का सामना करना पड़ सकता है, जिससे समय के साथ घटकों को क्षति पहुँच सकती है। सभी धातु भागों को भी एक-दूसरे से जोड़ा जाना चाहिए — ट्रांसफॉर्मर टैंक, वे बड़े सर्किट ब्रेकर बॉक्स, बुशिंग्स, यहाँ तक कि संरचनात्मक इस्पात को भी एकल, कम प्रतिबाधा वाले पृथ्वी ग्रिड से जोड़ना आवश्यक है। ऐसी समन्वित ग्राउंडिंग के बिना प्रणालियाँ आकस्मिक वोल्टेज के कारण लगभग २०% अधिक बार विफल हो जाती हैं। क्यों? अनियंत्रित वोल्टेज प्रवणताएँ फ्लैशओवर का कारण बनती हैं और विद्युतरोधी सामग्रियों पर तनाव डालती हैं। याद रखें, जब आकस्मिक धाराएँ प्रवाहित होती हैं, तो वे सबसे कम प्रतिरोध वाले मार्ग का अनुसरण करती हैं, जो आवश्यक रूप से सबसे छोटा मार्ग नहीं होता है। अतः ग्राउंडिंग केवल एक वांछनीय विशेषता नहीं है — यह किसी भी अरेस्टर प्रणाली के उचित रूप से कार्य करने के लिए पूर्णतः आवश्यक है।

थर्मल रनअवे या सिस्टम ओवरस्ट्रेस के बिना ऊर्जा का अवशोषण

धातु ऑक्साइड वैरिस्टर (MOV) आधारित अरेस्टर्स काम करते हैं एक नियंत्रित चालन नामक प्रक्रिया के माध्यम से अतिवोल्टेज ऊर्जा को अवशोषित करके और उसे नष्ट करके, जिसे आवश्यकतानुसार उलटा भी किया जा सकता है, और इन्हें अब पुराने ढंग के बलिदान अंतराल या गैस निकास तंत्र की आवश्यकता नहीं होती है। इन उपकरणों की प्रभावशीलता का मुख्य कारण उनकी अरैखिक प्रतिरोध विशेषताएँ हैं, जो इन्हें इन्सुलेटर और कंडक्टर के रूप में कार्य करने के बीच तीव्रता से स्विच करने की अनुमति देती हैं। यह भारी धारा आघातों—जो हज़ारों ऐम्पियर में मापे जाते हैं—के साथ भी अवशेष वोल्टेज को कम रखने में सहायता करता है। तापीय विचारों को भी इन अरेस्टर्स के डिज़ाइन में सीधे शामिल किया गया है। जब ये ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, तो उत्पन्न ऊष्मा एक ही स्थान पर जमा होने के बजाय समग्र डिस्क संरचना और बाहरी आवरण में समान रूप से वितरित हो जाती है, जिससे गर्म बिंदुओं के निर्माण या खराब स्थिति में तापमान के नियंत्रण से बाहर निकल जाने जैसी समस्याओं को रोका जाता है। EPRI के क्षेत्र डेटा से पता चलता है कि उचित आकार और स्थापना वाले इकाइयों ने वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में उपकरण विफलताओं को लगभग दो-तिहाई तक कम कर दिया है। इस प्रकार की विश्वसनीयता का कारण क्या है? ये अरेस्टर्स अधिकांश समय अपने सुरक्षित संचालन तापमान के भीतर रहते हैं, जिससे ट्रांसफॉर्मर और स्विचगियर जैसे महत्वपूर्ण घटकों की डाउनस्ट्रीम सुरक्षा होती है, बिना विद्युत प्रणाली पर अतिरिक्त भार डाले।

विश्वसनीय सुरक्षा के लिए अवशेष वोल्टेज और विद्युत रोधन समन्वय

बिजली के आघात रोधक के अवशेष वोल्टेज को उपकरण BIL रेटिंग के साथ संरेखित करना

अवशेष वोल्टेज, जो मूल रूप से आवेग निरावेश के दौरान उन अरेस्टर टर्मिनलों के बीच मापा गया सबसे उच्च वोल्टेज है, इन्सुलेशन प्रणालियों के समन्वयन के संदर्भ में शायद सबसे महत्वपूर्ण कारक के रूप में उभरता है। उपकरणों की उचित सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, यह मान उन उपकरणों के 'बेसिक इन्सुलेशन लेवल (BIL)' रेटिंग से काफी कम बना रहना चाहिए जो इससे जुड़े हुए हैं। EPRI के अनुसंधान के अनुसार, एक बार जब अवशेष वोल्टेज उस BIL दहलीज के लगभग 85% से अधिक हो जाता है, तो स्थिति तेज़ी से खतरनाक होने लगती है। वास्तविक डेटा यह दर्शाता है कि अकेले ट्रांसफॉर्मर वाइंडिंग्स में डाय-इलेक्ट्रिक विफलताओं में लगभग 72% की वृद्धि हो जाती है। आज के धातु ऑक्साइड वैरिस्टर (MOV) अरेस्टर्स बेहतर डिस्क स्टैकिंग तकनीकों और सुधारित ग्रेडिंग विधियों के धन्यवाद आवेगों को काफी सटीकता से क्लैंप करने में सक्षम होते हैं। ये प्रगतियाँ बहुत उच्च धारा स्तरों के साथ काम करते समय भी अवशेष वोल्टेज को स्थिर बनाए रखने में सहायता करती हैं। इसे सही ढंग से करने का अर्थ है समन्वयन प्रक्रिया में कई मूलभूत पहलुओं पर ध्यान केंद्रित करना।

• अधिकतम अवशेष वोल्टेज (नाममात्र डिस्चार्ज धारा पर) की पुष्टि करना कि यह उपकरण के BIL का 85% है
• ग्राउंडिंग कंडक्टर्स के बीच प्रेरित वोल्टेज वृद्धि का विशेष रूप से उच्च-dI/dt आघातों के दौरान ध्यान रखना
• प्रणाली अपग्रेड या दोष स्तरों में परिवर्तन के बाद सुरक्षा मार्जिन की पुनः वैधता सुनिश्चित करना

यह अनुशासित दृष्टिकोण आघातजनित विद्युत रोधन विफलताओं को रोकता है, जिससे सबस्टेशन के आउटेज को टाला जा सकता है, जिनकी मरम्मत, अवरोध और पार्श्व क्षति की लागत $500,000+ हो सकती है।

वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग: ट्रांसफॉर्मर, सर्किट ब्रेकर और सबस्टेशन की सुरक्षा

लाइटनिंग अरेस्टर महत्वपूर्ण बिजली प्रणालियों के लिए प्राथमिक सुरक्षा कवच के रूप में कार्य करते हैं, जो क्षति होने से पहले हानिकारक आवेग ऊर्जा को नाजुक घटकों से दूर ले जाते हैं। ट्रांसफॉर्मर्स, विशेष रूप से तेल से भरे हुए ट्रांसफॉर्मर्स के साथ काम करते समय, स्थापनाकर्ता उच्च वोल्टेज बुशिंग्स के ठीक बगल में अरेस्टर्स को स्थापित करते हैं ताकि वाइंडिंग इन्सुलेशन की सुरक्षा सुनिश्चित की जा सके। उचित सुरक्षा के बिना, अचानक विद्युत आवेग इन यूनिट्स के अंदर आघातपूर्ण विफलताओं का कारण बन सकते हैं, क्योंकि ये तीव्र वोल्टेज शिखर (स्पाइक्स) होते हैं। सर्किट ब्रेकर्स एक अन्य चुनौती प्रस्तुत करते हैं, क्योंकि वे धारा प्रवाह को बाधित करते समय स्विचिंग आवेग उत्पन्न करते हैं। अरेस्टर्स इन वोल्टेज शिखरों को सीमित करके सहायता करते हैं, जो अन्यथा संपर्कों को तेज़ी से क्षीण कर सकते हैं या चापों के शमन (extinguishing) की प्रक्रिया को बाधित कर सकते हैं। पूरे सबस्टेशन में, इंजीनियर फीडर प्रवेश द्वारों, बसबार कनेक्शनों और महत्वपूर्ण उपकरणों के निकट विभिन्न बिंदुओं पर अरेस्टर्स स्थापित करते हैं, जिससे बहुस्तरीय सुरक्षा का निर्माण होता है। यह दृष्टिकोण आवेगों के जुड़े हुए उपकरणों के बीच फैलने को रोकता है, और IEEE के अध्ययनों के अनुसार, बिजली के तेज़ झटकों (lightning strikes) से अधिक प्रभावित क्षेत्रों में ट्रांसफॉर्मर विफलताओं में लगभग 40% की कमी आती है। स्थापना के निर्णयों को भी एक मूलभूत सिद्धांत द्वारा मार्गदर्शित किया जाता है: अरेस्टर को उस वस्तु के जितना संभव हो सके निकट स्थापित किया जाना चाहिए जिसकी वह सुरक्षा कर रहा है, जिससे कि विद्युत प्रवाह स्वाभाविक रूप से अरेस्टर के माध्यम से आसान पथ का अनुसरण करे, न कि इन्सुलेशन सामग्री को क्षति पहुँचाए।

लाइटनिंग अरेस्टर के बारे में अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

लाइटनिंग अरेस्टर क्या है?

लाइटनिंग अरेस्टर एक ऐसा उपकरण है जिसका उपयोग विद्युत शक्ति प्रणालियों में बिजली के झटके या स्विचिंग घटनाओं के कारण उत्पन्न उच्च वोल्टेज आघातों से उपकरणों की सुरक्षा के लिए किया जाता है। यह संवेदनशील घटकों से अतिरिक्त विद्युत धारा को सुरक्षित रूप से भू-संपर्क (ग्राउंड) की ओर अपवाहित करने के लिए एक कम प्रतिरोध वाला मार्ग प्रदान करके ऐसा करता है।

लाइटनिंग अरेस्टर कैसे काम करते हैं?

लाइटनिंग अरेस्टर सामान्य वोल्टेज स्थितियों के दौरान एक उच्च प्रतिरोध वाली स्थिति में रहकर विद्युत रोधक के रूप में कार्य करते हैं। जब आघात वोल्टेज एक निर्धारित सीमा से अधिक हो जाते हैं, तो अरेस्टर त्वरित रूप से कम प्रतिरोध वाली स्थिति में स्विच कर जाता है और उच्च धारा वाले वोल्टेज को प्रभावी ढंग से भू-संपर्क (ग्राउंड) पर अपवाहित करके प्रणाली की सुरक्षा करता है।

लाइटनिंग अरेस्टर में मेटल ऑक्साइड वैरिस्टर (MOV) की क्या भूमिका है?

धातु ऑक्साइड वैरिस्टर (MOV) अपनी गैर-रैखिक वोल्टेज-धारा विशेषताओं के माध्यम से बिजली के आवारण (लाइटनिंग अरेस्टर) में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। सामान्य कार्यकरण की स्थिति में, ये उच्च प्रतिरोध और कम रिसाव धारा प्रदर्शित करते हैं। आघात (सर्ज) की स्थिति में, इनका प्रतिरोध काफी कम हो जाता है, जिससे बड़ी धाराएँ प्रवाहित हो सकती हैं और उपकरणों की अत्यधिक वोल्टेज स्तरों से रक्षा की जा सकती है।

बिजली के आवारण के लिए अर्थिंग (ग्राउंडिंग) क्यों महत्वपूर्ण है?

अर्थिंग (ग्राउंडिंग) बिजली के आवारण को आघात धाराओं को सुरक्षित रूप से पृथ्वी में ले जाने में प्रभावी ढंग से सक्षम बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। कम प्रतिबाधा (इम्पीडेंस) वाले अर्थिंग मार्ग वोल्टेज शिखरों को रोककर और घटकों के बीच खतरनाक विभवांतर को कम करके उपकरणों को होने वाले संभावित क्षति से बचाते हैं।