उच्च वोल्टेज केबलों में विद्युत तनाव क्या होता है?

उच्च वोल्टेज केबल आधुनिक विद्युत ग्रिड के मूक प्रेरक बल हैं, जो शहरों के पार, समुद्रों के नीचे और पहाड़ों के बीच से विशाल विद्युत ऊर्जा का परिवहन करते हैं। लेकिन इन केबलों के भीतर, एक अदृश्य शक्ति निरंतर काम कर रही है:विद्युत तनावयदि इस तनाव को ठीक से प्रबंधित न किया जाए, तो यह केबल को अंदर से नष्ट कर सकता है। विद्युत तनाव क्या है, यह कहाँ से उत्पन्न होता है और इसे कैसे नियंत्रित किया जाता है, यह समझना उच्च-वोल्टेज केबल प्रणालियों के डिजाइन, स्थापना या रखरखाव में शामिल किसी भी व्यक्ति के लिए आवश्यक है।

1. मूल अवधारणा: बल के रूप में तनाव

आम बोलचाल की भाषा में, तनाव का अर्थ दबाव या तनाव होता है। विद्युत अभियांत्रिकी में, यह शब्द इसके समानार्थक है:विद्युत तनावविद्युत क्षेत्र की तीव्रता किसी परावैद्युत (अचालक) पदार्थ के भीतर होती है। अधिक सटीक रूप से, यह वोल्टेज प्रवणता है – प्रति इकाई दूरी पर वोल्टेज में परिवर्तन – जिसे वोल्ट प्रति मिलीमीटर (V/मिमी) या किलोवोल्ट प्रति मिलीमीटर (केवी/मिमी) में व्यक्त किया जाता है।

कल्पना कीजिए कि पानी एक पाइप से बह रहा है। पानी का दबाव पाइप की दीवारों पर दबाव डालता है। इसी तरह, एक केबल में, वोल्टेज इन्सुलेशन पर दबाव डालता है। वोल्टेज जितना अधिक होगा, या इन्सुलेशन जितना पतला होगा, सामग्री पर तनाव उतना ही अधिक होगा।

इस पर इस तरीके से विचार करें:यदि 10 मिमी इन्सुलेशन पर 10 केवी का वोल्टेज अंतर हो, तो औसत तनाव 1 केवी/मिमी होता है। यदि वोल्टेज को समान रखते हुए इन्सुलेशन की मोटाई घटाकर 5 मिमी कर दी जाए, तो तनाव दोगुना होकर 2 केवी/मिमी हो जाता है। यदि यह तनाव इन्सुलेशन की परावैद्युत सामर्थ्य से अधिक हो जाता है, तो इन्सुलेशन टूट सकता है।

2. विद्युत तनाव कहाँ से उत्पन्न होता है?

किसी केबल में विद्युत तनाव वोल्टेज और दूरी के मूलभूत संबंध से उत्पन्न होता है। एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए केबल में, तनावरेडियलयह बल चालक से धातु की ढाल तक समान रूप से कार्य करता है। चालक की सतह पर तनाव सबसे अधिक होता है और चालक से दूरी के वर्ग के अनुपात में घटता जाता है (वर्ग-व्युत्क्रम नियम)।

• चालक सतह तनाव– यह केबल का सबसे अधिक तनाव वाला बिंदु है। यह कंडक्टर के व्यास और लगाए गए वोल्टेज पर निर्भर करता है।

• इन्सुलेशन बल्क तनावइन्सुलेशन की मोटाई के माध्यम से औसत तनाव।

• ढाल सतह तनाव– काफी कम, क्योंकि शील्ड ग्राउंड पोटेंशियल पर है।

एक स्वस्थ केबल में तनाव का वितरण पूर्वानुमानित और प्रबंधनीय होता है। समस्या तब उत्पन्न होती है जब यह वितरण अनियमित हो जाता है।विकृत.

3. तनाव का केंद्रीकरण: असली समस्या

केबल की खराबी को समझने के लिए 'कंसंट्रेशन' शब्द महत्वपूर्ण है। जब विद्युत तनाव समान रूप से वितरित होता है, तो आमतौर पर कोई समस्या नहीं होती। लेकिन जब यह किसी एक बिंदु पर केंद्रित हो जाता है, तो वह बिंदु कमजोर हो जाता है।

तनाव का संकेंद्रण निम्नलिखित स्थानों पर होता है:

• तीक्ष्ण किनारे– धातु की ढाल का कटा हुआ सिरा, कनेक्टर पर एक नुकीला किनारा।

• रिक्तियों– इन्सुलेशन के अंदर हवा के बुलबुले।

• दूषित पदार्थोंइन्सुलेशन के भीतर धातु के कण या नमी।

• इंटरफेस– विभिन्न सामग्रियों के बीच (उदाहरण के लिए, केबल इन्सुलेशन और टर्मिनेशन बॉडी के बीच)।

• ज्यामिति में परिवर्तन– जहां केबल का व्यास अचानक बदल जाता है।

इन बिंदुओं पर तनाव केबल में औसत तनाव से कई गुना अधिक हो सकता है। यह स्थानीयकृत तनाव सामग्री की परावैद्युत सामर्थ्य से अधिक हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूपआंशिक निर्वहनऔर अंततः विफलता।

4. विद्युत तनाव के प्रकार

ए. रेडियल तनाव
किसी केबल में चालक से बाहर की ओर लगने वाला सामान्य तनाव। इन्सुलेशन इसी तनाव को सहन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

बी. अनुदैर्ध्य तनाव
केबल की पूरी लंबाई में लगने वाला तनाव। यह तनाव केबल शील्ड के सिरे पर होता है, जहाँ विद्युत क्षेत्र रेखाएँ तेज़ी से मुड़ती हैं। टर्मिनेशन और जॉइंट्स को इसी तनाव को संभालना होता है।

सी. स्पर्शरेखीय तनाव
इन्सुलेशन की सतह के समानांतर कार्य करने वाला तनाव। यह केबल और किसी सहायक उपकरण के बीच के इंटरफेस पर विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। यदि स्पर्शरेखीय तनाव सतह की परावैद्युत सामर्थ्य से अधिक हो जाता है,सतह ट्रैकिंग(कार्बनीकरण) हो सकता है।

डी. स्विचिंग और बिजली के झटके
क्षणिक अति-वोल्टेज सामान्य परिचालन तनाव से कहीं अधिक तनाव उत्पन्न कर सकते हैं। स्थिर अवस्था के तनाव को सहन करने में सक्षम टर्मिनल भी बिजली गिरने या स्विचिंग प्रक्रिया के दौरान विफल हो सकता है।

5. महत्वपूर्ण बिंदु: केबल टर्मिनेशन और जॉइंट

सबसे गंभीर विद्युत तनाव यहाँ होता हैकेबलों के सिरे– टर्मिनेशन और जॉइंट्स पर। ऐसा इसलिए है क्योंकि केबल शील्ड इन्हीं बिंदुओं पर समाप्त होती है।

निरंतर केबल में, शील्ड विद्युत क्षेत्र को इन्सुलेशन के अंदर सीमित रखती है। शील्ड के कटने पर, क्षेत्र रेखाएं अब सीमित नहीं रहतीं; वे बाहर फैल जाती हैं और कट के किनारे पर केंद्रित हो जाती हैं। शील्ड के कटने पर अधिकतम तनाव केबल में औसत तनाव से 5 से 10 गुना अधिक हो सकता है।

इसीलिए बर्खास्तगी की आवश्यकता होती हैतनाव नियंत्रण– ऐसे उपकरण जो विद्युत क्षेत्र को फैलाते हैं और चरम तनाव को सुरक्षित स्तर तक कम करते हैं।

सादृश्य:कल्पना कीजिए कि लोगों की एक बड़ी भीड़ एक चौड़े गलियारे (केबल) से गुज़र रही है। अचानक, गलियारा संकरा होकर एक ही दरवाज़े (शील्ड कट) पर आकर रुक जाता है। लोग धक्का-मुक्की करते हैं, जिससे दरवाज़े पर ज़बरदस्त दबाव बन जाता है। तनाव नियंत्रण का मतलब है धीरे-धीरे संकरे होते हुए रास्तों की एक श्रृंखला बनाना, ताकि बदलाव आसान हो और दबाव कम हो।

6. तनाव को कैसे नियंत्रित किया जाता है

केबल एक्सेसरीज़ में तनाव नियंत्रण के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जाता है, जिन्हें अक्सर संयुक्त रूप से इस्तेमाल किया जाता है:

• ज्यामितीय तनाव नियंत्रण– एक स्ट्रेस कोन धीरे-धीरे इन्सुलेशन की मोटाई बढ़ाता है, जिससे वोल्टेज ड्रॉप अधिक दूरी तक फैल जाता है।

• अपवर्तक (हाई-के) तनाव नियंत्रणइन्सुलेशन के ऊपर उच्च परावैद्युत स्थिरांक (पारगम्यता) वाली सामग्री लगाने से वोल्टेज का पुनर्वितरण होता है, जिससे चरम तनाव कम हो जाता है।

• गैर-रेखीय प्रतिरोधक (एनएलआर) तनाव नियंत्रण– एक ऐसा पदार्थ जिसकी चालकता विद्युत क्षेत्र के साथ बढ़ती है। उच्च तनाव की स्थिति में, यह चालक बन जाता है, जिससे प्रभावी रूप से परिरक्षण का विस्तार होता है।

इन तकनीकों से शील्ड कट पर तनाव को उस स्तर तक कम कर दिया जाता है जिसे इन्सुलेशन और आसपास की हवा सहन कर सके।

7. तनाव और सामग्री का टूटना

प्रत्येक इन्सुलेटिंग सामग्री में एकढांकता हुआ ताकत– टूटने से पहले यह अधिकतम कितना तनाव सहन कर सकता है। क्रॉस-लिंक्ड पॉलीइथिलीन (एक्स एल पी ई) के लिए, यह आमतौर पर 20-40 केवी/मिमी के आसपास होता है। हवा के लिए, यह मानक परिस्थितियों में केवल 3 केवी/मिमी के आसपास होता है।

यदि विद्युत तनाव परावैद्युत सामर्थ्य से अधिक हो:

• ठोस पदार्थ में- एपंचरइन्सुलेशन में एक स्थायी छेद हो जाता है।

• एक सतह पर–फ्लैशओवर– एक चाप सतह पर यात्रा करता है।

• शून्य में–आंशिक निर्वहनबार-बार निकलने वाली चिंगारियां जो सामग्री को नष्ट कर देती हैं।

आंशिक रिसाव विशेष रूप से खतरनाक होता है क्योंकि इससे तत्काल खराबी नहीं आती, लेकिन समय के साथ यह इन्सुलेशन को तब तक खराब करता रहता है जब तक कि पूरी तरह से खराबी न हो जाए।

8. विद्युत तनाव बढ़ाने वाले कारक

कई कारक केबल पर उसकी डिज़ाइन सीमाओं से अधिक तनाव बढ़ा सकते हैं:

केबल की विश्वसनीयता बनाए रखने के लिए इन कारकों का प्रबंधन करना आवश्यक है।

9. तनाव का पता लगाना और मापन करना

इंजीनियर क्षेत्र में विद्युत तनाव को सीधे नहीं मापते हैं। इसके बजाय, वे इसके प्रभावों को मापते हैं:

• आंशिक निर्वहन– अत्यधिक तनाव का सबसे संवेदनशील संकेतक।

• इन्सुलेशन प्रतिरोधप्रतिरोध में कमी तनाव-प्रेरित क्षरण का संकेत देती है।

• परावैद्युत हानि (टैन δ)– हानि में वृद्धि इन्सुलेशन में गर्मी और तनाव का संकेत देती है।

• थर्मल इमेजिंग– गर्म स्थान किसी कनेक्शन पर तनाव संबंधी ताप का संकेत दे सकते हैं।

केबल डिजाइन के दौरान, तनाव की गणना परिमित तत्व विश्लेषण (फी) सॉफ्टवेयर का उपयोग करके की जाती है, जो विद्युत क्षेत्र वितरण को मॉडल करता है और उच्च तनाव वाले क्षेत्रों की पहचान करता है।

विद्युत तनाव अपने आप में हानिकारक नहीं है। यह वह बल है जो केबल को शक्ति संचारित करने में सक्षम बनाता है। एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए केबल में, तनाव को प्रबंधित, वितरित और सामग्री की क्षमता के भीतर रखा जाता है। समस्या तनाव स्वयं नहीं है, बल्किअनियंत्रित तनाव– वह तनाव जो केंद्रित होता है, परावैद्युत सामर्थ्य से अधिक होता है और क्षरण का कारण बनता है।

विश्वसनीय केबल डिजाइन करने, उपयुक्त सहायक उपकरण चुनने और सावधानीपूर्वक इंस्टॉलेशन करने के लिए विद्युत तनाव को समझना आवश्यक है। उच्च-वोल्टेज इंजीनियरिंग की दुनिया में, तनाव एक निरंतर चुनौती है – लेकिन उचित डिजाइन और इंस्टॉलेशन से इसे सुरक्षित स्तर पर रखा जा सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि केबल दशकों तक विश्वसनीय रूप से बिजली की आपूर्ति करते रहें।