वैक्यूम सर्किट ब्रेकर (वीसीबी) क्या है और यह कैसे काम करता है?

मानक संदर्भ: आईईसी 62271-100, IEEE C37.04

1. परिचय – आधुनिक विद्युत प्रणालियों में वैक्यूम सर्किट ब्रेकर्स का महत्व

मध्यम-वोल्टेज (MV) बिजली वितरण के तेजी से विकसित हो रहे परिदृश्य में, “फिट-एंड-फॉरगेट” दर्शन स्विचिंग उपकरणों के लिए स्वर्ण मानक बन गया है। जैसे-जैसे बिजली प्रणालियाँ केंद्रीकृत उत्पादन से जटिल, विकेंद्रीकृत ग्रिड्स में रूपांतरित हो रही हैं जो नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ एकीकृत हैं, स्विचगियर पर मांगें बदल गई हैं। अब केवल दोष को विराम देना पर्याप्त नहीं है; आधुनिक ब्रेकर्स को बार-बार स्विचिंग संचालन संभालना चाहिए, कठोर पर्यावरणीय परिस्थितियों का सामना करना चाहिए, और परिचालन व्यय (OPEX) को न्यूनतम करना चाहिए।.

इस संदर्भ में, वैक्यूम सर्किट ब्रेकर (VCB) ने वोल्टेज स्तरों के बीच तकनीकी लड़ाई निर्णायक रूप से जीत ली है। 12 kV और 40.5 kV. दशकों पहले बल्क ऑयल और न्यूनतम ऑयल ब्रेकर्स को विस्थापित करने के बाद, VCBs अब श्रेष्ठ तकनीकी प्रदर्शन और ग्रीनहाउस गैसों के खिलाफ कड़े पर्यावरणीय नियमों के कारण SF₆ (सल्फर हेक्साफ्लोराइड) तकनीक को व्यवस्थित रूप से प्रतिस्थापित कर रहे हैं।.

इलेक्ट्रिकल इंजीनियरों, प्लांट प्रबंधकों और ईपीसी ठेकेदारों के लिए वीसीबी की सतही समझ पर्याप्त नहीं है। उच्च-ड्यूटी साइकिल वाली स्टील मिल, एक महत्वपूर्ण डेटा सेंटर या दूरस्थ खनन सबस्टेशन के लिए उपकरणों का सही विनिर्देशन करने के लिए वीसीबी की आंतरिक भौतिकी, तापीय व्यवहार और डाइइलेक्ट्रिक सीमाओं की गहरी समझ आवश्यक है। यह मार्गदर्शन उस इंजीनियरिंग-स्तरीय अंतर्दृष्टि को प्रदान करता है।.

2. वैक्यूम सर्किट ब्रेकर क्या है?

वैक्यूम सर्किट ब्रेकर एक मध्यम या उच्च-वोल्टेज स्विचिंग उपकरण है जहाँ मुख्य कार्य—धारा विच्छेदन—एक हर्मेटिक रूप से सीलबंद कक्ष के भीतर होता है जिसे एक वैक्यूम इंटरप्टर (VI). “वैक्यूम” आमतौर पर $10^{-4}$ Pa ($10^{-6}$ mbar) से नीचे के दबाव स्तर को संदर्भित करता है।.

एक इंजीनियरिंग परिप्रेक्ष्य से VCB को वास्तव में परिभाषित करने के लिए, हमें देखना होगा कि वक्र का भौतिकी. अन्य तकनीकों में, आर्क आसपास के माध्यम (तेल वाष्प, वायु, या SF₆) से निर्मित एक आयनित गैस (प्लाज्मा) होता है। वैक्यूम सर्किट ब्रेकर में, आसपास कोई गैस नहीं होती। आर्क पूरी तरह से एक धातु वाष्प प्लाज्मा, पृथक्करण के क्षण पर संपर्क सामग्री के स्वयं वाष्पीकरण से उत्पन्न।.

तकनीकी विरोधाभास द्वारा परिभाषा

वीसीबी क्या है, यह समझना है यह समझने की आवश्यकता है कि यह क्या है। नहीं है. पर हमारी विस्तृत तुलना देखें वैक्यूम कॉन्टैक्टर बनाम वैक्यूम सर्किट ब्रेकर पैनल चयन की बारीकियों के लिए, लेकिन सामान्यतः:

• बनाम तेल सर्किट ब्रेकर (OCBs): OCBs आर्क की ऊर्जा पर निर्भर करते हैं तेल को वाष्पित करने के लिए, जिससे आर्क को ठंडा करने के लिए एक हाइड्रोजन बुलबुला बनता है। यह प्रक्रिया धीमी है, एक बड़े आग के जोखिम को जन्म देती है, और कार्बोनाइज्ड अवशेष छोड़ती है, जिससे बार-बार तेल बदलने की आवश्यकता होती है। VCBs इन जोखिमों को पूरी तरह से समाप्त कर देते हैं।.
• बनाम एयर सर्किट ब्रेकर्स (एसीबी): ACBs वायुमंडलीय हवा में आर्क को फैलाने और ठंडा करने के लिए आर्क च्यूट्स का उपयोग करते हैं। 12 kV को संभालने के लिए, एक ACB को विशाल क्लियरेंस दूरी और चुंबकीय ब्लो-आउट कॉइल्स की आवश्यकता होती है, जो उन्हें आधुनिक, कॉम्पैक्ट स्विचगियर के लिए भौतिक रूप से अनुपयुक्त बनाती हैं।.
• एसएफ₆ सर्किट ब्रेकर्स के विरुद्ध: SF₆ एक इलेक्ट्रोनकारात्मक गैस है जो मुक्त इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करके आर्क को बुझाती है। प्रभावी होने के बावजूद, SF₆ एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है (GWP लगभग 23,500)। इसके अलावा, SF₆ के अपघटन उत्पाद (पाउडर) विषैले होते हैं, जिससे रखरखाव जटिल हो जाता है। VCB स्वभावतः “स्वच्छ” होते हैं और इनमें गैस हैंडलिंग की आवश्यकता नहीं होती।.

वीसीबी का लाभ उठाता है औसत मुक्त पथ सिद्धान्त: उच्च निर्वात में इलेक्ट्रॉन गैस अणुओं से टकराए बिना संपर्क गैप पार कर सकते हैं। टकराव के अभाव में इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन (ब्रेकडाउन) आरंभ करना कठिन होता है, जिससे निर्वात गैपों को कम दूरी पर वायु या SF₆ की तुलना में कहीं अधिक डाइइलेक्ट्रिक मजबूती प्राप्त होती है।.

3. वैक्यूम सर्किट ब्रेकर के मुख्य घटक

वैक्यूम सर्किट ब्रेकर केवल एक “स्विच” नहीं है; यह एक सटीक रूप से एकीकृत प्रणाली है। विश्वसनीयता वैक्यूम इंटरप्टर, इन्सुलेशन और तंत्र के बीच तालमेल पर निर्भर करती है।.

वैक्यूम इंटरप्टर (“बोतल”)

वीसीबी का हृदय वैक्यूम इंटरप्टर है। इसकी अखंडता अटूट है।.

• संलग्न: उच्च-श्रेणी की एलुमिना सिरेमिक से निर्मित, धातु के एंड-कैप्स से ब्रेज़ किया गया। यह 20–30 वर्षों तक वैक्यूम बनाए रखेगा।.
• संपर्क (आलोचनात्मक धातुशास्त्र): आप शुद्ध तांबे के संपर्क नहीं कर सकते; वे एक साथ वेल्ड हो जाएंगे। आधुनिक वीसीबी एक का उपयोग करते हैं। तांबा-क्रोमियम (CuCr) मिश्रधातु (आमतौर पर 75% Cu / 25% Cr)। तांबा चालकता सुनिश्चित करता है, जबकि क्रोमियम वेल्डिंग को रोकता है और वैक्यूम बनाए रखने के लिए “गेटरिंग” (भटकती गैस अणुओं को अवशोषित करना) में सहायता करता है।.
• संपर्क ज्यामिति (एएमएफ बनाम आरएमएफ): यह एक प्रमुख विनिर्देश विवरण है।.
  • आरएमएफ (अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र): वक्र को संपर्क किनारे के चारों ओर घूमने के लिए मजबूर करने हेतु सर्पिल स्लॉट्स का उपयोग करता है, जिससे स्थानीय पिघलन रोका जाता है।.
  • एएमएफ (अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र): एक कॉइल संरचना का उपयोग करके ध्रुवीय क्षेत्र को आर्क के समानांतर बनाया जाता है। यह आर्क को “विकीर्ण” मोड में रखता है, जो पूरी सतह पर समान रूप से फैला रहता है।. उच्च शॉर्ट-सर्किट धाराओं (जैसे, 40kA, 50kA) के लिए AMF को प्राथमिकता दी जाती है। क्योंकि यह संपर्क अपक्षरण को कम करता है।. (यह भी देखें: वैक्यूम कॉन्टैक्टर आर्क को कैसे बुझाता है? संबंधित आर्क भौतिकी के लिए।.

फूंकनी

प्रारंभिक डिज़ाइनों की सबसे बड़ी कमजोरी, बेलोज़ एक स्टेनलेस स्टील की अकॉर्डियन जैसी ट्यूब है जो चलने वाले संपर्क को आमतौर पर 6 मिमी से 20 मिमी तक यात्रा करने की अनुमति देती है, बिना वैक्यूम सील को तोड़े। आधुनिक हाइड्रो-फॉर्म्ड बेलोज़ को रेट किया जाता है एम2 वर्ग टिकाऊपन (10,000 से 30,000 यांत्रिक संचालन), जो प्राथमिक प्रणाली के जीवनकाल से कहीं अधिक है।.

कार्यप्रणाली

चूंकि वैक्यूम इंटरप्टर्स का स्ट्रोक (दूरी) SF₆ या तेल ब्रेकर्स की तुलना में बहुत कम होता है, इसलिए इस तंत्र को संक्षिप्त दूरी में सटीक डैम्पिंग के साथ उच्च बल प्रदान करना चाहिए।.

• वसंत-संग्रहीत ऊर्जा: उद्योग मानक। एक मोटर एक स्प्रिंग को चार्ज करती है, जिसे लॉच किया जाता है। ट्रिपिंग स्प्रिंग को रिलीज़ करती है। यह मजबूत और पूरी तरह यांत्रिक है।.
• चुंबकीय एक्ट्यूएटर: संपर्कों को पकड़ने के लिए स्थायी चुंबक और उन्हें स्विच करने के लिए सोलनॉइड का उपयोग करके एक सरलीकृत डिज़ाइन। कम चलने वाले पुर्जों के साथ, यह उच्च विश्वसनीयता प्रदान करता है, लेकिन नियंत्रण शक्ति के लिए जटिल इलेक्ट्रॉनिक कैपेसिटर की आवश्यकता होती है।.

प्राथमिक चालक एवं इन्सुलेशन प्रणाली

• एम्बेडेड पोल: जैसे उन्नत VCBs में VS1 वैक्यूम सर्किट ब्रेकर, वैक्यूम इंटरप्टर एपॉक्सी रेजिन में ढाला जाता है। यह “एम्बेडेड पोल” तकनीक सिरेमिक बोतल को धूल, नमी और यांत्रिक झटके से बचाती है, जिससे क्रिपिंग दूरी में उल्लेखनीय वृद्धि होती है और गंदे औद्योगिक वातावरण में रखरखाव की आवश्यकताएं कम हो जाती हैं।.

नियंत्रण एवं सहायक परिपथ

इसमें एंटी-पंपिंग रिले (जो निरंतर दोष के दौरान ब्रेकर के बार-बार खुलने-बंद होने को रोकता है), ट्रिप कॉइल्स, और SCADA फीडबैक के लिए सहायक संपर्क शामिल हैं।.

4. वैक्यूम सर्किट ब्रेकर कैसे काम करता है?

यह ऑपरेशन समय के खिलाफ एक दौड़ है—विशेष रूप से, के बीच एक दौड़ अस्थायी पुनर्प्राप्ति वोल्टेज (टीआरवी) संपर्कों और के पार उभर रहा डाइइलेक्ट्रिक पुनर्प्राप्ति वैक्यूम गैप का.

सामान्य बंद स्थिति

विद्युत धारा स्थिर और चल संपर्कों से होकर प्रवाहित होती है। संपर्कों का प्रतिरोध अत्यंत कम होता है (माइक्रो-ओम, μΩ में मापा जाता है)। बाहरी तंत्र शॉर्ट सर्किट के दौरान इलेक्ट्रोडायनामिक बलों के कारण संपर्कों के खुलने से रोकने के लिए अत्यधिक दबाव (संपर्क स्प्रिंग बल) लागू करता है।.

दोष का पता लगाना और ट्रिप कमांड

संरक्षण रिले से संकेत प्राप्त होते ही लैच मुक्त हो जाता है। उद्घाटन स्प्रिंग्स चलती संपर्क को नीचे की ओर खींचती हैं। पृथक्करण की गति अत्यंत महत्वपूर्ण है—बहुत धीमी होने पर आर्क बहुत देर तक जलता रहता है; बहुत तेज होने पर बेलोज़ फट सकता है।.

आर्क विलुप्ति: “करंट जीरो” घटना

1. धातु वाष्प उत्पादन: संपर्कों के अलग होते ही, संपर्क का अंतिम सूक्ष्म बिंदु पिघलकर फट जाता है, जिससे धातु वाष्प प्लाज्मा का एक पुल बनता है। यह प्लाज्मा दोष धारा का संचालन करता है।.
2. प्रसारण मोड: एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए AMF इंटरप्टर में, यह आर्क पूरी संपर्क सतह पर फैल जाता है, जिससे बड़े पैमाने पर पिघलने से बचाव होता है।.
3. वर्तमान शून्य: AC प्रणालियों में, धारा स्वाभाविक रूप से प्रति सेकंड 100 बार शून्य से होकर गुजरती है (50 हर्ट्ज़)। जब धारा शून्य के करीब पहुँचती है, तो प्लाज्मा में ऊर्जा का प्रवाह रुक जाता है।.
4. द्रुत संघनन: करंट शून्य होने के ठीक क्षण पर आर्क बुझ जाता है। धातु का वाष्प माइक्रोसेकंडों के भीतर आंतरिक ढालों पर संघनित हो जाता है।.
5. डाइइलेक्ट्रिक पुनर्प्राप्ति: वैक्यूम गैप अपनी इन्सुलेशन क्षमता लगभग तुरंत ही पुनः प्राप्त कर लेता है। यदि यह पुनर्प्राप्ति ग्रिड से बढ़ते TRV से तेज़ होती है, तो विराम सफल होता है। यदि नहीं, तो एक पुनः प्रहार घटता है। वैक्यूम की अत्यंत तीव्र रिकवरी वक्रता ही इसे इतना प्रभावी बनाती है। आर्क भौतिकी में गहरी गोताखोरी के लिए, संदर्भित करते हुए पाशेन का नियम ब्रेकडाउन वोल्टेज को समझने के लिए यह आवश्यक है।.

5. वैक्यूम सर्किट ब्रेकर की आंतरिक संरचना (विखंडित दृश्य)

(नोट: विस्तृत घटक विन्यास के लिए कृपया अनुभाग 3 में दिए गए आरेख को देखें। यांत्रिक कनेक्शन को समझने के लिए विस्फोटित दृश्य महत्वपूर्ण है।).

6. वैक्यूम सर्किट ब्रेकर बनाम अन्य प्रौद्योगिकियाँ

नीचे दिया गया तुलना चार्ट दिखाता है कि VCB को MV के लिए क्यों चुना जाता है, जबकि SF₆ को HV/EHV के लिए आरक्षित किया गया है।.

7. वैक्यूम सर्किट ब्रेकर्स के सामान्य अनुप्रयोग

उप-स्टेशन और उपयोगिताओं

उपयोगिताएँ वितरण फीडरों (11kV से 33kV) के लिए VCBs का उपयोग करती हैं। उच्च विश्वसनीयता का अर्थ है कि इन्हें दूरस्थ, बिना मानव संचालन वाले उप-स्टेशनों में स्थापित किया जा सकता है।.

औद्योगिक संयंत्र (मोटर स्विचिंग)

यह एक VCB का गढ़ है। मोटर्स को बार-बार चालू और बंद करने की आवश्यकता होती है। VCB बिना संपर्क रखरखाव के हजारों स्विचिंग चक्र संभाल सकते हैं।.

• अभियांत्रिकी नोट: मोटर बदलते समय, इंजीनियरों को सावधान रहना चाहिए आभासी कटाई और कई बार पुनः प्रज्वलन। स्थापित करना एक मानक प्रथा है। आरसी स्नबर्स या मोटर इन्सुलेशन की सुरक्षा के लिए VCB के साथ जिंक ऑक्साइड सर्ज अरेस्टर्स।.
• VS1 वैक्यूम सर्किट ब्रेकर: इनडोर मेटल-क्लैड स्विचगियर पैनलों (जैसे KYN28 प्रकार) के लिए मुख्य कार्यकर्ता।.

खनन एवं आर्क भट्टियाँ

इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस (EAF) एक परम यातना परीक्षण हैं, जिनमें 100 तक स्विचिंग संचालन की आवश्यकता होती है। प्रति दिन. केवल वीसीबी (अक्सर चुंबकीय एक्ट्यूएटर्स के साथ) ही इस ड्यूटी साइकिल में टिक सकते हैं। हर्मेटिक रूप से सीलबंद संपर्क खदानों में अक्सर पाए जाने वाले चालकशील कोयला धूल और आर्द्रता से भी प्रतिरोधी होते हैं।.

आरएमयू और रिंग नेटवर्क्स

स्मार्ट ग्रिड्स को वितरण स्तर पर स्वचालित स्विचिंग की आवश्यकता होती है।.

• ZW32 आउटडोर वैक्यूम सर्किट ब्रेकरअक्सर अस्थायी दोषों (जैसे बिजली गिरने) को स्वचालित रूप से दूर करने के लिए ओवरहेड लाइनों पर “ऑटो-रिक्लोज़र” के रूप में तैनात किया जाता है।.
• ZW20 पोल-माउंटेड वैक्यूम सर्किट ब्रेकरएक बाउंड्री स्विच, जो अक्सर टैंक के लिए गैस-इन्सुलेटेड या सॉलिड-इन्सुलेटेड होता है, लेकिन वास्तविक ब्रेकिंग के लिए वैक्यूम का उपयोग करता है, जिससे पोल टॉप पर शून्य रखरखाव सुनिश्चित होता है।.

8. अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न: इंजीनियरिंग और रखरखाव संबंधी जानकारी

1. “करंट चॉपिंग” घटना क्या है? क्योंकि निर्वात एक बहुत ही कुशल अवरोधक है, यह कभी-कभी आर्क को बुझा सकता है। पहले प्राकृतिक धारा शून्य (उदाहरण के लिए, 0A के बजाय 3A या 4A पर), विशेष रूप से छोटे प्रेरक धाराओं (जैसे बिना लोड वाले ट्रांसफॉर्मर) को स्विच करते समय। यह अचानक “चॉप” चुंबकीय ऊर्जा को फँसा देता है, जिससे उच्च क्षणिक अधि-वोल्टेज उत्पन्न होते हैं। हालांकि आधुनिक CuCr संपर्क सामग्री इसे कम करती है, संवेदनशील भारों के लिए सर्ज अरेस्टर की सिफारिश की जाती है।.

2. मैं वैक्यूम सर्किट ब्रेकर का परीक्षण कैसे करूँ? आप दृश्य रूप से वैक्यूम की जाँच नहीं कर सकते।.

• VIDAR परीक्षण (वैक्यूम अखंडता): खुले संपर्कों पर उच्च डीसी वोल्टेज (उदाहरण के लिए, 12kV ब्रेकर के लिए 40kV डीसी) लगाया जाता है। यदि वैक्यूम अखंडित है, तो कोई धारा प्रवाहित नहीं होती। यदि हवा रिसाव कर अंदर आ गई है, तो यह फ्लैशओवर कर देगा।.
• संपर्क प्रतिरोध (डक्टोर) परीक्षण: मुख्य सर्किट के प्रतिरोध को मापता है (माइक्रो-ओम में)। उच्च रीडिंग संपर्क घिसाव या ढीले कनेक्शनों का संकेत देती है।.

3. VCBs में “स्प्रिंग चार्जिंग” मोटर क्यों होता है? बंद करने वाली स्प्रिंग को संपीड़ित करने के लिए पर्याप्त बल की आवश्यकता होती है। एक छोटा इलेक्ट्रिक मोटर प्रत्येक बंद करने की क्रिया के बाद इस स्प्रिंग को स्वचालित रूप से चार्ज करता है, जिससे ब्रेकर दोष होने पर तुरंत “ओपन-क्लोज-ओपन” (O-C-O) चक्र चलाने के लिए हमेशा तैयार रहता है।.

4. क्या वीसीबी का उपयोग डीसी अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है? आम तौर पर नहीं। VCBs आर्क को बुझाने के लिए AC धारा के शून्य होने पर निर्भर करते हैं। DC परिपथ में धारा स्वाभाविक रूप से कभी शून्य को पार नहीं करती। DC ब्रेकिंग के लिए वैक्यूम तकनीक का उपयोग करने हेतु विशेष “काउंटर-करंट इंजेक्शन” परिपथों की आवश्यकता होती है।.

5. अगर बेलोज़ खराब हो जाएँ तो क्या होगा? यदि बेलोज़ में सूक्ष्म दरार आ जाए, तो वैक्यूम खो जाता है। इंटरप्टर दोष को साफ करने में विफल रहेगा, जिससे अनियंत्रित आर्क के कारण पोल यूनिट का विनाशकारी विस्फोट हो सकता है। इसीलिए यांत्रिक स्थायित्व (M2 श्रेणी) एक महत्वपूर्ण विनिर्देश है।.

6. क्या वीसीबी कैपेसिटर बैंक स्विचिंग के लिए उपयुक्त हैं? हाँ, उच्च डाइइलेक्ट्रिक मजबूती के कारण ये इस कार्य के लिए उत्कृष्ट हैं (क्लास C2 रेटिंग)। हालांकि, इनरश धाराओं को सीमित करने के लिए कभी-कभी सटीक पॉइंट-ऑन-वेव स्विचिंग या प्री-इन्सर्शन रेजिस्टर्स का उपयोग किया जाता है।.

9. निष्कर्ष + सीटीए

वैक्यूम सर्किट ब्रेकर एक विशिष्ट तकनीक से विकसित होकर आधुनिक मध्यम-वोल्टेज अवसंरचना की रीढ़ बन गया है। इसका प्रभुत्व संयोगवश नहीं है—यह अंतर्निहित भौतिक लाभों का परिणाम है: धातु वाष्प आर्क जो धारा शून्य पर बुझ जाता है, पुनर्प्राप्ति गति जो ग्रिड के क्षणिक परिवर्तनों से भी तेज है, और एक सीलबंद डिज़ाइन जो गंदे वातावरण को अनदेखा करता है।.

हालाँकि सभी VCBs समान नहीं होते। ब्रेज़िंग की गुणवत्ता, CuCr मिश्र धातु की शुद्धता और संचालन तंत्र की सटीकता यह निर्धारित करती हैं कि ब्रेकर 5 साल चलेगा या 30 साल।.

ग्रिड की विश्वसनीयता से समझौता न करें।. महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचा परियोजनाओं के लिए एक अनुभवी निर्माता के साथ काम करना अनिवार्य है। XBRELE उच्च-स्तरीय वैक्यूम स्विचिंग तकनीक में विशेषज्ञ है, जो चुनौतीपूर्ण औद्योगिक और यूटिलिटी अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से तैयार की गई है।.

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