निर्वात अवरोधक

विद्युत अभियन्त्रण में, निर्वात अवरोधक एक स्विच होता है जो निर्वात में विद्युत संपर्कों का उपयोग करता है। यह मध्यम-वोल्टेज सर्किट-ब्रेकर, जनरेटर सर्किट-ब्रेकर और हाई-वोल्टेज सर्किट-ब्रेकर का मुख्य घटक है। विद्युत संपर्कों के पृथक्करण का परिणाम धातु वाष्प आर्क होता है, जो जल्दी से समाप्त हो जाता है। निर्वात अवरोधक का उपयोग व्यापक रूप से उपयोगिता शक्ति संचरण प्रणाली, विद्युत उत्पादन इकाई और रेलवे के लिए विद्युत शक्ति वितरण प्रणाली, इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस और औद्योगिक संयंत्रों में किया जाता है।

चूंकि आर्क अवरोधक के भीतर समाहित है, इसलिए निर्वात अवरोधक का उपयोग करने वाले स्विचगियर वायु, SF6 या ऑइल सर्किट ब्रेकर का उपयोग करने वाले स्विचगियर की तुलना में बहुत कॉम्पैक्ट हैं। सर्किट-ब्रेकर और लोड स्विच के लिए निर्वात अवरोधक का उपयोग किया जा सकता है। सर्किट-ब्रेकर निर्वात अवरोधक मुख्य रूप से विद्युत क्षेत्र में सबस्टेशन और बिजली उत्पादन सुविधाओं में किया जाता है और पावर-ग्रिड एंड यूजर्स के लिए लोड-स्विचिंग निर्वात अवरोधक का उपयोग किया जाता है।

इतिहास
विद्युत धाराओं को स्विच करने के लिए निर्वात का उपयोग इस अवलोकन से प्रेरित था कि एक्स-रे ट्यूब में एक सेंटीमीटर अंतर हजारों वोल्ट का सामना कर सकता है।  यद्यपि 19 वीं शताब्दी के दौरान कुछ निर्वात स्विचन उपकरणों को पेटेंट किया गया था, लेकिन वे व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं थे। 1926 में, कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान में रॉयल सोरेनसेन के नेतृत्व में एक समूह ने निर्वात स्विचन की जांच की और कई उपकरणों का परीक्षण किया, निर्वात में आर्क व्यवधान के मौलिक पहलुओं की जांच की गई। सोरेनसन ने उस साल AIEE बैठक में परिणाम प्रस्तुत किए और स्विचों के वाणिज्यिक उपयोग की भविष्यवाणी की। 1927 में, जनरल इलेक्ट्रिक ने पेटेंट अधिकारों को खरीदा और वाणिज्यिक विकास शुरू किया। ग्रेट डिप्रेशन और ऑइल से भरे स्विचगियर के विकास के कारण कंपनी को विकास कार्य कम करना पड़ा और बहुत कम व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण काम 1950 के दशक तक निर्वात पावर स्विचगियर पर किया गया था।।

1956 में, एच क्रॉस ने हाई-फ्रिक्वेंसी-सर्किट निर्वात स्विच को क्रांति प्रदान की और 200 A पर 15 kV की रेटिंग के साथ निर्वात स्विच का उत्पादन किया। पांच साल बाद, जनरल इलेक्ट्रिक में थॉमस एच. ली ने पहला निर्वात सर्किट ब्रेकर बनाया 12.5 kA के शॉर्ट-सर्किट ब्रेकिंग विद्युत प्रवाह पर 15 kV के रेटेड वोल्टेज के साथ। 1966 में, उपकरणों को 15 kV के रेटेड वोल्टेज और 25 और 31.5 kA के शॉर्ट सर्किट ब्रेकिंग धाराओं के साथ विकसित किया गया था। 1970 के दशक के बाद, निर्वात स्विचों ने मध्यम-वोल्टेज स्विचगियर में न्यूनतम-ऑइल स्विचों को बदलना शुरू कर दिया। 1980 के दशक के प्रारंभ में, SF6 स्विच और ब्रेकर को भी धीरे-धीरे मध्यम-वोल्टेज अनुप्रयोग में निर्वात प्रौद्योगिकी द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था।

2018 तक, निर्वात सर्किट ब्रेकर 145 kV तक पहुंच गया और ब्रेकिंग विद्युत प्रवाह 200 kA तक पहुंच गया था।

वर्गीकरण
निर्वात अवरोधकों को संलग्नक प्रकार, अनुप्रयोग द्वारा और वोल्टेज वर्ग द्वारा वर्गीकृत किया जा सकता है। प्रायोगिक, रेडियो-आवृत्ति और प्रारंभिक शक्ति-स्विचिंग निर्वात अवरोधक में कांच के संलग्न थे। हाल ही में, पावर स्विचगियर के लिए निर्वात अवरोधक सिरेमिक आवरण के साथ बनाए जाते हैं।

अनुप्रयोगों और उपयोगों में सर्किट-ब्रेकर, जनरेटर सर्किट-ब्रेकर, लोड स्विच, मोटर कॉन्टैक्टर्स और रिकलोज़र शामिल हैं। विशेष-उद्देश्य वाले निर्वात अवरोधक भी निर्मित होते हैं, जैसे ट्रांसफार्मर टैप चेंजर्स या इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस में उपयोग किए जाते हैं।

जेनरेटर सर्किट-ब्रेकर
1990 के दशक के प्रारंभ में अनुसंधान और जांच ने जनरेटर अनुप्रयोगों के लिए निर्वात स्विचिंग प्रौद्योगिकी के रोजगार की अनुमति दी। जनरेटर स्विचिंग अनुप्रयोगों को बाधित उपकरणों पर उनके उच्च उपभेदों के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है, जैसे उच्च असममिति या उच्च और अतिप्रवण अस्थायी  पुनराप्‍ति वोल्टेज की उच्च धारा; मानक IEC/IEEE 62271-37-013 (पूर्व और अभी भी वैध IEEE C37.013, 1997) को जनरेटर अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले सर्किट ब्रेकरों पर ऐसी आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पेश किया गया था।

निर्वात सर्किट ब्रेकर को IEC/IEEE 62271-37-013 के अनुसार जनरेटर सर्किट ब्रेकर के रूप में योग्य बनाया जा सकता है। अन्य क्विन्चिंग मीडिया (जैसे SF6 (सल्फर हेक्साफ्लोराइड), एयर ब्लास्ट या न्यूनतम ऑइल) का उपयोग करते हुए सर्किट ब्रेकरों की तुलना में, निर्वात सर्किट ब्रेकर के निम्नलिखित लाभ हैं:
 * बड़ी रिकवरी क्षमता, अस्थायी रिकवरी वोल्टेज (अधिकांश SF6 GCB में आवश्यक) की स्थिरता को कम करने के लिए संधारकों की आवश्यकता को समाप्त करना;
 * उच्च यांत्रिक और विद्युत स्थायित्व के साथ काफी अधिक संख्या और रखरखाव के बिना संभावित स्विचिंग संचालन की आवृत्ति; और
 * F-गैस का उपयोग न करके पर्यावरण अनुकूल।

निर्वात GCBs लगातार स्विचिंग ड्यूटी के लिए उपयुक्त हैं और पंप स्टोरेज पावर प्लांट में पाए जाने वाले कम आवृत्ति धाराओं को बाधित करने के लिए उपयुक्त हैं।

संरचना
निर्वात अवरोधक में सामान्यतः निश्चित और गतिमान संपर्क होता है, उस संपर्क की गति की अनुमति देने के लिए लचीला बेलोज और उच्च निर्वात के साथ हर्मेटिक-सील्ड ग्लास, सिरेमिक या मेटल हाउसिंग में संलग्न आर्क शील्ड होती हैं। सक्रिय संपर्क लचीला ब्राइड द्वारा बाहरी सर्किट से जुड़ा हुआ है और उपकरण को खोलने या बंद करने की आवश्यकता होने पर प्रक्रिया द्वारा स्थानांतरित किया जाता है। चूंकि वायु दबाव संपर्कों को बंद करने की प्रवृत्ति रखता है, इसलिए परिचालन प्रक्रिया को बेलोज पर वायु के दबाव के समापन बल होने के विरूद्व संपर्क को खुला रखना चाहिए।

वायुरोधी संलग्नक
अवरोधक का संलग्नक कांच या सिरेमिक से बना होता है। हर्मेटिक सील यह सुनिश्चित करते हैं कि उपकरण के जीवन के लिए अवरोधक निर्वात को बनाए रखा जाए। एन्क्लेव गैस के लिए अभेद्य होना चाहिए और फंसे हुए गैस को छोड़ना नहीं चाहिए। स्टेनलेस-स्टील बेलोज़ अवरोधक के भीतर निर्वात को बाहरी वायुमंडल से अलग करता है और स्विच को खोलने और बंद करने के लिए निर्दिष्ट सीमा के भीतर संपर्क को स्थानांतरित करता है।

परिरक्षण
निर्वात अवरोधक में संपर्कों के चारों ओर और अवरोधक के अंत में, किसी भी संपर्क सामग्री को निर्वात आवरण के अंदर कोंडेंसिंग करने से रोकने के लिए ढाल होती है। इससे आवरण की इन्सुलेशन शक्ति कम हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप अंत में खुलने पर अवरोधक का आर्किंग हो जाता है। यह शील्ड अवरोधक के अंदर विद्युत-क्षेत्र वितरण के आकार को नियंत्रित करने में भी मदद करता है, जो उच्च ओपन-सर्किट वोल्टेज रेटिंग में योगदान देता है। यह आर्क में उत्पादित कुछ ऊर्जा को अवशोषित करने में मदद करता है, जिससे उपकरण की इंटरप्टिंग रेटिंग बढ़ जाती है।

संपर्क
संपर्क बंद होने पर सर्किट विद्युत प्रवाह ले जाता है, जब खुलने पर आर्क के टर्मिनलों का निर्माण होता है। वे विभिन्न प्रकार की सामग्रियों से बने होते हैं, जो लंबे संपर्क जीवन के लिए निर्वात अवरोधक के उपयोग और डिजाइन पर निर्भर, वोल्टेज की तेजी से रिकवरी रेटिंग का सामना करता है और धारा संकर्तन के कारण ओवरवॉल्टेज का नियंत्रण होता है।

बाहरी ऑपरेटिंग मैकेनिज्म सक्रिय संपर्क को ड्राइव करता है, जो कनेक्टेड सर्किट को खोलता और बंद करता है। निर्वात इंटरप्ट्टर में सक्रिय संपर्क को नियंत्रित करने और सीलिंग बेलोज को मुड़ने से बचाने के लिए गाइड स्लीव सम्मिलित है, जो इसके जीवन को काफी कम कर देगा।

यद्यपि कुछ निर्वात-अवरोधक डिजाइन में सरल बट्ट संपर्क होते हैं, संपर्कों को सामान्यतः स्लॉट, रिज या उच्च धाराओं को तोड़ने की अपनी क्षमता में सुधार करने के लिए ग्रूव के साथ आकार दिया जाता है। आकार के संपर्कों से बहने वाली आर्क धारा आर्क स्तंभ पर चुंबकीय बलों को उत्पन्न करती है, जो संपर्क की सतह पर तेजी से आगे बढ़ने का कारण बनती है। यह आर्क द्वारा क्षरण के कारण संपर्क पहनने को कम करता है, जो संपर्क के समय संपर्क धातु को पिघला देता है।

दुनिया भर में निर्वात अवरोधक के केवल कुछ निर्माता ही संपर्क सामग्री का उत्पादन करते हैं। मूल कच्चा माल, तांबा और क्रोम, आर्क-पिघलने की प्रक्रिया के माध्यम से शक्तिशाली संपर्क सामग्री में संयुक्त होते हैं। परिणामी कच्चे भागों को RMF या AMF संपर्क डिस्क में संसाधित किया जाता है, जिसमें स्लॉटेड AMF डिस्क को अंत में हटा दिया जाता है। संपर्क सामग्री के लिए निम्नलिखित की आवश्यकता होती है:


 * 1) उच्च ब्रेकिंग क्षमता: उत्कृष्ट विद्युत चालकता, छोटी तापीय चालकता, अधिक ताप क्षमता और कम गर्म इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन क्षमता;
 * 2) उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और विद्युत क्षरण के प्रति प्रतिरोध;
 * 3) वेल्डिंग का प्रतिरोध;
 * 4) कम कटऑफ वर्तमान मूल्य; और
 * 5) कम गैस सामग्री (विशेष रूप से तांबा)।

सर्किट ब्रेकरों में, निर्वात-अवरोधक संपर्क सामग्री मुख्य रूप से 50-50 तांबा- क्रोमियम मिश्र धातु होती है। उन्हें ऑक्सीजन मुक्त तांबा से बने संपर्क सीट पर ऊपरी और निचले संपर्क सतहों पर तांबा-क्रोम मिश्र धातु शीट को वेल्डिंग करके बनाया जा सकता है। अन्य सामग्रियों, जैसे चांदी, टंगस्टन और टंगस्टन यौगिकों का उपयोग अन्य अवरोधक डिजाइनों में किया जाता है। निर्वात अवरोधक की संपर्क संरचना का इसकी ब्रेकिंग क्षमता, विद्युत स्थायित्व और वर्तमान संकर्तन के स्तर पर बहुत प्रभाव पड़ता है।

बेलोज़
निर्वात अवरोधक बेलोज़ गतिशील संपर्क को इंटरप्रिंटर संलग्न के बाहर से संचालित करने की अनुमति देता है और अवरोधक के अपेक्षित ऑपरेटिंग जीवन की तुलना में दीर्घकालिक उच्च निर्वात बनाए रखना चाहिए। बेलोज 0.1 से 0.2 mm की मोटाई के साथ स्टेनलेस स्टील से बनी है। इसका फटीग जीवन आर्क से होने वाली गर्मी से प्रभावित होता है।

उन्हें वास्तविक अभ्यास में उच्च स्थिरता की आवश्यकताओं को पूरा करने में सक्षम करने के लिए, बेलो को नियमित रूप से हर तीन महीने में स्थिरता परीक्षण के अधीन किया जाता है। यह परीक्षण पूरी तरह से स्वचालित परीक्षण केबिन में किया जाता है जिसमें संबंधित प्रकार के ट्रैवल्स को समायोजित किया जाता है।

बेलोज़ जीवनकाल 30,000 CO ऑपरेशन चक्र से अधिक है।

ऑपरेशन
निर्वात अवरोधक संपर्कों की जोड़ी के बीच आर्क को बुझाने के लिए उच्च निर्वात का उपयोग करता है। जैसे-जैसे संपर्क आगे बढ़ता है, धारा छोटे क्षेत्र के माध्यम से प्रवाहित होती है। संपर्कों के बीच प्रतिरोध में तेज वृद्धि होती है और इलेक्ट्रोड-धातु वाष्पीकरण की घटना तक संपर्क सतह पर तापमान तेजी से बढ़ता है। इसी समय, छोटे संपर्क अंतराल में विद्युत क्षेत्र बहुत अधिक होता है। गैप के टूटने से निर्वात आर्क उत्पन्न होता है। चूंकि प्रत्यावर्ती धारा को आर्क प्रतिरोध के कारण शून्य से गुजरने के लिए मजबूर किया जाता है और निश्चित और गतिमान संपर्कों के बीच का अंतर व्यापक हो जाता है, आर्क द्वारा उत्पादित प्रवाहकीय प्लाज्मा (भौतिकी) अंतराल से दूर चला जाता है और गैर-प्रवाहकीय हो जाता है। विद्युत प्रवाह बाधित हो जाता है।

AMF और RMF संपर्कों के अग्रभाग पर स्पाइरल (या रेडियल) स्लॉट होते हैं। संपर्कों का आकार चुंबकीय बलों का उत्पादन करता है जो संपर्कों की सतह पर आर्क स्थान को स्थानांतरित करते हैं, इसलिए आर्क बहुत लंबे समय तक एक स्थान पर नहीं रहता है। कम आर्क वोल्टेज बनाए रखने और संपर्क क्षरण को कम करने के लिए संपर्क सतह पर आर्क समान रूप से वितरित किया जाता है।

उत्पादन प्रक्रिया
निर्वात अवरोधक के घटकों को असेंबली से पहले अच्छी तरह से साफ किया जाना चाहिए, क्योंकि दूषित पदार्थ निर्वात आवरण में गैस का उत्सर्जन कर सकते हैं। उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज सुनिश्चित करने के लिए, घटकों को स्वच्छ कक्ष में इकट्ठा किया जाता है जहां धूल को सख्ती से नियंत्रित किया जाता है।

जब सतहों को इलेक्ट्रोप्लेटिंग द्वारा तैयार और साफ किया गया और सभी एकल भागों की सतह स्थिरता का ऑप्टिकल निरीक्षण किया गया है, तब इंटरप्रप्टर को इकट्ठा किया जाता है। उच्च-निर्वात सोल्डर घटकों के जोड़ों पर लागू, भागों को संरेखित और अवरोधक को निर्धारित किया जाता है। चूंकि असेंबली के दौरान स्वच्छता विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, इसलिए सभी कार्य वातानुकूलित क्लीन-रूम की स्थिति में किए जाते हैं। इस तरह निर्माता IEC/IEEE 62271-37-013 के अनुसार अवरोधक की निरंतर उच्च गुणवत्ता और 100 kA तक की अधिकतम संभावित रेटिंग की गारंटी दे सकता है।

प्रारंभ में निर्वात इंटरप्रोडर्स के सब-एसेम्बलियों को हाइड्रोजन-एटमोस्फीयर फर्नेस में एक साथ इकट्ठा और ब्रेज़ किया गया। अवरोधक के इंटीरियर से जुड़े ट्यूब का उपयोग बाहरी निर्वात पंप के साथ अवरोधक को खाली करने के लिए किया गया था जबकि अवरोधक को लगभग 400 °C (752 °F) पर बनाए रखा गया था। 1970 के दशक के बाद से, अवरोधक सबकंपोनेंट को संयुक्त ब्रेजिंग-एंड-इक्यूपेशन प्रक्रिया द्वारा उच्च-निर्वात ब्रेजिंग फर्नेस में इकट्ठा किया गया है। बैच में दसियों (या सैकड़ों) की बोतलों को संसाधित किया जाता है, उच्च-निर्वात फर्नेस का उपयोग करते हुए, जो उन्हें 900 °C तक के तापमान पर और 10−6 mbar के दबाव का उपयोग करता है। इस प्रकार, अवरोधक जीवन भर गुणवत्ता की आवश्यकता को पूरा करते हैं। पूरी तरह से स्वचालित उत्पादन प्रक्रिया के कारण, किसी भी समय उच्च गुणवत्ता को लगातार दोहराया जा सकता है।

फिर, एक्स-रे प्रक्रिया के माध्यम से अवरोधक के मूल्यांकन का उपयोग पदों के साथ-साथ आंतरिक घटकों की पूर्णता, और ब्रैजिंग बिंदुओं की गुणवत्ता को सत्यापित करने के लिए किया जाता है। यह निर्वात अवरोधक की उच्च गुणवत्ता सुनिश्चित करता है।

निर्माण के दौरान, निर्वात अवरोधक की निश्चित आंतरिक डाईइलेक्ट्रिक शक्ति को धीरे-धीरे बढ़ते वोल्टेज के साथ स्थापित किया जाता है और यह बाद में बिजली आवेग वोल्टेज परीक्षण द्वारा सत्यापित किया जाता है। दोनों ऑपरेशन उच्च मूल्यों के साथ मानकों में निर्दिष्ट की तुलना में, निर्वात अवरोधक की गुणवत्ता के प्रमाण के रूप में किया जाता है। यह स्थिरता और उच्च उपलब्धता के लिए पहली आवश्यकता है।

आजीवन सील
उनकी निर्माण प्रक्रिया के कारण, निर्वात अवरोधक को जीवन भर के लिए सील कर दिया जाता है। यह अनुच्छेद 6.8.3 पर IEEE std C37.100.1 में वर्णित निगरानी प्रणाली या कड़ी परीक्षा की आवश्यकता से बच जाता है।

ओवरवोल्टेज प्रभाव
कुछ परिस्थितियों में, निर्वात सर्किट ब्रेकर, प्रत्यावर्ती-चाल सर्किट में प्राकृतिक शून्य (और धारा का प्रत्यावर्ती) से पहले सर्किट में विद्युत प्रवाह को शून्य पर ला सकता है। यदि AC-वोल्टेज तरंग-रूप के संबंध में अंतररूपक संचालन समय प्रतिकूल है (जब आर्क को समाप्त किया जाता है लेकिन संपर्क अभी भी चल रहे हैं और आयनीकरण अभी तक विघटित नहीं हुआ है), वोल्टेज गैप के प्रतिरोध वोल्टेज से अधिक हो सकते है। यह आर्क को फिर से एकीकृत कर सकता है, जिससे अचानक अस्थायी धाराएं उत्पन्न होती हैं। दोनों ही स्थिति में, दोलन को सिस्टम में समाविष्‍ट किया जाता है जिसके परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण ओवरवोल्टेज हो सकता है। निर्वात-अवरोधक निर्माता मौजूदा संकर्तन को कम करने के लिए संपर्क सामग्री और डिजाइन का चयन करके इन चिंताओं का समाधान करते हैं। ओवरवोल्टेज से उपकरण को बचाने के लिए, निर्वात स्विचगियर में प्राय: सर्ज अरेस्टर्स सम्मिलित होते हैं।

आजकल, बहुत कम विद्युत प्रवाह संकर्तन के साथ, निर्वात सर्किट ब्रेकर ओवरवॉल्टेज को प्रेरित नहीं करेंगे जो आसपास के उपकरणों से इन्सुलेशन को कम कर सके।