12 kV ہوائی محفوظ RMUs میں ڈسچارج خطرات کو کم کرنے کے لئے گریڈنگ شیلڈ ڈیزائن کا استعمال
یہ مقالہ کسی قسم کے 12kV ہوا سے محصور حلقہ بنانے والے یونٹ (RMU) کے ابتدائی عزل کے تکون کو مطالعہ کا موضوع بنا رہا ہے، اس کے آس پاس کے برقی میدان کی تقسیم اور منصفانہ توزیع کا تجزیہ کرتا ہے، اس مقام پر عزل کی صلاحیت کا جائزہ لیتا ہے، اور ڈھانچے کی بہتری کے ذریعے نکلاؤں کی خطرات کو کم کرتا ہے اور عزل کی صلاحیت کو بڑھاتا ہے، جس سے مماثل مصنوعات کے عزل کے ڈیزائن کے لیے رiference فراہم کیا جاتا ہے۔
1 ہوا سے محصور حلقہ بنانے والے یونٹ کا ڈھانچہ
اس مقالہ میں مطالعہ کیا جا رہا ہوا سے محصور RMU کا تین بُعدی ڈھانچہ ماڈل شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔ اصل کارنامہ ویکیوئم سوئچ اور تین پوزیشن والے سوئچ کی ترکیب کو اپناتا ہے، جس میں تین پوزیشن والے سوئچ کو بس بار کی طرف رکھا گیا ہے - یعنی تین پوزیشن والے سوئچ کو RMU کی اوپری جانب رکھا گیا ہے، جبکہ ویکیوئم سوئچ کو نیچے کی جانب سولڈ سیلڈ پول کے ڈھانچے میں لگایا گیا ہے۔ کیونکہ ویکیوئم سوئچ کو پول کے اندر محفوظ کیا گیا ہے، اس کی باہر کی سطح ایپوکسی ریزن سے عزل کی گئی ہے، جس کی عزل کی صلاحیت ہوا سے بہت زیادہ ہوتی ہے، اس طرح عزل کی ضروریات کو پورا کرتا ہے۔
اضافہ کرتے ہوئے، سولڈ سیلڈ پول کے بند کرنے کے نقطے پر کنکشن بس بار میں کنارے کو گھمنے والے اور قوسی شکل کے ڈیزائن کو کنسل کیا گیا ہے، سلیکون ربار کے ساتھ بند کرنے کے ساتھ، اس علاقے میں جزیاتی نکلاؤں کی مسائل کو موثر طور پر کم کرتا ہے۔ بس بار اور زمین کے درمیان کی عزل کی فاصلے کو متعلقہ عزل کے معیار کے مطابق ڈیزائن کیا گیا ہے اور قانونی ضروریات کو پورا کرتا ہے۔
تین پوزیشن والے سوئچ کا عزل کا تیغہ ہوا کو عزل کے میڈیم کے طور پر استعمال کرتا ہے۔ یہ کسی متحرک کنکشن کا حصہ ہوتا ہے، اس کا ڈھانچہ پین، سپرنگ، ڈسک سپرنگ، اور سرکلیٹس جیسے میٹل کے حصوں پر مشتمل ہوتا ہے تاکہ عزل کے تیغہ کے درمیان کنٹیکٹ کی دباؤ کو بڑھایا جا سکے۔ تاہم، ان میٹل کے حصوں کی پیچیدہ شکل کی وجہ سے برقی میدان کی تقسیم کو بہت غیر منصفانہ بنایا جا سکتا ہے، جس کی وجہ سے جزیاتی نکلاؤں اور کھٹرے کی خطرات کی پیداوار ہو سکتی ہے، جس کی وجہ سے اس مقام پر عزل کی صلاحیت کو برداشت کرنا پڑتا ہے۔
لہذا، اس ڈھانچے کا برقی ڈیزائن خاص طور پر اہم ہے۔ مصنوعات کے ڈیزائن کی ضروریات کے مطابق، عزل کا تکون 50kV کی مقررہ مختصر وقت کی طاقت کی تکونی کشش کو برداشت کرنا چاہئے، کم از کم مقررہ برقی فاصلہ 100mm ہونا چاہئے۔ عزل کے تیغہ کے ڈھانچے کی پیچیدگی کو مد نظر رکھتے ہوئے، تیغہ کی دونوں طرف گریڈنگ شیلڈز شامل کیے گئے ہیں تاکہ برقی میدان کی منصفانگی کو بہتر بنایا جا سکے اور جزیاتی نکلاؤں کو کم کیا جا سکے۔ تین پوزیشن والے سوئچ کا تین بُعدی ماڈل شکل 2 میں دکھایا گیا ہے۔ اس مقالہ میں اس عزل کے تکون کے لیے برقی میدان کی محاکاة کا تجزیہ کیا گیا ہے۔
2 محاکاة کا تجزیہ
فائنائٹ ایلیمانٹ سافٹوئیر کا استعمال کرتے ہوئے حلقہ بنانے والے یونٹ پر برقی میدان کی محاکاة کی گئی، مقررہ 50 kV کی مختصر وقت کی طاقت کی تکونی کشش کے تحت عزل کے تکون پر برقی میدان کی توانائی کی تقسیم کا تجزیہ کیا گیا۔ دو الیکٹروسٹیٹک میدان کی محاکاة کی کیسیں درنظر لی گئیں:
کیس 1: بس بار کی طرف (عزل کا ثابت کنٹیکٹ کی طرف) کم پوٹینشل (0 V) ہے، اور لائن کی طرف (عزل کا تیغہ کی طرف) زیادہ پوٹینشل (50 kV) ہے۔
کیس 2: بس بار کی طرف (عزل کا ثابت کنٹیکٹ کی طرف) زیادہ پوٹینشل (50 kV) ہے، اور لائن کی طرف (عزل کا تیغہ کی طرف) کم پوٹینشل (0 V) ہے۔
محاکاة کے ذریعے دونوں کیسوں کے لیے زیادہ سے زیادہ برقی میدان کی توانائی کے مقام پر برقی میدان کی توانائی کی تقسیم حاصل کی گئی۔ کیس 1 میں عزل کے تیغہ کے سر پر برقی میدان کی توانائی کی تقسیم شکل 3 میں دکھائی گئی ہے، اور کیس 2 میں عزل کے ثابت کنٹیکٹ کے سر پر برقی میدان کی توانائی کی تقسیم شکل 4 میں دکھائی گئی ہے۔ کیس 1 میں، زیادہ سے زیادہ برقی میدان کی توانائی گریڈنگ شیلڈ کے آخر میں ہوتی ہے، جس کی قدر 7.07 kV/mm ہوتی ہے؛ کیس 2 میں، زیادہ سے زیادہ برقی میدان کی توانائی عزل کے ثابت کنٹیکٹ کے کنارے پر ہوتی ہے، جس کی قدر 4.90 kV/mm ہوتی ہے۔
ہوا کا معمولی کریٹیکل بریک ڈاؤن برقی میدان کی توانائی 3 kV/mm ہوتی ہے۔ جیسا کہ شکل 3 اور 4 میں دکھایا گیا ہے، عزل کے تکون کے زیادہ تر علاقوں میں برقی میدان کی توانائی 3 kV/mm سے کم ہوتی ہے - جس کے باوجود بریک ڈاؤن کا خطرہ نہیں ہوتا - کچھ مقامات پر یہ حد سے زیادہ ہوتی ہے، جس کی وجہ سے جزیاتی نکلاؤں کی پیداوار ہوتی ہے۔ جب ہوا خشک سے مرطوب حالات میں تبدیل ہوتی ہے، تو اس کی عزل کی صلاحیت کم ہوجاتی ہے [10]، جس کی وجہ سے کریٹیکل یونیفارم بریک ڈاؤن برقی میدان کی توانائی 3 kV/mm سے کم ہو جاتی ہے۔ اضافی طور پر بہت غیر منصفانہ برقی میدان کی توانائی کی تقسیم ہوا کی کریٹیکل بریک ڈاؤن توانائی کو مزید کم کرتی ہے، جس کی وجہ سے بریک ڈاؤن کا خطرہ اور خطرات بڑھ جاتا ہے۔ بیرونی ماحولیاتی عوامل کے اثر کو ہوا کے عزل کے میڈیم پر کم کرنے اور میدان کی منصفانگی کو بہتر بنانے کے لیے، یہ مطالعہ عزل کے تکون پر برقی میدان کی منصفانگی کی درجہ اور برداشت کرنے کی توانائی کا جائزہ لیتا ہے، جس سے عزل کی صلاحیت کو بہتر بنانے کا اساس بناتا ہے۔
3 ہوا کی عزل کی خصوصیات
3.1 برقی میدان کی غیر منصفانگی کے عدد کا تعین
عملی طور پر، کوئی بھی مکمل طور پر منصفانہ برقی میدان موجود نہیں ہوتا؛ تمام برقی میدان پریکشیاً غیر منصفانہ ہوتے ہیں۔ برقی میدان کی غیر منصفانگی کے عدد f کی بنیاد پر، برقی میدان کو دو قسموں میں تقسیم کیا جاتا ہے: جب f ≤ 4 ہوتا ہے، تو میدان کو کم غیر منصفانہ سمجھا جاتا ہے؛ جب f > 4 ہوتا ہے، تو اسے بہت زیادہ غیر منصفانہ سمجھا جاتا ہے۔ غیر منصفانگی کا عدد f کو f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ کے طور پر تعریف کیا گیا ہے، جہاں Eₘₐₓ زیادہ سے زیادہ مقامی برقی میدان کی توانائی ہوتی ہے، جس کو محاکاة کے نتائج کے چوٹی کی قدر سے حاصل کیا جاتا ہے، اور Eₐᵥ اوسط برقی میدان کی توانائی ہوتی ہے، جس کا حساب لاگو کردہ ولٹیج کو کم از کم برقی فاصلے سے تقسیم کرتے ہوئے کیا جاتا ہے۔
شکل 3 سے، Eₘₐₓ = 7.07 kV/mm اور Eₐᵥ = 0.5 kV/mm ہے۔ لہذا، عزل کے تکون پر برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد f = 14.14 > 4 ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ بہت زیادہ غیر منصفانہ برقی میدان ہے۔ بہت زیادہ غیر منصفانہ میدان کے علاقوں میں، مستقل جزیاتی نکلاؤں کی پیداوار ہوسکتی ہے، اور غیر منصفانگی کی درجہ زیادہ ہوتی ہے، جزیاتی نکلاؤں کی پیداوار اور اس کی مقدار بڑھ جاتی ہے۔ 12 kV حلقہ بنانے والے یونٹ کے لیے، کل کیبینٹ کی جزیاتی نکلاؤں کی مقدار کو 20 pC سے کم کی ضرورت ہوتی ہے [5,11]۔ لہذا، برقی میدان کی غیر منصفانگی کے عدد کو کم کرنے سے جزیاتی نکلاؤں کی سطح کو کم کرنے میں مدد ملتی ہے۔
3.2 ہوا کی برداشت کرنے کی توانائی کا تعین
برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد خشک ہوا کی برداشت کرنے کی توانائی پر اثر ڈالتا ہے۔ جب میدان کم غیر منصفانہ ہوتا ہے، تو برداشت کرنے کی توانائی ہوتی ہے:
جہاں U برداشت کرنے کی توانائی ؛ d الیکٹروڈ کے درمیان کم از کم برقی فاصلہ ؛ k اعتمادی عدد ہے، عام طور پر تجربے کی بنیاد پر 1.2 سے 1.5 کے درمیان ہوتا ہے؛ اور E₀ گیس کی ڈائی الیکٹرک بریک ڈاؤن برقی میدان کی توانائی کو ظاہر کرتا ہے۔ عملی طور پر، یہ بریک ڈاؤن برقی میدان کی توانائی دونوں الیکٹروڈ کے مخصوص ڈھانچے پر منحصر ہوتی ہے، اور ہوا کی بریک ڈاؤن توانائی مختلف الیکٹروڈ کے ڈھانچوں اور فاصلوں کے ساتھ تبدیل ہوتی ہے۔ موازنہ تجزیہ کے لیے، اس مقالہ میں E₀ = 3 kV/mm کا افتراض کیا گیا ہے۔ مساوات (1) کے مطابق، کم از کم برقی فاصلہ d کو بڑھانے اور برقی میدان کی غیر منصفانگی کے عدد f کو کم کرنے سے ہوا کے عزل کے میڈیم کی برداشت کرنے کی توانائی کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔
جب بہت زیادہ غیر منصفانہ برقی میدان کے ساتھ نظریہ کیا جاتا ہے، تو کم از کم برقی فاصلہ 100 mm کے درمیان الیکٹروڈ کے لیے، برداشت کرنے کی توانائی کا حساب ایसے لگایا جاتا ہے:
مساوات میں، U50%(d) مخصوص برقی فاصلے d کے دوران بجلی کی چوٹ کے اختبار کے دوران الیکٹروڈ کی 50% بریک ڈاؤن ولٹیج کو ظاہر کرتا ہے۔ بہت زیادہ غیر منصفانہ برقی میدان میں، بریک ڈاؤن ولٹیجوں میں کافی پھیلاؤ ہوتا ہے اور نکلاؤں کا وقت لمبا ہوتا ہے، جس کی وجہ سے بریک ڈاؤن ولٹیج بہت ناپایدار ہوتا ہے۔ عملی مهندسی کے اطلاق میں، U50%(d) کو متعدد بجلی کی چوٹ کے اختبار کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے اور ایک ولٹیج کو یقینی بناتا ہے جس کے نتیجے میں بریک ڈاؤن کی 50% کی امکان ہوتی ہے۔ یہ قدر مصنوعات کے ڈھانچے اور برقی میدان کی منصفانگی سے بہت قریبی طور پر متعلق ہوتی ہے۔ یہ ثابت ہوا ہے کہ کم برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد بریک ڈاؤن ولٹیج کے پھیلاؤ کو کم کرتا ہے، بریک ڈاؤن ولٹیج کو بڑھاتا ہے، اور نتیجے میں برداشت کرنے کی توانائی کو بڑھاتا ہے۔ لہذا، برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد کم کرنے سے عزل کے تکون کی برداشت کرنے کی توانائی کو بہتر بنانے میں مدد ملتی ہے۔
4 ڈھانچے کی بہتری
عزل کے تیغہ کے سر کے آس پاس برقی میدان کی منصفانگی کو بہتر بنانے اور برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد کم کرنے کے لیے، گریڈنگ شیلڈ کے ڈھانچے کی بہتری کی گئی ہے۔ بہتری سے قبل اور بعد کے گریڈنگ شیلڈ کے ماڈل شکل 5 میں دکھائے گئے ہیں، جبکہ کراس سیشن کے نظارے شکل 6 میں دیے گئے ہیں۔ شکل 6 سے واضح ہے کہ بہتری سے قبل کے ڈیزائن کے مقابلے میں، بہتری کا گریڈنگ شیلڈ ایک موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے ساتھ موتیاں کنارے کے......
بالا ذکر کردہ مساوات f=Emax/Eav کے مطابق، بہتری کے بعد برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد 7.32 ہے، جو بہتری سے قبل کے نصف سے کم ہے۔
یہ عزل کے تیغہ کے سر کے آس پاس برقی میدان کی منصفانگی میں قابل ذکر بہتری کا ظاہر ہوتا ہے، اور یہ ثابت کرتا ہے کہ ڈھانچے کی بہتری موثر رہی ہے۔ گریڈنگ شیلڈ کی بہتری سے قبل اور بعد کے درمیان معلومات کا موازنہ جدول 1 میں دکھایا گیا ہے۔ جدول 1 سے واضح ہے کہ بہتری کا گریڈنگ شیلڈ کا ڈھانچہ بالکل برداشت کرنے کے خطرات کو کم کرتا ہے۔ تاہم، عزل کے تکون کے درمیان برقی میدان بہت زیادہ غیر منصفانہ رہتا ہے، جس کی وجہ سے اس کی برداشت کرنے کی توانائی اب بھی U50%(d) کے ذریعے تعین کی جاتی ہے۔ برداشت کرنے کی توانائی کی بہتری کی حد میدانی اختبار کے ذریعے مزید تصدیق کی جا سکتی ہے۔
5 تجرباتی تصدیق
محاکاة کے تجزیہ کی موثرگی کو تصدیق کرنے کے لیے، 12 kV ہوا سے محصور حلقہ بنانے والے یونٹ پر جزیاتی نکلاؤں کے اختبار کیے گئے ہیں۔ تین پروٹوٹائپ یونٹ (نمبر 1 سے نمبر 3) تیار کیے گئے ہیں۔ پہلے تو تمام تین یونٹوں کے عزل کے تیغہ پر ماقبل (بہتری سے قبل) گریڈنگ شیلڈ لگا کر جزیاتی نکلاؤں کے اختبار کیے گئے۔ پھر، بہتری کے گریڈنگ شیلڈ لگا کر، اختبار دوبارہ کیے گئے۔ نتیجہ میں حاصل کی گئی جزیاتی نکلاؤں کی معلومات جدول 2 میں دی گئی ہیں۔
جدول میں دکھایا گیا ہے کہ بہتری سے قبل کی جزیاتی نکلاؤں کی سطح 20 pC سے زیادہ تھی، جبکہ بہتری کے بعد وہ 4.5 pC سے کم ہو گئی۔ یہ ظاہر کرتا ہے کہ بہتری کا گریڈنگ شیلڈ کا ڈھانچہ حلقہ بنانے والے یونٹ کی عزل کی صلاحیت کو موثر طور پر بہتر بناتا ہے اور ماقبل محاکاة اور تجزیہ کی صحیحیت کی تصدیق کرتا ہے۔
6 نتیجہ
12 kV ہوا سے محصور حلقہ بنانے والے یونٹ کے عزل کے تکون کے برقی میدان کے تجزیہ کے بنیاد پر، نیچے دی گئی نتیجے نکالے گئے ہیں:
کیونکہ ہوا کی عزل کی صلاحیت SF₆ سے کم ہوتی ہے، اس لیے حلقہ بنانے والے یونٹ کے تین پوزیشن والے سوئچ میں ہوا کو عزل کے میڈیم کے طور پر استعمال کرتے وقت برقی میدان کی تقسیم کو بہتر بنانے کا اہمیت ہوتی ہے۔
ہوا سے محصور حلقہ بنانے والے یونٹ کے تین پوزیشن والے سوئچ میں متحرک حصوں (عزل کے تیغہ) کے ڈھانچے کی پیچیدگی کی وجہ سے کچھ مقامات پر برقی میدان کی توانائی کی تقسیم بہت غیر منصفانہ ہوسکتی ہے۔ اس غیر منصفانگی کو کم کرنے کے لیے، عزل کے تیغہ کی دونوں طرف گریڈنگ شیلڈ شامل کیے جا سکتے ہیں تاکہ تیغہ کے کنکشن کے قریب کے زیادہ برقی میدان کے علاقوں کو چھانپا جا سکے، جس سے زیادہ سے زیادہ برقی میدان کی توانائی کے مقام کو گریڈنگ شیلڈ کے آخر تک منتقل کر دیا جا سکے۔ اس مطالعہ میں، شیلڈ کے آخر کی کریویچرڈ ریڈیس کو 0.75 mm سے 4 mm تک بڑھانے سے زیادہ سے زیادہ مقامی برقی میدان کی توانائی اور برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد اپنے اصلی قدر کے نصف تک کم ہو گیا، جس سے چاہیے بہتری کا اثر حاصل کیا گیا۔
برقی میدان کی تقسیم کی منصفانگی یا برقی میدان کی غیر منصفانگی کا عدد جزیاتی اور بریک ڈاؤن نکلاؤں پر بہت زیادہ اثر ڈالتا ہے۔ بہت غیر منصفانہ میدان میں مستقل جزیاتی نکلاؤں (کورونا نکلاؤں) کی پیداوار ہوسکتی ہے۔ کم سے کم اور بہت زیادہ غیر منصفانہ میدان دونوں میں، زیادہ غیر منصفانگی کا عدد الیکٹروڈ کے درمیان کی برداشت کرنے کی توانائی کو کم کرتا ہے۔
