विद्युत उपकेंद्रात अनेक उपकरणे असतात आणि ती हाताळणाऱ्या प्रचालकांना (Operator) त्या आवारात वेळ पडेल तेव्हा संचार करावा लागतो. या दोहोंच्या सुरक्षेसाठी योग्य पद्धतीने संकल्पन (Design) केलेली भूसंपर्कन प्रणाली (Earthing system) अनिवार्य असते. तसेच नियंत्रण व रक्षण प्रणाली (Control & Protection system) योग्य रीतीने कार्यान्वित होण्यात भूसंपर्कन प्रणालीचा महत्त्वाचा वाटा असतो.
उद्दिष्टे : भूसंपर्कन प्रणालीचे मुख्य उद्देश पुढीलप्रमाणे असतात : (१) उपकेंद्राच्या परिसरातील व्यक्तीस धोकादायक विद्युत धक्का व्होल्टतेपासून (Dangerous electric shock voltage) सुरक्षित ठेवणे. (२) विद्युत यंत्रणेत भू-दोष (Earth-fault) झाला असताना, आग किंवा कोणताही धोका न होता विद्युत धारा वहनाची क्षमता निर्माण करणे. (३) विद्युत प्रणालीच्या उत्कृष्ट कामगिरीसाठी योगदान देणे.
भूसंपर्कन प्रणाली : भूसंपर्कन प्रणालीमध्ये पुढील बाबींचा समावेश होतो. उपकेंद्राच्या भूपृष्ठाखाली, साधारणत: ६०० मिमी. खोल, धातूच्या पट्ट्याची / गजाची जाळी (Earthmat) बसविली जाते. त्याच्या छेदाचे क्षेत्रफळ दोष धारा (Fault current) इत्यादी बाबींवर अवलंबून असते. तसेच जाळीची रचना हा अभियांत्रिकी गणिताचा भाग असतो. सर्व उपकरणांचे, संरचनेचे धारा वहन न करणारे भाग आणि रोहित्राचा तटस्थ बिंदू (Neutral point) हे धातूच्या पट्ट्यांनी भूपृष्ठाखालील जाळीस पक्के जोडले जातात. पोलादी संरचनेवर सर्वांत वर, जस्ताचा थर दिलेली पोलादी वेटोळ्या (Galvanized Steel Stranded) तारेची – भूसंपर्क तार (Earth Wire) बसविली जाते, तीसुद्धा भूपृष्ठाखालील जाळीस पक्की जोडलेली असते. त्याशिवाय तडित निवारक (Lightning Arrester) किंवा रोहित्राचे तटस्थ बिंदू, उपकेंद्राचे कोपरे इत्यादी ठिकाणी निराळे विद्युत् इलेक्ट्रोड बसविले जातात आणि त्यांचीही जोडणी भूपृष्ठाखालील जाळीस असते.
विद्युत यंत्रणेत भू-दोष झाला असताना विद्युत धारा संबंधित विद्युत इलेक्ट्रोड, भूसंपर्कन जाळी आणि त्यानंतर भूगर्भातून वहन होऊन उगम स्थानाच्या विद्युत इलेक्ट्रोडमार्फत परिक्रमा पूर्ण (Close loop formation) होते. ही परिक्रमा पूर्ण होण्यासाठी उगम स्थानातील रोहित्रात स्टार (Y) कुंडलन असून त्याचा तटस्थ बिंदू विद्युत् इलेक्ट्रोडमार्फत भूसंपर्कन प्रणालीस जोडलेला असणे आवश्यक असते, यायोगे रक्षण प्रणाली कार्यरत होऊन विद्युत प्रवाह खंडित होतो. रोहित्रात डेल्टा (🔺) कुंडलन असल्यास त्याला तटस्थ बिंदू नसल्याने त्या ठिकाणी रक्षण प्रणाली कार्यरत होऊ शकत नाही. अशा परिस्थितीत भूसंपर्कन रोहित्र (Earthing Transformer) बसवून त्याचा तटस्थ बिंदू विद्युत् इलेक्ट्रोडमार्फत भूसंपर्कन प्रणालीस जोडावा लागतो. त्यायोगे रक्षण प्रणाली कार्यान्वित होते.
भूविभव वृद्धी (Earth Potential Rise, EPR) : सर्व उपकरणांचे, संरचनेचे धारा वहन न करणारे भाग भूपृष्ठाखालील जाळीस पक्के जोडलेले असतात. भू-दोष झाला असताना विद्युत धारा संबंधित विद्युत इलेक्ट्रोड आणि त्यानंतर भूगर्भातून वहन होऊन, दोष धारेचे परिमाण आणि भूगर्भाचा रोध याच्या परिणामाने भूविभवात वृद्धी होते.
भू-दोष झाला असेल, त्या बिंदूपाशी भूविभवात वृद्धी कमाल असते आणि त्यापासून जसजसे दूर जावे, तसे ते कमी होत जाते. दूरस्थ उगम बिंदूपाशी नगण्य असते. भूविभवातील वृद्धीचे परिमाण दोष धारेच्या परिमाणावर अवलंबून असते. साधारणत: एक कला भूदोषात (Single phase to ground fault) दोष धारेचे परिमाण कमाल असते.
धोकादायक विद्युत व्होल्टता : काही परिस्थितीमध्ये धोकादायक विद्युत व्होल्टता निर्माण होऊ शकते.
आ. ३ मध्ये भूदोष झालेला दाखविला आहे. त्यामुळे परिणामत: निर्माण झालेली भूविभव वृद्धी वक्राने दर्शविली आहे. ही वृद्धी दोषाचे ठिकाणी कमाल असून क्रमाक्रमाने कमी होत जाताना दिसते आहे. अशी परिस्थिती निर्माण झाली असता, जोपर्यंत नियंत्रण व रक्षण प्रणाली कार्यान्वित होऊन विद्युत पुरवठा खंडित होत नाही; तोपर्यंत त्यात बदल होत नाही. या स्थितीत क्ष या व्यक्तीने सदर संरचनेस क या ठिकाणी स्पर्श (नकळत सुध्दा ) केल्यास; त्यावेळी त्या व्यक्तीचे पाऊल ख या ठिकाणी असेल; तर त्या व्यक्तीच्या हात आणि पाय यांमध्ये क‘-ख‘ ( भूविभव वृद्धी वक्र पहावा) विभवांतर (च) निर्माण होते. त्यामुळे शरीराच्या रोधाच्या (Resistance) प्रमाणानुसार शरीरातून विद्युत धारा संक्रमित होते. या धारेचे परिमाण अधिक असल्यास प्राणघातकसुद्धा होऊ शकते. दोषयुक्त उपकरणास स्पर्श केल्यामुळे व्यक्तीचे शरीरात जे विभवांतर निर्माण झाले त्यास ‘स्पर्श व्होल्टता’ (Touch Potential) असे म्हणतात. उपकेंद्रात भूपृष्ठाखाली भूसंपर्कन वाहीची (Earthing conductor) जाळी बनवलेली असते. त्या जाळीच्या आतील भागात स्पर्श व्होल्टतेची मात्रा अधिक असते, त्यास ‘जालाक्ष व्होल्टता’ (Mesh voltage) म्हणतात.
या दोषयुक्त परिस्थितीत उपकेंद्र आवारातून कोणी य ही व्यक्ती चालत असेल तर, पावले ग आणि घ या ठिकाणी असल्याने दोन पायांचे मध्ये ग‘- घ‘ असे विभवांतर (छ) निर्माण होते, त्यास ‘चरण व्होल्टता’ (Step Potential) असे म्हणतात. वर उल्लेख केल्याप्रमाणे या बाबतीत देखील शरीरातून विद्युत धारा संक्रमित होते. दोन पावलांत एक मीटर अंतर धरून चरण व्होल्टता काढली जाते. स्पर्श / जालाक्ष व्होल्टतेच्या परिणामत: व्यक्तीच्या शरीरातून प्रवाहित होणाऱ्या विद्युत धारेचा मार्ग व्यक्तीच्या हातातून हृदयामार्गे पायाकडे असतो, तर चरण व्होल्टतेच्या परिणामत: वाहणारा प्रवाह हा व्यक्तीच्या एका पायातून दुसऱ्या पायाकडे (हृदयामार्गे न जाता) असा वाहतो. म्हणून स्पर्श / जालाक्ष व्होल्टता ही चरण व्होल्टतेपक्षा अधिक धोकादायक असते.
जाळीचे संकल्पन : प्रा. डाल्झील यांच्या संशोधनातून, ९९.५ % व्यक्ती (५० किग्रॅ. वजनाच्या) ११६ मिअँ. धारा निलयी विकंपन न होता १ सेकंद सहन करू शकते. त्याहून कमी काळ असल्यास ही क्षमता वाढते. IEEE Std.80 या आंतरराष्ट्रीय मानकाप्रमाणे उपकेंद्रातील भूसंपर्क पद्धतीचे आरेखन करताना शरीरातून संक्रमित होणाऱ्या विद्युत धारेची कमाल मर्यादा ११६ मिअँ. इतकी असावी, हा मापदंड धरला जातो. तसेच मानवी शरीराचा विद्युत रोध शरीराच्या घडणीप्रमाणे बदलत असतो, परंतु IEEE Std.८० या आंतरराष्ट्रीय मानकाप्रमाणे १,००० ओहम इतका धरला जातो.
उपकेंद्राच्या आवारात वावरणाऱ्या प्रचालकाच्या सुरक्षेच्या दृष्टीने संपूर्ण आवारात साधारणत: १५० मिमी. जाडीचा खडीचा थर पसरला जातो. सर्वसामान्यपणे भूमीची रोधकता १०० ओहम-मीटर असते, तर खडीची रोधकता ३००० ओहम-मीटर असते. खडीच्या थरामुळे प्रचालकाची पावले आणि भूमी यातील रोध वाढतो. रोध जितका जास्त, तितकी शरीरातून संक्रमित होणारी धारा कमी होते. मानवी शरीराचा रोध, मानवी शरीर एक सेकंद सहन करू शकणारी धारा (११६ मिअँ.), संबंधित भूमीची मोजलेली रोधकता (Resistivity) यावरून कमाल स्वीकार्य (Allowable) जालाक्ष व्होल्टता आणि चरण व्होल्टता यांची गणना करता येते. तसेच उपकेंद्राच्या आवाराचे आकारमान, कमाल दोष धारा, वापरलेल्या इलेक्ट्रोडची संख्या व लांबी, भूपृष्ठाखालील धातूच्या पट्याची / गजाची जाळी (Earthmat) यांची रचना यावरून प्रत्यक्ष (Actual) जालाक्ष व्होल्टता आणि चरण व्होल्टता किती येईल याची गणना करता येते. स्वीकार्य आणि प्रत्यक्ष जालाक्ष / चरण व्होल्टता यांची गणना करण्यासाठी गणिती सूत्रे IEEE Std. ८० आणि CBIP Publication No.३०२ मध्ये सविस्तर दिलेली आहेत.
संकल्पनातील प्रमुख वैशिष्ट्ये : भूसंपर्कन प्रणालीच्या सुरक्षेसाठी पारेषण उपकेंद्राचा प्रणालीचा विद्युत रोध एक ओहम आणि वितरण उपकेंद्रासाठी पाच ओहम हा मापदंड मानला जात असे .
सन २००१ मध्ये IEEE या संस्थेने खुलासा केला की, उपकेंद्राच्या सुरक्षेसाठी प्रत्यक्ष (Actual) जालाक्ष व्होल्टता आणि चरण व्होल्टता, स्वीकार्य (Allowable / Acceptable) व्होल्टतेपेक्षा कमी असणे हाच योग्य मापदंड आहे. IEEE तर्फे प्रसिद्ध झालेल्या नवीन आवृत्तीत प्रणालीचा विद्युत रोध या मापदंडाच्या सुरक्षेबाबतीत उल्लेख वगळला आहे. प्रत्यक्ष व्होल्टता कमी करण्यासाठी भूसंपर्कनाचे क्षेत्र वाढविणे, इलेक्ट्रोडची संख्या वाढविणे, भूसंपर्कन वाहीच्या जाळीमधील अंतर कमी करणे असे पर्याय असतात.
भूदोष झालेला असताना नियंत्रण व रक्षण प्रणाली त्वरित कार्यान्वित होते आणि विद्युत पुरवठा खंडित होतो. या दरम्यानचा कालावधी हा अर्ध्या सेकंदाहूनही कमी असतो. मात्र जालाक्ष / चरण व्होल्टता यांची गणना करताना अंकिय (Digital) प्रकारचे पुनरेषी/अभिचलित्र (Relay) रिले असतील, तर हा कालावधी अर्धा सेकंद धरतात आणि विद्युतयांत्रिकी (Electro-mechanical) पुनरेषी असतील, तेव्हा कालावधी एक सेकंद धरला जातो.
पहा : भूयोजन; मानवी शरीर आणि विद्युत धारा; विद्युत उपकेंद्रीय भूसंपर्कन : रोधकता संकल्पना, विद्युत उपकेंद्रीय भूसंपर्कन : वाहीची निवड.
संदर्भ :
- Bureau of Indian Standard, IS: 3043 – 2018, Code of Practice for earthing.
- IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for safety in AC Substation Grounding, IEEE, New York, USA.
- Mata Prasad, Dr. J.K. Arora et al. (Editor) Manual on Earthing of AC Power Systems; Central Board of Irrigation & Power, New Delhi; Publication No. 302 & 311.
समीक्षण : विनय जोशी
