स्विचगिअर : संकल्पना (Switchgear : Definition & Basics)

विद्युत वहन तीन टप्प्यांत केले जाते. पहिले दोन विद्युत वहन टप्पे उच्च व मध्यम दाबाचे असून त्यांना विद्युत पारेषण (Power transmission) असे म्हटले जाते. तर तिसरा टप्पा कमी दाबाचा असून त्याला विद्युत वितरण (Power distribution) असे म्हटले जाते. विद्युत पारेषण व विद्युत वितरण या तिन्ही टप्प्यांत स्विचगिअर अत्यंत महत्त्वाचे कार्य करतो.

विद्युत मंडलातील प्रवाह वहनाचे नियंत्रण करणे तसेच आपत्कालीन परिस्थितीत (Short circuit or earth fault) मंडलात कार्य करणाऱ्या रोहित्रासारख्या उपकरणांचे संरक्षण, जरुरीप्रमाणे मंडलातील विद्युत पुरवठा चालू-बंद करणे अशा उपकरण समूहास स्विचगिअर असे म्हणतात.

स्विचगिअरची मूलभूत रचना : आ. १ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे जनित्रामध्ये उत्पन्न झालेली विद्युत शक्ती विद्युत प्रवाहमार्गे रोहित्र तथा अन्य उपकरणात वापरली जाते. मंडलातील प्रवाहाचे नियंत्रण व आपत्कालीन परिस्थितीत संरक्षण करण्यासाठी स्विचगिअरचा अंतर्भाव केला जातो. आ. १ मध्ये वितळतार (Fuse) व विभाजक (Switch) एकत्र करून स्विचगिअर तयार होतो, असे दाखविले आहे. वितळतार आपत्कालीन परिस्थितीत मंडलातील रोहित्रासारख्या उपकरणाचा प्रवाह खंडित करून रक्षण करण्यासाठी वापरतात. तसेच विभाजकामुळे मंडलातील प्रवाह वहनावर नियंत्रण ठेवता येते. स्विचगिअरमध्ये ही दोन्ही कार्ये करण्याची क्षमता असते. प्रत्यक्ष प्रणालीमध्ये वितळतार आणि विभाजक यांचे कार्य करणारी अन्य उपकरणे वापरली जातात.

स्विचगिअरमध्ये मुख्यत्वे करून पुढील भाग समाविष्ट केलेले असतात :

• मुख्य स्थिर व चल भाग (Fixed & Moving Contacts) : मंडलाची जोडणी अथवा विभाजन करणे.
• साहाय्यक स्थिर व चल भाग (Auxiliary Contacts) : मुख्य चल व स्थिर भागाची स्थिती इतर उपकरणांना कळवणे. नियंत्रण व रक्षण प्रणाली (Control & Protection) योग्य रीतीने कार्यान्वित होण्यासाठी विभाजक आणि खंडक यांची सद्यकालीन स्थितीचे ज्ञान आवश्यक असते. हे कार्य साहाय्यक स्थिर व चल भागांच्या साहाय्याने होते.
• चालक यंत्रणा (Drive Mechanism) : मुख्य व साहाय्यक चल भागांचे नियंत्रण.
• विद्युत विरोधक वातावरण (Insulating Media).

स्विचगिअरचे मुख्य कार्य : विद्युत प्रवाह नियंत्रित करण्यासाठी अथवा आपत्कालीन परिस्थितीत किंवा देखभालीसाठी मंडल खंडित करून मंडलात कार्य करणाऱ्या रोहित्रासारख्या उपकरणांचे संरक्षण करणे हे स्विचगिअरचे मुख्य कार्य आहे.

स्विचगिअरची वर्गवारी : मंडलातील विद्युत दाबानुसार स्विचगिअरची वर्गवारी केली आहे. ही वर्गवारी आंतरराष्ट्रीय इलेकट्रोटेक्निकल कमिशन (IEC) या संस्थेद्वारा प्रस्थापित केली आहे.

स्विचगिअर मुख्य उपकरणे  : स्विचगिअरमध्ये मुख्यत्वे करून पुढील उपकरणांचा समावेश होतो.

(१) विद्युत प्रवाह वहन होत नसताना मंडल खंडित करतो, त्याला मंडल विभाजक (Off Load Isolator / Disconnector) म्हणतात. मंडल विभाजकात विद्युत प्रवाह खंडित करण्याची क्षमता नसते.

(२) विद्युत प्रवाह वहन होत असताना नियंत्रणासाठी अथवा आपत्कालीन परिस्थितीत मंडल खंडित करण्याची क्षमता असणाऱ्या स्विचगिअरला मंडल खंडक (Circuit breaker) म्हणतात.

(३) संपर्की (Contactor) : औद्योगिक व घरगुती क्षेत्रात मूलगती चालक (Prime Movers) म्हणून विद्युत चलित्राचा (Motor) उपयोग केला जातो. चलित्राला नियंत्रितपणे चालू व बंद करणे तसेच आपत्कालीन परिस्थितीत चलित्राचे रक्षण करणे यासाठी संपर्की वापरले जातात.

(४) क्षमतेपेक्षा जास्त विद्युत दाब अथवा विद्युत प्रवाहापासून संरक्षण करणारी यंत्रणा, दर्शकदिवे, नियंत्रणासाठी असणारी दाबकळ (Push buttons) इत्यादी उपकरणे.

विद्युत मंडलाच्या दाबानुसार या उपकरणाच्या रचनेत बदल होत असतो. मंडल विभाजक व मंडल खंडक हे कमी दाबापासून अतिउच्च दाबाच्या मंडलात वापरले जातात, तेव्हा त्यांच्या रचनेत आमूलाग्र बदल होतो. मोटर नियंत्रणासाठी लागणारे संपर्की मुख्यत्वे करून कमी दाबाच्या व मध्यम दाबाच्या मंडलात वापरले जातात.

कमी दाबाच्या मंडलात, मंडल खंडित झाल्यावर उत्पन्न होणारी प्रज्योत (Arc) कमी क्षमतेची असल्याने वातावरणातील हवेचा विरोधक वातावरण म्हणून उपयोग केला जातो. मध्यम, उच्च व अतिउच्च दाबाच्या विभाजकात प्रवाह खंडित करण्याची क्षमता नसल्याने त्यामध्ये विद्युत विरोधक वातावरणाची गरज नसते. मध्यम, उच्च व अतिउच्च दाबाच्या मंडल खंडकात शक्तिशाली विरोधक वातावरणाची (Insulating Media) गरज असते. विरोधक वातावरण जितके शक्तिशाली, तितके खंडकाचे आकारमान कमी व तितकी खंडकाची विश्वासार्हता जास्त असते.

विद्युत विरोधक वातावरणाचे कार्य : विद्युत खंडकासाठी विद्युत विरोधक वातावरण अत्यंत महत्त्वाचे कार्य करत असते. हे वातावरण जितके शक्तिशाली तितकी उत्तम खंडकाची विश्वासार्हता व आयुर्मर्यादा अधिक असते. विद्युत विरोधक वातावरणाची मुख्य कार्ये पुढीलप्रमाणे आहेत :

(१) स्थिर व चल भागात असलेल्या अंतरामध्ये (Contact Gap) निर्धारित विद्युत दाबाखाली (Rated Voltage) व मंडलात उत्पन्न होणाऱ्या क्षणिक अतिरिक्त दाबाखाली (Impulse Voltage Surges) विद्युत विरोधक वातावरण कायम राखणे.

(२) मंडल खंडित होत असताना उत्पन्न होणाऱ्या विद्युत प्रज्योतीवर नियंत्रण मिळवून ती लवकरात लवकर थंड करणे, स्थिर व चल भागामध्ये विद्युत विरोधक वातावरण निर्माण करणे आणि राखणे.

(३) मंडल खंडित होत असताना निर्माण होणाऱ्या विद्युत प्रज्योतीमुळे उत्पन्न होणाऱ्या उष्णतेने कायमस्वरूपी विघटित न होता विरोधक वातावरण कायम ठेवणे.

विद्युत विरोधक वातावरण : खंडकाची विश्वासार्हता व आयुर्मान मोठ्या प्रमाणावर त्यात वापरलेल्या विद्युत विरोधक वातावरणावर अवलंबून असल्याने योग्य वातावरण निवडण्यासाठी बरेच संशोधन झाले आहे आणि आजही सुरूच आहे. सर्वप्रथम खूप दाबाखाली असलेल्या हवेचा उपयोग केला जात असे. परंतु अशा खंडकांची आपत्कालीन क्षमता कमी होती आणि आकारमान मोठे होते. तसेच वारंवार विस्फोट होऊन अपघात घडत असत.

यानंतर विशिष्ट तेलाचा वापर करण्यात आला. यामुळे आकारमान कमी झाले, परंतु आपत्कालीन परिस्थितीत फारशी सुधारणा झाली नाही. तसेच वारंवार तेलाची गुणवत्ता तपासून गाळणी करावी लागत असे अथवा बदलावे लागत असे. तेलगळती ही नित्याची बाब झाली होती.

यापुढे जाऊन मानवनिर्मित सल्फर हेक्झाफ्ल्युओराइड (SF₆) हा वायू वातावरणीय हवेच्या दाबापेक्षा जास्त दाबाखाली वापरला जाऊ लागला. हा वायू हवेपेक्षा सहा पटीने जड आहे. रासायनिक दृष्टीने त्याचे गुणधर्म कायम स्वरूपाचे आहेत. उच्च विद्युत दाब व उष्णता यामुळे तो जास्त प्रमाणात विघटित होत नाही आणि अतिउष्णतेने विघटित झाल्यास, थंड होताच पूर्वीचे सर्व विद्युत विरोधक गुणधर्म त्याला प्राप्त होतात. आजही उच्च व अतिउच्च दाबाच्या खंडकांमध्ये या वायूचा विद्युत विरोधक वातावरण म्हणून उपयोग केला जातो. हा वायू पर्यावरणस्नेही नसल्यामुळे याला पर्याय शोधण्यासाठी आजही संशोधन चालू आहे.

विद्युत विरोधक वातावरणाच्या शक्तीची तुलना : योग्य विद्युत विरोधक वातावरणाची निवड करण्यासाठी उपलब्ध विद्युत विरोधक वातावरणाच्या शक्तीची तुलना करून पाहणे जरुरी असते. सोबत दाखवलेल्या आलेखाप्रमाणे निर्वात वातावरण सर्वांत शक्तिशाली विरोधक वातावरण आहे. परंतु अनेक प्रयोगांनंतर हे वातावरण फक्त मध्यम दाबाच्या विद्युत मंडलासाठी उपयोगी असल्याचे दिसून आले आहे. त्या खालोखाल उच्च व अतिउच्च दाबाच्या मंडलासाठी सल्फर हेक्झाफ्ल्युओराइड वायू सर्व दृष्टीने योग्य असल्याचे निदर्शनास आले आहे.

वरील विवेचनावरून असे स्पष्ट होते की, स्विचगिअर ही  एक मोठी यंत्रणा आहे. कमी दाबाच्या मंडलापासून ते अतिउच्च दाबाच्या मंडलापर्यंत स्विचगिअरचे कार्य जरी एकच असले, तरी विद्युत दाबाप्रमाणे स्विचगिअरच्या रचनेत व कार्यपद्धतीत बदल होत असतो. म्हणून विद्युत दाबाच्या वर्गवारीनुसार स्विचगिअर समजावून घेणे आवश्यक आहे.

पहा : उच्च व अतिउच्च दाबाकरिता उपयुक्त स्विचगिअर : खंडकाचे मुख्य प्रकार, उच्च व अतिउच्च दाबाकरिता उपयुक्त स्विचगिअर : मंडल खंडक, उच्च व अतिउच्च दाबाकरिता उपयुक्त स्विचगिअर : मंडल विभाजक, स्विच गिअर (पूर्वप्रकाशित).

संदर्भ :

• BHEL, Hand book of Switchgears; The McGraw-Hill Companies, Inc.

• Lythall R. T., The J & P Switchgear book; Johnson & Phillips Ltd.

समीक्षक : श्रीनिवास मुजुमदार