शहरी बिजली ग्रिड के लिए उपयुक्त सबस्टेशन कैसे डिज़ाइन करें?

प्रमुख शहरी उप-केंद्र डिज़ाइन बाधाएँ: स्थान, सुरक्षा और सौंदर्य

उच्च घनत्व वाले वातावरण में स्थानिक सीमाओं का निराकरण

शहरी उप-केंद्रों के लिए स्थान हमेशा सीमित होता है, विशेष रूप से जब बड़े शहरों में भूमि की कीमतें हाल के अध्ययन के अनुसार शहरी भूमि संस्थान (Urban Land Institute) के आँकड़ों के अनुसार प्रति एकड़ नौ मिलियन डॉलर से अधिक हो सकती हैं। गैस इन्सुलेटेड स्विचगियर (GIS), पारंपरिक वायु इन्सुलेटेड प्रणालियों की तुलना में लगभग दो-तिहाई कम भौतिक स्थान की आवश्यकता रखता है, जिससे घनी आबादी वाले क्षेत्रों में बिजली अवसंरचना की स्थापना के लिए इसे व्यावहारिक रूप से आवश्यक बना देता है। मॉड्यूलर दृष्टिकोण के तहत इंजीनियर ट्रांसफॉर्मर और अन्य उपकरणों को क्षैतिज रूप से फैलाने के बजाय ऊर्ध्वाधर रूप से एक के ऊपर एक रख सकते हैं। पूर्व-निर्मित उप-केंद्र इकाइयाँ भूमिगत उपयोगिता कक्षों या इमारतों के बीच संकरी पिछली गलियों जैसे सीमित स्थानों पर कार्य करते समय काफी त्वरण प्रदान करती हैं। सभी उपकरणों की बुद्धिमान स्थिति का चयन करने से रखरखाव कार्यों के लिए प्रत्येक उपकरण के चारों ओर पर्याप्त स्थान सुनिश्चित होता है, जबकि दिन-प्रतिदिन की सुचारू ऑपरेशन्स को बनाए रखा जाता है।

अनुकूलित अर्थिंग और चरण/स्पर्श वोल्टेज नियंत्रण के माध्यम से सुरक्षा सुनिश्चित करना

उचित अर्थिंग प्रणालियाँ दोष के दौरान कदम/स्पर्श विभव को IEEE 80-2013 मानकों के अनुसार 5 V से कम सीमित करती हैं। एक स्तरीय दृष्टिकोण निम्नलिखित के संयोजन को शामिल करता है:

• गहराई तक ड्राइव किए गए इलेक्ट्रोड जो कम प्रतिरोधकता वाली मिट्टी की परतों तक पहुँचते हैं
• सभी धात्विक संरचनाओं का समविभव बंडलन
• संपर्क प्रतिरोध बढ़ाने के लिए कुचली हुई चट्टान की सतह (0.15 मीटर गहराई)

भू-ग्रिड की अखंडता की निरंतर निगरानी जंग लगने के कारण होने वाली विफलताओं को रोकती है—जो उप-केंद्रों के 17% आउटेज का कारण बनती हैं (EPRI 2023)। एकीकृत सुरक्षा प्रणालियाँ बंद शहरी स्थापनाओं में आर्क-फ्लैश के जोखिम को 92% तक कम कर देती हैं, जैसा कि 2024 विद्युत सुरक्षा रिपोर्ट में पुष्टि की गई है।

दृश्य एकीकरण और शोर कम करने के लिए नगरपालिका की आवश्यकताओं को पूरा करना

शहरों द्वारा संपत्ति की सीमाओं पर उप-केंद्रों के शोर स्तर को WHO दिशानिर्देशों के अनुरूप 55 dB(A) से कम रखने का आदेश दिया जाता है। यह निम्नलिखित के माध्यम से प्राप्त किया जाता है:

• कम शोर वाले ट्रांसफॉर्मर (<65 dB) जिनमें ध्वनि अवशोषक आवरण होते हैं
• संयोजित सामग्रियों का उपयोग करने वाली ध्वनिक अवरोधक
• अनुनाद या शोर प्रवर्धन को रोकने के लिए रणनीतिक वेंटिलेशन डिज़ाइन

सौंदर्यपूर्ण एकीकरण में हरित दीवारें, आसपास की इमारतों के साथ मेल खाने वाला स्थापत्य आवरण और उच्च वोल्टेज (HV) लाइनों का भूमिगतीकरण शामिल है। शिकागो का रिवरबैंक सबस्टेशन दृश्य शमन के सफल उदाहरण को दर्शाता है—इसकी वेंटिलेशन संरचनाएँ सार्वजनिक कला स्थापनाओं के रूप में भी कार्य करती हैं, जबकि N+1 अतिरेक (रिडंडेंसी) बनाए रखा जाता है।

GIS बनाम AIS: शहरी स्थलों के लिए आदर्श सबस्टेशन प्रौद्योगिकी का चयन

क्यों गैस-इन्सुलेटेड स्विचगियर (GIS) स्थान-प्रतिबंधित सबस्टेशन डिज़ाइन में प्रभुत्व स्थापित करता है

गैस इन्सुलेटेड स्विचगियर (GIS) उन घनी आबादी वाले शहरी क्षेत्रों में वास्तव में उभरता है, जहाँ भूमि की कीमतें प्रति एकड़ नौ मिलियन डॉलर से अधिक हो जाती हैं। इन सील किए गए SF6 कक्षों वाली संक्षिप्त डिज़ाइन की तुलना में एयर इन्सुलेटेड स्विचगियर (AIS) के मुकाबले यह लगभग सत्तर प्रतिशत कम स्थान घेरता है, जो तब बहुत महत्वपूर्ण हो जाता है जब उप-केंद्रों को उन स्थानों में समायोजित करने की आवश्यकता होती है जो पहले के मानक आकार के मात्र तीस प्रतिशत हैं। इसका एक और बड़ा लाभ? GIS वायु में मौजूद धूल या निकटवर्ती तटों से आने वाले नमक से प्रभावित नहीं होता, इसलिए कारखानों के पास या तटीय क्षेत्रों में विफलताएँ लगभग चालीस प्रतिशत कम हो जाती हैं। रखरखाव के मामले में, ये प्रणालियाँ नियमित AIS उपकरणों की तुलना में तीन गुना अधिक समय—अर्थात् दस वर्षों से अधिक—तक निरीक्षण के बिना कार्य कर सकती हैं। इसका अर्थ है कि समय के साथ लगभग दो दशमलव एक मिलियन डॉलर की बचत होती है, भले ही प्रारंभिक लागत सामान्य AIS उपकरणों की तुलना में बीस से तीस प्रतिशत अधिक हो। इन सभी कारणों से, अधिकांश इंजीनियर बिजली प्रणालियों के डिज़ाइन के समय प्रमुख शहरों, मेट्रो टर्मिनलों और अस्पतालों के लिए GIS को पहली पसंद के रूप में चुनते हैं, जहाँ विश्वसनीयता कभी भी समझौते का विषय नहीं हो सकती।

जब वायु-इन्सुलेटेड स्विचगियर (AIS) शहरी पुनर्नवीनीकरण के लिए अभी भी उपयुक्त बना हुआ है

वायु-इन्सुलेटेड स्विचगियर (AIS) का अभी भी वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग है, जब पुराने शहरी ग्रिड्स पर काम किया जाता है, जहाँ मौजूदा सेटअप चीज़ों को कनेक्ट करने को आसान बनाता है। उन पुराने सबस्टेशनों के विस्तार पर विचार करते समय, जो 100 वर्षों से अधिक पुराने हैं—विशेष रूप से 11 से 33 किलोवॉल्ट की सीमा में—हाल के अध्ययनों के अनुसार, पिछले वर्ष के ग्रिड आधुनिकीकरण शोध के आधार पर, AIS उपकरणों की स्थापना की लागत GIS प्रणालियों को अपग्रेड करने की तुलना में लगभग 40 प्रतिशत कम होती है। AIS का बाहर स्थित होना इंजीनियरों को संपूर्ण प्रणाली को बंद किए बिना धीरे-धीरे घटकों को अपग्रेड करने की सुविधा प्रदान करता है, जो उन क्षेत्रों में बहुत महत्वपूर्ण है जहाँ बिजली कंपनियों को बिना बिजली के समय की सीमा केवल कुछ घंटों की होती है—शायद केवल चार घंटे के लिए। निश्चित रूप से, GIS कठोर मौसमी परिस्थितियों के खिलाफ बेहतर प्रदर्शन करता है, लेकिन AIS उन स्थानों पर पर्याप्त रूप से कार्य करता है जहाँ धूल और गंदगी लगातार समस्या नहीं है, बशर्ते नियमित रखरोट द्वारा उपकरण साफ़ रखे जाएँ। और जब कार्य के विभिन्न चरणों के बीच संक्रमण के दौरान अस्थायी बिजली समाधान स्थापित किए जा रहे हों, तो AIS घटकों की सरल डिज़ाइन के कारण क्रू टीमें GIS विकल्पों की तुलना में लगभग दो-तिहाई तेज़ी से सबकुछ फिर से चालू कर सकती हैं।

शहरी उप-केंद्रों के लिए विद्युत और तापीय लेआउट अनुकूलन

भूमिगत केबल एकीकरण, विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (EMI) कमी और समन्वित अर्थिंग

आजकल, अधिकांश शहरी विद्युत उप-केंद्रों में ऊपर की ओर लगी तारों (ओवरहेड लाइनों) के लिए पर्याप्त स्थान न होने के कारण, साथ ही शहरी दृश्यों को बिगाड़ने वाले बेहूदे खंभों को कोई पसंद न करने के कारण, भूमिगत केबलों का उपयोग करने की प्रवृत्ति तेज़ी से बढ़ रही है। लेकिन यहाँ एक समस्या है — इन सभी केबलों को भूमिगत रूप से स्थापित करने से विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस) की गंभीर समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं, जो संवेदनशील नियंत्रण प्रणालियों और संचार उपकरणों को प्रभावित कर सकती हैं। इस समस्या के समाधान के लिए, इंजीनियरों को विशेष रूप से कवचित (शील्डेड) केबलों की स्थापना करनी आवश्यक है, केबलों की व्यवस्था के समय विद्युत चरणों (इलेक्ट्रिकल फेज़) को उचित रूप से संतुलित करना सुनिश्चित करना है, और डेटा केबलों को बिजली की लाइनों से भौतिक रूप से अलग रखना आवश्यक है। एक अन्य अत्यंत महत्वपूर्ण पहलू है उचित ग्राउंडिंग (अर्थिंग) का प्रबंधन करना। उप-केंद्र में मौजूद सभी धातु भागों — जैसे केबल कवरिंग्स, पाइप नेटवर्क, यहाँ तक कि स्टील का ढांचा भी — को एक बड़े ग्राउंडिंग नेटवर्क में आपस में जोड़ा जाना चाहिए। यह व्यवस्था किसी भी खतरनाक विद्युत दोष को सुरक्षित रूप से दूर निकालने में सहायता करती है तथा IEEE 80-2013 में निर्दिष्ट स्पर्श वोल्टेज (टच वोल्टेज) और कदम वोल्टेज (स्टेप वोल्टेज) से संबंधित कठोर सुरक्षा मानकों को पूरा करती है।

बंद या भूमिगत स्थापित उप-केंद्र विन्यासों के लिए ऊष्मीय प्रबंधन रणनीतियाँ

स्थान-प्रतिबद्ध, बंद या भूमिगत उप-केंद्रों में ऊष्मीय नियंत्रण अनिवार्य है—जहाँ ऊष्मा का संचयन विद्युत रोधन के अवक्षय को तीव्र कर देता है और उपकरणों के जीवनकाल को कम कर देता है। प्रभावी रणनीतियाँ इस प्रकार हैं:

• निष्क्रिय समाधान: ऊष्मा-अवशोषित दीवार आस्तरण, ऊष्मीय द्रव्यमान एकीकरण, और कंप्यूटेशनल द्रव गतिकी (CFD) मॉडलिंग के माध्यम से वायु प्रवाह पथों का अनुकूलन
• सक्रिय शीतलन: मध्यम-वोल्टेज उपकरणों के लिए बल प्रवाहित वायु प्रणालियाँ; उच्च-भार क्षेत्रों के लिए द्रव-शीतलित ट्रांसफॉर्मर
  पूर्वानुमानात्मक ऊष्मीय निगरानी—जो अंतर्निहित IoT सेंसरों और AI-आधारित विसंगति का पता लगाने के उपयोग द्वारा संचालित होती है—गर्म स्थानों को रोकती है और अनियंत्रित वातावरणों की तुलना में संपत्ति के जीवनकाल को 50% तक बढ़ा देती है।

शहरी उप-केंद्रों का भविष्य-सुरक्षित करना: स्केलेबिलिटी, बुद्धिमत्ता और नवीकरणीय ऊर्जा के लिए तैयारी

शहरी बिजली ग्रिड को विद्युत वाहनों से बढ़ती मांग, स्थानीय ऊर्जा उत्पादन और जलवायु संबंधी चुनौतियों के साथ कदम से कदम मिलाकर आगे बढ़ने की आवश्यकता है। आधुनिक सबस्टेशन डिज़ाइनों में अब मॉड्यूलर घटकों का उपयोग किया जाता है, जिससे उपयोगिता कंपनियाँ एक साथ सभी कुछ निर्मित किए बिना धीरे-धीरे क्षमता में वृद्धि कर सकती हैं। इससे EV चार्जिंग स्टेशनों, छोटे स्थानीय बिजली नेटवर्कों या नए विकसित आवासीय क्षेत्रों को बिना किसी बड़ी बाधा के जोड़ना आसान हो जाता है। स्मार्ट प्रौद्योगिकी का भी एकीकरण किया जा रहा है, जिसमें कृत्रिम बुद्धिमत्ता और इंटरनेट-सक्षम सेंसर उपकरणों के विफल होने के समय की भविष्यवाणी करने, वास्तविक समय में बिजली के भार को संतुलित करने और समस्याओं को त्वरित रूप से अलग करने में सहायता करते हैं, ताकि विद्युत आपूर्ति विफलताएँ कम समय तक रहें। पवन और सौर जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के लिए विशेष विन्यास उनकी अप्रत्याशित प्रकृति को संभालने में सहायता करते हैं, जबकि ग्रिड के पार बिजली के आगे-पीछे के प्रवाह के दौरान भी वोल्टेज को स्थिर रखा जा सके। ये अनुकूलन सुनिश्चित करते हैं कि अतिरिक्त आपूर्ति के समय स्वच्छ ऊर्जा का कम से कम अपव्यय हो। भविष्य की ओर देखते हुए, वे शहर जो विस्तार योग्य बुनियादी ढांचे, स्मार्ट निगरानी प्रणालियों और हरित ऊर्जा के लिए लचीलापन में निवेश करते हैं, अपने विद्युत नेटवर्क के लिए मजबूत आधार तैयार करेंगे।

सामान्य प्रश्न

शहरी उप-केंद्रों में गैस-इन्सुलेटेड स्विचगियर (GIS) के उपयोग का प्राथमिक लाभ क्या है?

GIS को वायु-इन्सुलेटेड स्विचगियर (AIS) की तुलना में अधिकतम 70% कम स्थान की आवश्यकता होती है, जिससे यह घनी आबादी वाले शहरी वातावरण के लिए आदर्श बन जाता है।

शहरी उप-केंद्र सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए क्या करते हैं?

विफलताओं को रोकने के लिए अनुकूलित अर्थिंग प्रणालियों, समविभव बंडलिंग और निरंतर निगरानी के माध्यम से, साथ ही आर्क-फ्लैश जोखिमों को कम करने के लिए एकीकृत सुरक्षा प्रणालियों के उपयोग द्वारा।

उप-केंद्रों में तापीय प्रबंधन के लिए कौन-कौन सी रणनीतियाँ अपनाई जाती हैं?

इन रणनीतियों में तापीय द्रव्यमान एकीकरण जैसे निष्क्रिय समाधान और सक्रिय शीतलन प्रणालियाँ शामिल हैं, साथ ही IoT सेंसर का उपयोग करके सक्रिय तापीय निगरानी भी शामिल है।