Penelitian tentang Teknologi Deteksi dan Metode Analisis Partial Discharge pada Pemutus Sirkuit Tangki Lantai SF6

Pemutus sirkuit tipe tangki lantai adalah perangkat kontrol dan perlindungan yang penting di stasiun pengisian daya dan sistem tenaga. Utamanya digunakan untuk memutus, menutup, dan mengalirkan arus beban normal pada jalur, serta memotong arus pendek saat terjadi gangguan sistem. Terdiri dari komponen-komponen seperti elemen pemutus, bushing isolasi, transformator arus tipe bushing, ruang pemadam busur, mekanisme operasi, dan casing grounding, ruang pemadam busur pemutus sirkuit tipe tangki lantai berada dalam casing logam yang ditanahkan.

SF₆ berfungsi sebagai media isolasi dan pemadam busur untuk pemutus sirkuit tipe tangki. Dalam medan listrik seragam, kekuatan isolasinya sekitar tiga kali lebih besar dibanding udara, dan kapasitas pemadam busurnya sekitar 100 kali lebih besar dibanding udara. Sebagai hasilnya, pemutus sirkuit SF₆ memiliki struktur padat dan area yang kecil. Selain itu, pemutus sirkuit tipe tangki lantai menawarkan keuntungan seperti pusat gravitasi peralatan yang rendah, struktur stabil, kinerja getaran yang baik, transformator arus bawaan, ketahanan kuat terhadap kotoran, dan perawatan yang mudah.

Namun, selama pembuatan, perakitan, transportasi, dan operasi pemutus sirkuit tipe tangki, cacat isolasi dapat terjadi karena faktor-faktor seperti proses buruk, tabrakan, benturan, dan operasi beralih. Cacat isolasi yang umum termasuk objek logam yang menonjol pada konduktor atau casing, elektroda mengambang, dan partikel logam bebas. Ketika kekuatan medan listrik yang terkonsentrasi pada cacat isolasi mencapai kekuatan medan putus pada area di bawah tegangan uji atau tegangan nominal, terjadi pelepasan parsial (PD). Pelepasan parsial adalah penyebab utama degradasi isolasi pada pemutus sirkuit dan merupakan prekursor gagal isolasi. Oleh karena itu, pemantauan online sinyal pelepasan parsial dapat mendeteksi cacat isolasi sebelum terjadi kerusakan, yang merupakan sarana penting untuk memastikan operasi aman dan stabil pemutus sirkuit tipe tangki lantai dan sistem tenaga.

Berdasarkan sinyal fisik yang dihasilkan selama pelepasan, metode deteksi pelepasan parsial utama untuk pemutus sirkuit adalah metode arus pulsa, metode ultrasonik (AE), metode tegangan tanah sementara (TEV), dan metode ultra-tinggi frekuensi (UHF) [2 - 3]. Artikel ini menggabungkan pengalaman eksperimental dan lapangan untuk meninjau berbagai teknik deteksi dan analisis pelepasan parsial untuk pemutus sirkuit tipe tangki lantai SF₆ dan merangkum karakteristik setiap metode.

Metode Arus Pulsa

Saat terjadi pelepasan parsial, pergerakan muatan menghasilkan arus pulsa, yang dapat dideteksi oleh perangkat penghubung atau sensor arus yang terhubung dalam rangkaian uji. Metode arus pulsa adalah satu-satunya metode yang ditentukan dalam IEC 60270 dan standar terkait untuk pengukuran kuantitatif pelepasan parsial. Metode lainnya utamanya digunakan untuk deteksi atau penentuan lokasi pelepasan parsial. Metode arus pulsa memiliki sensitivitas tinggi, namun sangat rentan terhadap gangguan elektromagnetik di tempat. Oleh karena itu, perlu untuk mengekstrak sinyal pelepasan lemah dari sinyal yang terdeteksi. Besaran fisik yang mewakili besarnya pelepasan parsial adalah muatan nyata q, yang dapat diperoleh dengan rumus berikut.

Dalam rumus tersebut, i(t ) mewakili arus pulsa pelepasan parsial, Um(t) adalah tegangan pulsa, Rm adalah nilai impedansi deteksi, dan q adalah muatan nyata, dengan satuan pC (picocoulomb).

Metode arus pulsa berbasis sensor arus cocok untuk deteksi pelepasan parsial online. Sensor arus frekuensi tinggi biasanya beroperasi dalam rentang frekuensi 16 kHz hingga 30 MHz dan dirancang dengan struktur clamp-on, memudahkan instalasinya di ujung grounding pemutus sirkuit tipe tangki lantai.

Metode Ultrasonik

Pelepasan parsial menyebabkan tabrakan molekul yang intens, menghasilkan gelombang ultrasonik yang berpropagasi di dalam pemutus sirkuit. Sensor ultrasonik yang dipasang pada casing pemutus sirkuit dapat mendeteksi sinyal pelepasan parsial. Elemen piezoelektrik di dalam sensor ultrasonik mengubah sinyal ultrasonik yang dihasilkan oleh pelepasan parsial menjadi sinyal tegangan, yang kemudian ditransmisikan ke rangkaian deteksi. Rangkaian deteksi untuk metode ultrasonik terutama terdiri dari decoupler (digunakan untuk memisahkan sinyal pasokan daya dari sinyal ultrasonik), amplifier sinyal, dan filter.

Sinyal domain waktu dan frekuensi gelombang ultrasonik dari pelepasan parsial di dalam pemutus sirkuit tipe tangki lantai ditunjukkan pada Gambar 2, dengan rentang frekuensi utamanya tersebar antara 50 dan 250 kHz. Metode ultrasonik menawarkan keuntungan seperti biaya rendah, pemasangan mudah, ketahanan kuat terhadap gangguan elektromagnetik, dan cocok untuk penentuan lokasi pelepasan parsial. Namun, struktur isolasi internal pemutus sirkuit kompleks, dan gelombang ultrasonik bergerak lambat dan mengalami redaman signifikan dalam gas SF₆, sehingga perlu identifikasi posisi deteksi optimal.

Metode Ultra-Tinggi Frekuensi (UHF)

Waktu naik dan durasi pulsa arus yang dihasilkan oleh pelepasan parsial berada pada skala nanodetik, menghasilkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi ekuivalen dalam rentang ultra-tinggi frekuensi 300 MHz hingga 3 GHz. Saat ini, rentang frekuensi deteksi sebagian besar sensor UHF di pasaran adalah 300 MHz hingga 1,5 GHz. Karena sifat sinyal yang lemah dan frekuensi tinggi, metode UHF memerlukan kondisionering sinyal input melalui rangkaian filter, rangkaian amplifier, dan rangkaian integrator sebelum ditransmisikan ke kartu pengambilan data untuk analisis selanjutnya.

Sementara itu, saat menggunakan metode UHF, perlu menghilangkan gangguan seperti sinyal komunikasi dan sinyal pasokan daya pencahayaan dari aspek perangkat lunak dan keras. Metode UHF memiliki sensitivitas tinggi, ketahanan anti-gangguan yang kuat, dan cocok untuk penentuan lokasi pelepasan parsial. Pola pelepasan parsial resolusi fase (PRPD) dari sinyal UHF pelepasan parsial pada potensial mengambang ditunjukkan pada Gambar 3, yang berisi informasi tentang amplitudo pelepasan, fase, dan jumlah terjadinya.

Metode Tegangan Tanah Sementara (TEV)

Ketika gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh pelepasan parsial berpropagasi ke enklosur logam pemutus sirkuit tipe tangki lantai, arus induksi dihasilkan pada permukaan enklosur, menghasilkan tegangan tanah sementara di seberang impedansi gelombang grounding. Prinsip kerja sensor TEV dapat setara dengan pembagi tegangan kapasitif. Ini menentukan terjadinya pelepasan parsial dengan mendeteksi tegangan di seberang kapasitor ekuivalen antara elektroda sensor dan lapisan isolasi. Sinyal tegangan tanah sementara pelepasan parsial di dalam pemutus sirkuit SF₆ ditunjukkan pada Gambar 4, dengan rentang frekuensi utamanya 1-100 MHz. Metode TEV ditandai dengan kemudahan penggunaan dan tidak memerlukan rangkaian deteksi tambahan.

Metode Analisis Pelepasan Parsial

Metode analisis pelepasan parsial digunakan untuk menilai tingkat risiko pelepasan, mengurangi sinyal, dan mengekstrak karakteristik pelepasan untuk klasifikasi jenis kerusakan. Metode-metode ini terutama termasuk metode bentuk gelombang pulsa, metode pola pelepasan parsial resolusi fase (PRPD), metode pola hubungan amplitudo tiga fasa, metode pola waktu-frekuensi, dan metode karakteristik statistik berdasarkan waktu.

Metode bentuk gelombang pulsa menganalisis satu gelombang pelepasan berdasarkan parameter seperti waktu naik, waktu turun, lebar pulsa, kurtosis, dan skewness. Metode pola PRPD mengumpulkan sinyal pelepasan parsial di bawah tegangan frekuensi AC untuk mendapatkan distribusi karakteristik fase, amplitudo, dan jumlah terjadinya pelepasan. Oleh karena itu, juga dikenal sebagai metode pola \(\varphi -q -n\). Metode pola hubungan amplitudo tiga fasa digunakan untuk menganalisis pelepasan parsial di bawah tegangan AC tiga fasa.

Metode ini mengumpulkan karakteristik distribusi pelepasan dengan mengumpulkan amplitudo pelepasan sinyal pelepasan yang sama di bawah tegangan fase yang berbeda. Metode pola waktu-frekuensi mengumpulkan pulsa pelepasan, menghitung waktu ekuivalen dan frekuensi ekuivalennya, dan memplot pola distribusi pelepasan di domain waktu ekuivalen-frekuensi ekuivalen. Metode karakteristik statistik berdasarkan waktu cocok untuk analisis pelepasan parsial di bawah arus DC tekanan tinggi. Metode ini menganalisis secara statistik karakteristik distribusi pelepasan berdasarkan besarnya jumlah pelepasan dan selisih waktu antara pulsa pelepasan.

Untuk menentukan lokasi pelepasan parsial di dalam pemutus sirkuit tipe tangki lantai SF₆, dapat digunakan metode selisih waktu absolut atau metode selisih waktu relatif. Metode selisih waktu absolut menggunakan sinyal pulsa arus pelepasan atau sinyal ultra-tinggi frekuensi (UHF) sebagai waktu mulai pelepasan. Setelah menghitung selisih waktu antara sinyal ultrasonik dan sinyal mulai pelepasan, ia menentukan sumber pelepasan. Metode selisih waktu relatif hanya menggunakan beberapa sensor ultrasonik yang dipasang di posisi berbeda pada tangki pemutus sirkuit. Metode ini menentukan lokasi cacat isolasi dengan menghitung selisih waktu antara setiap sinyal ultrasonik dan sinyal ultrasonik referensi.

Kesimpulan

Pemantauan online pelepasan parsial dapat secara efektif menilai kinerja isolasi pemutus sirkuit tipe tangki lantai SF₆ sebelum terjadi kerusakan, dan merupakan salah satu sarana penting untuk memastikan operasi aman dan stabil. Artikel ini meninjau metode deteksi dan analisis pelepasan parsial pada pemutus sirkuit tipe tangki lantai, dengan menggabungkan pengalaman eksperimental dan lapangan.

Selama aplikasi lapangan, harus digunakan berbagai metode deteksi dan analisis untuk meningkatkan akurasi dan keandalan pemantauan online. Sementara itu, sesuai dengan persyaratan pembangunan Internet of Things tenaga listrik yang universal, implementasi teknologi kunci seperti sensor nirkabel pasif, jaringan komunikasi nirkabel hemat energi, komputasi tepi, dan big data mewakili tren pengembangan masa depan deteksi pelepasan parsial untuk pemutus sirkuit tipe tangki lantai.