Studi tentang Pemilihan Resistansi Optimal dari Pembatas Arus Korter Superkonduktif untuk Sistem Transmisi DC Fleksibel

1 Pembatas Arus Korsleting Superkonduktif Resistif

1.1 Prinsip Kerja

Seiring dengan terus bertambahnya skala jaringan listrik, kapasitas korsleting sistem tenaga listrik domestik meningkat pesat, menimbulkan tantangan signifikan bagi pembangunan dan operasi jaringan. Untuk mengatasi masalah arus korsleting yang berlebihan, pembatas arus korsleting superkonduktif (SFCL) yang didasarkan pada prinsip superkonduktivitas semakin mendapat perhatian. Berdasarkan karakteristik redaman saat beralih ke keadaan resistansi tinggi, SFCL dapat diklasifikasikan menjadi tipe resistif dan induktif.

Di antara keduanya, pembatas arus korsleting superkonduktif resistif memiliki struktur sederhana, ukuran kompak, dan berat ringan, dengan prinsip kerja yang jelas. Begitu memasuki keadaan resistansi tinggi, impedans pembatas arusnya meningkat tajam, memberikan kemampuan penekanan arus korsleting yang kuat. Selain itu, kapasitas perangkat dapat disesuaikan secara fleksibel melalui konfigurasi seri atau paralel dari superkonduktor. Dalam beberapa tahun terakhir, telah muncul terobosan dalam material superkonduktif suhu ruang, sehingga baik akademisi maupun industri luas menganggap pembatas arus korsleting resistif sebagai arah utama pengembangan di masa depan.

Arus kritis, medan magnet kritis, dan suhu kritis adalah parameter fisik kunci untuk menentukan apakah superkonduktor berada dalam keadaan superkonduktif. Ketika salah satu dari parameter ini melebihi nilai kritisnya, superkonduktor beralih dari keadaan superkonduktif ke keadaan padam. Proses pemadaman terdiri dari dua tahap: pertama, keadaan aliran fluks, diikuti oleh keadaan resistif normal. Ketika densitas arus melalui superkonduktor melebihi densitas arus kritisnya, superkonduktor memasuki keadaan aliran fluks.

Di mana: E adalah kekuatan medan listrik; EC adalah kekuatan medan listrik kritis; J adalah densitas arus; JCT adalah densitas arus kritis; α adalah konstanta; Tt1 dan Tt2 adalah suhu superkonduktor pada waktu t1 dan t2, masing-masing; QRS adalah panas yang dihasilkan oleh hambatan Rs dari t1 hingga t2; QC adalah panas yang ditukar antara superkonduktor dan lingkungan sekitarnya selama interval waktu t1–t2; Cm adalah kapasitas panas spesifik superkonduktor; JCT(77) adalah densitas arus kritis pada 77 K (77 K adalah suhu lingkungan nitrogen cair); TC adalah suhu kritis; T adalah suhu superkonduktor.

Menurut Persamaan (1), ketika densitas arus J meningkat, kekuatan medan listrik E superkonduktor naik dengan cepat, menyebabkan peningkatan hambatan. Peningkatan hambatan meningkatkan efek termal, dan seperti yang ditunjukkan dalam Persamaan (2), suhu superkonduktor juga naik sesuai.

Dari Persamaan (3), diketahui bahwa kenaikan suhu mengurangi densitas arus kritis, yang lebih lanjut meningkatkan kekuatan medan listrik E, menyebabkan hambatan superkonduktor terus bertambah. Seiring hambatan meningkat, panas yang dihasilkan oleh superkonduktor secara bertahap seimbang dengan panas yang dibuang ke lingkungan, dan suhu stabil, akhirnya mencapai keadaan normal dengan hambatan konstan.

1.2 Aplikasi R-SFCL dalam Sistem DC Fleksibel

Dalam sistem transmisi DC fleksibel, arus DC tidak memiliki titik nol alami. Begitu terjadi korsleting, arus korsleting naik dengan cepat, menimbulkan ancaman serius bagi peralatan listrik dalam sistem. Untuk memastikan keandalan sistem, pemutus sirkuit harus segera mengisolasi jalur yang bermasalah. Saat ini, pemutus sirkuit DC belum sepenuhnya memenuhi persyaratan aplikasi praktis.

Ketika terjadi korsleting di sisi DC, biasanya pemutus sirkuit di sisi AC dipicu, tetapi hal ini tidak dapat dihindari menyebabkan stasiun konverter berhenti, dan perangkat elektronik daya mungkin rusak karena arus berlebihan selama periode ini. Perlindungan DC harus menyelesaikan seluruh urutan perlindungan dalam hitungan milidetik, sementara waktu operasi tercepat pemutus sirkuit AC biasanya 50 ms, sehingga tidak dapat secara efektif melindungi perangkat elektronik daya dalam sistem.

Teknologi saat ini memungkinkan R-SFCL mencapai keadaan resistif normal dalam sekitar 3 ms. Pembatas arus korsleting superkonduktif resistif beralih ke keadaan pembatas arus jauh lebih cepat daripada operasi perlindungan relai, dan mencapai keadaan impedansi tinggi sebelum korsleting teratasi, sehingga secara efektif mengurangi arus korsleting.

2 Karakteristik Korsleting DC dalam Sistem DC Fleksibel

Lokasi titik korsleting hanya mempengaruhi impedansi sistem, bukan jalur arus atau karakteristik dasar korsleting pendek. Untuk kemudahan pemodelan, korsleting ditempatkan di tengah jalur DC dan diasumsikan sebagai korsleting pendek logam. Model simulasi sistem DC fleksibel dua terminal dan model R-SFCL dibangun menggunakan PSCAD/EMTDC, dengan tegangan sistem nominal ±110 kV dan daya nominal 75 MW. Lokasi pemasangan R-SFCL ditunjukkan pada Gambar 1.

Ketika terjadi korsleting pendek DC, IGBT terdeteksi dan segera diblokir melalui fungsi blokirnya setelah merasakan arus korsleting. Namun, dioda yang terhubung paralel dengan IGBT dan jalur transmisi membentuk rangkaian rektifikasi jembatan yang tidak terkontrol, memungkinkan komutasi berlanjut bahkan setelah IGBT diblokir. Korsleting pole-to-pole DC dapat dibagi menjadi tiga tahap utama: tahap pertama terjadi segera setelah korsleting, di mana kapasitor sisi DC mengeluarkan muatan dengan cepat dan arus DC naik hingga mencapai puncaknya dalam hitungan milidetik.

Pada tahap kedua, setelah tegangan kapasitor turun menjadi nol, arus yang mengalir melalui dioda dapat mencapai lebih dari sepuluh kali arus nominalnya, membuat perangkat elektronik daya sangat rentan terhadap kerusakan. Pada tahap ketiga, ketika arus korsleting DC menurun di bawah arus jaringan AC, jaringan AC mulai mengalirkan arus korsleting ke titik korsleting DC. Korsleting tanah DC tidak memiliki tahap kedua; sebaliknya, karakteristiknya mirip dengan korsleting pole-to-pole.

Selama pengaliran arus AC, arus korsleting melalui dioda sekitar sepuluh kali arus nominalnya. Jalur arus untuk dua jenis korsleting pendek DC dalam sistem DC fleksibel ditunjukkan pada Gambar 2 dan Gambar 3, masing-masing. Pemasangan R-SFCL sepanjang jalur arus korsleting dapat dengan cepat meningkatkan hambatan loop korsleting, memberikan lebih banyak waktu untuk penanganan korsleting dan mengurangi persyaratan waktu buka intrinsik dan kapasitas pemutusan pemutus sirkuit DC.

3 Analisis Simulasi

Menggunakan perangkat lunak simulasi PSCAD/EMTDC, model R-SFCL yang dikembangkan diintegrasikan ke dalam model simulasi sistem DC fleksibel dua terminal yang sudah ada dengan kapasitas 75 MW untuk verifikasi. Kinerja pembatas arus saat korsleting pole-to-pole DC ditunjukkan pada Gambar 4, dan saat korsleting garis-ke-tanah DC ditunjukkan pada Gambar 5. Seperti yang terlihat dari Gambar 4 dan Gambar 5, arus korsleting puncak menurun seiring dengan peningkatan hambatan keadaan normal. Jelas bahwa hambatan R-SFCL dan arus korsleting puncak setelah pemasangan menunjukkan hubungan fungsional tertentu yang menurun.

Untuk memperluas cakupan aplikasi, model asli secara bertahap ditingkatkan berdasarkan tiga kapasitas sistem: 75 MW, 150 MW, dan 300 MW. Dalam kondisi korsleting pole-to-pole DC dan korsleting garis-ke-tanah DC, hubungan antara nilai hambatan keadaan normal R-SFCL dan arus korsleting puncak diteliti dengan mendapatkan nilai puncak arus korsleting. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.

Menggunakan fungsi fitting kurva di MATLAB, kurva pada Gambar 6 dan Gambar 7 masing-masing difit, menghasilkan ekspresi fungsional berbentuk f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, dengan parameter spesifik terdaftar dalam Tabel 1. Diferensiasi dari fungsi yang difit menghasilkan f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Dari Tabel 1, dapat dilihat bahwa untuk jenis korsleting yang sama, parameter b tetap hampir konstan, sementara parameter a meningkat seiring dengan kapasitas sistem. Karena b relatif kecil, ekspresi kemiringan kurva untuk jenis korsleting yang sama hampir identik.Oleh karena itu, R-SFCL dengan hambatan keadaan normal yang sama menunjukkan laju perubahan arus korsleting puncak yang sama di berbagai kapasitas sistem untuk jenis korsleting yang sama, menunjukkan kinerja pembatas arus yang konsisten.

Selain itu, seiring hambatan keadaan normal R-SFCL meningkat secara linear, efektivitas pembatas arusnya secara bertahap berkurang. Berdasarkan kemiringan kurva pada Gambar 6 dan Gambar 7, rentang optimal hambatan keadaan normal R-SFCL untuk memaksimalkan laju penurunan arus korsleting puncak adalah 0–10 Ω.

4 Kesimpulan

Pemasangan R-SFCL pada sisi output DC stasiun konverter dalam sistem transmisi DC fleksibel dapat secara efektif mengurangi arus korsleting DC. Seiring dengan peningkatan nilai hambatan R-SFCL secara linear, efek pembatas arusnya secara bertahap berkurang. Mengingat status penelitian saat ini, biaya teknik, dan persyaratan area lahan, disarankan bahwa rentang hambatan keadaan normal optimal untuk R-SFCL adalah 0–10 Ω.