Pembatas Arus Korsleting | Dampak Teknologi & Stabilitas Jaringan

1 Pendahuluan Teknologi Pembatas Arus Korsleting (FCL)

Metode pembatasan arus korsleting pasif tradisional—seperti penggunaan transformator impedansi tinggi, reaktor tetap, atau operasi busbar terpisah—mengalami kekurangan inheren, termasuk gangguan struktur jaringan, peningkatan impedansi sistem steady-state, dan penurunan keamanan dan stabilitas sistem. Pendekatan-pendekatan ini menjadi semakin tidak sesuai untuk jaringan listrik yang kompleks dan berskala besar saat ini.

Sebaliknya, teknologi pembatasan arus korsleting aktif, yang diwakili oleh Fault Current Limiters (FCLs), menunjukkan impedansi rendah selama operasi normal jaringan. Ketika terjadi korsleting, FCL dengan cepat beralih ke keadaan impedansi tinggi, secara efektif membatasi arus korsleting ke level yang lebih rendah, sehingga memungkinkan kontrol dinamis arus korsleting. FCL telah berkembang dari konsep tradisional pembatasan arus berbasis reaktor seri dengan mengintegrasikan teknologi canggih seperti elektronika daya, superkonduktivitas, dan kontrol sirkuit magnet.

Prinsip dasar FCL dapat disederhanakan menjadi model yang ditunjukkan pada Gambar 1: selama operasi sistem normal, saklar K tertutup, dan tidak ada impedansi pembatas arus yang diperkenalkan oleh FCL. Hanya ketika terjadi korsleting, K dengan cepat terbuka, memasukkan reaktor untuk membatasi arus korsleting.

Sebagian besar FCL didasarkan pada model dasar ini atau variasi yang diperluas. Perbedaan utama antara berbagai FCL terletak pada sifat impedansi pembatas arus, implementasi saklar K, dan strategi kontrol yang terkait.

2 Skema Implementasi FCL dan Status Aplikasi

2.1 Pembatas Arus Korsleting Superkonduktor (SFCLs)

SFCLs dapat diklasifikasikan sebagai tipe quench atau non-quench berdasarkan apakah mereka menggunakan transisi superkonduktor dari keadaan superkonduksi ke normal (S/N transition) untuk pembatasan arus. Secara struktural, mereka dibagi lagi menjadi tipe resistif, jembatan, perisai magnetik, tipe transformator, atau inti jenuh. SFCL tipe quench bergantung pada transisi S/N (dipicu ketika suhu, medan magnet, atau arus melebihi nilai kritis), di mana superkonduktor beralih dari hambatan nol ke hambatan tinggi, sehingga membatasi arus korsleting.

SFCL tipe non-quench menggabungkan kumparan superkonduktor dengan komponen lain (misalnya, elektronika daya atau elemen magnetik) dan mengontrol mode operasi untuk membatasi arus pendek. Aplikasi praktis SFCL menghadapi tantangan superkonduksi umum seperti biaya dan efisiensi pendinginan. Selain itu, waktu pemulihan SFCL tipe quench yang lama, potensial bertentangan dengan penyambungan ulang sistem, sementara perubahan impedansi SFCL tipe non-quench mungkin mempengaruhi koordinasi perlindungan rel, memerlukan pengaturan ulang.

2.2 Pembatas Arus Berbasis Elemen Magnetik

Ini dibagi menjadi tipe pembatal fluks dan tipe saklar saturasi magnetik. Pada tipe pembatal fluks, dua lilitan dengan polaritas berlawanan dipasang pada inti yang sama. Dalam kondisi normal, fluks yang sama dan berlawanan saling menghilangkan, menghasilkan impedansi bocor rendah.

Selama korsleting, satu lilitan dilewatkan, mengganggu keseimbangan fluks dan menyajikan impedansi tinggi. Tipe saklar saturasi magnetik bekerja dengan membias lilitan pembatas arus ke dalam saturasi (melalui bias DC, dll.) dalam kondisi normal, menghasilkan impedansi rendah. Selama korsleting, arus korsleting mendorong inti keluar dari saturasi, menciptakan impedansi tinggi untuk pembatasan arus. Karena persyaratan kontrol yang kompleks, pembatas arus berbasis elemen magnetik memiliki aplikasi terbatas.

2.3 Pembatas Arus Berbasis Resistor PTC

Resistor Koefisien Temperatur Positif (PTC) bersifat nonlinear; mereka menunjukkan hambatan rendah dan pemanasan minimal dalam kondisi normal. Selama korsleting, suhunya meningkat dengan cepat, menaikkan hambatan sebesar 8–10 orde besarnya dalam milidetik. FCL berbasis resistor PTC telah ditemukan digunakan secara komersial dalam aplikasi tegangan rendah.

Namun, kekurangannya termasuk: tegangan overvoltage tinggi yang dihasilkan selama pembatasan arus induktif (memerlukan proteksi overvoltage paralel); stres mekanis akibat ekspansi resistor selama operasi; batasan tegangan/arus (ratusan volt, beberapa ampere), memerlukan koneksi seri-paralel dan membatasi penggunaan tegangan tinggi; dan waktu pemulihan yang lama (beberapa menit) dengan umur layanan singkat, menghambat penerapan skala besar.

2.4 Pembatas Arus Semi-Konduktor (SSCLs)

SSCLs adalah jenis pembatas arus pendek baru berbasis elektronika daya, biasanya terdiri dari reaktor konvensional, perangkat elektronika daya, dan pengontrol. Mereka menawarkan berbagai topologi, respons cepat, ketahanan operasional tinggi, dan kontrol sederhana. Dengan mengontrol keadaan perangkat elektronika daya, impedansi setara SSCL diubah untuk membatasi arus korsleting. Dianggap sebagai perangkat FACTS baru, SSCL mendapatkan perhatian yang semakin meningkat. Namun, selama korsleting, perangkat elektronika daya harus membawa seluruh arus korsleting, membutuhkan kinerja dan kapasitas perangkat yang tinggi. Koordinasi antara beberapa SSCL atau dengan sistem kontrol FACTS lainnya tetap menjadi tantangan kritis.

2.5 Pembatas Arus Ekonomis

Pembatas arus ekonomis ini menawarkan teknologi matang, keandalan tinggi, biaya rendah, dan beralih otomatis tanpa kontrol eksternal. Mereka terutama diklasifikasikan menjadi tipe transfer arus busur dan tipe resonan seri. Tipe transfer arus busur terdiri dari saklar vakum yang diparalelkan dengan resistor pembatas arus. Dalam operasi normal, arus beban mengalir melalui saklar. Saat terjadi korsleting, saklar terbuka, memaksa arus untuk beralih ke resistor untuk pembatasan arus.

Masalah-masalah yang timbul termasuk: arus transfer dipengaruhi oleh tegangan busur vakum dan induktansi parasit; waktu transfer tergantung pada kecepatan saklar; dan kesulitan dalam transfer arus pada tegangan busur rendah, memerlukan perangkat bantu untuk meningkatkan tegangan busur dan memaksa titik nol arus. FCL tipe resonan seri menggunakan reaktor jenuh atau pelindung lonjakan sebagai saklar. Dalam kondisi normal, kapasitor dan induktor berada dalam resonansi seri dengan impedansi rendah. Selama korsleting, arus tinggi menjenuhkan reaktor atau mengaktifkan pelindung, mengubah resonansi dan memasukkan reaktor ke dalam jalur untuk pembatasan arus. Sakelar cepat repulsi elektromagnetik juga dapat melewati kapasitor dengan cepat.

2.6 Status Aplikasi Teknik FCL Saat Ini

Untuk nilai praktis, FCL tidak hanya harus memasukkan impedansi dengan cepat selama korsleting, tetapi juga harus memiliki reset otomatis, operasi berulang, generasi harmonisa rendah, dan biaya investasi serta operasional yang dapat diterima. Saat ini, terbatas oleh tantangan teknis dan efisiensi biaya, meskipun berbagai prototipe eksperimental telah dikembangkan di seluruh dunia, aplikasi jaringan nyata masih jarang, sebagian besar terbatas pada proyek pilot tegangan rendah, kapasitas kecil.

Bidang ini dimulai lebih awal di luar negeri, dengan kemajuan signifikan dalam komersialisasi FCL semi-konduktor dan superkonduktor. Pada tahun 1993, pemutus semi-konduktor 6,6 MW menggunakan GTO anti-paralel dipasang pada feeder 4,6 kV di Army Power Center, New Jersey, AS, mampu membersihkan korsleting dalam 300 μs. Pada tahun 1995, FCL semi-konduktor 13,8 kV/675 A oleh EPRI dan Westinghouse diberlakukan di substation PSE&G. Untuk FCL superkonduktor, FCL AC/DC hibrida dikembangkan oleh ACEC-Transport dan GEC-Alsthom pada tahun 1998, mencapai komersialisasi. Pada tahun 1999, SFCL 15 kV/1200 A yang dikembangkan bersama oleh General Atomics dan lain-lain diterapkan di substation Southern California Edison (SCE).

Penelitian FCL domestik dimulai lebih lambat tetapi berkembang pesat. Pada tahun 2007, FCL superkonduktor inti jenuh 35 kV Cina, dikembangkan oleh Tianjin Electromechanical Holdings dan Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., menjalani uji coba terhubung ke jaringan di Substation Puji, Yunnan—kemudian menjadi pembatas superkonduktor tertinggi tegangan dan kapasitas tertinggi dalam uji coba. Untuk FCL tipe resonan seri, perangkat 500 kV pertama Cina, dikembangkan bersama oleh China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri, dan East China Grid, diberlakukan di Stasiun 500 kV Bingyao pada akhir 2009, mengurangi arus pendek ke bawah 47 kA.

Secara global, aplikasi FCL masih terbatas pada proyek individu tetapi mendapatkan perhatian yang semakin meningkat. Potensi signifikan masih ada dalam penelitian untuk meningkatkan kapasitas, tahanan tegangan, perbaikan bahan, disipasi panas, kontrol biaya, dan optimasi topologi.

3 Dampak Integrasi FCL terhadap Keamanan dan Stabilitas Sistem Listrik

Pemasukan impedansi cepat FCL selama korsleting, meskipun efektif membatasi arus, mengubah parameter jaringan, mempengaruhi stabilitas transien, stabilitas tegangan, pengaturan perlindungan rel, dan penyambungan ulang. Kontrol yang buruk dapat menyebabkan dampak negatif. Kontrol koordinasi dan konfigurasi optimal penting untuk beberapa FCL untuk mencapai kinerja optimal.

3.1 Dampak terhadap Pengaturan Perlindungan Rel dan Penyambungan Ulang

Untuk SFCL inti jenuh, waktu pemulihan yang lama berarti impedansi signifikan masih ada setelah korsleting, mungkin memerlukan pengaturan ulang penyambungan ulang dan perlindungan rel. Literatur menyarankan memasang SFCL tipe quench pada cabang generator dan transformator utama; meskipun pengaturan ulang perlindungan diperlukan, impedansi tinggi yang berkelanjutan selama pemulihan dapat berfungsi sebagai resistor pengereman, menguntungkan stabilitas transien. Berbagai metode pengaturan perlindungan jarak yang mempertimbangkan SFCL telah diusulkan. FCL semi-konduktor dapat menggunakan sinyal trigger thyristor, kontak pemutus bypass, posisi saklar FCL, dan sirkuit GAP untuk mengubah pengaturan perlindungan arus nol, mengatasi masalah sensitivitas setelah pemasangan FCL.

3.2 Dampak terhadap Stabilitas Sudut Daya Transien

Meskipun FCL umumnya beroperasi dengan impedansi rendah secara normal dan impedansi tinggi selama korsleting, operasi dan struktur spesifik mereka mengarah pada dampak yang berbeda-beda terhadap stabilitas sudut daya transien. FCL semi-konduktor dan superkonduktor, dengan memasukkan impedansi tinggi selama korsleting, dapat meningkatkan output daya elektromagnetik generator dan meningkatkan stabilitas transien.

FCL tipe resistif meningkatkan stabilitas lebih dari tipe induktif dengan memberikan hambatan redaman yang menghabiskan lebih banyak daya generator. Namun, nilai hambatan yang tidak tepat dapat menyebabkan aliran daya balik ke generator, memperburuk defisit daya. Analisis menunjukkan bahwa untuk korsleting jauh dari generator, SFCL induktif menjadi lebih bermanfaat karena reaktansi total transfer berkurang. SFCL resistif juga menunjukkan karakteristik serupa di luar ambang hambatan tertentu.

Dampaknya tergantung pada lokasi dan jenis korsleting; FCL mempengaruhi stabilitas sudut daya hanya ketika korsleting terjadi pada jalur yang dipasang. Untuk korsleting asimetris di awal jalur, induktansi FCL menguntungkan stabilitas, meningkat dengan nilai induktansi. Di ujung jalur, jika korsleting diselesaikan dengan cepat, induktansi FCL mungkin menghambat stabilitas, tetapi dampak negatif berkurang dengan induktansi yang lebih tinggi untuk korsleting fase-fase dan dua fase ke tanah. Untuk korsleting satu fase atau fase-fase dekat ujung jalur, sedikit memperpanjang waktu penyelesaian korsleting membuat induktansi FCL kecil bermanfaat, secara signifikan mengurangi amplitudo kurva ayunan dibandingkan dengan penyelesaian cepat.

3.3 Dampak terhadap Stabilitas Tegangan Transien

Korsleting pendek menyebabkan penurunan tegangan, mempengaruhi operasi peralatan dan menyebabkan kerugian ekonomi. Analisis berbasis PSCAD menunjukkan bahwa induktansi FCL yang lebih besar meningkatkan penekanan penurunan tegangan dalam rentang tertentu. Kemampuan inheren FCL untuk meningkatkan tegangan korsleting bervariasi dengan struktur jaringan. Pada feeder radial, reaktansi FCL >0,5 pu dapat menjaga tegangan di atas 0,8 pu selama korsleting. Pembangkitan lokal atau dukungan reaktif dekat bus korsleting mengurangi ketergantungan pada FCL.

3.4 Koordinasi dengan Ukuran Pembatasan Tradisional

Koordinasi FCL dengan ukuran tradisional (misalnya, reaktor, transformator impedansi tinggi) adalah kunci untuk aplikasi praktis. Metode optimisasi otomatis menggunakan variabel 0–1 untuk penerapan ukuran dan variabel integer untuk kapasitas membentuk masalah pemrograman campuran, dapat diselesaikan dengan metode branch-and-bound, untuk membimbing konfigurasi koordinasi.

3.5 Optimalisasi Konfigurasi

Dengan beberapa FCL, optimalisasi lokasi, jumlah, dan parameter untuk kinerja hemat biaya adalah fokus penelitian. Untuk jaringan kecil, enumerasi atau metode berbasis laju perubahan/kerugian daya cukup. Untuk jaringan besar dengan node ganda melebihi batas korsleting, enumerasi menjadi komputasi intensif dan tidak memadai untuk masalah multi-tujuan (impedansi, jumlah, lokasi).

Optimisasi multi-tujuan berbobot menggunakan algoritma genetik atau swarm partikel umum, tetapi hasilnya sangat bergantung pada pemilihan bobot. Metode berbasis sensitivitas, menghitung perubahan arus korsleting relatif terhadap impedansi cabang, menghindari ketergantungan pada bobot dan membantu menentukan penempatan FCL optimal, jumlah, dan impedansi. Karena tujuan utama adalah pembatasan arus, optimisasi dapat difokuskan pada efektivitas pembatasan, memastikan lokasi FCL yang dipilih mempengaruhi semua node dengan margin korsleting yang tidak cukup. Biaya dan kerugian operasional juga merupakan faktor kritis dalam optimisasi dunia nyata.

4 Tren Pengembangan dan Aplikasi FCL

4.1 Tren Penelitian Teknologi FCL

Untuk memanfaatkan keunggulan dan mengurangi kelemahan, arah penelitian baru muncul. Menggabungkan FCL superkonduktor dengan penyimpanan energi adalah topik hangat—menyerap energi selama korsleting dan menyuplai energi untuk meningkatkan kualitas daya selama operasi normal, mencapai manfaat ganda. Kunci terletak pada desain sistem kondisi daya.

Untuk mengatasi permintaan kapasitas tinggi, biaya, dan harmonisa dalam pembatas semi-konduktor, topologi yang ditingkatkan seperti FCL SSCL tiga fase jembatan dengan induktor bypass telah diusulkan. FCL konvensional kurang memiliki penyesuaian dinamis dan kompensasi steady-state.

Sebuah FCL multifungsi dengan kompensasi seri dinamis telah diusulkan: operasi normal menggunakan switching bank kapasitor untuk kompensasi tahapan garis; selama korsleting, GTO atau IGCT mengontrol derajat pembatasan melalui induktor seri, memungkinkan penggunaan multipurpose. Kompensasi seri harus dipilih dengan hati-hati untuk menghindari osilasi sub-sinkronus.

4.2 Tren Aplikasi FCL

FCL tidak hanya membatasi arus korsleting, tetapi, dalam kondisi yang sesuai, dapat meningkatkan stabilitas sudut daya dan tegangan, memperluas lingkup aplikasinya. Tren yang muncul termasuk meningkatkan kapasitas transmisi penerima ujung DC, mengurangi risiko gagal komutasi, meningkatkan kualitas daya, dan mendukung integrasi energi terbarukan berskala besar.

Dalam sistem DC multiterminal, FCL dapat membatasi arus tanpa mempengaruhi operasi normal. Untuk jaringan penerima ujung DC, FCL yang dipasang pada jalur propagasi korsleting dapat mengisolasi wilayah, menghentikan propagasi korsleting, mempersingkat durasi gagal komutasi, mempercepat pemulihan daya DC, dan mengurangi ketidakseimbangan daya dan transfer aliran daya dari gagal komutasi DC multisumber simultan, meningkatkan stabilitas transien secara keseluruhan. Untuk motor asinkron besar, integrasi SFCL dalam rangkaian stator memungkinkan starting lembut dan menekan kontribusi arus korsleting, mengurangi penurunan tegangan dan meningkatkan stabilitas tegangan transien.

Untuk integrasi angin berskala besar, FCL di titik koneksi taman angin dapat meningkatkan kemampuan ride-through korsleting dan mengurangi risiko putus. FCL tipe resistif memerlukan impedansi lebih rendah daripada tipe induktif untuk stabilitas dalam durasi korsleting yang sama, tetapi tipe induktif menawarkan peningkatan yang lebih baik dekat stabilitas kritis.

Seiring matangnya teknologi FCL, perangkat respons cepat dan multifungsi ini—membatasi korsleting, meningkatkan stabilitas, dan mengisolasi korsleting—akan menemukan aplikasi yang lebih luas.

5 Kesimpulan

FCL efektif membatasi arus korsleting tetapi mungkin mempengaruhi stabilitas sudut daya/tegangan, pengaturan perlindungan rel, dan penyambungan ulang. Konfigurasi yang dioptimalkan dan kontrol koordinasi beberapa FCL atau dengan perangkat FACTS menjanjikan manfaat signifikan. FCL masa depan akan melampaui pembatasan arus untuk meningkatkan transmisi DC, mengurangi gagal komutasi, meningkatkan kualitas daya, dan mendukung integrasi energi terbarukan.

Namun, hambatan teknis dan ekonomi menunda penerapan skala besar FCL tegangan tinggi, kapasitas tinggi. Pembatas semi-konduktor, terbatas oleh kapasitas perangkat dan rating tegangan, saat ini dibatasi pada jaringan distribusi. Kemajuan dalam perangkat self-commutating daya tinggi mungkin dapat mengatasi hambatan ini dan mengurangi biaya.

FCL superkonduktor menawarkan respons cepat dan self-triggering tetapi menghadapi biaya pendinginan tinggi, tantangan disipasi panas, dan waktu pemulihan quench yang lama. Mengingat kelayakan dan ekonomi jangka pendek, FCL ekonomis berbasis peralatan konvensional adalah solusi yang disukai. Pembatas semi-konduktor, dengan hambatan teknis yang lebih rendah dan kedewasaan, mewakili arah utama masa depan.