1 Pembatas Arus Korsleting Superkonduktor Tipe Jembatan
1.1 Struktur dan Prinsip Kerja SFCL Tipe Jembatan
Gambar 1 menunjukkan diagram rangkaian fase tunggal dari SFCL tipe jembatan, yang terdiri dari empat dioda D₁ hingga D₄, sumber tegangan bias DC V_b, dan kumparan superkonduktor L. Sebuah pemutus sirkuit CB terhubung secara seri dengan pembatas untuk memutus arus korsleting setelah dibatasi. Sumber bias V_b memberikan arus bias i_b ke kumparan superkonduktor L. Tegangan V_b disetel cukup tinggi untuk mengatasi penurunan tegangan maju pasangan dioda (D₁ dan D₃, atau D₂ dan D₄), membentuk arus bias i₀. Nilai i₀ disetel lebih besar dari nilai puncak arus jalur i_max, dengan toleransi untuk kondisi beban berlebih.
Oleh karena itu, dalam kondisi normal, jembatan dioda tetap terus menghantarkan, dan SFCL tidak menunjukkan impedansi apa pun terhadap arus jalur i, mengabaikan penurunan tegangan maju kecil di seberang jembatan. Misalkan selama operasi normal arus yang melewati dioda D₁ hingga D₄ masing-masing adalah iD1 hingga iD4, maka arus jalur adalah:
Ini diperoleh berdasarkan Hukum Arus Kirchhoff (KCL):
Saat terjadi gangguan korsleting pada jalur, arus jalur meningkat cepat menjadi i₀. Selama setengah siklus positif dan negatif, satu pasang dioda menjadi terbalik dan mati, sehingga secara otomatis menyisipkan kumparan L ke dalam rangkaian. Arus korsleting karenanya dibatasi oleh reaktansi induktif kumparan tersebut.
Dengan menyetel arus kritis kumparan superkonduktor dengan tepat, kumparan tetap dalam keadaan superkonduksi selama gangguan, menghindari efek waktu respons dan pemulihan dari quenching. Namun, saat gangguan berlanjut, arus melalui induktor superkonduktor terus meningkat, akhirnya mendekati nilai arus korsleting steady-state yang akan ada tanpa pembatas. Oleh karena itu, sumber gangguan harus diputus tepat waktu oleh pemutus sirkuit dalam waktu tertentu. Untuk kesederhanaan, diasumsikan bahwa gangguan korsleting terjadi pada saat tegangan sumber melewati nol (t = t₀). Berdasarkan Hukum Tegangan Kirchhoff (KVL), persamaan berikut diperoleh:
Kondisi awal I0, dengan menyelesaikan persamaan diferensial ini diperoleh:
Gambar 2 menunjukkan bentuk gelombang arus induktor dan arus jalur selama operasi normal dan setelah terjadi gangguan, dengan gangguan dimulai pada t = 0,1 s. Hasil simulasi menunjukkan bahwa arus korsleting naik perlahan karena efek pembatasan arus induktor superkonduktor. Proses pembatasan arus pada dasarnya adalah magnetisasi induktor superkonduktor. Setelah arus gangguan stabil, pembatas berhenti efektif. Oleh karena itu, gangguan harus diputus oleh pemutus sirkuit sebelum arus korsleting mencapai nilainya steady-state. Pada gambar, gangguan diputus oleh pemutus sirkuit pada t = 0,2 s.
1.2 Perbaikan Struktural Pembatas Arus Korsleting Superkonduktor Tipe Jembatan
Pembatas arus korsleting superkonduktor tipe jembatan konvensional hanya dapat menekan laju kenaikan arus korsleting tetapi tidak efektif dalam mengontrol nilai-nilai steady-statenya. Untuk membatasi nilai steady-state arus korsleting, SFCL hibrid menggabungkan karakteristik nol resistensi dalam keadaan superkonduksi dan peningkatan cepat resistensi selama quench superkonduktor. Ini dicapai dengan mengintegrasikan pembatas arus korsleting superkonduktor resistif dengan SFCL tipe jembatan. Diagram skematik pendekatan hibrid ini ditunjukkan pada Gambar 3.
Dalam kondisi operasi normal, saklar K terbuka, sehingga SFCL resistif tidak menunjukkan impedansi eksternal, memungkinkan arus i_L melewati tanpa resistensi. Saat terjadi gangguan, SFCL resistif segera menampilkan impedansi tinggi dan bekerja secara seri dengan induktor superkonduktor untuk bersama-sama menekan arus gangguan. Setelah gangguan diputus, saklar K ditutup; pada titik ini, karena impedansi tingginya sendiri, SFCL resistif diputus pendek dan kembali ke keadaan superkonduksi dengan cepat.
Karena saklar K memiliki resistensi on-state, ia akan diputus pendek oleh SFCL resistif yang pulih, sehingga membuat pembatas hibrid tipe jembatan seluruhnya tampak sebagai impedansi rendah eksternal. Pada saat ini, pembukaan K menandai akhir dari proses pembatasan arus. Untuk meningkatkan kapasitas SFCL resistif, umumnya digunakan hubungan seri dan paralel unit SFCL resistif untuk meningkatkan rating tegangan dan arus perangkat. Gambar 4 mengilustrasikan skema rangkaian pembatas superkonduktor resistif, di mana R₁ hingga R₆ mewakili resistor superkonduktor, dan R berfungsi sebagai resistor bypass yang dapat memicu quench simultan dua superkonduktor dalam cabang seri yang sama selama gangguan korsleting.
Peran transformator penghubung antar fase adalah untuk memastikan iL1 = iL2 = iL3, sehingga unit-unit SFCL di cabang paralel berbeda dapat quench simultan setelah terjadi gangguan korsleting. SFCL hibrid tipe jembatan secara efektif membatasi nilai steady-state arus korsleting dengan menggunakan karakteristik transisi superkonduktor dari superkonduksi ke keadaan normal (S/N), secara otomatis mengaktifkan resistor pembatas arus saat deteksi gangguan tanpa memerlukan mekanisme deteksi gangguan tambahan. Namun, penambahan perangkat pembatas arus korsleting superkonduktor resistif meningkatkan biaya operasional keseluruhan dan memperpanjang waktu pemulihan dari quench, mempersulit koordinasi dengan operasi reclosing sistem.
2 Pembatas Arus Korsleting Non-Superkonduktor Tipe Jembatan
2.1 Pembatas Arus Padat
Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan pesat dalam teknologi elektronika daya dan perangkat semikonduktor daya kapasitas tinggi—seperti SCR, GTO, GTR, dan IGBT—bersama dengan aplikasi luas mereka dalam sistem praktis, telah menjadikan pembatas arus korsleting yang terdiri dari induktor, resistor, kapasitor, dan komponen elektronika daya sebagai fokus penelitian. Pembatas arus korsleting non-superkonduktor tipe jembatan dibangun dari komponen-komponen konvensional, menghindari teknologi superkonduksi yang kompleks, dan menawarkan keuntungan reliabilitas tinggi dan efisiensi biaya yang baik.
Gambar 5 menunjukkan diagram skematik pembatas arus tipe jembatan fase tunggal ideal, yang terdiri dari rangkaian jembatan fase tunggal dan induktor pembatas arus L. Dalam operasi normal, pulsa trigger berkelanjutan diterapkan pada empat tiristor. Setelah proses magnetisasi singkat, arus dalam induktor mencapai nilai puncak arus beban. Ketika penurunan tegangan di tiristor T₁ hingga T₄ diabaikan, pembatas tidak menunjukkan impedansi eksternal.
Jika terjadi gangguan korsleting selama setengah siklus positif tegangan sumber, T₃ dipaksa untuk mati, menyisipkan induktor pembatas arus ke dalam rangkaian untuk menekan arus gangguan. Dengan menyetel nilai induktor L dengan tepat, arus korsleting dapat dibatasi ke level apa pun yang diinginkan. Selain itu, pembatas ini memiliki kemampuan untuk memutus arus korsleting secara instan. Namun, karena penggunaan empat switch kontrol, logika kontrol untuk pemutusan instan relatif rumit. Selama pembatasan arus gangguan, harmonisa signifikan dihasilkan; ini dapat diminimalisir secara efektif dengan menghubungkan induktor bypass secara paralel di lengan jembatan.
2.2 Pembatas Arus Korsleting Tipe Jembatan Semi-Kendali
Gambar 6 menggambarkan topologi pembatas arus korsleting fase tunggal berdasarkan jembatan semi-kendali dan perangkat self-turn-off. Sistem ini terdiri dari dioda D₁ hingga D₄, perangkat self-turn-off T₁ dan T₂, induktor superkonduktor L, induktor pembatas arus Llim, dan penyerap overvoltage ZnO, dengan us mewakili sumber daya AC dan CB sebagai pemutus sirkuit jalur.
Dalam kondisi operasi normal, dua perangkat self-turn-off T₁ dan T₂ terus-menerus dipicu. Saat pertama kali dinyalakan, arus dalam induktor superkonduktor secara bertahap meningkat hingga nilai puncak arus jalur di bawah pengaruh sumber tegangan. Setelah beban stabil, iL tetap konstan. Mengabaikan penurunan tegangan maju di dioda D₁ hingga D₄ dan perangkat self-turn-off T₁ dan T₂, tegangan di jembatan adalah nol, dan tegangan di induktor pembatas arus Llim juga nol. Akibatnya, pembatas arus tidak menunjukkan impedansi eksternal dan tidak mempengaruhi sistem.
Saat terjadi gangguan korsleting di sistem, arus iL dalam induktor superkonduktor meningkat. Setelah deteksi gangguan korsleting, T₁ dan T₂ segera dimatikan, menyebabkan jembatan keluar operasi. Arus korsleting kemudian beralih ke induktor pembatas arus bypass Llim, sementara arus dalam induktor superkonduktor terus mengalir melalui dioda D₁ dan D₄ hingga berkurang menjadi nol. Gambar 7 menunjukkan kurva arus dan tegangan steady-state dan gangguan pembatas arus korsleting fase tunggal berbasis jembatan semi-kendali.
Sistem dinyalakan pada t=0,02 detik dan mencapai steady state dalam satu siklus. Gangguan korsleting terjadi pada t=0,1 detik, dan T₁ dimatikan dalam seperempat siklus setelah deteksi gangguan. Parameter sirkuit yang digunakan untuk simulasi adalah sebagai berikut: tegangan puncak fase sumber daya adalah 100V/50Hz; arus beban nominal puncak adalah 10A; resistansi beban adalah 10Ω; induktor DC superkonduktor L adalah 10mH; penurunan tegangan maju di dioda dan switch kendali adalah 0,8V; dan induktor pembatas arus Llim adalah 10mH.
Salah satu tujuan utama penggunaan pembatas arus korsleting superkonduktor (SFCL) dalam sistem tenaga adalah untuk membatasi arus gangguan agar tidak melebihi kapasitas pemutusan instan pemutus sirkuit jalur. Dalam analisis, rasio reduksi arus gangguan D (0<D<1) sering digunakan untuk mewakili persentase reduksi arus gangguan puncak, dan ekspresi untuk D adalah:
adalah arus inrush puncak selama korsleting tanpa SFCL terpasang, dan nilainya terkait dengan rasio X/R setara sistem.
Dalam Persamaan (7), Ip menunjukkan amplitudo komponen periodik arus korsleting, dan Ta adalah konstanta waktu. ilim mewakili nilai puncak arus korsleting yang dibatasi, yang bergantung pada besarnya induktor pembatas arus Llim. Dengan memilih nilai Llim dengan tepat, persentase reduksi arus gangguan puncak yang diinginkan dapat dicapai. Simulasi dilakukan dengan Llim ditetapkan pada 10 mH, 15 mH, dan 20 mH, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 8. Dapat dilihat bahwa Llim yang lebih besar memberikan kinerja pembatasan arus yang lebih baik, tetapi juga menyebabkan biaya operasional yang lebih tinggi.
2.3 Perbaikan Pembatas Arus Korsleting Tipe Jembatan Semi-Kendali
Dalam konfigurasi yang ditunjukkan pada Gambar 6, T₁ dan T₂ terus-menerus dipicu dalam kondisi operasi normal. Begitu terdeteksi gangguan korsleting, sirkuit kendali mematikan T₁ dan T₂. Dengan menempatkan satu switch kendali T di jalur umum jembatan untuk menggantikan T₁ dan T₂, efektivitas pembatasan arus yang sama dapat dicapai. Modifikasi ini mengurangi jumlah komponen switch kendali, menurunkan biaya, dan menyederhanakan kompleksitas sirkuit. Diagram skematik ditunjukkan pada Gambar 9.
3 Kesimpulan
Makalah ini menyajikan beberapa jenis pembatas arus korsleting tipe jembatan. Dengan menghubungkan pembatas arus korsleting superkonduktor tipe jembatan konvensional dengan pembatas arus korsleting superkonduktor resistif, kedua nilai puncak dan steady-state arus korsleting dapat dibatasi secara efektif. Selain itu, dengan memanfaatkan karakteristik transisi S/N (superkonduksi-ke-normal) material superkonduktor, sistem mengintegrasikan deteksi gangguan, pemicuan, dan pembatasan arus menjadi satu unit, menawarkan respons cepat dan keandalan tinggi.
Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan pesat dan aplikasi praktis teknologi elektronika daya dan perangkat semikonduktor daya kapasitas tinggi, pembatas arus korsleting non-superkonduktor tipe jembatan—yang terdiri dari switch elektronika daya konvensional dan induktor—telah mendapatkan keunggulan dalam hal keandalan dan efisiensi biaya karena tidak adanya teknologi superkonduksi yang kompleks. Hasil simulasi menunjukkan bahwa kedua jenis pembatas arus mencapai kinerja pembatasan arus yang luar biasa, mengonfirmasi kelayakan pendekatan pembatasan arus yang diusulkan.