Analisis Keterandalan Pembatas Arus Korting di Gardu Induk Tegangan Tinggi

1 Pendahuluan

Untuk memenuhi permintaan energi listrik yang tumbuh dengan cepat, sistem pembangkit, transmisi, dan distribusi listrik harus berkembang sesuai. Salah satu masalah kritis yang muncul dari perkembangan ini adalah peningkatan cepat arus pendek. Peningkatan arus pendek menyebabkan beberapa bahaya:

• panas berlebih pada perangkat yang terhubung seri sepanjang jalur kerusakan;
• peningkatan tegangan sementara dan pemulihan selama penghentian arus, yang mungkin merusak sistem isolasi;
• pembuatan gaya mekanis yang sangat tinggi pada peralatan berbasis kumparan (misalnya, transformator, generator, reaktor);
• potensi ketidakstabilan sistem tergantung pada magnitudo dan waktu pembersihan arus kerusakan;
• penghenti sirkuit yang ada mungkin tidak lagi mampu menghentikan arus kerusakan yang meningkat, sehingga diperlukan penggantian yang mahal dalam hal waktu dan uang; untuk menghindari biaya tersebut, transformator paralel mungkin dibatasi atau konektivitas sistem dikurangi, yang mengurangi kapasitas transmisi dan keandalan sistem;
• peningkatan arus kerusakan memperpanjang tindakan korektif, menyebabkan durasi gangguan lebih lama dan kerugian ekonomi yang lebih besar;
• penurunan keandalan jaringan.

Saat ini, tersedia tiga solusi utama untuk mengurangi efek-efek ini:

• membangun struktur jaringan dengan probabilitas kerusakan minimal;
• menggunakan penghenti sirkuit dengan kapasitas penghentian yang lebih tinggi atau mengganti penghenti yang lemah dengan yang lebih mampu;
• memodifikasi jaringan untuk mengurangi tingkat arus pendek. Biasanya digunakan kombinasi dari solusi-solusi ini untuk mencapai desain jaringan optimal sambil mempertahankan keandalan sistem dalam batas yang dapat diterima. Namun, kemungkinan terjadinya kerusakan tidak dapat sepenuhnya dihilangkan, dan mendesain peralatan listrik berdasarkan arus pendek yang semakin meningkat secara komersial tidak praktis. Solusi ketiga dapat dibagi lebih lanjut menjadi:
  • mengurangi konektivitas sistem (misalnya, pemisahan bus);
  • menerapkan pembatas arus kerusakan (FCLs).

Mengganti penghenti sirkuit dengan kapasitas penghentian yang lebih tinggi adalah solusi yang mahal dan mungkin tidak layak dalam beberapa kasus. Selain itu, sistem perlindungan menunjukkan penundaan dalam deteksi kerusakan berdasarkan spesifikasi relai. Operasi penghenti sirkuit dan pemadaman busur tidak instan, biasanya memerlukan 3–5 siklus untuk sepenuhnya membersihkan kerusakan. Oleh karena itu, arus kerusakan biasanya tidak dapat dihentikan dalam 2–8 siklus pertama setelah kerusakan terjadi. Selama periode ini, arus yang sangat tinggi mengalir melalui perangkat seri di jalur kerusakan, dan bahkan durasi singkat ini bisa merusak, terutama selama siklus pertama ketika komponen DC arus kerusakan sangat tinggi.

Pemisahan bus dan reduksi konektivitas sistem dapat dipertimbangkan sebagai alternatif untuk mengatasi masalah ini. Namun, mereka memperkenalkan tantangan operasional lainnya, seperti kapasitas transmisi yang berkurang, aliran daya yang berubah, dan peningkatan kerugian. Kebutuhan akan FCL muncul dari kebutuhan untuk melindungi peralatan yang mahal dan rentan. Secara umum, semua strategi FCL yang diusulkan didasarkan pada penyisipan impedansi tinggi ke dalam jalur seri selama kerusakan, hanya berbeda dalam implementasinya. Karakteristik yang diinginkan dari FCL ideal biasanya:

• impedansi sangat rendah dalam kondisi sistem tenaga normal;
• penyisipan impedansi tinggi selama kerusakan;
• operasi cepat untuk membatasi komponen DC arus kerusakan;
• kemampuan untuk melakukan operasi berulang kali dalam waktu singkat dan pemulihan sendiri;
• tidak memperkenalkan harmonik ke dalam sistem tenaga;
• minimalisasi overvoltage sementara;
• keandalan tinggi.

2 Keandalan Pembatas Arus Kerusakan

Penerapan FCL di gardu induk umumnya didorong oleh dua alasan utama:

• menghindari solusi yang mahal untuk mengganti penghenti sirkuit yang sudah terpasang dengan yang memiliki kapasitas arus pendek yang lebih tinggi;
• menjaga topologi gardu induk dan menghindari pemisahan bus karena masalah operasional atau keandalan. Saat ini, tidak ada sumber atau referensi yang andal tentang karakteristik keandalan FCL; oleh karena itu, dalam studi ini, kami bertujuan untuk menganalisis masalah ini dengan mempertimbangkan karakteristik teknis. Beberapa FCL menggunakan teknologi yang sangat kompleks, yang mungkin mengurangi keandalannya.

Ada berbagai jenis FCL, di antaranya FCL resonan dan superkonduktor lebih menonjol.

A. FCL Resonan

Banyak konfigurasi untuk FCL resonan telah diusulkan. Mereka umumnya diklasifikasikan sebagai FCL resonan seri dan FCL resonan paralel. FCL resonan memiliki beberapa karakteristik yang menguntungkan untuk pembatasan kerusakan, termasuk:

• Operasi tanpa penghentian arus;
• Respons cepat terhadap kerusakan;
• Kemampuan untuk membawa arus pendek selama durasi kerusakan;
• Kemampuan reset.

Namun, FCL resonan biasanya terdiri dari banyak komponen, dan keandalan keseluruhan bergantung pada operasi yang benar dari setiap komponen. Selain itu, beberapa FCL resonan memerlukan perangkat pelatuk eksternal, yang berarti komponen tambahan diperlukan untuk mendeteksi arus pendek dan memulai pelatuk. Ini meningkatkan kompleksitas sistem dan mengurangi keandalan. Oleh karena itu, FCL yang memicu sendiri jelas lebih andal.

B. FCL Superkonduktor

Dibandingkan dengan FCL resonan, FCL superkonduktor memerlukan komponen yang lebih sedikit dan memicu sendiri. Strategi pembatasan arus kerusakan sederhana dan didasarkan pada perilaku alami bahan superkonduktor. Superkonduktivitas hanya ada pada suhu sangat rendah, sehingga FCL superkonduktor memerlukan peralatan pendinginan tambahan, yang meningkatkan biaya investasi. Konsep yang diusulkan dalam makalah ini dibatasi untuk mengevaluasi dampak penerapan FCL terhadap keandalan gardu induk.

3 Mode Kegagalan FCL

Seperti komponen lain di gardu induk tegangan tinggi, FCL menunjukkan mode kegagalan yang berbeda yang harus dipertimbangkan saat menilai keandalan gardu induk transmisi yang mengintegrasikan FCL. Bagian ini membandingkan tingkat kegagalan dari berbagai jenis FCL.

Ada hubungan fundamental antara keandalan sistem lengkap dan jumlah subsistemnya, semua subsistem tersebut harus beroperasi dengan benar untuk mencapai fungsi keseluruhan yang diinginkan.

• A. Mode kegagalan aktif
• B. Mode kegagalan pasif
• C. Mode kegagalan tetap

Jelas, FCL yang memerlukan sistem pelatuk (FCL yang dipicu eksternal) memiliki tingkat kegagalan yang lebih tinggi. Secara umum, FCL apa pun yang melibatkan pelatuk atau kommutasi melibatkan operasi berurutan dari beberapa perangkat pengalihan, yang memerlukan sinkronisasi dan koordinasi yang tepat, yang secara signifikan meningkatkan kompleksitas dibandingkan dengan penghenti sirkuit konvensional.

Pada FCL resonan (baik dipicu eksternal maupun dipicu sendiri), mode kegagalan tetap mungkin muncul karena variasi karakteristik elemen resonan yang disebabkan oleh perubahan kondisi operasi seperti suhu, atau operasi di bawah kondisi non-rated.

FCL superkonduktor hanya menunjukkan mode kegagalan tersebut pada pendinginan berlebihan, yang jarang terjadi. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa FCL superkonduktor pada dasarnya tidak memiliki mode kegagalan tersebut. Dalam sebagian besar kasus, FCL superkonduktor dapat dirancang dengan parameter yang dapat diprediksi dan mampu menahan ribuan siklus aktivasi dan pemulihan. Selain itu, menggunakan FCL yang lebih kecil daripada yang lebih besar dapat meningkatkan keandalan dan kemampuan pembatasan arus. Tabel 1 secara singkat membandingkan tingkat kejadian dari berbagai mode kegagalan di berbagai jenis FCL.

4 Aplikasi Praktis

Sebuah contoh gardu induk yang ditunjukkan pada Gambar 1 digunakan untuk mengevaluasi dampak penerapan FCL terhadap keandalan gardu induk. Dikenal bahwa selama perawatan, penggunaan penghenti sirkuit pemisah bus untuk mengelola skema perlindungan dan meningkatkan fleksibilitas konfigurasi gardu induk adalah praktik umum. Ketika tingkat arus kerusakan di gardu induk melebihi kapasitas penghentian penghenti sirkuit, mengganti penghenti sirkuit pemisah bus dengan FCL menjadi solusi yang layak. Memang, Inter-Bus FCL adalah salah satu aplikasi FCL yang paling umum.

Anggaplah bahwa semua beban yang terhubung ke bus 330 kV identik. Penilaian keandalan fokus pada Beban 1 di bus 330 kV kiri dan Beban 5 di bus 330 kV kanan. Keandalan beban dievaluasi menggunakan indeks berikut: (1) Probabilitas hilangnya beban (%); (2) Waktu gangguan tahunan (U). Bus 330 kV diasumsikan sepenuhnya andal. Untuk menghindari perhitungan yang tidak perlu, mode kegagalan yang melibatkan kegagalan simultan lebih dari tiga komponen tidak dipertimbangkan. Karena tingkat kejadian mode kegagalan tersebut sangat rendah, asumsi ini tidak memperkenalkan kesalahan yang signifikan.

Tabel 2 menunjukkan tingkat kegagalan dan waktu perbaikan komponen. Untuk analisis awal, kita mulai dengan menghitung indeks keandalan yang terkait dengan bus 330 kV kiri. Untuk perbandingan yang informatif dan komprehensif, secara teori, kita seharusnya menghitung indeks keandalan untuk semua titik beban dari L1 hingga L7. Namun, mengingat beban-beban tersebut serupa dan terhubung ke bus yang sama, mereka akan memiliki mode kegagalan yang serupa. Oleh karena itu, kita hanya perlu menghitung indeks keandalan untuk Titik Beban 1 (L1) di bus kiri dan Titik Beban 5 (L5) di bus kanan.

Seperti disebutkan di atas, dua indeks probabilistik digunakan untuk analisis: probabilitas hilangnya beban (dalam f/tahun) dan waktu gangguan tahunan (dalam jam/tahun, A). Indeks ini dievaluasi untuk kasus kegagalan satu komponen.

Untuk kasus kegagalan simultan dua komponen, laju kegagalan ekuivalen (λₑ), rata-rata durasi gangguan (r), dan waktu gangguan tahunan (u) dinyatakan sebagai berikut:

Untuk kasus kegagalan simultan pada tiga tingkat, dinyatakan sebagai berikut:

Dengan mempertimbangkan semua mode kegagalan, laju kegagalan total dan waktu gangguan tahunan total dapat dihitung sebagai berikut:

Tabel 3 menunjukkan hasil analisis keandalan untuk beban-beban tersebut.

Sekarang, perhitungan yang sama dilakukan untuk feeder di bus 230 kV lainnya. Tabel 4 menunjukkan hasil yang terkait dengan titik beban LS.

5 Kesimpulan

Makalah ini menyajikan penerapan pembatas arus kerusakan (FCL) untuk meningkatkan keandalan gardu induk, menjelaskan model matematika dan prosedur perhitungan keandalan, serta mengevaluasi dampak penerapan FCL terhadap keandalan gardu induk. Hasil menunjukkan bahwa keandalan gardu induk ditingkatkan dengan menggunakan FCL. Analisis sensitivitas juga dilakukan untuk memeriksa pengaruh berbagai parameter—seperti laju kegagalan aktif, laju kegagalan pasif, dan waktu perbaikan FCL—terhadap indeks keandalan.