Mengurangi Risiko Pembuangan pada RMU dengan Isolasi Udara 12 kV Menggunakan Desain Pelindung Grading
Makalah ini mengambil pemutusan isolasi primer dari unit ring main bertegangan 12kV dengan isolasi udara (RMU) sebagai objek penelitian, menganalisis distribusi dan keteraturan medan listrik di sekitarnya, mengevaluasi kinerja isolasi pada lokasi tersebut, dan mengurangi risiko pelepasan sambil meningkatkan kinerja isolasi melalui optimisasi struktur, sehingga memberikan acuan untuk desain isolasi produk serupa.
1 Struktur Unit Ring Main dengan Isolasi Udara
Model struktur tiga dimensi RMU dengan isolasi udara yang diteliti dalam makalah ini ditunjukkan pada Gambar 1. Sirkuit utama menggunakan konfigurasi yang menggabungkan saklar vakum dengan saklar tiga posisi, disusun dengan saklar tiga posisi di sisi busbar—yaitu, saklar tiga posisi berada di bagian atas RMU, sementara saklar vakum dipasang di bagian bawah dalam struktur tiang padat. Karena saklar vakum terenkapsulasi dalam tiang, eksteriornya diisolasi dengan resin epoksi, yang memiliki sifat isolasi jauh lebih baik daripada udara, sehingga memenuhi persyaratan isolasi.
Selain itu, busbar penghubung pada titik penyegelan tiang padat menggunakan tepi berbentuk miring dan desain berbentuk lengkungan, dikombinasikan dengan penyegelan karet silikon, secara efektif mengurangi masalah pelepasan parsial di area ini. Jarak isolasi antar busbar dan ke tanah dirancang sesuai standar isolasi relevan dan memenuhi persyaratan regulasi.
Pisau isolasi saklar tiga posisi bergantung pada udara sebagai medium isolasi. Sebagai komponen penghubung yang dapat bergerak, strukturnya mencakup bagian logam seperti pin, pegas, pegas cakram, dan klip lingkaran untuk meningkatkan tekanan kontak antara kontak isolasi. Namun, karena bentuk kompleks dari bagian-bagian logam ini, distribusi medan listrik bisa menjadi sangat tidak merata, menyebabkan pelepasan parsial dan risiko kerusakan potensial, yang berdampak negatif pada kinerja isolasi di lokasi tersebut.
Oleh karena itu, desain listrik struktur ini sangat penting. Sesuai dengan persyaratan desain produk, pemutusan isolasi harus mampu menahan tegangan daya frekuensi pendek nominal 50kV, dengan jarak listrik minimum yang dirancang 100mm. Mengingat kompleksitas struktur pisau isolasi, perisai grading ditambahkan di kedua sisi pisau untuk meningkatkan keteraturan medan listrik dan mengurangi pelepasan parsial. Model tiga dimensi saklar tiga posisi ditunjukkan pada Gambar 2. Makalah ini melakukan analisis simulasi medan listrik pada pemutusan isolasi ini.
2 Analisis Simulasi
Perangkat lunak elemen hingga digunakan untuk melakukan simulasi medan listrik pada unit ring main, menganalisis distribusi kekuatan medan listrik pada pemutusan isolasi di bawah tegangan daya frekuensi pendek nominal 50 kV. Dua kasus simulasi medan listrik statis dipertimbangkan:
Kasus 1: Sisi busbar (sisi kontak isolasi tetap) berada pada potensial rendah (0 V), dan sisi garis (sisi ujung pisau isolasi) berada pada potensial tinggi (50 kV).
Kasus 2: Sisi busbar (sisi kontak isolasi tetap) berada pada potensial tinggi (50 kV), dan sisi garis (sisi ujung pisau isolasi) berada pada potensial rendah (0 V).
Distribusi medan listrik pada lokasi kekuatan medan listrik maksimum untuk kedua kasus diperoleh melalui simulasi. Distribusi kekuatan medan listrik di ujung pisau isolasi pada Kasus 1 ditunjukkan pada Gambar 3, dan distribusi di kontak isolasi tetap pada Kasus 2 ditunjukkan pada Gambar 4. Pada Kasus 1, kekuatan medan listrik maksimum terjadi di ujung perisai grading, mencapai 7,07 kV/mm; pada Kasus 2, nilai maksimum terjadi di tepi miring kontak isolasi tetap, dengan nilai 4,90 kV/mm.
Kekuatan medan listrik kritis tipikal untuk udara adalah 3 kV/mm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4, meskipun kekuatan medan listrik di sebagian besar area pemutusan isolasi berada di bawah 3 kV/mm—tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan—area tertentu melebihi ambang batas ini, menyebabkan pelepasan parsial. Ketika udara berubah dari kondisi kering menjadi lembab, kemampuan isolasinya menurun [10], menurunkan kekuatan medan listrik kritis rata-rata di bawah 3 kV/mm. Selain itu, distribusi medan listrik yang sangat tidak merata semakin menurunkan kekuatan kerusakan kritis udara, meningkatkan kemungkinan dan risiko kerusakan. Untuk mengurangi dampak faktor lingkungan eksternal pada medium isolasi udara dan meningkatkan keteraturan medan, studi ini mengevaluasi derajat keteraturan medan listrik dan level tegangan tahanan di seluruh pemutusan isolasi, sebagai dasar untuk meningkatkan kemampuan isolasi pemutusan.
3 Karakteristik Isolasi Udara
3.1 Penentuan Koefisien Non-Keteraturan Medan Listrik
Dalam praktiknya, medan listrik yang sempurna dan merata tidak ada; semua medan listrik pada dasarnya tidak merata. Berdasarkan koefisien non-keteraturan medan listrik f, medan listrik diklasifikasikan menjadi dua jenis: ketika f ≤ 4, medan dianggap sedikit tidak merata; ketika f > 4, dianggap sangat tidak merata. Koefisien non-keteraturan f didefinisikan sebagai f = Eₘₐₓ/Eₐᵥ, di mana Eₘₐₓ adalah kekuatan medan listrik lokal maksimum, diperoleh dari nilai puncak hasil simulasi, dan Eₐᵥ adalah kekuatan medan listrik rata-rata, dihitung sebagai tegangan yang diterapkan dibagi dengan jarak listrik minimum.
Dari Gambar 3, Eₘₐₓ = 7,07 kV/mm dan Eₐᵥ = 0,5 kV/mm. Oleh karena itu, koefisien non-keteraturan medan listrik pada pemutusan isolasi adalah f = 14,14 > 4, menunjukkan medan listrik yang sangat tidak merata. Di wilayah dengan medan listrik sangat tidak merata, pelepasan parsial stabil dapat terjadi, dan semakin tinggi derajat non-keteraturannya, semakin signifikan pelepasan parsial dan semakin besar magnitud pelepasan. Untuk unit ring main 12 kV, jumlah total pelepasan parsial seluruh lemari harus kurang dari 20 pC [5,11]. Oleh karena itu, mengurangi koefisien non-keteraturan medan listrik membantu menurunkan tingkat pelepasan parsial.
3.2 Penentuan Tegangan Tahanan Udara
Koefisien non-keteraturan medan listrik mempengaruhi tegangan tahanan udara kering. Ketika medan sedikit tidak merata, tegangan tahanan adalah:
di mana U menunjukkan tegangan tahanan; d mewakili jarak listrik minimum antara elektroda; k adalah faktor keandalan, biasanya berkisar dari 1,2 hingga 1,5 berdasarkan pengalaman; dan E₀ merujuk pada kekuatan medan listrik breakdown gas. Dalam praktik, kekuatan medan breakdown ini tergantung pada konfigurasi spesifik dua elektroda, dan kekuatan breakdown udara bervariasi dengan struktur elektroda dan jarak clearance yang berbeda. Untuk tujuan analisis perbandingan, makalah ini mengasumsikan E₀ = 3 kV/mm. Seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan (1), meningkatkan jarak listrik minimum d dan mengurangi koefisien non-keteraturan medan listrik f dapat meningkatkan tegangan tahanan medium isolasi udara.
Ketika menangani medan listrik sangat tidak merata, untuk elektroda dengan jarak listrik minimum dalam rentang 100 mm, tegangan tahanan dihitung sebagai berikut:
Dalam rumus, U50%(d) mewakili tegangan breakdown 50% dari elektroda pada jarak listrik spesifik d selama tes impuls petir. Dalam medan listrik sangat tidak merata, ada dispersi yang signifikan dalam tegangan breakdown dan waktu lag pelepasan yang lebih lama, membuat tegangan breakdown sangat tidak stabil. Dalam aplikasi teknik praktis, U50%(d) ditentukan dengan melakukan beberapa tes impuls petir dan mengidentifikasi tegangan yang diterapkan di mana ada probabilitas 50% terjadinya breakdown. Nilai ini sangat terkait dengan struktur produk dan keteraturan medan listrik. Ditetapkan bahwa koefisien non-keteraturan medan listrik yang lebih rendah menghasilkan dispersi tegangan breakdown yang lebih sedikit, tegangan breakdown yang lebih tinggi, dan karenanya, tegangan tahanan yang lebih tinggi. Oleh karena itu, mengurangi koefisien non-keteraturan medan listrik bermanfaat untuk meningkatkan tegangan tahanan pemutusan isolasi.
4 Optimalisasi Struktur
Untuk meningkatkan keteraturan medan listrik di sekitar ujung pisau isolasi dan mengurangi koefisien non-keteraturan medan listrik, dilakukan optimalisasi struktur perisai grading. Model perisai grading sebelum dan setelah optimalisasi ditunjukkan pada Gambar 5, sementara tampilan potongan ditampilkan pada Gambar 6. Seperti yang terlihat dari Gambar 6, dibandingkan dengan desain pra-optimalisasi, perisai grading yang dioptimalkan memiliki ujung yang lebih tebal dengan sudut bulat, meningkatkan jari-jari sudut dari 0,75 mm menjadi 4 mm. Penyempurnaan ini meningkatkan jari-jari kelengkungan, mempromosikan distribusi medan listrik yang lebih merata. Distribusi kekuatan medan listrik di sekitar ujung pisau isolasi yang dioptimalkan ditunjukkan pada Gambar 7. Dari gambar tersebut, terlihat bahwa kekuatan medan listrik maksimum telah berkurang menjadi 3,66 kV/mm, sekitar setengah dari nilai aslinya, menunjukkan peningkatan yang signifikan.
Berdasarkan rumus yang disebutkan f=Emax/Eav, koefisien non-keteraturan medan listrik setelah optimalisasi adalah 7,32, yang sekitar setengah dibandingkan sebelum optimalisasi.
Ini menunjukkan peningkatan signifikan dalam keteraturan medan listrik di sekitar ujung pisau isolasi, menunjukkan bahwa optimalisasi struktur efektif. Perbandingan data sebelum dan setelah optimalisasi perisai grading ditunjukkan pada Tabel 1. Seperti yang terlihat dari Tabel 1, struktur perisai grading yang dioptimalkan memang mengurangi risiko pelepasan breakdown antara pemutusan isolasi. Namun, medan listrik antara pemutusan isolasi tetap sangat tidak merata, artinya tegangan tahanannya masih ditentukan oleh U50%(d). Tingkat peningkatan tegangan tahanan dapat dikonfirmasi lebih lanjut melalui pengujian lapangan.
Terjemahan ini mempertahankan detail teknis dan konteks yang diberikan dalam teks asli, memastikan kejelasan dan akurasi untuk audiens berbahasa Inggris.
5 Verifikasi Eksperimental
Untuk memvalidasi efektivitas analisis simulasi, uji pelepasan parsial dilakukan pada unit ring main bertegangan 12 kV dengan isolasi udara. Tiga unit prototipe (No. 1 hingga No. 3) disiapkan. Uji pelepasan parsial pertama dilakukan dengan perisai grading asli (pra-optimalisasi) dipasang pada pisau isolasi dari ketiga unit. Kemudian, perisai grading yang dioptimalkan dipasang, dan uji diulang. Data pelepasan parsial yang dihasilkan ditampilkan dalam Tabel 2.
Seperti yang ditunjukkan dalam tabel, tingkat pelepasan parsial sebelum optimalisasi semua melebihi 20 pC, sementara setelah optimalisasi berkurang menjadi di bawah 4,5 pC. Ini menunjukkan bahwa struktur perisai grading yang dioptimalkan secara efektif meningkatkan kinerja isolasi unit ring main dan mengkonfirmasi validitas simulasi dan analisis sebelumnya.
6 Kesimpulan
Berdasarkan analisis medan listrik pada pemutusan isolasi dalam unit ring main bertegangan 12 kV dengan isolasi udara, ditarik kesimpulan berikut:
Karena kemampuan isolasi udara inferior dibandingkan SF₆, perbaikan distribusi medan listrik sangat penting untuk meningkatkan kinerja isolasi ketika udara digunakan sebagai medium isolasi dalam saklar tiga posisi unit ring main.
Karena kompleksitas struktur komponen bergerak (pisau isolasi) dalam saklar tiga posisi unit ring main dengan isolasi udara, distribusi kekuatan medan listrik di lokasi tertentu dapat menjadi sangat tidak merata. Untuk mengurangi non-keteraturan ini, perisai grading dapat ditambahkan di kedua sisi pisau isolasi untuk melindungi daerah medan tinggi dekat bagian penghubung pisau, sehingga menggeser lokasi kekuatan medan puncak ke ujung perisai grading. Dalam studi ini, peningkatan jari-jari kelengkungan di ujung perisai dari 0,75 mm menjadi 4 mm mengurangi kekuatan medan listrik lokal maksimum dan koefisien non-keteraturan medan listrik menjadi sekitar setengah dari nilai aslinya, mencapai efek optimalisasi yang diinginkan.
Keteraturan distribusi medan listrik, atau koefisien non-keteraturan medan listrik, sangat mempengaruhi pelepasan parsial dan pelepasan breakdown. Medan yang sangat tidak merata cenderung menghasilkan pelepasan parsial (pelepasan korona) yang stabil. Baik dalam medan sedikit maupun sangat tidak merata, koefisien non-keteraturan yang lebih tinggi menghasilkan tegangan tahanan yang lebih rendah antara elektroda.
