Peralatan Pemutus Tegangan Tinggi dan Kegagalan Mekanisme Operasional
Peralatan pemutus tegangan tinggi (HVD) adalah peralatan pemutusan yang kritis dalam grid tenaga, terutama digunakan untuk mengisolasi sumber daya bersama dengan pemutus sirkuit. Dengan usulan "grid digital," kemajuan berkelanjutan dalam teknologi peralatan pemutus tegangan tinggi, dan ekspansi grid tenaga China, aplikasi HVD telah meningkat baik dari segi jumlah maupun keragaman. Mekanisme operasi listrik, komponen penting yang mengendalikan gerakan pemutusan HVD, memerlukan keandalan dan stabilitas luar biasa.
HVD memiliki tingkat kegagalan yang tinggi di antara peralatan tegangan tinggi, dengan mekanisme operasi menjadi penyebab utama gangguan. Kegagalan umum mekanisme operasi termasuk penolakan pemutusan, kegagalan operasi, dan pembukaan/tutupan tidak lengkap. Lari bebas mekanisme operasi—di mana motor terus berjalan—dapat menyebabkan pemadaman besar pada peralatan grid. Di antaranya, kegagalan pembukaan/tutupan (termasuk penolakan pemutusan, operasi tidak lengkap, dan akurasi pemutusan rendah) sangat mempengaruhi stabilitas grid.
Penelitian menunjukkan bahwa kegagalan HVD yang disebabkan oleh mekanisme operasi listrik sebagian besar berasal dari masalah rangkaian sekunder, seperti kegagalan kontrol akibat komponen listrik berkualitas buruk atau sambungan longgar dalam rangkaian sekunder. Untuk mekanisme operasi listrik tipe CJx yang banyak digunakan, motor internal dilindungi oleh pemutus sirkuit termomagnetik dan perangkat perlindungan motor elektronik. Terpapar di luar ruangan selama bertahun-tahun, mekanisme ini mempertahankan postur operasional selama 3-6 tahun setelah pengoperasian, tetapi komponen kontrol listriknya rapuh dan sangat rentan terhadap faktor lingkungan.
Operasi jangka panjang dapat melonggarkan saklar batas dan mur, menyebabkan pemutusan tidak lengkap jika tidak terdeteksi (misalnya, penyimpangan posisi 5° dalam Gambar 1 menimbulkan risiko bagi grid). Saklar perjalanan, yang penting untuk transisi proses pemutusan, mengalami kontak yang teroksidasi dan umur layanan yang pendek akibat pengaruh lingkungan.
Ringkasan dan Status Penelitian Kegagalan Peralatan Pemutus Tegangan Tinggi
Secara ringkas, penyebab utama kegagalan pembukaan/tutupan peralatan pemutus tegangan tinggi (HVD) dapat dikategorikan menjadi dua jenis: gangguan rangkaian kontrol listrik dan kegagalan sistem mekanis. Makalah ini fokus pada rangkaian kontrol listrik, yang terutama mencakup kegagalan rangkaian motor, kegagalan saklar batas, dan masalah rangkaian sekunder. Analisis menunjukkan bahwa tingkat kegagalan pemutusan yang tinggi sebagian besar disebabkan oleh kegagalan motor dan rangkaian sekunder, yang secara signifikan mempengaruhi operasi HVD. Oleh karena itu, menyelesaikan masalah keamanan dan keandalan mekanisme operasi HVD sangat mendesak.
1. Status Penelitian Peralatan Pemutus Tegangan Tinggi
Para peneliti dan insinyur yang relevan telah melakukan penelitian luas tentang isu-isu di atas dan mengusulkan solusi konstruktif, yang diringkas dalam dua aspek kunci:
1.1 Status Penelitian Gangguan Rangkaian Sekunder
Banyak studi telah menangani masalah komponen listrik dalam rangkaian sekunder. Penyegelan yang buruk pada kotak mekanisme operasi memungkinkan air hujan masuk, menyebabkan korosi komponen, kegagalan saklar bantu/relai, kontak tombol longgar, dan macet mekanis—yang mengakibatkan penolakan pemutusan atau operasi tidak lengkap. Solusi yang diusulkan termasuk pemeliharaan rutin, perlindungan kelembaban, dan diagram alir kesalahan untuk pemecahan masalah cepat.
Untuk aus mekanis seperti pin yang bengkok, mur batas longgar, atau sekrup yang aus akibat inersia motor, dianjurkan untuk melakukan pemeriksaan sering dan eliminasi cacat tepat waktu. Bahan antioksidan disarankan untuk sambungan kawat yang terkorosi, sementara metode pengujian tegangan/resistensi membantu mendiagnosis gangguan rangkaian sekunder—ditingkatkan dengan pencatatan cacat untuk meningkatkan efisiensi pemecahan masalah. Perangkat pemanas telah diusulkan untuk mengatasi masalah kelembaban seperti ketidaksesuaian saklar bantu dan kontak buruk dalam mekanisme operasi listrik.
Namun, studi yang ada hanya mendaftar titik-titik gagal dan menekankan pemeliharaan tanpa solusi fundamental, mencerminkan perhatian rendah terhadap rangkaian sekunder. Personel pemeliharaan sering meremehkan komponen listrik dibandingkan bagian mekanis, dan ketidaktahuan tentang struktur/prinsip komponen sekunder—ditambah dengan pemeriksaan rutin yang diabaikan—adalah penyebab tidak langsung kegagalan.
1.2 Status Penelitian Masalah Akurasi Pemutusan
Untuk mengatasi akurasi pemutusan dan inersia mekanis, para cendekiawan telah meningkatkan kontrol motor dengan merancang mekanisme operasi motor DC tanpa sikat (BLDC) dan motor sinkron magnet permanen (PMSM). Mekanisme HVD berbasis BLDC dengan inti DSP dan strategi kontrol ganda tertutup telah menunjukkan regulasi kecepatan pemutusan yang efektif. Metode serupa untuk pemantauan kecepatan real-time memastikan operasi lancar dan meningkatkan akurasi tutup, membentuk dasar untuk pengembangan grid cerdas. Perlu dicatat, desain-desain ini masih dalam tahap penelitian teoretis dan simulasi laboratorium, dengan keandalan yang belum terbukti dalam aplikasi praktis.
2 Skema Desain Mekanisme Operasi Listrik Terdistribusi
Berdasarkan analisis di atas, penyebab utama kegagalan mekanisme operasi adalah keandalan rendah rangkaian kontrol listrik, yang sangat rentan terhadap faktor lingkungan. Pemeliharaan yang tertunda atau masalah lainnya dapat merusak komponen listrik, menyebabkan kegagalan pemutusan. Sebagai tanggapan, makalah ini mengusulkan desain terdistribusi untuk mekanisme operasi listrik.
2.1 Konsep Kontrol Terdistribusi untuk Mekanisme Operasi Listrik
Kontrol terdistribusi membagi seluruh sistem menjadi segmen-segmen terpisah, masing-masing dikendalikan secara independen oleh pengontrol utama. Desain ini memisahkan modul kontrol listrik dari modul penggerak motor:
Mengingat lingkungan luar yang bervariasi dan kerentanan kabel, strategi kabel berbagi waktu diterapkan berdasarkan prinsip TRIZ multi-penggunaan. Karena sirkuit kontrol motor dan sirkuit indikator status pemutusan tidak perlu diaktifkan secara simultan, pendekatan ini memungkinkan transmisi sinyal untuk kontrol motor dan indikasi posisi pemutus menggunakan hanya 5 kabel. Ini secara signifikan mengurangi dampak lingkungan eksternal pada mekanisme operasi listrik. Konsep kontrol keseluruhan mekanisme operasi listrik terdistribusi ditunjukkan dalam Gambar 2.
2.2 Desain Modul Kontrol Terdistribusi
Mekanisme operasi listrik seri CJx yang banyak diterapkan dirancang dengan integrasi komponen listrik dan mekanis, beroperasi di luar ruangan sepanjang tahun dalam konfigurasi tetap sejak pengoperasian. Integrasi ini merupakan faktor kunci yang menyumbang tingginya tingkat kegagalan. Desain modular mengganggu setup satu paket di luar ruangan ini dengan membagi mekanisme menjadi dua modul terpisah: modul kontrol listrik dan modul penggerak mekanis.
Desain modular menawarkan keuntungan yang jelas: memungkinkan modul kontrol listrik diposisikan dalam lingkungan dengan suhu stabil, secara signifikan mengurangi dampak lingkungan pada operasi pemutusan HVD; dan meminimalkan kabel antar-modul, memungkinkan penggantian cepat modul yang rusak—memberikan prioritas "ganti dulu, perbaiki nanti" untuk meningkatkan efisiensi pemeliharaan dan mengurangi downtime grid.
2.2.1 Modul Kontrol Listrik
Modul kontrol listrik terdiri dari pengontrol utama, saklar transfer buka/tutup, relai, sirkuit indikator posisi, dan pelindung fase hilang, seperti yang diuraikan dalam konsep desain Gambar 3.
Logika kontrol berfungsi sebagai berikut: sinyal pemutusan (buka/tutup) dari tombol dikirim ke pengontrol, yang mengatur operasi motor berdasarkan perintah. Ketika HVD dalam keadaan terbuka, sirkuit posisi terbuka diaktifkan, menyalakan indikator. Menekan tombol tutup memicu pengontrol untuk mengaktifkan relai motor utama dan relai transfer sirkuit tutup, menggerakkan HVD untuk menutup. Setelah selesai, relai motor dilepas, mengaktifkan sirkuit posisi tutup dan indikator. Pelindung fase hilang melindungi sirkuit motor dengan fungsi timer, memutus sirkuit utama dalam jangka waktu tertentu jika terjadi gangguan.
2.2.2 Modul Penggerak Motor
Modul penggerak motor terutama terdiri dari motor AC, pengurang kecepatan, kopling gesek, saklar bantu Siemens, sirkuit pemadam busur thyristor, batas batas, dan perangkat penguncian mekanis. Ketika pengontrol utama mengirim perintah buka/tutup, sirkuit kontrol motor diaktifkan, menggerakkan pengurang kecepatan dan poros utama melalui motor untuk operasi pemutusan. Batas batas di bagian atas poros utama, bersama dengan perangkat penguncian mekanis, mengontrol akurasi posisi pemutusan. Sementara itu, saklar bantu Siemens bekerja dengan sirkuit pemadam busur thyristor untuk memutus sirkuit kontrol motor, menghentikan operasi motor. Margin rotasi 90 derajat di antara pengurang kecepatan dan poros utama memungkinkan start beban kosong motor. Penampilan modul penggerak motor ditunjukkan dalam Gambar 4.
2.3 Solusi untuk Akurasi Tutup Pemutus
Tindakan penutupan adalah langkah penting untuk peralatan pemutus tegangan tinggi. Akurasi penutupan yang kurang dapat mempengaruhi operasi stabil seluruh sistem tenaga. Untuk lebih meningkatkan akurasi buka dan tutup mekanisme operasi listrik, desain ini menggunakan perangkat penguncian mekanis, bersama dengan saklar bantu Siemens dan kopling gesek, untuk meningkatkan akurasi hingga batas tertentu.
2.3.1 Saklar Bantu Siemens dan Sirkuit Pemadam Busur Thyristor
Saklar bantu terhubung ke sirkuit motor utama untuk mengontrol on-off sirkuit motor. Saklar bantu tidak mudah berkarat karena pengaruh lingkungan eksternal, dan mekanisme gesekan internalnya mencegah penutupan tidak sengaja. Kontak menggunakan pin yang dipasangkan dengan spring dan selubung keras untuk memastikan koneksi yang stabil dan andal. Struktur spesifik ditunjukkan dalam Gambar 6.
Prinsip Desain Sirkuit Pemadam Busur Thyristor: Selama pemutusan saklar bantu, busur listrik dihasilkan. Untuk mencegah busur menjadi terlalu besar dan merusak saklar, sirkuit pemadam busur thyristor dihubungkan paralel dengan saklar bantu untuk menyerap busur. Desain sirkuit spesifik ditunjukkan dalam Gambar 7, di mana kontak 1, 2, 3, dan 4 semuanya adalah kontak saklar bantu. (Kontak 1 dan 2 digunakan untuk mengontrol on-off sirkuit pemadam busur thyristor, dan kontak 3 dan 4 digunakan untuk mengontrol on-off sirkuit motor utama. Diatur bahwa kontak 1 dan 2 terputus setelah kontak 3 dan 4 untuk mencapai tujuan pemadam busur).
2.3.2 Fungsi Kopling Gesek
Kopling gesek melindungi motor dalam kondisi operasi abnormal apa pun. Setelah pemutus tegangan tinggi berada di tempat setelah penutupan, sirkuit motor utama diputus dengan cepat. Namun, karena inersia rotasi mekanis, motor tidak bisa berhenti seketika. Pada saat itu, kopling gesek berfungsi sebagai komponen pelepasan gaya. Ini memungkinkan roda gigi gesekan berputar bebas, menghilangkan inersia mekanis motor dan memastikan penempatan tepat pemutus tegangan tinggi selama operasi buka dan tutup. Selain itu, dengan menyesuaikan ketegangan spring, torsi gesekan dapat dimodifikasi untuk sesuai dengan operasi buka dan tutup berbagai pemutus. Kopling gesek ditunjukkan dalam Gambar 8.
Keunggulan Skema Desain atas Mekanisme Operasi Listrik Tipe CJx
Desain yang diusulkan menghilangkan komponen listrik seperti saklar perjalanan dan saklar batas, mengurangi faktor-faktor instabilitas dan meningkatkan keandalan mekanisme operasi listrik. Ini juga menghapus blok terminal dengan banyak kontak, menyederhanakan sirkuit kabel. Dengan desain modular, hanya lima kabel yang menghubungkan dua modul, sangat meningkatkan efisiensi perbaikan. Selain itu, dapat membentuk beberapa lapisan perlindungan dengan pemutus sirkuit termomagnetik dan perangkat perlindungan motor elektronik yang ada. Bahkan jika sirkuit kontrol listrik mengalami gangguan, perangkat penguncian mekanis dan kopling gesek memastikan keamanan motor. Kopling gesek mengimbangi gaya dari inersia mekanis motor, dan perangkat penguncian mekanis mencegah batas batas "melompat kembali", memastikan buka dan tutup pemutus tegangan tinggi yang akurat dan melindungi integritasnya. Selain itu, start beban kosong motor meminimalkan arus awal, menghindari kejutan peralatan dan memperpanjang masa pakai mekanisme operasi.
3 Verifikasi Eksperimental
Dengan mematuhi standar relevan seperti "Pemutus dan Pemutus Tanah Tegangan Tinggi AC" dan "Persyaratan Teknis Umum untuk Peralatan dan Pengendali AC Tegangan Tinggi", kombinasi perangkat penguncian mekanis dan kopling gesek lebih lanjut meningkatkan akurasi buka dan tutup pemutus. Dibandingkan dengan mekanisme operasi listrik seri CJx, ia menawarkan keandalan dan keamanan yang lebih tinggi. Deteksi kesalahan, melalui uji buka dan tutup berulang dan pengukuran deviasi sudut antara batas batas dan sekrup batas, menunjukkan bahwa mereka sangat sejajar, dengan kesalahan pemrosesan aktual dalam 1°, sepenuhnya memenuhi standar teknologi. Posisi aktual ditunjukkan dalam Gambar 9.
4 Kesimpulan
Sebagai salah satu peralatan kunci dalam grid tenaga, keandalan dan keamanan mekanisme operasi pemutus tegangan tinggi sangat penting. Makalah ini mengambil mekanisme operasi listrik sebagai objek penelitian, melakukan desain dan analisis rinci dari metode kontrol terdistribusinya, dan memverifikasinya melalui eksperimen, mencapai hasil yang diharapkan.Berdasarkan konsep kontrol terdistribusi, motor dikendalikan oleh pengontrol utama untuk mengendalikan operasi buka dan tutup pemutus tegangan tinggi dengan aman dan akurat.
Dengan pendekatan desain modular, mekanisme operasi listrik terutama dibagi menjadi modul kontrol listrik dan modul penggerak motor, mengurangi kompleksitas kabel dan meningkatkan kecepatan pemeliharaan.Perangkat penguncian mekanis telah disiapkan. Dengan struktur khusus saklar bantu Siemens dan kopling gesek, akurasi buka dan tutup pemutus telah ditingkatkan.
