Sejarah Singkat Masa Lalu dan Kini dari Pemutus Sirkuit Vakum Tegangan Tinggi
Pemutus Sirkuit Vakum Tegangan Tinggi: Tinjauan Umum
Pendahuluan
Pemutus sirkuit vakum tegangan tinggi (HV VCBs) telah muncul sebagai alternatif yang layak untuk pemutus sirkuit isolasi gas SF6 tradisional, terutama dalam aplikasi di mana pergantian sering dan biaya perawatan rendah sangat penting. Sejak 2014, HV VCBs semakin diterima sebagai alternatif untuk pemutus sirkuit gas tegangan tinggi, menawarkan solusi yang lebih hijau dan berkelanjutan dengan menghilangkan penggunaan SF6, gas rumah kaca yang kuat.
Perangkat switchgear vakum telah digunakan secara luas dalam sistem distribusi selama lebih dari tiga dekade, terutama untuk membuat dan memutus arus gangguan serta beralih beban berbagai jenis. Keandalan dan kinerja teknologi switching vakum dalam rentang tegangan menengah (hingga 52 kV) telah luar biasa, menyebabkan dominasinya dalam sistem distribusi. Namun, upaya untuk memperluas teknologi switching vakum ke tingkat tegangan transmisi dimulai sejak 1960-an, dengan pencapaian signifikan sekitar tahun 1980 ketika pemutus sirkuit vakum tegangan tinggi pertama dipasang di Jepang. Pada tahun 2010, sekitar 10.000 HV VCBs beroperasi, sebagian besar di lingkungan industri tetapi juga dalam aplikasi utilitas. Preferensi untuk teknologi vakum dibandingkan SF6 didorong oleh kemampuannya untuk menangani operasi switching sering dan persyaratan perawatan yang lebih rendah.
Di Amerika Serikat, sakelar bank kapasitor vakum telah digunakan selama beberapa dekade pada tegangan hingga 242 kV. Sekitar tahun 2008, program penelitian dan pengembangan (R&D) intensif di Cina dan Eropa bertujuan untuk mengembangkan HV VCBs, dengan fokus pada pengurangan atau penghapusan penggunaan SF6. Ini mengarah pada pengenalan produk yang mampu beroperasi pada tegangan hingga 145 kV. Di Cina, adopsi cepat HV VCBs dalam aplikasi komersial diperkirakan akan berlanjut, dengan ratusan unit sudah beroperasi pada tingkat tegangan hingga 126 kV. Di Eropa, uji lapangan sedang berlangsung untuk memvalidasi kinerja perangkat yang telah diuji tipe sebelum masuk pasar.
Teknologi dan Desain
Semua produk HV VCB didasarkan pada teknologi pemutus vakum tegangan menengah yang sudah mapan, yang telah disempurnakan selama bertahun-tahun. Tidak ada fitur teknis baru yang mendasar yang diperlukan untuk memperluas teknologi ini ke tingkat tegangan yang lebih tinggi. Tantangan utama terletak pada penyesuaian geometri pemutus untuk menampung rating tegangan yang lebih tinggi. Misalnya, diameter dan jarak kontak harus ditingkatkan untuk menangani tegangan di atas 52 kV. Dalam beberapa kasus, untuk tegangan melebihi 126 kV, dua celah vakum seri digunakan untuk memastikan operasi yang andal.
Fitur Operasional
Penanganan Arus Normal: Untuk arus normal hingga 2.500 A, tidak ada perbedaan signifikan antara HV VCBs dan pemutus sirkuit SF6. Namun, mencapai rating arus yang lebih tinggi (di atas 2.500 A) dalam HV VCBs adalah tantangan karena pembentukan panas dari struktur kontak dan kemampuan transfer panas yang terbatas dari pemutus.
Pemantauan: Lebih mudah untuk memantau kualitas medium interupsi dalam pemutus sirkuit SF6, karena derajat vakum dalam HV VCBs tidak dapat dipantau secara praktis selama operasi.
Operasi Switching: HV VCBs dapat melakukan jumlah operasi switching yang lebih banyak dibandingkan pemutus sirkuit SF6 karena ketahanan superior sistem kontak vakum terhadap busur api. Ini membuat teknologi vakum sangat menarik untuk aplikasi yang memerlukan switching sering, seperti operasi harian.
Energi Penggerak: Pada rating 72.5 kV yang tipikal, energi penggerak yang diperlukan untuk pemutus sirkuit vakum jauh lebih rendah—sekitar 20% dari yang diperlukan untuk pemutus sirkuit SF6 setara. Ukuran fisik kedua jenis perangkat tersebut sebanding.
Konfigurasi Pemutus: Di atas 145 kV, HV VCBs mungkin memerlukan lebih dari satu pemutus seri, sementara teknologi SF6 telah berhasil menerapkan pemutus sirkuit single-break hingga 550 kV sejak 1994, yang digunakan secara luas di banyak negara.
Karakteristik Busur Api: Tegangan busur dalam HV VCBs jauh lebih rendah daripada dalam pemutus sirkuit SF6, biasanya berkisar puluhan volt dibandingkan ratusan volt dalam SF6. Selain itu, durasi busur selama switching gangguan lebih pendek dalam switchgear vakum, dengan waktu busur minimum 5–7 ms dibandingkan 10–15 ms untuk pemutus sirkuit SF6. Ini menghasilkan jumlah operasi switching yang lebih banyak untuk HV VCBs.
Emisi X-ray: HV VCBs dengan tegangan nominal hingga 145 kV mengeluarkan X-ray dalam batas standar 5 µSv/h dalam kondisi operasi normal. Pemutus sirkuit SF6 tidak mengeluarkan X-ray.
Fitur Listrik
Pemutusan Arus Gangguan: HV VCBs unggul dalam memutus arus gangguan dengan laju naik tegangan pemulihan transien (TRV) yang sangat curam karena pemulihan dielektrik yang cepat, yang lebih cepat daripada pemutus sirkuit SF6.
Statistik Breakdown: Meskipun celah vakum secara teoritis memiliki tegangan breakdown yang sangat tinggi, ada probabilitas kecil breakdown pada tegangan yang relatif moderat. Celah vakum juga dapat mengalami breakdown spontan yang terlambat, terjadi hingga beberapa ratus milidetik setelah pemutusan arus. Namun, konsekuensi dari peristiwa tersebut terbatas karena celah vakum segera memulihkan insulasinya. Implikasi sistem dari breakdown yang terlambat belum sepenuhnya dipahami.
Switching Beban Induktif: Dalam aplikasi yang melibatkan beban induktif, seperti switching reaktor shunt, HV VCBs cenderung mengalami jumlah pemicuan ulang yang lebih banyak pada satu nol arus frekuensi daya. Hal ini disebabkan oleh kemampuan vakum untuk memutus arus frekuensi tinggi yang mengikuti pemicuan ulang. Efek dari transien pemicuan ulang ini pada peralatan interaksi, seperti RC snubber dan arrestor oksida logam, sedang diteliti.
Switching Bank Kapasitor: Ketika melakukan switching bank kapasitor, sangat penting untuk menghindari arus inrush yang sangat tinggi, karena hal ini dapat merusak sifat dielektrik sistem kontak melalui busur api pra-strike. Tantangan ini berlaku untuk baik HV VCBs maupun pemutus sirkuit SF6. Strategi mitigasi termasuk penggunaan reaktor seri atau switching terkontrol, meskipun pengalaman lapangan dengan yang terakhir untuk HV VCBs masih terbatas.
Prospek Masa Depan dan Persepsi Pasar
Sebuah survei yang dilakukan terhadap pengguna switchgear tegangan tinggi mengungkapkan bahwa absennya SF6 dianggap sebagai keunggulan utama switchgear vakum, asalkan isolasi eksternal juga bebas SF6. Namun, kurangnya pengalaman layanan yang luas pada tingkat tegangan transmisi tetap menjadi hambatan signifikan untuk adopsi luas HV VCBs. Meskipun demikian, manfaat lingkungan dan keunggulan operasional teknologi vakum terus mendorong minat dan pengembangan di bidang ini.
Pengguna potensial pemutus sirkuit vakum tegangan tinggi (HV VCBs) sering kali mengungkapkan kekhawatiran tentang pembentukan overvoltages karena pemotongan arus dan kemungkinan emisi X-ray selama operasi switching. Masalah-masalah ini sangat kritis untuk memastikan operasi yang aman dan andal dari HV VCBs, terutama saat mereka semakin dipertimbangkan untuk aplikasi tegangan transmisi.
Emisi X-ray
Untuk perangkat single-break, emisi X-ray dari HV VCBs dengan tegangan nominal hingga dan termasuk 145 kV tetap jauh di bawah batas standar 5 µSv/h dalam kondisi operasi normal. Perangkat multi-break menunjukkan tingkat emisi X-ray yang bahkan lebih rendah. Ini merupakan pertimbangan penting untuk patuh regulasi dan keselamatan, karena memastikan bahwa HV VCBs dapat diterapkan tanpa menimbulkan risiko radiasi yang signifikan bagi personel atau lingkungan.
Proyek Pilot
Sebagian besar responden mengekspresikan minat yang kuat untuk memulai proyek pilot guna mendapatkan pengalaman praktis dengan teknologi HV VCB. Proyek-proyek tersebut akan memungkinkan utilitas dan operator sistem untuk mengevaluasi kinerja, keandalan, dan karakteristik operasional HV VCBs dalam kondisi nyata. Jaringan yang solidly earthed direkomendasikan untuk proyek pilot ini, karena kondisi jaringan dalam sistem tegangan menengah tidak selalu dapat dibandingkan dengan jaringan tegangan transmisi, terutama mengenai kondisi earthing. Pendekatan ini akan membantu memastikan bahwa pengalaman yang diperoleh relevan dan dapat diterapkan untuk aplikasi tingkat transmisi.
Standardisasi
Standar pemutus sirkuit IEC saat ini, IEC 62271-100, memiliki fokus yang kuat pada teknologi switching SF6, yang mungkin tidak sepenuhnya mengatasi karakteristik dan tantangan unik dari switching vakum. Misalnya, tugas uji yang menantang untuk SF6, seperti uji gangguan garis pendek, mungkin tidak begitu kritis untuk teknologi vakum. Sebaliknya, aplikasi tegangan pemulihan berkelanjutan dalam uji sintetik, yang kurang relevan untuk SF6, mungkin lebih penting untuk menunjukkan tidak adanya breakdown yang terlambat dalam pemutus vakum. Seiring HV VCBs mendapatkan lebih banyak traksi, mungkin diperlukan revisi atau pelengkap standar yang ada untuk lebih mengakomodasi teknologi vakum.
Implikasi Teknis dari Desain Bebas SF6
Ketika SF6 absen sebagai medium insulasi eksternal, implikasi teknis lainnya harus dipertimbangkan. Misalnya, metode insulasi alternatif mungkin memerlukan tekanan yang lebih tinggi, berat yang lebih besar, jejak yang lebih besar, atau pertimbangan desain yang berbeda untuk memastikan kinerja insulasi yang memadai. Produsen aktif menjelajahi alternatif-alternatif ini untuk mengembangkan pengganti yang layak untuk SF6, tetapi sampai ditemukannya teknologi baru yang dapat menutupi semua rating tegangan, SF6 kemungkinan akan tetap esensial untuk beberapa aplikasi jaringan transmisi.
Komitmen Produsen
Produsen berkomitmen untuk mengembangkan dan menyediakan alternatif yang layak secara industri untuk teknologi SF6. Meskipun SF6 telah menjadi gas insulasi dominan untuk aplikasi tegangan tinggi karena sifat dielektriknya yang luar biasa, kekhawatiran lingkungan yang terkait dengan SF6, terutama potensi pemanasan global yang tinggi, telah mendorong pencarian solusi yang lebih hijau. HV VCBs mewakili salah satu solusi tersebut, menawarkan alternatif yang berkelanjutan untuk aplikasi di mana switching sering dan perawatan rendah diperlukan. Namun, transisi dari SF6 akan berlangsung bertahap, karena produsen terus berinovasi dan menyempurnakan teknologi baru untuk memenuhi kebutuhan beragam industri tenaga listrik.
