Tegangan Pemulihan Sementara (TRV) dalam Penghentian Arus Induktif Kecil oleh Pemutus Sirkuit
Analisis Fenomena Transien dalam Sistem Linear Menggunakan Prinsip Superposisi
Dalam menganalisis fenomena transien yang disebabkan oleh operasi peralihan dalam sistem linear, prinsip superposisi adalah alat yang sangat kuat. Dengan menggabungkan solusi steady-state yang ada sebelum operasi open-circuit dengan respons transien yang diinduksi oleh sumber tegangan short-circuit dan sumber arus open-circuit, serta mempertimbangkan arus yang disuntikkan melalui kontak sakelar, deskripsi komprehensif dari proses peralihan dapat diperoleh.
Analisis Transien Operasi Open-Circuit
Selama operasi open-circuit, arus yang mengalir melalui terminal sakelar harus menjadi nol setelah operasi. Oleh karena itu, arus yang disuntikkan ke sistem harus sama dengan arus yang mengalir melalui terminal sakelar sebelum operasi pembukaan. Saat kontak sakelar mulai terpisah, tegangan pemulihan transien (TRV) segera muncul di antara kontak. TRV muncul segera setelah arus mencapai nol dan biasanya berlangsung selama milidetik dalam sistem dunia nyata. Dalam sistem tenaga listrik praktis, karakteristik TRV sangat penting untuk kinerja dan keandalan pemutus sirkuit.
Pentingnya Tegangan Pemulihan Transien (TRV)
Pemahaman yang mendalam tentang fenomena transien yang terkait dengan operasi pemutus sirkuit dalam sistem tenaga listrik dapat secara signifikan meningkatkan praktik pengujian dan meningkatkan keandalan peralatan peralihan. Standar menentukan nilai karakteristik yang direkomendasikan untuk mensimulasikan TRV, yang membantu insinyur lebih baik memprediksi dan merancang perilaku perangkat peralihan.
Jenis-jenis Peralihan Sirkuit
Diagram berikut menggambarkan TRV pada terminal pemutus sirkuit saat menghentikan arus dalam rangkaian yang sangat sederhana. Setiap kasus menghasilkan bentuk gelombang yang berbeda, tergantung pada sifat rangkaian:
Beban Resistif: Untuk beban resistif murni, arus turun menjadi nol dengan cepat setelah operasi peralihan, menghasilkan bentuk gelombang TRV yang relatif halus.
Beban Induktif: Untuk beban induktif, tegangan di seberang induktor mencapai nilai maksimumnya ketika arus menjadi nol. Karena induktor menyimpan energi, yang perlu didispersikan melalui komponen lain (seperti kapasitor), osilasi terjadi. Osilasi ini disebabkan oleh transfer energi antara induktor dan kapasitor.
Beban Kapasitif: Untuk beban kapasitif, arus berkurang secara bertahap setelah operasi peralihan, sementara tegangan naik dengan cepat. Bentuk gelombang TRV biasanya menunjukkan pulsa tegangan yang naik cepat.
Penghentian Arus Kecil dan Fenomena Chopping Arus
Dalam sistem tenaga listrik, penghentian arus kecil dapat menyebabkan fenomena yang dikenal sebagai chopping arus dan chopping virtual. Fenomena-fenomena ini memiliki dampak signifikan pada tegangan pemulihan transien (TRV) dan dapat menyebabkan overvoltage dan masalah renggangan.
Penghentian Normal vs. Chopping Arus
Penghentian Normal: Ketika arus dihentikan secara alami pada titik persimpangan nol, ini adalah operasi peralihan ideal. Dalam kasus ini, TRV biasanya tetap dalam batas yang ditentukan, dan tidak terjadi overvoltage atau renggangan.
Chopping Arus: Jika arus dihentikan sebelum mencapai nol, fenomena ini disebut chopping arus. Penghentian tiba-tiba arus menyebabkan pembentukan overvoltage transien, yang dapat menyebabkan renggangan frekuensi tinggi. Jenis interupsi abnormal ini menimbulkan potensi bahaya bagi pemutus sirkuit dan sistem.
Konsekuensi Chopping Arus
Ketika pemutus sirkuit menghentikan arus dekat puncaknya, tegangan hampir seketika naik. Jika overvoltage ini melebihi kekuatan dielektrik yang ditentukan untuk pemutus sirkuit, renggangan terjadi. Ketika proses ini berulang beberapa kali, tegangan terus naik dengan cepat karena renggangan frekuensi tinggi. Oskilasi frekuensi tinggi ini dikendalikan oleh parameter listrik rangkaian yang terkait, konfigurasi rangkaian, dan desain pemutus sirkuit, mengarah ke persimpangan nol sebelum arus frekuensi daya sebenarnya mencapai nol.
Perbedaan Antara Chopping Arus dan Chopping Virtual
Chopping Arus: Terjadi ketika arus dihentikan sebelum mencapai nol, menghasilkan overvoltage transien dan renggangan frekuensi tinggi.
Chopping Virtual: Terjadi ketika arus dihentikan tepat sebelum mencapai nol, meskipun sangat dekat dengan nol. Ini masih dapat menyebabkan overvoltage kecil dan renggangan.
Perbandingan Tegangan Sisi Beban dan TRV
Diagram berikut membandingkan tegangan sisi beban dan TRV dalam dua skenario yang berbeda:
Penghentian pada Titik Nol Arus: Dalam kasus ini, tegangan sisi beban naik secara stabil, dan TRV tetap dalam batas yang ditentukan, memastikan operasi sistem normal.
Penghentian Sebelum Titik Nol Arus (Chopping Arus): Di sini, tegangan sisi beban naik dengan cepat, dan TRV meningkat secara signifikan, potensial menyebabkan overvoltage dan renggangan. Jelas dari contoh ini bahwa skenario kedua lebih parah.
Pentingnya Memahami Chopping Arus
Untuk lebih memahami dampak chopping arus, pertimbangkan untuk mengabaikan efek kerugian sisi beban. Setelah arus dihentikan pada titik nol, energi yang tersimpan di sisi beban sebagian besar ada di kapasitor, di mana tegangan mencapai nilai maksimumnya. Namun, jika arus dipotong sebelum mencapai nol, energi di kapasitor tidak dapat sepenuhnya didispersikan, menyebabkan peningkatan tegangan yang cepat dan masalah overvoltage dan renggangan.
(a) Rangkaian Ekuivalen. (b) Pemutusan Busur pada Titik Nol Arus. (c) Pemutusan Busur Sebelum Titik Nol Arus.
Chopping Arus dan Fenomena Transien Frekuensi Tinggi
Dalam kasus chopping arus, ketidakstabilan busur dekat titik nol arus dapat menyebabkan arus transien frekuensi tinggi mengalir ke komponen jaringan yang berdekatan. Arus frekuensi tinggi ini tumpang tindih pada arus frekuensi daya yang lebih kecil, yang secara efektif dipotong menjadi nol. Secara spesifik:
Ketidakstabilan Busur Dekat Titik Nol Arus: Saat arus mendekati nol, busur mungkin menjadi tidak stabil, menghasilkan arus transien frekuensi tinggi. Arus-arus ini tumpang tindih pada arus frekuensi daya yang sudah kecil, semakin memperumit respons transien sistem.
Dampak Arus Transien Frekuensi Tinggi: Kehadiran arus transien frekuensi tinggi dapat menyebabkan overvoltage dan renggangan, terutama pada beban induktif. Karena perubahan cepat pada arus-arus ini, mereka dapat menghasilkan puncak tegangan yang sangat tinggi dalam waktu singkat, membahayakan bahan isolasi dalam sistem.
Chopping Virtual dan Efeknya
Dalam kasus chopping virtual, ketidakstabilan busur diperparah oleh osilasi dengan fase berdekatan, menyebabkan pembentukan arus frekuensi tinggi bahkan sebelum arus mencapai nol. Secara spesifik:
Mekanisme Chopping Virtual: Chopping virtual biasanya terjadi ketika arus mendekati tetapi belum mencapai nol. Pada titik ini, busur mungkin berinteraksi dengan osilasi dari fase berdekatan, menghasilkan pembentukan arus frekuensi tinggi. Ini semakin mendestabilisasi sistem dan meningkatkan risiko renggangan.
Fenomena yang Diamati: Chopping virtual telah diamati pada busur gas di udara, SF6, dan minyak. Busur vakum juga sangat sensitif terhadap chopping arus karena busur di lingkungan vakum lebih rentan terhadap kondisi eksternal, menyebabkan ketidakstabilan yang meningkat.
Penyebab Chopping dan Renggangan
Fenomena chopping dan renggangan, bersama dengan overvoltage osilasi frekuensi tinggi yang terkait, sebagian besar disebabkan oleh desain pemutus sirkuit. Secara spesifik:
Desain untuk Arus Korsleting Tinggi: Pemutus sirkuit biasanya dirancang untuk menangani arus korsleting tinggi. Jika desain fokus hanya pada kinerja yang efektif untuk arus tinggi, ia mungkin juga sama efektifnya untuk arus kecil, mencoba menghentikannya sebelum persimpangan nol alaminya.
Akibat Buruk: Pendekatan desain ini dapat menyebabkan chopping arus dan renggangan, menghasilkan overvoltage dan efek-efek yang tidak diinginkan lainnya. Misalnya, overvoltage dapat merusak isolasi sistem, menyebabkan kegagalan peralatan atau umur pakai yang lebih pendek.
Optimasi Desain Pemutus Sirkuit
Untuk secara efektif menangani arus kecil dan besar, desain pemutus sirkuit harus mencakup berbagai fitur untuk memastikan kinerja yang andal dalam berbagai kondisi. Rekomendasi spesifik termasuk:
Menyeimbangkan Kinerja untuk Arus Kecil dan Besar: Desain pemutus sirkuit harus mempertimbangkan arus kecil dan besar, menghindari optimasi berlebihan untuk satu jenis dengan mengorbankan jenis lainnya. Misalnya, menyesuaikan bahan kontak, desain ruang pemadam busur, dan strategi kontrol dapat membantu menyeimbangkan kinerja di berbagai level arus.
Mengurangi Oskilasi Frekuensi Tinggi: Desain harus bertujuan untuk meminimalkan oskilasi frekuensi tinggi, terutama dekat titik nol arus. Ini dapat dicapai dengan memperkenalkan elemen redaman yang sesuai atau mengoptimalkan parameter rangkaian untuk menekan arus transien frekuensi tinggi.
Meningkatkan Kinerja Isolasi: Untuk menangani overvoltage potensial, desain isolasi pemutus sirkuit harus memiliki kekuatan dielektrik yang cukup. Memilih bahan isolasi performa tinggi dan mengoptimalkan struktur isolasi dapat memastikan isolasi yang andal bahkan dalam kondisi ekstrem.
