Tegangan Pemulihan Sementara (TRV) dalam Pemutusan Arus Induktif Kecil oleh Pemutus Sambungan
Analisis Fenomena Sementara dalam Sistem Linear Menggunakan Prinsip Superposisi
Dalam menganalisis fenomena sementara yang disebabkan oleh operasi beralih dalam sistem linear, prinsip superposisi adalah alat yang kuat. Dengan menggabungkan penyelesaian keadaan tunak yang ada sebelum operasi terbuka dengan respons sementara yang diinduksi oleh sumber tegangan pendek dan sumber arus terbuka, serta mempertimbangkan arus yang disuntikkan melalui kontak pemutus, deskripsi komprehensif dari proses beralih dapat diperoleh.
Analisis Fenomena Sementara Operasi Terbuka
Selama operasi terbuka, arus yang mengalir melalui terminal pemutus harus menjadi nol setelah operasi. Oleh karena itu, arus yang disuntikkan ke dalam sistem harus sama dengan arus yang mengalir melalui terminal pemutus sebelum operasi pembukaan. Saat kontak pemutus mulai terpisah, tegangan pemulihan sementara (TRV) segera berkembang di antara kontak tersebut. 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 Sementara (TRV)
Pemahaman mendalam tentang fenomena sementara yang terkait dengan operasi pemutus sirkuit dalam sistem tenaga listrik dapat secara signifikan meningkatkan praktik pengujian dan meningkatkan keandalan peralatan beralih. Standar menentukan nilai karakteristik yang direkomendasikan untuk mensimulasikan TRV, yang membantu insinyur memprediksi dan merancang perilaku perangkat beralih dengan lebih baik.
Jenis-jenis Beralih Sirkuit Berbeda
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 beralih, 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), terjadi osilasi. Osilasi ini disebabkan oleh transfer energi antara induktor dan kapasitor.
Beban Kapasitif: Untuk beban kapasitif, arus berkurang secara bertahap setelah operasi beralih, sementara tegangan naik dengan cepat. Bentuk gelombang TRV biasanya menunjukkan pulsa tegangan yang naik cepat.
Penghentian Arus Kecil dan Fenomena Potongan Arus
Dalam sistem tenaga listrik, penghentian arus kecil dapat menyebabkan fenomena yang dikenal sebagai potongan arus dan potongan virtual. Fenomena-fenomena ini memiliki dampak signifikan pada tegangan pemulihan sementara (TRV) dan dapat menyebabkan overvoltage dan masalah penyalaan kembali.
Penghentian Normal vs. Potongan Arus
Penghentian Normal: Ketika arus dihentikan secara alami pada titik persimpangan nol, ini adalah operasi beralih ideal. Dalam kasus ini, TRV biasanya tetap dalam batas yang ditentukan, dan tidak terjadi overvoltage atau penyalaan kembali.
Potongan Arus: Jika arus dihentikan sebelum waktunya sebelum mencapai nol, fenomena ini disebut potongan arus. Penghentian tiba-tiba arus menyebabkan pembentukan overvoltage sementara, yang dapat menyebabkan penyalaan kembali frekuensi tinggi. Jenis gangguan abnormal ini menimbulkan ancaman potensial bagi pemutus sirkuit dan sistem.
Konsekuensi Potongan Arus
Ketika pemutus sirkuit menghentikan arus dekat puncaknya, tegangan hampir seketika naik. Jika overvoltage ini melebihi kekuatan dielektrik yang ditentukan untuk pemutus sirkuit, penyalaan kembali terjadi. Ketika proses ini berulang beberapa kali, tegangan terus naik dengan cepat akibat penyalaan kembali frekuensi tinggi. Osilasi frekuensi tinggi ini dikendalikan oleh parameter elektrik dari rangkaian yang terkait, konfigurasi rangkaian, dan desain pemutus sirkuit, mengarah ke persimpangan nol sebelum arus frekuensi daya sebenarnya mencapai nol.
Perbedaan Antara Potongan Arus dan Potongan Virtual
Potongan Arus: Terjadi ketika arus dihentikan sebelum mencapai nol, menghasilkan overvoltage sementara dan penyalaan kembali frekuensi tinggi.
Potongan Virtual: Terjadi ketika arus dihentikan tepat sebelum mencapai nol, meskipun sangat dekat dengan nol. Ini masih dapat menyebabkan overvoltage minor dan penyalaan kembali.
Perbandingan Tegangan Sisi Beban dan TRV
Diagram berikut membandingkan tegangan sisi beban dan TRV dalam dua skenario 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 (Potongan Arus): Di sini, tegangan sisi beban naik dengan cepat, dan TRV meningkat secara signifikan, yang berpotensi menyebabkan overvoltage dan penyalaan kembali. Jelas dari contoh ini bahwa skenario kedua lebih parah.
Pentingnya Memahami Potongan Arus
Untuk lebih memahami dampak potongan arus, pertimbangkan untuk mengabaikan efek kerugian sisi beban. Setelah arus dihentikan pada titik nol, energi yang tersimpan di sisi beban sebagian besar berada di kapasitor, di mana tegangan mencapai nilai maksimumnya. Namun, jika arus dipotong sebelum mencapai nol, energi di kapasitor tidak dapat sepenuhnya didispersikan, menyebabkan kenaikan tegangan yang cepat dan masalah overvoltage dan penyalaan kembali.
(a) Rangkaian Ekuivalen. (b) Pemutusan Busur pada Titik Nol Arus. (c) Pemutusan Busur Sebelum Titik Nol Arus.
Potongan Arus dan Fenomena Transien Frekuensi Tinggi
Dalam kasus potongan arus, ketidakstabilan busur dekat titik nol arus dapat menyebabkan arus transien frekuensi tinggi mengalir ke komponen jaringan terdekat. Arus frekuensi tinggi ini menumpuk pada arus frekuensi daya yang lebih kecil, yang secara efektif dipotong menjadi nol. Secara khusus:
Ketidakstabilan Busur Dekat Titik Nol Arus: Seiring arus mendekati nol, busur mungkin menjadi tidak stabil, menghasilkan arus transien frekuensi tinggi. Arus-arus ini menumpuk pada arus frekuensi daya yang sudah kecil, semakin memperumit respons transien sistem.
Dampak Arus Transien Frekuensi Tinggi: Keberadaan arus transien frekuensi tinggi dapat menyebabkan overvoltage dan penyalaan kembali, terutama pada beban induktif. Karena perubahan cepat dalam arus-arus ini, mereka dapat menghasilkan puncak tegangan yang sangat tinggi dalam waktu singkat, menimbulkan ancaman bagi material isolasi dalam sistem.
Potongan Virtual dan Efeknya
Dalam kasus potongan virtual, ketidakstabilan busur diperparah oleh osilasi dengan fase terdekat, menyebabkan pembentukan arus frekuensi tinggi bahkan sebelum arus mencapai nol. Secara khusus:
Mekanisme Potongan Virtual: Potongan virtual biasanya terjadi ketika arus dekat tetapi belum mencapai nol. Pada titik ini, busur mungkin berinteraksi dengan osilasi dari fase terdekat, menghasilkan pembentukan arus frekuensi tinggi. Ini semakin mendestabilisasi sistem dan meningkatkan risiko penyalaan kembali.
Fenomena yang Diamati: Potongan virtual telah diamati pada busur gas di udara, SF6, dan minyak. Busur vakum juga sangat sensitif terhadap potongan arus karena busur dalam lingkungan vakum lebih rentan terhadap kondisi eksternal, menyebabkan ketidakstabilan yang meningkat.
Penyebab Potongan dan Penyalaan Kembali
Fenomena potongan dan penyalaan kembali, bersama dengan overvoltage osilasi frekuensi tinggi yang terkait, sebagian besar disebabkan oleh desain pemutus sirkuit. Secara khusus:
Desain untuk Arus Korsleting Tinggi: Pemutus sirkuit biasanya dirancang untuk menangani arus korsleting tinggi. Jika desain fokus hanya pada kinerja efektif untuk arus tinggi, ia mungkin juga efektif untuk arus kecil, mencoba menghentikannya sebelum persimpangan nol alaminya.
Akibat Negatif: Pendekatan desain ini dapat menyebabkan potongan arus dan penyalaan kembali, menghasilkan overvoltage dan efek-efek yang tidak diinginkan lainnya. Misalnya, overvoltage dapat merusak isolasi sistem, menyebabkan kegagalan peralatan atau umur pakai yang lebih pendek.
Optimalisasi Desain Pemutus Sirkuit
Untuk secara efektif menangani arus kecil dan besar, desain pemutus sirkuit harus mencakup beberapa 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 yang lain. Misalnya, menyesuaikan bahan kontak, desain ruang pemadam busur, dan strategi kontrol dapat membantu menyeimbangkan kinerja di berbagai tingkat arus.
Mengurangi Osilasi Frekuensi Tinggi: Desain harus bertujuan untuk meminimalkan osilasi 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.
