Membuat kondisi di bawah arus pendek untuk peralatan switchgear

Penjelasan Rinci tentang Aliran Arus Penyambungan dan Fenomena Pre-Strike dalam Perangkat Peralihan
Dalam perangkat peralihan, khususnya pada pemutus sirkuit (CB) dan saklar pemutus beban (LBS), aliran arus penyambungan merujuk pada proses di mana busur listrik dimulai ketika kontak mulai menutup. Proses ini tidak dimulai tepat saat kontak secara fisik bersentuhan tetapi dapat terjadi beberapa milidetik lebih awal karena fenomena yang dikenal sebagai pre-strike. Berikut adalah penjelasan rinci tentang fenomena ini dan implikasinya.
1. Pre-Strike: Inisiasi Busur Sebelum Kontak Bersentuhan
•    Penghancuran Dielektrik: Saat kontak mendekati satu sama lain selama operasi penutupan, media isolasi (seperti udara, SF6, atau vakum) antara mereka mengalami penghancuran dielektrik. Ini terjadi karena medan listrik dalam celah antara kontak meningkat seiring mereka semakin dekat. Ketika kekuatan medan melebihi kekuatan dielektrik media isolasi, celah tersebut hancur, dan busur peralihan dimulai.
•    Pembentukan Medan Listrik: Medan listrik antara kontak terbentuk saat mereka bergerak mendekati satu sama lain. Medan ini proporsional dengan tegangan antara kontak dan berbanding terbalik dengan jarak antara mereka. Ketika medan menjadi cukup kuat, ia menyebabkan ionisasi molekul gas dalam celah, mengarah pada pembentukan jalur konduktif untuk arus mengalir.
•    Inisiasi Busur: Busur dimulai sebelum kontak benar-benar bersentuhan, biasanya beberapa milidetik lebih awal. Inisiasi busur yang lebih awal ini disebut pre-strike. Selama pre-strike, busur terbentuk dalam celah kecil antara kontak, dan arus mulai mengalir melalui busur daripada menunggu kontak untuk membuat kontak fisik.
2. Implikasi Pre-Strike
•    Peleburan Berlebihan Permukaan Kontak: Jika energi yang terlibat dalam pre-strike besar, hal ini dapat menyebabkan peleburan berlebihan permukaan kontak. Ini sangat bermasalah dalam kondisi pendek-sirkuit, di mana arus bisa sangat tinggi. Logam cair pada permukaan kontak dapat menyebabkan pengelasan kontak, di mana kedua permukaan bergabung.
•    Pengelasan Kontak: Kontak yang terlas dapat mencegah perangkat peralihan merespons dengan tepat terhadap perintah pembukaan berikutnya. Jika mekanisme operasional perangkat peralihan tidak memberikan gaya yang cukup untuk memecahkan titik-titik yang terlas, perangkat mungkin gagal membuka dengan baik, mengarah pada potensi bahaya keselamatan dan kerusakan peralatan.
•    Karakteristik Arus Pendek-Sirkuit: Arus pendek-sirkuit sering kali mengandung komponen DC, yang dapat menyebabkan nilai puncak arus jauh lebih tinggi dibandingkan arus pendek-sirkuit AC murni. Kenaikan nilai puncak arus ini dapat memperparah efek pre-strike, mengarah pada kerusakan kontak yang lebih parah dan pengelasan.
•    Ketergantungan Tegangan Busur: Tegangan di seberang busur (tegangan busur) sangat bergantung pada media pemutusan yang digunakan dalam perangkat peralihan. Bahkan dengan panjang busur yang sangat pendek, dapat terjadi penurunan tegangan yang signifikan dekat elektroda. Ini karena resistansi busur tidak merata sepanjang panjangnya, dan daerah dekat elektroda cenderung memiliki resistansi yang lebih tinggi karena konsentrasi panas dan partikel yang terionisasi.
3. Penyambungan Dalam Kondisi Pendek-Sirkuit
•    Pemutus Sirkuit (CB): Dalam pemutus sirkuit, operasi penyambungan dalam kondisi pendek-sirkuit sangat menantang. Tingkat arus yang tinggi dan keberadaan komponen DC dapat menyebabkan busur yang intens dan kerusakan kontak. Pemutus sirkuit modern dirancang dengan bahan canggih dan mekanisme pendinginan untuk mengurangi efek-efek ini, tetapi pre-strike tetap menjadi perhatian.
•    Saklar Pemutus Beban (LBS): Saklar pemutus beban juga rentan terhadap pre-strike selama operasi penyambungan, terutama dalam aplikasi arus tinggi. Namun, perangkat LBS biasanya digunakan dalam aplikasi tegangan dan arus yang lebih rendah dibandingkan pemutus sirkuit, sehingga risiko kerusakan kontak yang parah umumnya lebih rendah.
4. Tahapan Operasi Penyambungan dalam Perangkat Peralihan
Operasi penyambungan perangkat peralihan dapat dibagi menjadi beberapa tahap, seperti ditunjukkan dalam gambar:
•    Tahap 1: Pendekatan Awal Kontak: Kontak mulai bergerak mendekati satu sama lain, dan medan listrik antara mereka mulai terbentuk. Pada tahap ini, tidak ada arus yang mengalir, tetapi potensi pre-strike semakin meningkat.
•    Tahap 2: Pembentukan Busur Pre-Strike: Saat kontak semakin dekat, medan listrik melebihi kekuatan dielektrik media isolasi, menyebabkan penghancuran dielektrik. Busur pre-strike terbentuk, dan arus mulai mengalir melalui busur sebelum kontak bersentuhan.
•    Tahap 3: Sentuhan Kontak dan Transfer Busur: Kontak akhirnya bersentuhan secara fisik, dan busur dipindahkan dari celah antara kontak ke permukaan kontak. Arus terus mengalir melalui rangkaian yang sudah tertutup.
•    Tahap 4: Operasi Steady-State: Setelah kontak sepenuhnya tertutup, sistem memasuki operasi steady-state, dan arus mengalir melalui kontak yang tertutup tanpa adanya busur.
5. Strategi Pengurangan
Untuk meminimalkan efek pre-strike dan pengelasan kontak, beberapa strategi desain dan operasional dapat diterapkan:
•    Penggunaan Media Isolasi dengan Kekuatan Dielektrik Tinggi: Menggunakan media isolasi dengan kekuatan dielektrik tinggi, seperti gas SF6 atau vakum, dapat mengurangi kemungkinan pre-strike dengan memerlukan medan listrik yang lebih tinggi untuk memulai penghancuran.
•    Bahan Kontak Canggih: Menggunakan bahan kontak dengan titik lebur tinggi dan konduktivitas termal yang baik dapat membantu mengurangi kerusakan kontak selama pre-strike. Bahan seperti paduan tembaga-tungsten sering digunakan dalam perangkat peralihan tegangan tinggi.
•    Mekanisme Pendinginan: Menyertakan mekanisme pendinginan, seperti sistem puffer atau aliran gas paksa, dapat membantu mendispersikan panas dari busur dan mengurangi suhu permukaan kontak, meminimalkan risiko pengelasan.
•    Peningkatan Desain Mekanis: Memastikan bahwa mekanisme operasional memberikan gaya yang cukup untuk memecahkan titik-titik yang terlas selama operasi pembukaan dapat mencegah perangkat peralihan gagal membuka dengan baik.
•    Sistem Perlindungan: Melaksanakan sistem perlindungan, seperti relai overcurrent dan mekanisme deteksi gangguan, dapat membantu mendeteksi dan merespons kondisi pendek-sirkuit lebih cepat, mengurangi durasi dan intensitas busur.
Kesimpulan
Fenomena pre-strike, di mana busur dimulai sebelum kontak secara fisik bersentuhan, adalah aspek kritis dari operasi penyambungan dalam perangkat peralihan. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan kontak berlebihan, pengelasan, dan potensi kegagalan perangkat peralihan. Memahami faktor-faktor yang berkontribusi terhadap pre-strike, seperti pembentukan medan listrik dan karakteristik media isolasi, penting untuk merancang dan mengoperasikan perangkat peralihan yang andal. Dengan menerapkan strategi pengurangan yang sesuai, seperti menggunakan media isolasi dengan kekuatan dielektrik tinggi, bahan kontak canggih, dan mekanisme pendinginan, efek pre-strike dapat diminimalkan, memastikan operasi perangkat peralihan yang aman dan andal baik dalam pemutus sirkuit maupun saklar pemutus beban.