Membuat keadaan di bawah arus pendek untuk peralatan pemutus sambungan

Penjelasan Rinci tentang Aliran Arus Penyambungan dan Fenomena Pre-Strike dalam Peralatan Penghubung
Dalam peralatan penghubung, terutama pada pemutus sirkuit (CB) dan saklar beban (LBS), aliran arus penyambungan merujuk kepada 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 akibat fenomena yang dikenal sebagai pre-strike. Berikut adalah penjelasan rinci tentang fenomena ini dan implikasinya.
1. Pre-Strike: Inisiasi Busur Sebelum Kontak Bersentuhan
•    Kegagalan Dielektrik: Ketika kontak mendekati satu sama lain selama operasi penutupan, medium isolasi (seperti udara, SF6, atau vakum) antara mereka mengalami kegagalan dielektrik. Ini terjadi karena medan listrik di celah antara kontak meningkat seiring mereka semakin dekat. Ketika kekuatan medan melebihi kekuatan dielektrik medium isolasi, celah tersebut gagal, dan busur switching dimulai.
•    Pembentukan Medan Listrik: Medan listrik antara kontak terbentuk seiring mereka bergerak mendekati satu sama lain. Medan ini sebanding dengan tegangan di antara kontak dan berbanding terbalik dengan jarak antara mereka. Ketika medan menjadi cukup kuat, ia menyebabkan ionisasi molekul gas di celah, yang mengarah pada pembentukan jalur konduktif untuk aliran arus.
•    Inisiasi Busur: Busur dimulai sebelum kontak benar-benar bersentuhan, biasanya beberapa milidetik lebih awal. Inisiasi busur yang awal ini disebut pre-strike. Selama pre-strike, busur terbentuk di celah kecil antara kontak, dan arus mulai mengalir melalui busur daripada menunggu kontak untuk membuat kontak fisik.
2. Implikasi Pre-Strike
•    Leburan Berlebihan Permukaan Kontak: Jika energi yang terlibat dalam pre-strike besar, hal ini dapat menyebabkan leburan berlebihan pada permukaan kontak. Ini sangat bermasalah dalam kondisi short-circuit, di mana arus bisa sangat tinggi. Logam cair pada permukaan kontak dapat menyebabkan pengelasan kontak, di mana kedua permukaan menyatu.
•    Pengelasan Kontak: Kontak yang terlas dapat mencegah perangkat switching merespons dengan tepat terhadap perintah pembukaan berikutnya. Jika mekanisme operasi peralatan penghubung tidak memberikan gaya yang cukup untuk memecah titik-titik yang terlas, perangkat mungkin gagal membuka dengan benar, yang dapat mengarah pada bahaya keselamatan dan kerusakan peralatan.
•    Karakteristik Arus Short-Circuit: Arus short-circuit seringkali mengandung komponen DC, yang dapat menyebabkan nilai puncak arus menjadi jauh lebih tinggi dibandingkan dengan arus short-circuit AC murni. Peningkatan arus puncak ini dapat memperparah efek pre-strike, mengakibatkan kerusakan kontak yang lebih parah dan pengelasan.
•    Ketergantungan Tegangan Busur: Tegangan di seberang busur (tegangan busur) sangat bergantung pada medium pemutusan yang digunakan dalam peralatan penghubung. Bahkan dengan panjang busur yang sangat pendek, dapat ada 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 terionisasi.
3. Penyambungan Dalam Kondisi Short-Circuit
•    Pemutus Sirkuit (CB): Dalam pemutus sirkuit, operasi penyambungan dalam kondisi short-circuit sangat menantang. Tingkat arus yang tinggi dan keberadaan komponen DC dapat menyebabkan arcing yang intens dan kerusakan kontak. Pemutus sirkuit modern dirancang dengan bahan dan mekanisme pendinginan yang canggih untuk mengurangi efek-efek ini, tetapi pre-strike tetap menjadi perhatian.
•    Saklar Beban (LBS): Saklar 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 dengan pemutus sirkuit, sehingga risiko kerusakan kontak yang parah umumnya lebih rendah.
4. Tahapan Operasi Penyambungan dalam Peralatan Penghubung
Operasi penyambungan peralatan penghubung dapat dibagi menjadi beberapa tahap, seperti ditunjukkan dalam gambar:
•    Tahap 1: Pendekatan Awal Kontak: Kontak mulai bergerak mendekati satu sama lain, dan medan listrik di antara mereka mulai terbentuk. Pada tahap ini, tidak ada arus yang mengalir, tetapi potensi pre-strike semakin meningkat.
•    Tahap 2: Pembentukan Busur Pre-Strike: Seiring kontak semakin dekat, medan listrik melebihi kekuatan dielektrik medium isolasi, menyebabkan kegagalan 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 sirkuit 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 Mitigasi
Untuk meminimalkan efek pre-strike dan pengelasan kontak, beberapa strategi desain dan operasional dapat diterapkan:
•    Penggunaan Medium Isolasi dengan Kekuatan Dielektrik Tinggi: Menggunakan medium isolasi dengan kekuatan dielektrik tinggi, seperti gas SF6 atau vakum, dapat mengurangi kemungkinan pre-strike dengan memerlukan medan listrik yang lebih tinggi untuk memulai kegagalan.
•    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 umumnya digunakan dalam peralatan penghubung tegangan tinggi.
•    Mekanisme Pendinginan: Menerapkan mekanisme pendinginan, seperti sistem puffer atau aliran gas paksa, dapat membantu mendispersikan panas dari busur dan mengurangi suhu permukaan kontak, mengurangi risiko pengelasan.
•    Peningkatan Desain Mekanis: Memastikan bahwa mekanisme operasi memberikan gaya yang cukup untuk memecah titik-titik yang terlas selama operasi pembukaan dapat mencegah peralatan penghubung gagal membuka dengan benar.
•    Sistem Perlindungan: Implementasi sistem perlindungan, seperti relai overcurrent dan mekanisme deteksi gangguan, dapat membantu mendeteksi dan merespons kondisi short-circuit 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 peralatan penghubung. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan kontak berlebihan, pengelasan, dan potensi kegagalan perangkat switching. Memahami faktor-faktor yang berkontribusi terhadap pre-strike, seperti pembentukan medan listrik dan karakteristik medium isolasi, penting untuk merancang dan mengoperasikan peralatan penghubung yang andal. Dengan menerapkan strategi mitigasi yang sesuai, seperti menggunakan medium isolasi dengan kekuatan dielektrik tinggi, bahan kontak canggih, dan mekanisme pendinginan, efek pre-strike dapat diminimalkan, memastikan operasi peralatan penghubung yang aman dan andal baik dalam pemutus sirkuit maupun saklar beban.