Penelitian desain substasiun kotak cerdas berbasis peralatan penghubung tegangan tinggi GIS 110 kV
Pemilihan dan Penyiapan Perangkat Distribusi Berdasarkan GIS
Saat ini, perangkat distribusi yang umum digunakan terutama mencakup peralatan penghantar udara tipe luar ruangan, GIS konvensional di dalam ruangan, GIS berstruktur baja di dalam ruangan, dan GIS hibrida luar ruangan. Studi ini bertujuan untuk menyelesaikan penyiapan perangkat distribusi untuk sub stasiun prefabricated cerdas di Indonesia. Sebagian besar sub stasiun di Indonesia berlokasi di daerah dengan topografi kompleks dan kepadatan beban rendah. Sesuai rencana saat ini, strategi pengembangan jaringan listrik regional adalah memanfaatkan jalur 110 kV yang ada untuk membangun sub stasiun kapasitas kecil. Berdasarkan hal tersebut, tingkat tegangan akan dikurangi secara bertahap untuk memaksimalkan efisiensi investasi, meningkatkan pemanfaatan peralatan, dan mengurangi peran sub stasiun 35 kV. Sub stasiun dalam jaringan listrik Indonesia berskala besar, dengan investasi dan biaya peralatan yang tinggi serta periode konstruksi yang panjang, sehingga diperlukan optimasi lebih lanjut dalam pemilihan dan penyiapan perangkat distribusi.
GIS hibrida luar ruangan mengintegrasikan pemutus sirkuit dan disconnector, menggunakan busbar konvensional. Penyusunan ini dapat mengurangi jumlah flensa dan peralatan luar ruangan, sehingga meningkatkan efisiensi penggunaan lahan di area target. Selain itu, pendekatan GIS hibrida dapat menurunkan kesulitan instalasi dan ekspansi, memfasilitasi pemasangan dan perawatan peralatan di daerah pegunungan dan perbukitan.
Indonesia memiliki iklim yang relatif lembab dengan banyak hari suhu tinggi, sehingga kontrol cerdas memiliki persyaratan lingkungan yang ketat. Di Indonesia, kabinet kontrol cerdas umumnya memerlukan rentang kelembaban relatif 5% - 95% dan rentang suhu lingkungan -5 - 55°C, tanpa pembentukan embun beku. Untuk mencapai pendinginan, dehumidifikasi, dan pencegahan kondensasi pada kabinet kontrol luar ruangan, studi ini mengadopsi metode pemasangan AC di sisi pintu kabinet.
Mengenai kabel utama, penting untuk memastikan keandalan, efisiensi ekonomis, operabilitas, dan keamanan selama operasi. Untuk kabel 110 kV, kabel sektoral atau kabel tipe jembatan umumnya diterapkan. Kabel tipe jembatan memiliki pemutus sirkuit lebih sedikit dan investasi lebih rendah, tetapi keandalannya kurang dibandingkan kabel sektoral, dan kesulitan modifikasi dan ekspansi selanjutnya lebih tinggi. Oleh karena itu, studi ini menggunakan pemutus sirkuit untuk membagi busbar. Dengan metode kabel sektoral ini, ketika satu bagian busbar gagal, bagian lainnya masih dapat menyuplai daya normal, memastikan layanan yang andal. Kabel sektoral tunggal relatif sederhana, dengan komponen peralatan lebih sedikit, dan menawarkan keandalan dan operabilitas tinggi. Struktur sub stasiun cerdas yang ditingkatkan ditunjukkan dalam Gambar 1.
Transformator di dalam sub stasiun, sebagai peralatan penting, memainkan peran vital dalam deteksi keadaan. Mengingat biaya investasi dan skenario aplikasi, rancangan studi ini menggunakan perangkat pemantauan gas terlarut online dalam minyak dan perangkat deteksi arus grounding inti besi online. Yang pertama, dengan harga sekitar 200.000 RMB per set, digunakan untuk mendeteksi isolasi internal transformator utama, sementara yang kedua untuk deteksi real-time arus grounding inti besi. Kedua teknologi ini relatif matang dan diterapkan secara luas.
Transformator utama cerdas mengintegrasikan peralatan primer dan sekunder, memungkinkannya melakukan persepsi keadaan dan penilaian keadaan operasional. Untuk memudahkan pemeliharaan dan pemantauan harian serta mengurangi beban pemeliharaan, dipilih metode pendinginan sirkulasi udara alami minyak sebagai metode pendinginan transformator utama.
GIS hibrida mengintegrasikan pemutus sirkuit, saklar, dan transformator arus menjadi satu entitas, menyederhanakan proses rekonstruksi dengan mengurangi jumlah peralatan. Selain itu, GIS hibrida luar ruangan memiliki jumlah peralatan dan flensa lebih sedikit, menawarkan keandalan dan ketahanan korosi yang lebih tinggi, sehingga berkinerja baik di area target. Tegangan nominal peralatan bay GIS hibrida adalah 126 kV, dan arus nominalnya adalah 2000 A. Setiap peralatan bay GIS hibrida terdiri dari sensor, kabinet kontrol cerdas, dan perangkat deteksi keadaan gas SF₆. Perangkat-perangkat ini dapat mendeteksi keadaan gas dan status operasional peralatan, memungkinkan fungsi pengukuran digital, interaksi informasi, dan pertanyaan status untuk saklar tekanan tinggi.
Optimasi Peralatan Distribusi dan Tata Letak Umum
Dalam desain sub stasiun cerdas asli, konfigurasi kabinet terminal cerdas dan kabinet kontrol-kumpulan GIS hibrida mengikuti susunan dua kabinet per bay. Namun, pendekatan ini menghasilkan banyak loop kabel yang saling bersilangan, yang tidak menguntungkan untuk pemeliharaan harian. Oleh karena itu, rangkaian sekunder terminal cerdas dan mekanisme GIS hibrida dapat diintegrasikan. Dengan menggabungkan panel kontrol, loop interlock, loop anti-trip, dan loop non-phase ke dalam terminal cerdas, desain terintegrasi dapat dicapai.
Optimasi kabinet kontrol cerdas terutama mencakup tiga aspek: (1) Menyederhanakan rangkaian dengan mengganti logika hard-wiring dengan logika perangkat lunak terminal lokal; (2) Memungkinkan komunikasi antar bay melalui terminal cerdas dan teknologi objek berorientasi peristiwa sub stasiun; (3) Mengadopsi desain terintegrasi terminal cerdas dan rangkaian kontrol pemutus sirkuit untuk mengurangi fungsi redundan seperti loop interlock tekanan. Selain perbaikan rangkaian ini, tata letak terminal cerdas dalam kabinet kontrol-kumpulan asli dipertahankan, dan koneksi antara kabinet kontrol-kumpulan cerdas dan peralatan yang sesuai dioptimalkan.
Rancangan yang diajukan dalam studi ini mengadopsi model kabin prefabrikasi modular. Tata letak sub stasiun harus didasarkan pada kondisi alam dan persyaratan teknik area target, dan memiliki keunggulan seperti keamanan, keandalan, ramah lingkungan, perlindungan kebakaran, dan operasi serta pemeliharaan yang mudah. Di area target, peralatan distribusi 110 kV dan transformator utama disusun dari utara ke selatan. Untuk memenuhi persyaratan transportasi, jalur pemadam kebakaran melingkar disediakan di dalam sub stasiun, dan pemasangan peralatan di lokasi menggunakan tata letak minimal. Melalui tata letak ini, 18% area lahan dapat dihemat. Tata letak umum peralatan distribusi dalam rancangan ditunjukkan dalam Gambar 2.
Dalam hal optimasi dimensi distribusi
Rancangan yang diajukan dalam penelitian mengatur peralatan GIS hibrida dalam dua baris, dan peralatan distribusi 110 kV menggunakan busbar dukungan tabung aluminium-magnesium luar ruangan. Susunan bay sektoral standar biasanya menampilkan susunan busbar konduktor lembut secara linear di kedua ujung, yang membutuhkan ruang lateral yang besar. Berkat integrasi peralatan GIS hibrida, susunannya lebih padat. Penelitian menetapkan dimensi lateral bay sektoral sebesar 8 m, 2 m lebih pendek dari sebelumnya. Panjang longitudinal standar adalah 39 m. Untuk mengoptimalkan dimensi longitudinal, rancangan yang diusulkan menggunakan peralatan terintegrasi, menghapus struktur masuk, dan memodifikasi kerangka busbar, sehingga mengurangi okupasi ruang longitudinal. Melalui dua perbaikan ini, dimensi longitudinal dalam rancangan adalah 25.2 m, 13.8 m lebih pendek dari panjang standar, secara efektif mengurangi ruang yang ditempati oleh peralatan.
Analisis Kinerja dan Biaya Sub Stasiun Prefabrikasi Cerdas
Setelah konstruksi sub stasiun prefabrikasi selesai, langkah-langkah komisioning yang relevan perlu dilakukan untuk memastikan bahwa fungsi setiap perangkat dapat memenuhi persyaratan desain dan memungkinkan komunikasi normal antara perangkat dan perangkat lunak. Eksperimen mencatat dan menganalisis data seperti nilai arus, voltase, daya aktif, suhu transformator, dan faktor daya setiap saklar di sub stasiun prefabrikasi untuk memastikan operasi stabil peralatan sub stasiun. Di antaranya, nilai suhu transformator pada periode waktu yang berbeda ditunjukkan dalam Gambar 3.
Dari Gambar 3(a), dapat dilihat bahwa nilai suhu fase A, fase B, dan fase C semua tetap dalam keadaan relatif stabil. Suhu fase B tertinggi, mencapai 43.6 °C dari 8:31 hingga 8:32; suhu fase A bervariasi antara 42.0 - 43.2 °C; dan suhu fase C tetap sekitar 42.5 °C. Dalam Gambar 3(b), variasi nilai suhu transformator yang dikumpulkan sore hari juga relatif kecil. Karena perubahan lingkungan, nilai suhu keseluruhan fase A, fase B, dan fase C lebih tinggi dari pengukuran pagi, tetapi masih dalam rentang suhu normal. Pada pukul 14:32, nilai suhu fase B adalah 44.1 °C, dan pada saat itu, nilai suhu fase A dan fase C masing-masing adalah 42.9 °C dan 42.6 °C. Sepanjang periode pengukuran, suhu terendah fase C adalah 42.2 °C dan tertinggi 43.7 °C, sementara suhu fase A bervariasi dalam rentang 42.6 - 43.8 °C.
Analisis data uji lapangan menunjukkan bahwa data sub stasiun prefabrikasi semuanya memenuhi persyaratan desain dan sesuai dengan standar penerimaan yang relevan. Dalam hal utilitas ekonomi, berdasarkan teori biaya siklus hidup, eksperimen menganalisis dan menghitung berbagai biaya peralatan distribusi 110 kV, dan memilih skema switchgear insulasi udara untuk perbandingan. Hasil perbandingan ditunjukkan dalam Gambar 4.
Dalam Gambar 4, biaya investasi awal untuk rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan adalah 2.413 juta RMB, 0.133 juta RMB lebih tinggi dari skema switchgear insulasi udara. Ini terutama karena biaya pembelian peralatan rancangan GIS hibrida lebih tinggi dari skema switchgear insulasi udara, dan biaya pekerjaan instalasi juga sedikit lebih tinggi.
Selama fase operasi dan pemeliharaan, proporsi biaya yang diperlukan relatif kecil. Karena sub stasiun rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan adalah sub stasiun tanpa pengawasan, hanya diperlukan inspeksi manual rutin yang sedikit, yang mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan harian. Oleh karena itu, biaya operasi dan pemeliharaan jauh lebih rendah dibandingkan skema switchgear insulasi udara.
Probabilitas kegagalan tahunan rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan telah berkurang secara signifikan, mengakibatkan penurunan yang nyata dalam biaya pemeliharaan. Selain itu, biaya pembongkaran hanya 89% dari skema switchgear insulasi udara. Mengingat semua faktor, nilai sekarang biaya siklus hidup rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan 0.549 juta RMB lebih rendah dari skema switchgear insulasi udara. Selain itu, skema sub stasiun 110 kV GIS cerdas unggul dibandingkan skema switchgear insulasi udara konvensional.
Kesimpulan
Untuk menghemat sumber daya lahan perkotaan, mempersingkat periode konstruksi, dan meningkatkan efisiensi ekonomi dan keandalan sub stasiun prefabrikasi, penelitian ini mengusulkan rancangan GIS hibrida luar ruangan yang mengintegrasikan pemutus sirkuit dan disconnector. Dengan mengoptimalkan rangkaian dan mengadopsi kabel sektoral tunggal, serta mengoptimalkan tata letak umum, jumlah kegagalan berkurang dan biaya pemeliharaan berkurang.
Hasil uji menunjukkan bahwa selama pengumpulan suhu transformator, nilai suhu fase A, fase B, dan fase C tetap relatif stabil. Pagi hari, suhu fase A bervariasi antara 42.0 - 43.2 °C, sementara suhu fase C tetap sekitar 42.5 °C. Sore hari, suhu fase C berkisar dari minimum 42.2 °C hingga maksimum 43.7 °C, dan suhu fase A bervariasi antara 42.6 °C dan 43.8 °C. Data sub stasiun prefabrikasi memenuhi persyaratan desain dan sesuai dengan standar penerimaan yang relevan.
Dalam analisis biaya siklus hidup, meskipun biaya investasi awal rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan adalah 2.413 juta RMB, 0.133 juta RMB lebih tinggi dari skema switchgear insulasi udara, rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan hanya memerlukan inspeksi manual rutin yang sedikit. Hal ini mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan harian, membuat biaya operasi dan pemeliharaan jauh lebih rendah dibandingkan skema switchgear insulasi udara, dan secara signifikan mengurangi biaya pemeliharaan. Perhitungan menunjukkan bahwa nilai sekarang biaya siklus hidup rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan 0.549 juta RMB lebih rendah dari skema switchgear insulasi udara, menunjukkan bahwa rancangan sub stasiun 110 kV GIS cerdas yang dioptimalkan unggul dibandingkan skema switchgear insulasi udara konvensional.
Namun, penelitian ini hanya menganalisis dan mengoptimalkan desain sub stasiun primer. Di masa depan, diperlukan desain cerdas yang lebih komprehensif untuk sub stasiun sekunder dengan mempertimbangkan komunikasi dan konstruksi lahan secara menyeluruh.
