Penyelidikan reka bentuk substesen kotak pintar berdasarkan peralatan GIS tegangan tinggi 110 kV
Pemilihan dan Penyiapan Peralatan Distribusi Berdasarkan GIS
Saat ini, peralatan distribusi yang umum digunakan terutama meliputi switchgear udara terbuka tipe luar ruangan, GIS konvensional tipe dalam ruangan, GIS struktur baja tipe dalam ruangan, dan GIS hibrida tipe luar ruangan. Studi ini bertujuan untuk menyelesaikan penyiapan peralatan distribusi untuk substasiun prefabricated cerdas di Indonesia. Sebagian besar substasiun di Indonesia berada di daerah dengan medan yang kompleks dan kepadatan beban yang rendah. Menurut rencana saat ini, strategi pengembangan jaringan listrik regional adalah memanfaatkan garis 110 kV yang ada untuk membangun substasiun kapasitas kecil. Pada dasar ini, tingkat tegangan akan dikurangi secara bertahap untuk memaksimalkan efisiensi investasi, meningkatkan pemanfaatan peralatan, dan mengurangi peran substasiun 35 kV. Substasiun 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 peralatan distribusi.
GIS hibrida luar ruangan mengintegrasikan pemutus sirkuit dan disconnector, menggunakan busbar konvensional. Penataan ini dapat mengurangi jumlah flensa dan peralatan luar ruangan, sehingga meningkatkan efisiensi penggunaan lahan di area target. Selain itu, pendekatan GIS hibrida dapat mengurangi kesulitan pemasangan dan ekspansi, memudahkan pemasangan dan pemeliharaan 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, lemari kontrol cerdas pada 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 untuk lemari kontrol luar ruangan, studi ini mengadopsi metode pemasangan AC di sisi pintu lemari.
Mengenai kabel utama, penting untuk memastikan keandalan, efisiensi ekonomi, operabilitas, dan keamanannya selama operasi. Untuk kabel tunggal 110 kV, biasanya diadopsi kabel sektoral atau kabel tipe jembatan. Kabel tipe jembatan memiliki jumlah pemutus sirkuit yang lebih sedikit dan investasi yang 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, jika satu bagian busbar gagal, bagian lainnya masih dapat menyuplai daya normal, memastikan layanan yang andal. Kabel sektoral tunggal relatif sederhana, dengan komponen peralatan yang lebih sedikit, dan menawarkan keandalan dan operabilitas yang tinggi. Struktur substasiun cerdas yang ditingkatkan ditunjukkan dalam Gambar 1.
Transformator di dalam substasiun, sebagai peralatan penting, memainkan peran vital dalam deteksi status. 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, berharga 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 luas diterapkan.
Transformator utama cerdas mengintegrasikan peralatan primer dan sekunder, memungkinkannya melakukan persepsi status dan penilaian status operasional. Untuk memudahkan pemeliharaan harian dan pergantian shift pemantauan serta mengurangi beban pemeliharaan, dipilih metode pendinginan aliran minyak alami dan pendingin udara untuk transformator utama.
GIS hibrida mengintegrasikan pemutus sirkuit, saklar, dan trafo arus menjadi satu entitas, menyederhanakan proses rekonstruksi dengan mengurangi jumlah peralatan. Selain itu, GIS hibrida luar ruangan memiliki jumlah peralatan dan flensa yang lebih sedikit, menawarkan keandalan dan ketahanan korosi yang lebih tinggi, yang membuatnya berkinerja baik di area target. Tegangan nominal peralatan GIS hibrida adalah 126 kV, dan arus nominalnya 2000 A. Setiap peralatan GIS hibrida terdiri dari sensor, lemari 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 pengecekan status untuk saklar tegangan tinggi.
Optimasi Peralatan Distribusi dan Tata Letak Umum
Dalam desain substasiun cerdas asli, konfigurasi lemari terminal cerdas dan lemari kontrol-kumpulan GIS mengikuti susunan dua lemari 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 pengunci, loop anti-tripping, dan loop non-fasa, dapat dicapai desain terintegrasi.
Optimasi lemari kontrol cerdas terutama mencakup tiga aspek: (1) Memperdahulukan logika perangkat lunak terminal lokal daripada logika kabel keras; (2) Menerapkan komunikasi antar bay melalui terminal cerdas dan teknologi objek berorientasi acara substasiun; (3) Mengadopsi desain terintegrasi terminal cerdas dan rangkaian kontrol pemutus sirkuit untuk mengurangi fungsi redundan seperti loop pengunci tekanan. Selain perbaikan rangkaian, tata letak terminal cerdas dalam lemari kontrol-kumpulan asli dipertahankan, dan koneksi antara lemari kontrol-kumpulan cerdas dan peralatan yang sesuai dioptimalkan.
Rancangan yang diajukan dalam studi ini mengadopsi model kabin prefabrikasi modular. Tata letak substasiun harus didasarkan pada kondisi alam dan persyaratan teknik area target, dan memiliki keunggulan seperti keamanan, keandalan, ramah lingkungan, perlindungan kebakaran, dan operasi dan 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 substasiun, dan pemasangan peralatan di tempat menggunakan tata letak minimal. Melalui tata letak ini, 18% area lahan dapat diselamatkan. Tata letak umum peralatan distribusi dalam rancangan ditunjukkan dalam Gambar 2.
Dalam hal optimasi dimensi distribusi
Rancangan yang diajukan dalam penelitian ini mengatur peralatan GIS hibrida dalam dua baris, dan peralatan distribusi 110 kV menggunakan busbar dukungan tabung aluminium-magnesium luar ruangan. Tata letak bay sektoral standar biasanya memiliki susunan busbar pipa fleksibel di kedua ujungnya, yang membutuhkan ruang lateral yang besar. Berkat integrasi peralatan GIS hibrida, tata letaknya lebih padat. Penelitian menetapkan dimensi lateral bay sektoral sebesar 8 m, 2 m lebih pendek dari sebelumnya. Panjang longitudinal standarnya adalah 39 m. Untuk mengoptimalkan dimensi longitudinal, rancangan yang diusulkan menggunakan peralatan terintegrasi, menghapus struktur masuk, dan memodifikasi kerangka busbar, sehingga mengurangi penggunaan 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 diduduki oleh peralatan.
Analisis Kinerja dan Biaya Substasiun Prefabrikasi Cerdas
Setelah konstruksi substasiun 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 dalam substasiun prefabrikasi untuk memastikan operasi stabil peralatan substasiun. Di antaranya, nilai suhu transformator pada periode waktu yang berbeda ditunjukkan dalam Gambar 3.
Dengan mengamati Gambar 3(a), dapat ditemukan bahwa nilai suhu fase A, fase B, dan fase C semuanya tetap dalam keadaan yang relatif stabil. Suhu fase B adalah yang 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 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 substasiun prefabrikasi semua memenuhi persyaratan desain dan sesuai dengan standar penerimaan yang relevan. Dari segi utilitas ekonomi, berdasarkan teori biaya siklus hidup, eksperimen menganalisis dan menghitung berbagai biaya peralatan distribusi 110 kV, dan memilih skema switchgear terisolasi 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 terisolasi udara. Ini terutama karena biaya pembelian peralatan skema GIS hibrida lebih tinggi dari skema switchgear terisolasi udara, dan biaya pekerjaan pemasangan juga sedikit lebih tinggi.
Selama fase operasi dan pemeliharaan, proporsi biaya yang diperlukan relatif kecil. Karena substasiun dari rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan adalah substasiun tanpa awak, hanya diperlukan inspeksi manual rutin dalam jumlah kecil, yang mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan harian. Oleh karena itu, biaya operasi dan pemeliharaan jauh lebih rendah daripada skema switchgear terisolasi udara.
Probabilitas kegagalan tahunan dari rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan telah berkurang secara signifikan, mengakibatkan penurunan yang nyata dalam biaya pemeliharaan. Selain itu, biaya pembongkarannya hanya 89% dari skema switchgear terisolasi udara. Dengan mempertimbangkan semua faktor, nilai sekarang dari biaya siklus hidup rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan 0.549 juta RMB lebih rendah dari skema switchgear terisolasi udara. Selain itu, skema substasiun 110 kV GIS cerdas unggul dibandingkan skema switchgear terisolasi udara konvensional.
Kesimpulan
Untuk menghemat sumber daya lahan perkotaan, mempersingkat periode konstruksi, dan meningkatkan efisiensi ekonomi dan keandalan substasiun prefabrikasi, penelitian ini mengajukan rancangan GIS hibrida luar ruangan yang mengintegrasikan pemutus sirkuit dan disconnector. Dengan mengoptimalkan rangkaian dan menerapkan kabel sektoral tunggal, serta mengoptimalkan tata letak keseluruhan, 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 substasiun 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 2.413 juta RMB, 0.133 juta RMB lebih tinggi dari skema switchgear terisolasi udara, rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan hanya memerlukan inspeksi manual rutin dalam jumlah kecil. Hal ini mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan harian, sehingga biaya operasi dan pemeliharaan jauh lebih rendah daripada skema switchgear terisolasi udara, dan secara signifikan mengurangi biaya pemeliharaan juga. Perhitungan menunjukkan bahwa nilai sekarang dari biaya siklus hidup rancangan GIS hibrida yang dioptimalkan 0.549 juta RMB lebih rendah dari skema switchgear terisolasi udara, menunjukkan bahwa rancangan substasiun 110 kV GIS cerdas yang dioptimalkan unggul dibandingkan skema switchgear terisolasi udara konvensional.
Namun, penelitian ini hanya menganalisis dan mengoptimalkan desain substasiun primer. Di masa depan, diperlukan desain cerdas yang lebih komprehensif untuk substasiun sekunder dengan mempertimbangkan komunikasi dan konstruksi lahan secara menyeluruh.
