Desain Optimasi Gas-Insulated Switchgear untuk Daerah Ketinggian Tinggi
Unit-unit ring main bertekanan gas adalah peralatan switchgear yang padat dan dapat diperluas, cocok untuk sistem otomasi distribusi daya menengah. Perangkat ini digunakan untuk pasokan jaringan cincin 12~40.5 kV, sistem pasokan daya radial ganda, dan aplikasi pasokan terminal, berfungsi sebagai perangkat kontrol dan perlindungan energi listrik. Mereka juga cocok untuk dipasang di substasi boks.
Dengan mendistribusikan dan mengatur energi listrik, mereka memastikan operasi stabil sistem daya. Komponen inti dari perangkat ini menggunakan pemutus sirkuit atau kombinasi saklar beban dan sekring, menawarkan keuntungan seperti struktur sederhana, ukuran kecil, biaya rendah, peningkatan parameter dan kinerja pasokan daya, serta peningkatan keamanan pasokan daya. Mereka digunakan secara luas di stasiun distribusi dan substasi boks di pusat beban seperti komunitas perumahan perkotaan, bangunan tinggi, fasilitas publik besar, dan perusahaan industri. Berbagai gas insulasi digunakan sebagai media insulasi, termasuk SF₆, udara kering, nitrogen, atau gas campuran, memberikan kinerja insulasi tinggi dan manfaat lingkungan, sehingga aplikasinya menjadi luas dalam sistem daya.
Komponen utama dari jenis unit ring main ini dipasang dalam tangki las tertutup yang diisi dengan gas insulasi (selanjutnya disebut "kompartemen gas"). Kompartemen gas adalah komponen inti dari unit ring main bertekanan gas. Fungsinya utama adalah untuk memastikan bahwa komponen-komponen tegangan tinggi di dalamnya beroperasi tanpa terpengaruh oleh faktor-faktor lingkungan eksternal seperti kontaminasi, kelembaban, dan korosi. Ini juga menjamin lingkungan kerja komponen dan kinerja listrik normal. Semua komponen internal dilindungi oleh kompartemen gas tertutup. Kompartemen tersebut dilengkapi dengan perangkat pemantauan tekanan atau densitas gas, seperti manometer atau densimeter, biasanya mengukur selisih tekanan antara bagian dalam dan luar kompartemen.
Artikel ini terutama membahas masalah yang mempengaruhi kinerja mekanik dan listrik unit ring main di lingkungan ketinggian.
1. Skema Desain Umum untuk Unit Ring Main Bertekanan Gas di Ketinggian dan Masalah yang Ada
Unit ring main bertekanan gas memiliki desain sepenuhnya terisolasi, dengan rangkaian konduktif utamanya ditutupi oleh sistem isolasi penuh yang terdiri dari kompartemen gas tertutup, bushing masuk/keluar sepenuhnya terisolasi, dan terminasi kabel sepenuhnya terisolasi. Karena lingkungan internal kompartemen gas tidak terpengaruh oleh kondisi eksternal, densitas gas dan kelembaban tetap konstan. Secara teori, kinerja isolasi tidak dipengaruhi oleh faktor eksternal seperti kelembaban, kontaminasi, atau gas korosif. Demikian pula, kinerja isolasi bushing dan terminasi kabel—yang dirancang dengan bahan isolasi seperti resin epoksi dan karet silikon—tidak terpengaruh oleh lingkungan eksternal. Dalam penampilan, unit ring main bertekanan gas yang didesain secara konvensional tampak dapat disesuaikan dengan lingkungan dataran tinggi, sehingga banyak produsen percaya bahwa mereka memenuhi persyaratan operasional di ketinggian dan menerapkannya langsung di daerah tersebut.
Saat ini, dua skema teknis utama digunakan saat menerapkan unit ring main bertekanan gas di lingkungan ketinggian:
1.1 Penyebaran Langsung di Daerah Ketinggian
Konsep Desain: Pendekatan ini bergantung pada prinsip bahwa rangkaian konduktif utama sepenuhnya ditutupi oleh sistem isolasi (kompartemen gas tertutup, bushing sepenuhnya terisolasi, dan terminasi kabel), sehingga kinerja isolasi tidak dipengaruhi oleh kondisi ketinggian.
Masalah yang Ada: Dalam operasi sebenarnya, tekanan atmosfer eksternal yang berkurang di ketinggian meningkatkan selisih tekanan antara bagian dalam dan luar kompartemen gas. Hal ini menyebabkan deformasi pembengkakan signifikan pada kompartemen, mempengaruhi kinerja mekanik komponen listrik seperti pemutus sirkuit dan pemutus jalur. Ini dapat menyebabkan macet operasional dan perubahan karakteristik mekanik.
1.2 Pengaturan Tekanan Gas Pabrik yang Dikurangi
Konsep Desain: Untuk mengatasi peningkatan selisih tekanan internal-eksternal di ketinggian, skema ini mengurangi tekanan gas di dalam kompartemen di pabrik. Ketika unit tiba di lokasi ketinggian, tekanan atmosfer yang berkurang menyebabkan selisih tekanan naik ke nilai yang diperlukan oleh spesifikasi teknis, membuat manometer menunjukkan tekanan operasional yang diperlukan.
Masalah yang Ada: Desain ini efektif mengurangi densitas gas insulasi di dalam kompartemen. Meskipun manometer menunjukkan nilai yang didesain di ketinggian, kinerja isolasi gas secara inheren terkait dengan densitas gas sesuai kurva Paschen (lihat Gambar 1) yang dibuat oleh fisikawan Jerman Friedrich Paschen. Kurva Paschen menggambarkan fungsi yang diturunkan dari Hukum Paschen. Makna fisiknya: Tegangan breakdown U (kV) adalah fungsi dari produk jarak elektroda d (cm) dan tekanan gas P (Torr), dinyatakan sebagai U = apd / [ln(Pd) + b] (lihat Gambar 1), di mana a dan b adalah konstanta.
Signifikansi utama kurva: Untuk jarak isolasi tetap, peningkatan tekanan atau pengurangan tekanan menuju vakum (misalnya, 10⁻⁶ Torr) keduanya meningkatkan tegangan breakdown celah. Pada tekanan hampir vakum, penurunan level vakum (yaitu, peningkatan kepadatan udara) membuat breakdown listrik antara elektroda lebih mudah. Melewati ambang batas tekanan tertentu, kinerja isolasi secara bertahap membaik seiring peningkatan tekanan. Dalam fase ini (di luar titik a di Gambar 1), pengurangan tekanan—dan demikian juga densitas gas—menurunkan tegangan breakdown, artinya kinerja isolasi menurun. Rentang tekanan operasional unit ring main bertekanan gas sepenuhnya berada dalam wilayah ini (bagian di luar titik a di Gambar 1).
1.3 Ringkasan Masalah dengan Desain Konvensional di Ketinggian
Peningkatan selisih tekanan antara bagian dalam dan luar kompartemen gas menyebabkan deformasi kompartemen yang lebih besar, mempengaruhi operasi mekanik dan kinerja saklar.
Dalam kondisi selisih tekanan internal-eksternal yang meningkat, perangkat pelampiasan tekanan lebih cenderung aktif.
Manometer mengukur perbedaan tekanan relatif antara bagian dalam dan luar kompartemen gas. Meter kepadatan gas menambah fungsi kompensasi suhu pada manometer. Keduanya tidak dapat menampilkan kepadatan gas sebenarnya di dalam kompartemen dengan akurat pada ketinggian yang tinggi, namun kepadatan gas secara inheren terkait dengan kinerja isolasi.
Kepadatan atmosfer yang berkurang pada ketinggian yang tinggi secara bersamaan menurunkan kinerja isolasi komprehensif komponen isolasi eksternal kompartemen gas.
2. Rancangan Skema untuk Unit Utama Cincin Isolasi Gas di Ketinggian Tinggi
Berdasarkan analisis di atas, meskipun struktur sepenuhnya terisolasi dari unit utama cincin isolasi gas (dengan sirkuit konduktif utama sepenuhnya tertutup oleh kompartemen gas tertutup, bushing sepenuhnya terisolasi, dan ujung kabel sepenuhnya terisolasi) secara teoritis mempertahankan kinerja isolasi yang tidak terpengaruh, dipengaruhi oleh faktor-faktor yang muncul pada ketinggian tinggi: peningkatan diferensial tekanan internal-eksternal di kompartemen gas, ketidakmampuan untuk mengurangi kepadatan gas isolasi di dalam kompartemen, dan kebutuhan untuk indikasi kepadatan gas yang akurat. Oleh karena itu, kunci rancangan untuk unit utama cincin isolasi gas di ketinggian tinggi terletak pada rancangan kompartemen gas dan perangkat pelampiasan tekanan, memenuhi persyaratan lingkungan ketinggian tinggi untuk manometer kompartemen gas, dan menyelesaikan kemampuan isolasi komprehensif yang berkurang dari komponen isolasi eksternal pada ketinggian tinggi.
2.1 Rancangan Kompartemen Gas dan Perangkat Pelampiasan Tekanan untuk Aplikasi Ketinggian Tinggi
Untuk mengatasi masalah teknis tersebut, makalah ini mengusulkan konsep rancangan baru untuk unit utama cincin isolasi gas di ketinggian tinggi, berbeda dari unit biasa tanpa rancangan khusus atau yang hanya menggunakan pengurangan tekanan sederhana. Unit utama cincin ini memiliki rancangan khusus dalam aspek-aspek berikut:
(1) Penguatan Kekuatan Struktural Kompartemen Gas
Untuk melawan peningkatan diferensial tekanan internal-eksternal yang disebabkan oleh ketinggian tinggi, kekuatan struktural kompartemen gas diperkuat. Ini memastikan deformasi kompartemen pada ketinggian tinggi tetap dalam spesifikasi teknis, menjamin kinerja mekanis komponen tegangan tinggi di dalamnya tidak terpengaruh.
Menurut model Atmosfer Standar Internasional, tekanan atmosfer standar pada ketinggian tertentu dapat dihitung menggunakan rumus:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
di mana P adalah tekanan atmosfer pada ketinggian tertentu; P₀ adalah tekanan atmosfer standar di permukaan laut; H adalah ketinggian.
Mengambil contoh ketinggian 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Menggunakan contoh unit utama cincin isolasi gas SF₆ 10 kV yang umum, tekanan rancangan kompartemen gas di area non-ketinggian biasanya 0.07 MPa. Mengingat tekanan atmosfer yang berkurang di ketinggian tinggi, tekanan rancangan aktual untuk kompartemen gas pada ketinggian 4000 m dapat dihitung sebagai:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Rancangan Perangkat Pelampiasan Tekanan untuk Aplikasi Ketinggian Tinggi
Sesuai dengan standar nasional terbaru GB/T 3906—2020 "Peralatan listrik logam tertutup AC untuk tegangan nominal di atas 3.6 kV hingga dan termasuk 40.5 kV", Pasal 7.103 menyatakan bahwa kompartemen gas unit utama cincin isolasi gas harus mampu menahan 1.3 kali tekanan rancangan (P₁) selama 1 menit tanpa aktivasi perangkat pelampiasan tekanan. Jika tekanan terus meningkat antara 1.3 kali (P₁) dan 3 kali (P₂) tekanan rancangan, perangkat pelampiasan tekanan dapat diaktifkan. Hal ini dapat diterima selama memenuhi spesifikasi rancangan produsen. Setelah pengujian, kompartemen gas mungkin mengalami deformasi tetapi tidak boleh pecah.
Merancang kekuatan kompartemen gas dan perangkat pelampiasan tekanan sesuai dengan persyaratan ini memenuhi standar nasional. Kompartemen gas dan perangkat pelampiasan tekanan untuk ketinggian yang berbeda dapat dihitung dan dirancang menggunakan metode ini:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Melalui penguatan struktural kompartemen gas—seperti menggunakan pelat baja yang lebih tebal atau menambah stiffener—kompartemen sepenuhnya memenuhi persyaratan kekuatan yang diberlakukan oleh peningkatan diferensial tekanan internal-eksternal di ketinggian tinggi. Ini menghindari dampak kinerja mekanis dan listrik pada sakelar tegangan tinggi di dalam kompartemen yang disebabkan oleh deformasi, memastikan operasi stabil pada tekanan gas nominal dan memberikan kinerja mekanis dan listrik yang identik di lingkungan ketinggian tinggi seperti di daerah dataran rendah.
Melalui perhitungan rancangan dan validasi eksperimental, peningkatan ketebalan dan kekuatan diafragma pelampiasan tekanan meningkatkan kapabilitas toleransi tekanannya. Ini memastikan rentang pelampiasan tekanan kompartemen gas sesuai dengan persyaratan rentang tekanan yang ditentukan, mencegah aktivasi dini perangkat pelampiasan tekanan karena peningkatan diferensial tekanan internal-eksternal di lingkungan ketinggian tinggi. Ini mempertahankan tingkat isolasi internal dan memastikan kinerja listrik unit utama cincin.
2.2 Rancangan Perangkat Indikasi Kepadatan Gas untuk Aplikasi Ketinggian Tinggi
Perangkat indikasi kepadatan gas isolasi menggunakan meter kepadatan tipe tertutup. Nilai yang ditampilkan tidak terpengaruh oleh perubahan suhu atau variasi tekanan atmosfer eksternal.
Untuk unit utama cincin isolasi gas di ketinggian tinggi, meter kepadatan yang dipilih untuk kompartemen gas adalah meter kepadatan tipe tertutup kondisi penuh, kebal terhadap efek suhu dan ketinggian. Prinsip kerjanya melibatkan elemen kompensasi di dalam meter kepadatan yang memungkinkan kompensasi suhu (tidak terpengaruh oleh suhu). Sementara itu, kepala meter memiliki struktur tertutup di mana ruang tertutup mempertahankan tekanan atmosfer standar. Nilai tekanan yang ditampilkan oleh meter kepadatan mewakili perbedaan tekanan antara bagian dalam kompartemen gas dan tekanan atmosfer standar.
Desain ini memastikan bahwa skala densitometer yang dipasang pada kompartemen gas unit ring main selalu secara akurat mencerminkan kepadatan gas sebenarnya di dalam kompartemen. Nilai yang ditampilkan tidak terpengaruh oleh suhu dan ketinggian, sepenuhnya memenuhi persyaratan operasional untuk daerah berketinggian tinggi.2.3 Desain Bushing Isolasi Penuh untuk Unit Ring Main Gas-Isolasi Berketinggian Tinggi
Selain mempengaruhi kompartemen gas dan alat pengukur, ketinggian juga mempengaruhi komponen isolasi penuh yang dipasang eksternal seperti bushing masuk/keluar dan sambungan ujung kabel. Kinerja isolasi dari komponen isolasi penuh eksternal ini dipengaruhi oleh kedua kekuatan isolasi bahan isolasi dan kekuatan isolasi merayap relatif terhadap tanah. Pada ketinggian tinggi, penurunan kepadatan udara mengurangi kekuatan isolasi merayap relatif terhadap tanah. Dalam aplikasi praktis, unit ring main gas-isolasi dengan desain konvensional sering gagal dalam uji tahan tegangan frekuensi listrik untuk komponen isolasi eksternal (misalnya, bushing isolasi atau busbar ekspansi atas) setelah ditempatkan di daerah berketinggian tinggi.
Untuk mengatasi hal ini, makalah ini mengusulkan skema desain baru untuk bushing isolasi penuh dalam unit ring main gas-isolasi berketinggian tinggi: menambahkan lapisan perisai yang terhubung ke tanah pada permukaan luar komponen isolasi tersebut. Desain ini meningkatkan keuniforman medan listrik dan mencegah pelepasan arus ke tanah dari busbar rangkaian utama.
Dalam proyek stasiun pemutus 10 kV outdoor di Nagqu, Tibet, sebuah perusahaan menghadapi situasi selama uji penerimaan di mana peralatan hanya dapat melewati uji tahan tegangan frekuensi listrik 29 kV/1 menit relatif terhadap tanah. Setelah menambahkan lapisan perisai yang terhubung ke tanah pada isolasi luar bushing masuk/keluar dan busbar eksternal kompartemen gas, peralatan tersebut memenuhi persyaratan standar nasional 42 kV/1 menit untuk tahan tegangan frekuensi listrik relatif terhadap tanah.
2.4 Ringkasan Poin Teknis Kunci
Aspek desain kritis untuk unit ring main gas-isolasi berketinggian tinggi adalah sebagai berikut:
Perkuat kekuatan struktural kompartemen gas dengan meningkatkan ketebalan pelat baja atau menambah penyangga untuk memenuhi persyaratan rentang toleransi tekanan dan batas deformasi yang disebabkan oleh peningkatan diferensial tekanan internal-eksternal di ketinggian tinggi.
Tingkatkan desain kekuatan diafragma pelepasan tekanan pada perangkat pelepasan tekanan kompartemen gas. Setelah diperkuat, ia memenuhi persyaratan rentang toleransi tekanan untuk perangkat pelepasan tekanan di bawah peningkatan diferensial tekanan internal-eksternal di ketinggian tinggi.
Adopsi densitometer jenis tertutup untuk perangkat indikator tekanan. Nilai yang ditampilkan tidak terpengaruh oleh perubahan suhu atau variasi tekanan atmosfer eksternal, menjadikannya cocok untuk lingkungan berketinggian tinggi.
Desain lapisan perisai yang terhubung ke tanah pada permukaan luar komponen isolasi eksternal kompartemen gas untuk meningkatkan keuniforman medan listrik dan mencegah pelepasan arus ke tanah dari busbar rangkaian utama.
3. Signifikansi Desain Unit Ring Main Gas-Isolasi Berketinggian Tinggi
Skema desain ini bertujuan untuk menyediakan unit ring main gas-isolasi yang benar-benar memenuhi persyaratan operasional di ketinggian tinggi. Dengan memperkuat kekuatan kompartemen gas, meningkatkan kemampuan toleransi tekanan perangkat pelepasan tekanan, memungkinkan pengukuran akurat kepadatan gas internal, dan mendesain komponen isolasi terkait secara rasional, unit ring main mencapai adaptabilitas teknis lengkap terhadap lingkungan berketinggian tinggi. Ini memastikan kinerja mekanis dan elektrik unit ring main dan memungkinkan operasi normal unit ring main gas-isolasi di lingkungan berketinggian tinggi.
Daerah berketinggian tinggi di Cina sangat luas, menciptakan permintaan besar untuk peralatan listrik yang disesuaikan dengan kondisi ketinggian. Standarisasi dan rasionalitas desain produk sangat membutuhkan peningkatan. Variasi lingkungan aktual di daerah berketinggian tinggi menuntut persyaratan baru pada desain produk. Skema teknis ini memberikan teori dan metodologi desain baru, merupakan eksplorasi yang bermakna.
