Tren Pengembangan Terbaru dari Pemutus Sirkuit Tegangan Tinggi Berbasis Gas Alternatif SF₆

1. Pendahuluan
SF₆ secara luas digunakan dalam sistem transmisi dan distribusi listrik, seperti peralatan pemutus sirkuit bertekanan gas (GIS), pemutus sirkuit (CB), dan saklar beban tegangan menengah (MV). SF₆ memiliki kemampuan isolasi listrik dan pemadam busur yang unik. Namun, SF₆ juga merupakan gas rumah kaca yang kuat, dengan potensi pemanasan global sekitar 23.500 dalam periode 100 tahun, sehingga penggunaannya diatur dan menjadi subjek diskusi berkelanjutan mengenai pembatasan. Oleh karena itu, penelitian tentang gas alternatif untuk aplikasi tenaga telah dilakukan selama sekitar dua dekade.

"Club Zéro" (CZC), bekerja sama dengan CIGRE, baru-baru ini meluncurkan inisiatif untuk mengevaluasi keadaan terkini dari gas alternatif SF₆ untuk aplikasi pemutusan. Survei telah dilakukan untuk mengumpulkan semua literatur terbaru yang tersedia mengenai topik ini. Hasilnya dipresentasikan dan didiskusikan dalam sesi bersama selama Sesi CIGRE pada tahun 2016. Makalah ini menyajikan temuan utama dari survei tersebut. Karena teknologi pemutusan vakum merupakan aktivitas terpisah yang sedang berlangsung, hal tersebut tidak akan dibahas dalam tinjauan ini.

2. Gas Alternatif

Setelah adopsi Protokol Kyoto pada tahun 1997, penelitian tentang gas alternatif semakin intensif dan meningkat lebih lanjut selama dekade terakhir. Persyaratan utama untuk gas alternatif telah diidentifikasi sebagai: potensi pemanasan global (GWP) rendah, potensi pengurasan ozon (ODP) nol, toksisitas rendah, tidak mudah terbakar, kekuatan dielektrik tinggi, kemampuan pemadam busur dan disipasi panas yang tinggi, stabilitas kimia, kompatibilitas bahan, dan ketersediaan pasar.

Dari berbagai gas alami yang diteliti, CO₂ telah terbukti menjadi gas pemadam busur yang paling menjanjikan, dengan kinerjanya dapat ditingkatkan oleh aditif seperti O₂ atau CF₄. Namun, studi menunjukkan bahwa kinerja pemutusan dan isolasi CO₂ lebih rendah dibandingkan SF₆. Kandidat menarik lainnya telah diidentifikasi di antara gas fluorinasi, seperti CF₃I, hidrofluoroolefin (HFO-1234ze dan HFO-1234yf), perfluoroketon (misalnya, C₅F₁₀O), perfluoronitril (C₄F₇N), eter fluorinasi (HFE-245cb2), epoksid fluorinasi, dan hidroklorofluoroolefin (HCFO-1233zd).

Mempertimbangkan semua persyaratan, kandidat yang paling menjanjikan saat ini adalah C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ atau C₅-PFK) dan iso-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN atau C₄-PFN). Untuk gas murni, kinerja dielektrik sebanding dengan titik didih—yaitu, gas dengan kekuatan dielektrik tinggi biasanya juga memiliki titik didih yang tinggi. Pada 0,1 MPa, titik didih C₅-PFK dan C₄-PFN masing-masing adalah 26,5°C dan –4,7°C. Oleh karena itu, untuk aplikasi peralatan pemutusan yang membutuhkan titik didih yang cukup rendah untuk memenuhi tuntutan operasional suhu rendah, gas buffer harus ditambahkan. Karena kemampuan pemadam busur yang baik, CO₂ dipilih sebagai gas buffer dalam aplikasi tegangan tinggi. Dalam aplikasi tegangan menengah, udara juga dilaporkan sebagai gas buffer yang digunakan bersama dengan C₅-PFK untuk tujuan isolasi.

3. Sifat Gas Murni dan Campuran Gas

Tabel 1 menampilkan sifat gas alternatif yang dipilih relatif terhadap SF₆. GWP dari gas-gas ini bervariasi signifikan: C₄-PFN menunjukkan GWP yang jauh lebih tinggi daripada CO₂ atau C₅-PFK, keduanya memiliki GWP sekitar 1. Semua kandidat gas yang menarik adalah tidak mudah terbakar, memiliki ODP nol, dan dilaporkan sebagai non-toksik menurut lembar data teknis dan keselamatan yang disediakan oleh produsen kimia. Kekuatan dielektrik C₄-PFN dan C₅-PFK murni hampir dua kali lipat dari SF₆. Tegangan daya tahan dielektrik CO₂ setara dengan udara—yaitu, jauh lebih rendah daripada SF₆.

Tabel 1: Perbandingan Sifat Gas Murni dengan SF₆

Tabel 2 menunjukkan karakteristik gas dan campuran gas saat digunakan dalam peralatan switchgear. Konsentrasi C₄-PFN dan C₅-PFK dalam campuran dengan gas penyangga diberikan pada kolom kedua, biasanya di bawah 13% (konsentrasi molar). Perlu dicatat bahwa untuk penggunaan C₅-PFK dalam CO₂, juga telah dilaporkan adanya aditif oksigen, karena keberadaan oksigen dapat mengurangi pembentukan produk sampingan berbahaya (seperti CO) dan produk sampingan padat (seperti jelaga).

Tabel 2: Karakteristik/Kinerja Gas Murni dan Campuran Gas dalam Aplikasi Peralatan Switchgear Tegangan Menengah dan Tinggi

Dikarenakan penurunan tegangan tahan dielektrik campuran dibandingkan dengan SF₆ pada tekanan yang sama (Kolom 6), tekanan operasional minimum untuk C₅-PFK dan C₄-PFN dengan CO₂ sebagai gas buffer dalam aplikasi tegangan tinggi perlu ditingkatkan menjadi sekitar 0,7–0,8 MPa. Untuk aplikasi tegangan menengah menggunakan campuran udara/C₅-PFK, tekanan 0,13 MPa dapat dipertahankan, mencapai tegangan tahan dielektrik yang mendekati SF₆.

Tegangan tahan dielektrik tinggi yang dicapai dengan rasio pencampuran relatif rendah C₄-PFN atau C₅-PFK dapat dijelaskan oleh efek sinergis—yaitu, kekuatan dielektrik meningkat secara non-linear dengan konsentrasi aditif, fenomena yang sebelumnya diamati dalam campuran SF₆/N₂. GWP campuran C₅-PFK dapat diabaikan, tetapi ini datang dengan biaya suhu operasional minimum yang lebih tinggi. Aplikasi suhu rendah (misalnya, –25°C) dapat ditangani dengan menggunakan CO₂ murni atau campuran CO₂ + C₄-PFN, meskipun dengan trade-off: penurunan signifikan tegangan tahan dielektrik dalam kasus CO₂ murni, atau GWP yang jauh lebih tinggi saat menggunakan campuran C₄-PFN.

4. Kinerja Pengalihan Gas Alternatif
Tabel 3 mengumpulkan informasi awal tentang kinerja pengalihan CO₂ murni dan campuran berbasis CO₂, dengan kinerja SF₆ disediakan untuk perbandingan. Dengan meningkatkan tekanan operasional relatif terhadap SF₆, kekuatan dielektrik dingin—yang digunakan, misalnya, sebagai metrik untuk kinerja pengalihan kapasitif—dapat ditingkatkan hingga level SF₆.

Tabel 3: Perbandingan Kinerja Pengalihan Gas dan Campuran Gas pada Tekanan Operasional Tinggi dibandingkan dengan SF₆ dalam Aplikasi Tegangan Tinggi

Dalam literatur yang ditinjau, hanya pernyataan kualitatif mengenai kinerja beralih dari campuran C₄-PFN dan C₅-PFK yang dapat ditemukan. Untuk CO₂, beberapa perbandingan kuantitatif tersedia. Secara umum, dengan CO₂ murni pada tekanan pengisian sekitar 1 MPa, kinerja isolasi dan pemutusan gangguan jalur pendek (SLF) sekitar dua pertiga dari SF₆ dapat diharapkan.

Dengan menambahkan O₂ ke CO₂ (dengan rasio pencampuran hingga 30%), peningkatan kinerja pemutusan SLF dan sedikit peningkatan kekuatan dielektrik dapat diantisipasi. Menambahkan C₄-PFN atau C₅-PFK ke CO₂ memungkinkan kinerja dielektrik mendekati SF₆. Studi melaporkan bahwa kinerja beralih SLF dari campuran CO₂/O₂/C₅-PFK sekitar 20% lebih rendah dari SF₆. Sebaliknya, pemutus sirkuit yang disesuaikan khusus untuk campuran CO₂/C₄-PFN diklaim mencapai kinerja SLF yang setara dengan SF₆.

Namun, ada juga studi yang secara langsung membandingkan CO₂ murni dengan campuran CO₂/C₄-PFN dan CO₂/C₅-PFK dalam kondisi geometri dan tekanan yang sama, yang menunjukkan kinerja pemutusan zona dekat (termal) yang serupa untuk CO₂ dengan atau tanpa aditif. Dengan modifikasi desain minor atau derating moderat, campuran baru telah berhasil lulus uji tugas IEC L90 (SLF) dan T100 (gangguan terminal 100%), menunjukkan bahwa kinerja beralih mereka tidak jauh berbeda dari SF₆. Ini juga telah dibuktikan untuk fungsi pemutusan pemutus sirkuit.

Penyempurnaan lebih lanjut dalam kinerja beralih melalui optimasi desain khusus diharapkan di masa depan. Masalah penting adalah toksisitas gas setelah busur api. C₅-PFK dan C₄-PFN adalah molekul kompleks yang mulai terurai di atas sekitar 650 °C untuk C₄-PFN. Setelah terurai, molekul-molekul ini tidak kembali bergabung menjadi struktur aslinya tetapi membentuk fragmen-fragmen yang lebih kecil. Laju dekomposisi 0,5 mol/MJ telah dilaporkan untuk campuran CO₂/O₂/C₅-PFK selama pemutusan arus tinggi. Untuk pelepasan parsial, laju dekomposisi diamati lebih dari satu orde magnitudo lebih rendah dari nilai di atas.

Perilaku dekomposisi gas-gas baru ini tidak dapat dibandingkan secara langsung dengan SF₆, yang terurai terutama karena reaksi kimia dengan material kontak dan nozzle yang tererosi. Untuk gas-gas baru, dekomposisi sepanjang umur peralatan tidak dianggap sebagai masalah kritis, tetapi konsentrasi gas dalam peralatan harus dipantau atau diperiksa secara berkala. Produk dekomposisi paling beracun dalam aplikasi tekanan tinggi (yaitu, campuran dengan CO₂) adalah CO dan HF. Produk busur api dari campuran ini dianggap memiliki toksisitas serupa atau lebih rendah dari SF₆ yang terurai oleh busur api. Oleh karena itu, prosedur penanganan yang serupa dengan yang digunakan untuk SF₆ yang terpapar busur api direkomendasikan.

Namun, perlu dicatat bahwa pernyataan di atas didasarkan pada pengetahuan terbatas mengenai toksisitas gas-gas baru ini. Pengalaman lebih lanjut diperlukan mengenai toksisitas pasca-busur api dari alternatif potensial SF₆. Kekhawatiran lain yang dilaporkan termasuk kompatibilitas material (misalnya, efek pada segel dan pelumas), integritas penyegelan gas, dan prosedur penanganan gas. Oleh karena itu, peralatan tegangan tinggi yang ada tidak seharusnya diharapkan dapat beroperasi dengan aman menggunakan gas-gas baru ini tanpa modifikasi desain atau material yang sesuai.

Uji busur internal telah dilakukan pada semua campuran, dan tidak ada masalah serius yang dilaporkan. Konduktivitas termal campuran sedikit lebih rendah dari SF₆, yang mungkin memerlukan derating sedang atau penyesuaian desain untuk kapasitas penghantar arus. Pemutus sirkuit tangki hidup CO₂ telah mendapatkan pengalaman lapangan, dengan penyebaran dimulai beberapa tahun yang lalu, dan pemutus sirkuit yang diisi CO₂ sekarang tersedia secara komersial.

Instalasi pilot tegangan tinggi dan menengah menggunakan campuran C₅-PFK telah beroperasi dengan sukses di Swiss dan Jerman sejak 2015. Proyek-proyek pilot menggunakan campuran CO₂/C₄-PFN direncanakan atau sedang berlangsung di beberapa negara Eropa, termasuk GIS indoor 145 kV di Swiss, transformator arus outdoor 245 kV di Jerman, dan sistem GIL outdoor 420 kV di Inggris dan Skotlandia.

5. Kesimpulan dan Prospek
Informasi yang diterbitkan tentang gas alternatif SF₆ untuk aplikasi beralih telah ditinjau. Pada tahap saat ini, penelitian ini masih dalam fase awal dan jauh lebih sedikit ekstensif daripada tubuh pekerjaan bertahun-tahun pada SF₆. Data produsen yang tersedia menunjukkan bahwa gas-gas baru—seperti C₅-PFK dan C₄-PFN—adalah opsi yang layak yang, ketika dicampur dengan CO₂ sebagai gas buffer, dapat sebagian menyamai kinerja SF₆, meskipun mungkin tidak sepenuhnya mereplikasi semua kemampuan SF₆.

Perbedaan kunci terletak pada kinerja isolasi dan pemutusan, serta titik didih—yang menentukan suhu operasi minimum spesifik peralatan beralih. Suhu operasi minimum rendah (misalnya, –50 °C) dapat dicapai dengan CO₂ murni. Namun, CO₂ tampaknya menunjukkan kinerja pemutusan umumnya lebih rendah, khususnya dalam hal daya tahan puncak tegangan pemulihan dan kemampuan pemutusan, dibandingkan dengan campuran gas yang mengandung C₄-PFN atau C₅-PFK.

Keuntungan dari campuran CO₂/C₅-PFK dibandingkan campuran CO₂/C₄-PFN adalah GWP-nya yang dapat diabaikan (~1 vs. 427/600 untuk C₄-PFN). Sebaliknya, campuran CO₂/C₄-PFN menawarkan suhu operasi minimum yang lebih rendah (sekitar –25 °C) dibandingkan dengan campuran CO₂/C₅-PFK (sekitar –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker

Deskripsi ：

Pemutus sirkuit vakum tangki mati 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, dan 245kV adalah perangkat perlindungan penting untuk sistem tenaga listrik tegangan tinggi. Dengan menggunakan vakum sebagai media pemadam busur dan isolasi, mereka memiliki kemampuan pemadam busur yang luar biasa, memutus arus gangguan dengan cepat dan mencegah kembali terjadinya busur api untuk memastikan operasi sistem tenaga listrik yang stabil. Desain tangki mati menawarkan jejak yang kompak dan stabilitas mekanis yang kuat, memudahkan pemasangan dan pemeliharaan. Dilengkapi dengan mekanisme operasi pegas yang sangat andal, pemutus sirkuit ini memiliki umur mekanis melebihi 10.000 operasi, memberikan respons yang cepat dan tepat. Dengan adaptabilitas lingkungan yang luar biasa, mereka dapat beroperasi dengan stabil dalam kondisi luar yang keras. Digunakan secara luas di gardu induk, jalur transmisi, dan skenario lainnya, mereka menyediakan kontrol beralih tenaga yang efisien dan aman serta perlindungan yang andal di berbagai tingkat tegangan.

Pengenalan fungsi utama:

• Penghentian Busur yang Efisien: Menggunakan vakum untuk penghentian busur yang cepat dan andal, mencegah kembali menyala.

• Rentang Tegangan yang Luas: Tersedia dalam peringkat 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, dan 245kV untuk aplikasi grid yang beragam.

• Desain Tangki Mati yang Kokoh: Struktur kompak memastikan stabilitas mekanis dan memudahkan pemasangan/pemeliharaan.

• Operasi yang Andal: Mekanisme operasi berbasis pegas dengan lebih dari 10.000 siklus ketahanan mekanis.

• Penyegelan yang Ditingkatkan: Desain flensa segel ganda menawarkan perlindungan tahan air dan kedap gas, ideal untuk penggunaan di luar ruangan.