Analisis Kegagalan Korsleting pada Saklar Beban Tipe Puffer 10kV

1. Ringkasan Kegagalan

Pada Juni 2013, terjadi kegagalan pada peralatan pengalih tegangan tinggi yang beroperasi di suatu daerah perkotaan, menyebabkan lompatan jalur 10kV. Penyelidikan di lapangan menunjukkan bahwa peralatan pengalih yang bermasalah adalah peralatan pengalih beban tekanan udara (tipe HXGN2-10), dan karakteristik kegagalannya adalah pendek sirkuit busur tiga fase. Setelah mengisolasi kegagalan dan memulihkan pasokan listrik kepada pengguna, perlu dicatat bahwa peralatan pengalih sejenis di daerah ini, yang dimulai operasinya antara tahun 1999 dan 2000 (dengan periode operasi lebih dari 12 tahun, arus nominal rancangan 630A, dan arus operasi sebenarnya sebagian besar ≤ 300A), telah mengalami kegagalan serupa berkali-kali, mengancam operasi yang andal dari jaringan listrik.

2. Prinsip Kerja Peralatan Pengalih Beban Tekanan Udara

Kabinet jaringan cincin tekanan udara diberi nama karena dilengkapi dengan peralatan pengalih beban tekanan udara. Batang kontak geraknya juga berfungsi sebagai silinder udara — struktur hampa mengandung "piston" yang tertutup rapat, yang digerakkan oleh poros utama untuk mewujudkan gerakan linear penutupan dan pembukaan. Saat membuka, piston dengan cepat mengompres udara dalam batang kontak gerak (silinder udara), dan udara yang dikompresi ditiup ke busur yang dihasilkan oleh pemisahan kontak pemadam busur melalui semprotan plastik tahan busur di bagian atas, memadamkan busur dengan meregangkannya; aliran udara berkecepatan tinggi dengan cepat memulihkan kekuatan isolasi medium di tempat putus, mencegah busur menyala kembali.

Karena kemampuan peralatan untuk memutus arus sesak yang terbatas (hanya berlaku untuk sistem di bawah 35kV), disusunlah skema desain "memisahkan elemen konduktif dari elemen penyulut busur":

• Elemen konduktif: Jari-jari kontak berbentuk plum tembaga + batang konduktif, bertanggung jawab untuk transmisi arus;

• Elemen penyulut busur: Batang penyulut busur paduan tembaga-tungsten + cincin penyulut busur, khusus untuk penyulutan dan pemadaman busur.

Saat membuka, permukaan luar batang kontak gerak terlebih dahulu terpisah dari jari-jari kontak statis, dan kemudian cincin penyulut busur terpisah dari batang penyulut busur. Busur dibatasi untuk terbakar antara komponen penyulut busur, menghindari kerusakan pada kontak utama; batang kontak gerak dan terminal bawah dihubungkan oleh jari-jari kontak berbentuk plum untuk memastikan konduksi listrik.

3. Analisis Mendalam Penyebab Kegagalan
(1) Investigasi Awal (Faktor Eksternal)

Arus nominal rancangan peralatan pengalih jenis ini adalah 630A, tetapi data penjadwalan menunjukkan bahwa arus operasi saklar keluaran stasiun adalah 283A, dan arus teoretis yang melewati peralatan pengalih di sepanjang jalan adalah ≤ 283A. Dikombinasikan dengan lingkungan di lapangan (cuaca cerah, tidak ada pencemaran pada badan kabinet), faktor eksternal seperti arus berlebih, tegangan berlebih, dan flashover pencemaran dapat langsung dikecualikan, dan kegagalan tersebut dikaitkan dengan cacat peralatan pengalih itu sendiri.

(2) Pembongkaran dan Verifikasi Uji Coba

Setelah membongkar kabinet yang bermasalah, awalnya diduga bahwa "kontak buruk antara kontak gerak dan statis menyebabkan panas berlebih dan terbakar", tetapi kesimpulan pasti tidak dapat ditarik karena kerusakan parah pada kabinet. Oleh karena itu, dilakukan pengambilan sampel deteksi pada peralatan pengalih sejenis yang sedang beroperasi:

• Tahanan tegangan dan tahanan loop: Tingkat tahanan tegangan memenuhi syarat, dan tahanan loop adalah 114μΩ (sesuai dengan peraturan teknis);

• Uji pemanasan: Data uji kenaikan arus selama 30 menit (Tabel 1) menunjukkan bahwa pemanasan mencapai 84.2℃ pada 400A dan mencapai 133.1℃ pada 630A, jauh melebihi standar nasional untuk penilaian stabil "pemanasan ≤ 1K dalam 1 jam atau ≤ 2K dalam 3 jam".

(3) Identifikasi Penyebab Utama

Pengujian komprehensif dan analisis struktural menunjukkan bahwa kegagalan berasal dari kegagalan sistem kontak, khususnya ditunjukkan oleh:

• Gaya pegas tidak cukup: Tidak dapat secara efektif mengkontraksi jari-jari kontak berbentuk plum, mengakibatkan "kontak permukaan" antara jari-jari kontak dan batang kontak gerak menjadi "kontak garis", dan luas kontak berkurang drastis;

• Cacat dalam presisi pengolahan: Presisi yang kurang dalam pengolahan permukaan busur/datar jari-jari kontak berbentuk plum memperburuk kontak yang buruk;

• Lingkaran setan oksidasi: Jari-jari kontak dan batang kontak gerak terpapar udara, dan oksidasi menyebabkan peningkatan resistansi kontak → pemanasan meningkat → ketegangan pegas berkurang lebih lanjut → efek kontak lebih buruk, akhirnya menyebabkan pendek sirkuit busur ionisasi udara dan lompatan jalur.

4. Transformasi dan Solusi Optimalisasi Peralatan
(1) Peningkatan Proses: Kontrol Akurat Kualitas Kontak

Dengan tujuan pada masalah inti "kontak buruk", perbaikan dilakukan dari segi material dan pengolahan:

• Pemilihan pegas: Menggunakan pegas dengan tahan lelah tinggi untuk memastikan gaya pegas stabil dalam masa hidup rancangan (termasuk kondisi pembuatan dan pemutusan arus nominal), menghindari masalah kontak yang disebabkan oleh kegagalan pegas;

• Pengolahan jari-jari kontak: Mengontrol ketat presisi pengolahan permukaan busur dan datar jari-jari kontak berbentuk plum untuk memastikan pas sempurna dengan permukaan busur silinder batang kontak gerak, menghilangkan ancaman kontak garis/titik, dan memastikan kapasitas muatan arus dan kenaikan suhu sesuai dengan spesifikasi.

(2) Optimalisasi Desain: Pemantauan Kondisi Sepanjang Proses

Integrasi fungsi "pemantauan online" ke dalam desain struktur kabinet untuk mewujudkan status visual:

• Jendela dan probe pengukuran suhu: Menyiapkan jendela pengukuran suhu yang mudah, menginstal probe suhu pada kontak statis, dan menampilkan suhu bagian kontak di dalam kabinet secara real-time melalui instrumen panel;

• Penyimpanan data dan peringatan dini: Mengonfigurasikan peralatan penyimpanan untuk mencatat data operasional. Bahkan jika peralatan menua, situasi abnormal dapat dikenali lebih awal melalui analisis data, memicu proses penggantian dan perawatan, beralih dari perbaikan pasif ke operasi dan pemeliharaan aktif.

(3) Penguatan Operasi dan Pemeliharaan: Penanganan Defek Dinamis

Untuk peralatan yang beroperasi, optimalisasi metode operasi dan pemeliharaan:

• Transformasi jendela pengamatan: Mengubah jendela pengamatan tetap menjadi yang dapat dipindahkan untuk memudahkan pemantauan suhu di dalam kabinet;

• Normalisasi pengujian pelepasan parsial: Melakukan pengujian pelepasan parsial pada peralatan pengalih selama periode beban puncak untuk mendeteksi cacat isolasi lebih awal dan menghindari perluasan kegagalan.

5. Aplikasi Skenario dan Saran Pengembangan

Dengan peningkatan konsumsi listrik, jalur utama jaringan distribusi ditingkatkan menjadi kabel penampang besar 300-400㎡, dan kapasitas stasiun transformator terus bertambah. Kelemahan kapasitas pemutusan yang tidak cukup dan kontak yang rentan pada peralatan pengalih tekanan udara semakin menonjol. Disarankan:

• Penyesuaian skenario: Mundur dari aplikasi jaringan cincin jalur dan beralih ke distribusi tegangan tinggi di area terminal transformator (dengan kapasitas transformator ≤ 630kVA), memanfaatkan keuntungan "struktur sederhana dan biaya rendah";

• Iterasi teknologi: Untuk skenario jaringan cincin jalur, prioritaskan pemilihan peralatan pengalih dengan keandalan dan kapasitas pemutusan yang lebih tinggi (seperti saklar beban vakum) untuk memenuhi persyaratan otomatisasi jaringan distribusi dan keandalan tinggi;

• Penggunaan nilai: Setelah transformasi "peningkatan proses + pemantauan online", peralatan pengalih beban tekanan udara dapat terus melayani skenario beban terminal dan memanfaatkan nilai sisa.