Metode Penyambungan Tanah Netral untuk Sistem Tenaga Listrik Kereta Api Kecepatan Konvensional
Sistem tenaga kereta api terutama terdiri dari jalur sinyal blok otomatis, jalur pengumpan melalui, substasiun dan stasiun distribusi kereta api, serta jalur pasokan listrik masuk. Mereka menyediakan listrik untuk operasi kereta api yang kritis—termasuk sinyal, komunikasi, sistem perkeretaapian, penanganan penumpang di stasiun, dan fasilitas pemeliharaan. Sebagai bagian integral dari jaringan tenaga nasional, sistem tenaga kereta api menunjukkan karakteristik unik baik dari teknik tenaga listrik maupun infrastruktur kereta api.
Memperkuat penelitian metode grounding netral untuk sistem tenaga kereta api kecepatan konvensional—dan mempertimbangkan metode-metode tersebut secara komprehensif selama desain, konstruksi, dan operasi—sangat signifikan untuk meningkatkan keselamatan dan keandalan pasokan listrik kereta api.
1. Tinjauan Metode Grounding Netral dalam Sistem Tenaga Kereta Api
Metode grounding netral dalam sistem tenaga kereta api biasanya merujuk pada konfigurasi grounding transformator—sebuah bentuk grounding fungsional (kerja) yang erat terkait dengan tingkat tegangan, arus gangguan satu fase ke tanah, tingkat overvoltage, dan skema perlindungan relai. Ini adalah isu teknis yang kompleks yang dapat dikelompokkan menjadi:
Sistem tidak solidly grounded: termasuk tidak diground, diground dengan koil busur (Petersen coil), dan sistem diground dengan hambatan tinggi;
Sistem solidly grounded: termasuk diground langsung dan diground dengan hambatan rendah.
Pasokan listrik dari jaringan nasional ke kereta api secara universal mengadopsi konfigurasi netral tidak diground. Sirkuit pengumpan dari substasiun dan stasiun distribusi kereta api biasanya dipasang langsung dari busbar sekunder (terletak setelah busbar masuk tetapi sebelum regulator tegangan), sehingga juga menggunakan sistem netral tidak diground. Untuk jalur pengumpan melalui, metode grounding transformator penyetel tegangan dapat dipilih berdasarkan kebutuhan aktual.
Berbeda dengan sistem tenaga kereta api kecepatan tinggi—yang umumnya menggunakan grounding hambatan rendah—sistem kereta api kecepatan konvensional sebagian besar menggunakan konfigurasi netral tidak diground. Meskipun pendekatan ini menawarkan beberapa keuntungan, standar keselamatan yang berkembang dan peningkatan teknis yang berkelanjutan mendorong penilaian ulang strategi grounding dalam konteks operasional saat ini.
2. Keuntungan dan Keterbatasan Sistem Netral Tidak Diground
Menurut Kode Desain Tenaga Kereta Api (TB 10008–2015), konfigurasi jalur pengumpan melalui harus ditentukan berdasarkan keandalan pasokan listrik dan kondisi proyek spesifik, menggunakan jalur hibrida kabel udara atau jalur kabel bawah tanah sepenuhnya.
Karena batasan anggaran dan kelayakan teknis, sebagian besar jalur pengumpan melalui kereta api kecepatan konvensional yang beroperasi saat ini bergantung utamanya pada konduktor udara atau konfigurasi hibrida dominan udara. Oleh karena itu, skema grounding netral mereka biasanya mengadopsi sistem netral terisolasi (tidak diground) atau sistem grounding arus kecil. Sesuai Pasal 69 Peraturan Manajemen Tenaga Kereta Api, gangguan satu fase ke tanah dalam sistem tersebut harus ditangani segera, dengan waktu operasi gangguan yang diperbolehkan umumnya tidak melebihi 2 jam.
Data operasional dari segmen biro kereta api tertentu antara Januari dan Oktober 2023 mencatat 152 trip daya, di mana 15 adalah kegagalan terkait peralatan (2 disebabkan oleh tanggung jawab internal, 13 disebabkan oleh faktor eksternal). Terutama, bahaya lingkungan—terutama intrusi vegetasi—menjadi ancaman utama bagi stabilitas jalur udara. Dalam satu insiden, cabang pohon masuk ke zona kliring, menyebabkan koneksi parsial fase ke tanah pada konduktor samping. Gangguan tersebut diidentifikasi dan diselesaikan dalam jendela 2 jam, mencegah dampak pada operasi kereta dan menghindari kegagalan berantai. Ini menunjukkan bahwa, di bawah kondisi teknis yang ada, sistem netral tidak diground menawarkan manfaat praktis.
Namun, jalur kabel menampilkan tantangan yang berbeda. Dibandingkan dengan jalur udara, kabel daya memiliki margin isolasi yang lebih rendah dan toleransi overvoltage yang terbatas. Selama gangguan satu fase ke tanah dalam sistem tidak diground, tegangan fase sehat naik di atas tingkat fase ke tanah normal—potensial mencapai tegangan antar fase—meningkatkan risiko kerusakan isolasi multipoint pada fase non-gangguan. Selain itu, arus gangguan kapasitif dalam sistem kabel relatif besar, menyebabkan degradasi isolasi cepat di titik gangguan dan kemungkinan tinggi berkembang menjadi hubungan pendek antar fase.
Karena kabel biasanya dipasang melalui metode terkubur, conduit, atau tray, lokasi gangguan sulit. Ditambah dengan batasan teknik penyambungan kabel, logistik perbaikan, dan jendela operasional kereta api, gangguan tersebut sering kali tidak dapat diselesaikan dengan cepat. Dalam praktiknya, kegagalan kabel sebagian besar disebabkan oleh kerusakan isolasi permanen—bahan isolasi organik tidak dapat pulih sendiri. Dalam sistem tidak diground, kurangnya tripping segera memungkinkan arus gangguan berlanjut, menyebabkan kerusakan isolasi parah, memperluas zona gangguan, dan potensi memicu masalah sekunder seperti alarm layar daya atau bahkan "red-band" kegagalan sinyal yang mengganggu layanan kereta—kadang-kadang mengakibatkan pemadaman lama dan risiko keselamatan atau hubungan masyarakat yang signifikan.
3. Pemilihan Metode Grounding Netral untuk Sistem Tenaga Kereta Api Kecepatan Konvensional
Pemilihan metode grounding netral yang tepat sangat penting untuk operasi tenaga kereta api yang stabil. Tantangan intinya terletak pada:
Meminimalkan tripping tidak perlu akibat gangguan eksternal,
Menjamin pasokan listrik yang tidak terputus untuk beban kritis,
Mengaktifkan perlindungan gangguan yang efektif,
Mengontrol penyebaran gangguan, dan
Memelihara integritas listrik dan isolasi peralatan sehat selama gangguan.
Menurut Kode Desain Tenaga Kereta Api (TB 10008–2015), untuk jalur pengumpan melalui 10(20) kV yang disuplai melalui regulator tegangan, pedoman grounding berikut berlaku:
Jika arus kapasitif gangguan tanah fase tunggal ≤ 10 A, sistem tidak terhubung ke tanah harus digunakan.
Jika arus ≤ 150 A, dapat dipilih penggunaan grounding resistansi rendah atau grounding dengan koil pemadam busur; jika > 150 A, disarankan untuk menggunakan grounding resistansi rendah.
Untuk jalur yang sepenuhnya berbasis kabel, sebaiknya digunakan grounding resistansi rendah.
Untuk grounding resistansi rendah, resistor grounding harus dipilih sehingga menghasilkan arus gangguan tanah fase tunggal sebesar 200–400 A, dengan tripping instan saat deteksi gangguan.
Sebaliknya, Kode Desain Kereta Api Cepat (TB 10621–2014) memperbolehkan sistem netral tidak terhubung ke tanah ketika arus kapasitif gangguan tanah ≤ 30 A, dengan kompensasi melalui reaktor yang terhubung ke tanah.
Berdasarkan perhitungan dari buku panduan teknik listrik kereta api standar, panjang kabel maksimum yang diperbolehkan untuk kabel inti aluminium umum (penampang 70 mm² dan 95 mm²) yang sesuai dengan arus kapasitif gangguan tanah fase tunggal 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, dan 150 A diringkaskan dalam Tabel 1. Nilai-nilai ini dapat membimbing pemilihan metode grounding yang tepat berdasarkan panjang kabel aktual.
No. Seri Arus kapasitif tunggal fase tanah kabel tiga inti (A) Arus kapasitif rata-rata kabel tiga inti dengan penampang 70 mm² (A/km) Panjang kabel yang sesuai (km) Arus kapasitif rata-rata kabel tiga inti dengan penampang 95 mm² (A/km) Panjang kabel yang sesuai (km) 1 10 0.9 11.11 1.0 10.00 2 30 0.9 33.33 1.0 30.00 3 60 0.9 66.67 1.0 60.00 4 100 0.9 111.11 1.0 100.00 5 150 0.9 166.67 1.0 150.00 Penggunaan grounding melalui titik netral memungkinkan penghapusan cepat gangguan. Perlindungan urutan nol dapat beroperasi dalam 0.2–2.0 detik untuk mengisolasi gangguan, mengurangi probabilitas insiden listrik permanen sekunder dan melindungi keandalan isolasi serta umur layanan peralatan listrik.
4. Perbandingan Metode Grounding Netral Umum
4.1 Sistem Netral Tidak Ter-grounding
Metode netral tidak ter-grounding menawarkan keuntungan pasokan daya yang berkelanjutan selama 1-2 jam saat terjadi gangguan ground satu fase pada jalur yang didominasi oleh konduktor overhead. Namun, pada jalur yang didominasi kabel, metode ini cenderung menyebabkan eskalasi gangguan.
4.2 Grounding Netral Melalui Koil Penghilang Busur
Dibandingkan dengan sistem netral tidak ter-grounding, metode ini menggunakan arus induktif dari koil penghilang busur untuk mengkompensasi arus kapasitif, mengurangi arus gangguan ground hingga tingkat yang dapat padam sendiri, sehingga meminimalkan tegangan lebih akibat busur. Ini juga memungkinkan operasi berkelanjutan selama 1-2 jam saat terjadi gangguan ground satu fase dan mencegah gangguan satu fase berkembang menjadi gangguan antar fase. Namun, metode ini menetapkan persyaratan yang lebih tinggi untuk perlindungan gangguan ground, tidak dapat mengidentifikasi jalur yang bermasalah, rentan terhadap resonansi, dan tidak dapat secara efektif mengeluarkan muatan sisa pada jalur.
4.3 Grounding Netral Melalui Hambatan Rendah
Pada jalur yang didominasi kabel, metode grounding hambatan rendah secara efektif mengontrol tegangan lebih akibat busur ground saat terjadi gangguan ground satu fase, menekan tegangan lebih akibat resonansi sistem, memberikan efek pembatasan arus dan penurunan tegangan yang baik, serta menawarkan kinerja perlindungan overcurrent urutan nol yang relatif tinggi, memfasilitasi eliminasi gangguan tepat waktu. Namun, metode ini memiliki batasan, terutama pada bagian jalur overhead: frekuensi tripping meningkat mempengaruhi operasi sistem tenaga, melemahkan kemampuan pasokan daya, dan meningkatkan kesulitan pemeliharaan peralatan dalam beberapa hal.
5. Diskusi tentang Metode Grounding Netral untuk Sistem Tenaga Kereta Api
(1) Tingkatkan pemanfaatan perangkat koil penghilang busur pelacak otomatis. Pendekatan ini memiliki keuntungan menghapus otomatis gangguan ground transien dalam sistem tenaga, sehingga mengurangi jumlah trip. Saat sinyal alarm gangguan dikeluarkan, koil penghilang busur pelacak otomatis menghasilkan arus kompensasi yang sesuai, memungkinkan rekompensasi jalur tenaga. Ini mengurangi terjadinya gangguan pendek antara tiga fase dan memastikan stabilitas dan keamanan sistem. Selain itu, karena perangkat penghilang busur memiliki nilai kritis pemadaman busur tertentu, jika arus gangguan ground lebih kecil dari nilai kritis ini, kecepatan pemulihan tegangan meningkat di bawah pengaruh perangkat penghilang busur, membantu pemadaman busur yang andal dan mengurangi kemungkinan penyalaan ulang busur, sehingga mengurangi insiden tenaga dan mendukung operasi grounding netral yang andal.
(2) Selama renovasi jalur feeder lintas konvensional dan sistem blok otomatis yang ada, jika jalur kabel—setelah menggantikan jalur overhead—mengambil proporsi yang signifikan, disarankan untuk mempertimbangkan kompensasi terpusat atau terdistribusi menggunakan reaktor kotak untuk mengkompensasi daya reaktif induktif dalam kondisi arus kapasitif normal. Berdasarkan hasil perhitungan dalam Tabel 2, nilai kapasitansi operasional adalah 0.22 μF/km untuk kabel inti aluminium 70 mm² dan 0.24 μF/km untuk kabel inti aluminium 95 mm². Secara bersamaan, modifikasi adaptabilitas ruang distribusi harus dipertimbangkan, dan metode grounding netral dari regulator tegangan di ruang distribusi kedua sisi harus disesuaikan berdasarkan data perhitungan.
Serial No. Steady-state capacitive current of three-core cable (A) Average steady-state capacitive current of 70 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Average steady-state capacitive current of 95 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Capacitive reactive power of cable line (kvar) Inductive reactive power required to compensate 75% of steady-state (kvar) 1 3 0.4 7.5 0.44 6.82 51.96 38.97 2 5 0.4 12.5 0.44 11.36 86.6 64.95 3 10 0.4 25 0.44 22.73 173.2 129.9 4 15 0.4 37.5 0.44 34.09 259.3 194.85 5 30 0.4 75 0.44 68.18 519.6 389.7 Dalam kasus ekstrem, jika sistem tidak di-grounding dan kabel tunggal inti—sesuai dengan standar kereta api kecepatan tinggi—digunakan, gangguan tanah fasa tunggal tidak akan teratasi dalam jendela waktu 2 jam yang diperbolehkan. Hal ini menyebabkan kerusakan termal berkelanjutan pada kabel. Selain itu, setelah kabel inti tunggal rusak, dampaknya terhadap fase-fase tetangga relatif lemah, memperburuk situasi dengan gagal memicu penguncian pelindung, yang dapat dengan mudah mengarah pada kegagalan sistemik.
6. Kesimpulan
Dalam sistem tenaga listrik kereta api kecepatan konvensional, pemilihan metode grounding netral secara langsung mempengaruhi keselamatan dan stabilitas operasi sistem. Pemilihan skema grounding netral yang tidak tepat dapat dengan mudah menghasilkan gangguan sekunder dan insiden berantai. Melalui perhitungan dan analisis perbandingan, pemilihan metode grounding netral yang komprehensif dan rasional sangat penting untuk membersihkan gangguan secara efektif, melindungi isolasi peralatan, memastikan pasokan tenaga traksi yang andal, dan meningkatkan keselamatan personil serta operasi kereta.
