Pembatas Arus Loyo: Evolusi Bahan dan Penjelasan Perlindungan Petir

Pengamanan Lonjakan Arus dan Evolusinya

Pengaman lonjakan arus selalu terhubung secara paralel dengan peralatan listrik yang dilindunginya. Ia tidak mengganggu operasi normal peralatan pada tegangan sistem. Namun, ketika muncul overvoltage berbahaya pada peralatan, pengaman tersebut akan menghantar terlebih dahulu, mengalihkan overvoltage dengan aman ke tanah.

Bentuk paling awal dan sederhana dari pengaman lonjakan arus terdiri dari dua batang logam yang dipisahkan oleh celah dan dihubungkan secara paralel di seberang peralatan listrik. Ketika tegangan di seberang celah ini melebihi ambang tertentu, udara (celah) akan pecah, melindungi peralatan. Jenis pengaman ini dikenal sebagai "celah pengusiran" atau "celah pelindung".

Fenomena petir mirip: awan petir dan bumi bertindak sebagai dua konduktor (elektroda). Ketika tegangan antara keduanya menjadi terlalu tinggi, udara di antara mereka pecah, menghasilkan sambaran petir.

Namun, ada perbedaan penting. Celah pelindung terhubung langsung di seberang jalur listrik. Setelah overvoltage berbahaya menyebabkan celah pecah (yaitu, udara di antara batang-batang tersebut terionisasi), pembangkit listrik atau substation tidak mengetahui peristiwa ini—atau tidak dapat bereaksi dengan cukup cepat. Akibatnya, ia terus menyediakan arus ke celah yang kini menghantar. Karena celah memberikan jalan ke tanah, arus ini mengalir terus-menerus, menyebabkan kondisi pendek sirkuit dalam sistem listrik. Jadi, meskipun celah pelindung mudah digunakan, operasinya menciptakan busur yang berkelanjutan di seberang celah, mengarah ke kondisi pendek sirkuit.

Bagaimana cara memadamkan busur di seberang celah pelindung dengan cepat setelah operasi? Ini mengarah pada pengembangan pengaman generasi kedua—pengaman pengusiran (atau jenis tabung). Desain ini pertama-tama membatasi busur di dalam tabung dan kemudian menggunakan metode untuk memadamkannya.

Namun, pengaman pengusiran masih memiliki kelemahan: terlepas dari kemampuan pemadaman busurnya, mereka masih mengalihkan arus sistem listrik langsung ke tanah, menyebabkan kerusakan sementara pada tanah (pendek sirkuit).

Solusi ideal adalah perangkat yang memblokir arus atau hanya mengizinkan kebocoran minimal di bawah tegangan normal, sehingga menghindari pendek sirkuit, tetapi dengan cepat menghantar arus lonjakan besar (seperti petir) ke tanah ketika overvoltage berbahaya terjadi. Dalam istilah sederhana, perangkat semacam itu akan berfungsi seperti "saklar pintar," yang tahu kapan harus dibuka dan ditutup. Dalam pengaman lonjakan arus, "saklar pintar" ini awalnya direalisasikan menggunakan bahan yang disebut karbida silikon (SiC). Pengaman yang dibuat dari bahan ini dikenal sebagai pengaman katup, karena berfungsi seperti katup listrik.

Perlu dicatat bahwa "katup" ini adalah komponen listrik, bukan katup mekanik seperti keran air atau katup pipa. Katup mekanik terlalu lambat untuk merespons petir, yang terjadi dalam mikrodetik. Sebaliknya, diperlukan "katup" listrik yang terbuat dari resistor non-linier. Karbida silikon adalah bahan resistor non-linier pertama yang ditemukan untuk aplikasi tegangan tinggi.

Teknologi terus berkembang. Bahan resistor non-linier kedua ditemukan kemudian untuk pengaman lonjakan arus: oksida seng (ZnO). Ia melakukan fungsi yang serupa dengan karbida silikon tetapi menunjukkan karakteristik "katup" yang lebih unggul—secara profesional digambarkan sebagai memiliki non-linieritas yang lebih baik.

Apa itu non-linieritas? Secara metafora, itu berarti melakukan hal yang berlawanan: menjadi kecil ketika seharusnya besar, dan besar ketika seharusnya kecil—tidak seperti komponen linier, yang berskala proporsional.

Dalam pengaman lonjakan arus, non-linieritas ditunjukkan sebagai berikut: ketika arus tinggi (misalnya, selama lonjakan petir), resistansi menjadi sangat rendah, dan semakin rendah resistansinya, semakin baik non-linieritasnya. Ketika arus rendah (setelah lonjakan petir berlalu dan sistem kembali ke tegangan operasi normal), resistansi menjadi sangat tinggi, dan semakin tinggi resistansinya, semakin baik non-linieritasnya.

Karbida silikon menunjukkan non-linieritas, tetapi tidak ideal. Di bawah tegangan operasi normal, resistansinya tidak cukup tinggi, memungkinkan adanya aliran arus kebocoran kecil melalui pengaman—seperti katup yang tidak menutup rapat, menghasilkan "tetesan" arus yang berkelanjutan.

Perilaku ini inheren pada bahan, dan upaya untuk menghilangkan kebocoran ini melalui peningkatan bahan telah gagal. Oleh karena itu, ketika menggunakan karbida silikon dalam pengaman, solusi struktural digunakan: pengaman awalnya dipisahkan dari jalur dan hanya terhubung selama lonjakan. Tugas ini diselesaikan dengan menggunakan celah udara seri. Jadi, pengaman katup hampir selalu memerlukan celah. Sebaliknya, katup oksida seng "menutup rapat" di bawah tegangan operasi normal, sehingga tidak memerlukan celah seri.

Seiring teknologi manufaktur oksida seng meningkat, batasan awal dalam kemampuan "penutupan" telah diatasi. Namun, karena desain celah yang umum secara historis, beberapa pengaman oksida seng masih mengandung celah. Meskipun demikian, pengaman oksida seng tanpa celah merupakan mayoritas besar.

Karena oksida seng adalah oksida logam, pengaman ini juga dikenal sebagai Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Perlindungan Petir dalam Sistem Listrik

Dari perspektif perangkat perlindungan petir, ada tiga jenis utama: penangkal petir (air terminals), kabel tanah overhead (shield wires), dan pengaman lonjakan arus. Dua yang pertama strukturnya sederhana—hampir hanya batang dan kabel—sedangkan yang terakhir lebih kompleks karena bergantung pada resistor non-linier yang berfungsi sebagai "saklar pintar."

Dari perspektif objek yang dilindungi, perlindungan petir dapat dikategorikan menjadi: perlindungan garis transmisi overhead, perlindungan substation, dan perlindungan motor.

Garis overhead melintasi jarak yang luas, terpapar di area terbuka. Untuk meminimalkan dampak pada kehidupan dan ekosistem darat, mereka dipasang pada ketinggian signifikan. Seperti pepatah, "Pohon tertinggi menangkap angin paling banyak," membuat mereka menjadi target utama petir. Statistik menunjukkan bahwa sebagian besar kegagalan jaringan listrik disebabkan oleh sambaran petir pada garis. Oleh karena itu, garis overhead harus dilindungi. Namun, karena panjangnya, perlindungan absolut tidak praktis dan terlalu mahal. Jadi, perlindungan garis bersifat relatif: beberapa sambaran petir diperbolehkan untuk mengenai garis dan menyebabkan flashover. Perlindungan ini sebagian besar dicapai dengan menggunakan kabel tanah overhead.

Sebaliknya, substation jauh lebih kritis. Mereka berfungsi sebagai pusat sistem listrik, menyimpan peralatan dan personel yang terkonsentrasi. Oleh karena itu, persyaratan perlindungan petir mereka sangat tinggi.

Petir dapat mencapai substation melalui dua jalur utama: sambaran langsung, yang dikurangi oleh penangkal petir (atau kadang-kadang kabel pelindung); dan lonjakan yang menyebar dari sambaran petir pada garis transmisi, yang sebagian besar ditangani oleh pengaman lonjakan arus.

Perlindungan petir untuk motor (termasuk generator, kondensor sinkron, pengubah frekuensi, dan motor listrik) sama kritisnya dengan perlindungan substation. Generator adalah "jantung" sistem listrik, dan motor besar adalah penggerak industri yang vital. Kerusakan petir pada komponen-komponen ini mengakibatkan kerugian signifikan. Namun, perlindungan motor lebih menantang daripada perlindungan substation. Motor adalah mesin berputar, sehingga isolasinya tidak bisa terlalu tebal dan harus padat (tidak seperti isolasi cair yang digunakan pada transformator). Isolasi padat rentan terhadap penuaan, sehingga tidak hanya perlindungan primer dengan pengaman lonjakan arus, tetapi juga perlindungan tambahan diperlukan.

Pengaman Lonjakan Arus Oksida Seng dengan Selubung Komposit

Pengaman lonjakan arus adalah perangkat listrik dengan dua elektroda—salah satunya biasanya di-ground dan yang lainnya terhubung ke tegangan tinggi—yang dipisahkan oleh bahan isolasi, yang dikenal secara profesional sebagai isolator.

Karena sebagian besar peralatan sistem listrik terpapar atmosfer, permukaan isolasi berada dalam kontak langsung dengan lingkungan. Bagian isolasi ini disebut isolasi eksternal atau isolasi luar ruangan.

Isolasi luar ruangan terus-menerus terpapar sinar matahari, hujan, angin, salju, kabut, dan embun. Oleh karena itu, bahan isolasi luar ruangan yang memenuhi syarat harus tidak hanya memiliki sifat listrik dan mekanik yang luar biasa, tetapi juga daya tahan cuaca yang superior dan masa pakai 40-50 tahun. Saat ini, porselein adalah bahan isolasi luar ruangan yang paling banyak digunakan dalam teknik, dengan kaca tempered juga digunakan dalam aplikasi garis.

Porselein dan kaca adalah bahan anorganik. Selain kinerja listrik dan mekanik yang luar biasa, keuntungan utamanya adalah stabilitas lingkungan—ketahanan luar biasa terhadap kondisi iklim—yang memungkinkan mereka mendominasi isolasi eksternal sistem listrik selama hampir satu abad.

Namun, mereka memiliki kelemahan umum: permukaannya hidrofilik. Ini memungkinkan lapisan polusi di permukaan isolator menyerap kelembaban. Ketika polusi bercampur dengan kelembaban, ia memungkinkan aliran arus, potensial menyebabkan flashover di permukaan isolator di bawah tegangan operasi normal. Ini umumnya dikenal sebagai flashover polusi, lebih spesifik, discharge permukaan di sepanjang isolator yang terpolusi dan basah.

Dalam beberapa dekade terakhir, karet silikon telah diterima secara luas di seluruh dunia untuk menggantikan bahan tradisional untuk insulator. Karet silikon adalah bahan organik yang menunjukkan hidrofobisitas yang kuat, secara signifikan meningkatkan tegangan flashover polusi isolasi eksternal.

Insulator yang terbuat dari bahan organik sering disebut insulator polimer (karena bahan organik adalah polimer), insulator non-keramik, insulator komposit (karena isolasi eksternal sintetis), atau bahkan insulator plastik di luar negeri.

Di Cina, mereka sebelumnya dikenal sebagai insulator komposit atau insulator karet silikon. Sekarang mereka secara seragam disebut insulator komposit organik (karena bahan organik adalah komposit, dan insulator ini biasanya terbuat dari komposit karet silikon dan batang fiberglass resin epoksi), umumnya disingkat sebagai insulator komposit.

Oleh karena itu, pengaman lonjakan arus oksida seng dengan selubung komposit menggunakan bahan organik—khususnya karet silikon—sebagai isolasi eksternal untuk pengaman lonjakan arus oksida seng.