Penelitian tentang Peralatan Transmisi Terisolasi Gas Ultra-Tegangan Tinggi

Untuk secara aktif merespons persyaratan pengembangan industri tenaga listrik, perusahaan kami telah meningkatkan penyelidikan terhadap kerusakan konstruksi jaringan di suatu area dan memberikan dukungan operasi dan pemeliharaan untuk proyek transmisi dan transformasi DC UHV di daerah ketinggian dengan menginstal dan mengoptimalkan skema desain peralatan transmisi UHV. Luas total lahan lokasi konstruksi adalah 2.541,22 m², dengan luas lahan bersih 2.539,22 m². Lapisan geologi di lokasi konstruksi, dari atas ke bawah, terdiri dari tanah berpasir seperti loess, loess, paleosol, dan lempung pasir—empat lapisan tanah dasar. Geologi yang kompleks dan telah terpengaruh oleh efek ketinggian jangka panjang, dapat dengan mudah menyebabkan kegagalan jalur transmisi.

Dalam konteks ini, perusahaan kami melakukan perhitungan proyek dan menentukan bahwa koefisien bangunan proyek adalah 61,48%, dan kedalaman tabel air tanah berkisar antara 8,8 hingga 8,9 m, yang menunjukkan tingkat korosivitas tertentu terhadap struktur beton dalam proyek. Perusahaan kami fokus utama pada proyek transmisi dan transformasi 110 kV, dan skala konstruksi ditampilkan dalam Tabel 1.

Tabel 1: Skala Konstruksi Proyek Transmisi Terisolasi Gas UHV

Selain itu, perusahaan kami juga perlu memperkuat pertimbangan terhadap rentang tekanan yang dapat ditahan oleh peralatan transmisi gas-insulasi UHV dan secara wajar menerapkan insulator tiang dan insulator cekung untuk memastikan operasi stabil jangka panjang dari transformator.

1. Pengembangan Model Resistansi Kontak
Karena arus beban berlebih melalui konduktor penghantar sering terjadi selama operasi proyek ini, diperlukan untuk menghindari pembentukan titik-titik konduktif. Hal ini dapat dicapai dengan meningkatkan pemahaman tentang area titik dan menguasai perilaku penyempitan jalur arus [1]. Dengan demikian, dengan memperkuat observasi lapangan untuk memahami perubahan dalam garis arus sekitar, distribusi permukaan tanah, arus grounding, sumber daya, dan titik nirkabel jarak jauh dapat dianalisis pada tingkat mikroskopis, memungkinkan pemahaman menyeluruh tentang masalah ketidakrataan yang terjadi pada permukaan kontak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Dengan menetapkan model kontak, makalah ini, dikombinasikan dengan penerapan peralatan transmisi gas-insulasi UHV, mendefinisikan resistansi penyempitan aktual dari satu titik kontak sebagai:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
di mana: Re mewakili resistansi penyempitan dari satu titik kontak; ρ₁ dan ρ₂ adalah resistivitas bahan yang bersentuhan; dan α menunjukkan radius titik kontak.

Dengan demikian, besarnya resistansi kontak dapat dianalisis dengan akurat melalui metode koreksi berdasarkan kontur jari-jari kontak tipe sabuk. Selanjutnya, dengan memeriksa parameter material dari peralatan transmisi insulasi di area kontak, menjadi mungkin untuk menentukan bahan apa yang harus digunakan untuk koneksi, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.

Rentang tekanan yang dapat ditahan oleh peralatan transmisi bertekanan ultra tinggi (UHV) adalah 1.000 kV, dengan tegangan tahan maksimum 1.683 kV, memastikan keamanan transmisi listrik. Kapasitas transmisinya dapat mencapai 2,4 hingga 5 kali kapasitas transmisi EHV 500 kV. Gas SF₆ murni digunakan sebagai medium isolasi, dengan tekanan pengisian 0,3–0,4 MPa. Dengan GIL (Gas-Insulated Line) generasi kedua, campuran 20% SF₆ dan 80% N₂ berdasarkan fraksi volume digunakan sebagai medium isolasi, dengan tekanan pengisian 0,7–0,8 MPa. Alternatifnya, udara terkompresi kering dan bersih dapat digunakan sebagai medium, dengan tekanan pengisian 1–1,5 MPa. Oleh karena itu, pemilihan gas isolasi harus ditentukan sesuai kondisi lapangan untuk memastikan operasi stabil peralatan transmisi bertekanan UHV dalam proyek. Tekanan gas operasional juga dapat ditingkatkan secara tepat, dan metode pemasangan overhead dapat diterapkan untuk memastikan peralatan tersebut cocok untuk tingkat tegangan UHV saat ini.

Personel juga harus memperhatikan status sambungan bahan utama pada peralatan transmisi bertekanan UHV untuk meningkatkan kapasitas beban. Rasio slenderness dari anggota struktur utama juga harus dihitung:
λ₀ = kL₀ / r,
di mana: λ₀ menunjukkan rasio slenderness dari anggota utama yang tersambung; k adalah koefisien koreksi; L₀ adalah panjang anggota utama peralatan transmisi bertekanan UHV; dan r adalah jari-jari putaran anggota utama.

2. Tindakan Aplikasi untuk Peralatan Transmisi Bertekanan UHV

2.1 Verifikasi Stres Bus Duct dan Konduktor
Saat menerapkan peralatan transmisi bertekanan UHV, kondisi stres bus duct jenis pipa juga harus dipertimbangkan. Tekanan internalnya 0,6 MPa, dan elevasi pusat bus duct adalah 7,7 m. Dalam sistem transmisi luar ruangan yang ada, rentang maksimum antara dua penyangga adalah 12 m. Gaya eksternal yang bekerja pada konduktor juga 0,6 MPa, dan stres yang diperbolehkan untuk kedua komponen adalah 110 MPa. Selain itu, sistem transmisi diperbaiki melalui insulator dukungan tiga arah dan konduktor.

Pertama, diameter luar bus duct adalah 500 mm, dan diameter luar konduktor adalah 160 mm. Jika ada tekanan internal, diameter luar harus tetap tidak berubah, dan ketebalan dinding harus ditingkatkan secara tepat—dari 5 mm menjadi 20 mm. Berdasarkan kurva variasi stres-ketebalan stres utama, stres awal bus duct ditemukan sebesar 18,45 MPa, yang merupakan 16,71% dari stres yang diperbolehkan material; stres awal konduktor adalah 3,45 MPa, yang merupakan 3,71% dari stres yang diperbolehkannya. Ini menunjukkan bahwa, ketika diameter luar tetap konstan, ketebalan dinding sangat mempengaruhi respons tekanan, terutama mempengaruhi stres utama pertama pipa. Tekanan internal mengubah nilai stres struktur pipa—terutama untuk pipa tipis—and metode evaluasi GIL dapat digunakan untuk menentukan apakah tekanan mempengaruhi bus duct dan konduktor.

Kedua, pipa-pipa yang menahan tekanan dalam peralatan transmisi bertekanan UHV—seperti pipa tekanan dan riser tegangan tinggi—memengaruhi kinerja operasional. Analisis stres struktur pipa tipis yang menahan tekanan harus dilakukan menggunakan rumus berikut untuk menghitung stres normal lingkaran σₜ pada bagian lintang longitudinal pipa:
σₜ = ρD / (2δ),
di mana: ρ adalah tekanan internal pipa; D adalah diameter dalam pipa; dan δ adalah ketebalan dinding pipa. Seiring perubahan tingkat tegangan, bushing dengan diameter lebih besar disukai untuk tingkat tegangan yang lebih tinggi, sementara bushing dengan diameter lebih kecil cukup untuk tingkat tegangan yang lebih rendah.

2.2 Penjelasan Karakteristik Kontak Listrik Gas
Untuk peralatan transmisi bertekanan UHV, gas utama yang digunakan termasuk SF₆, campuran nitrogen-oksigen, dan N₂. Penelitian terhadap gas-gas ini harus ditingkatkan untuk memahami perbedaan karakteristik kontak listrik mereka. Untuk jari-jari kontak tipe sabuk, SF₆ dapat digunakan sebagai medium isolasi untuk sepenuhnya memanfaatkan sifat pemadam busur dan isolasi yang luar biasa. Hambatan kontak total (Rₜ) digunakan untuk mendeskripsikan perilaku listrik struktur penghantar arus:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
di mana: Rₚ adalah hambatan massa; R꜀₁ adalah hambatan kontak elektroda atas; dan R꜀₂ adalah hambatan kontak elektroda bawah. Dengan demikian, dipahami bahwa daya dielektrik SF₆ bergantung pada tekanan gas—semakin tinggi tekanan, semakin besar daya dielektriknya.

2.3 Optimalisasi Desain Celah Medan Listrik
Dalam proyek ini, medan listrik internal sedikit tidak seragam, dengan koefisien ketidakseragaman sekitar 1,7. Jika kondisi tahanan tegangan impuls petir ada di area, hal ini akan meningkatkan stres pada garis transmisi, dengan koefisien impuls 1,25. Pertama, berdasarkan kondisi tahanan tegangan frekuensi daya dan impuls petir di wilayah tersebut, nilai puncak harus dikonfirmasi dalam rentang 1,6–1,7 untuk memastikan operasi tanpa gangguan peralatan transmasi bertekanan UHV.

Memahami struktur silinder koaksial, kekuatan medan listrik E(x) di wilayah tersebut dapat dihitung untuk mengidentifikasi skenario yang membutuhkan optimalisasi:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
di mana: x adalah jarak antara konduktor dan penutup; U adalah tegangan yang diterapkan pada elektroda; R adalah radius dalam penutup; dan r adalah radius luar konduktor pusat. Hal ini memungkinkan penilaian apakah permukaan konduktor pusat mungkin rusak di bawah kekuatan medan maksimum. Keamanan medan listrik harus dikendalikan, dan kinerja mekanis ditingkatkan.

Selama setup infrastruktur medan listrik, kapasitas beban peralatan transmisi bertekanan UHV harus diverifikasi pada tingkat dasar, dan perhitungan stres diselesaikan:
P = A × F,
di mana: P adalah kapasitas beban peralatan; A adalah luas penampang menara transmisi; dan F adalah kekuatan material. Selain itu, jika dasarnya terdiri dari lempung pasir, subgrade harus dipadatkan sebelum pemasangan garis overhead dilanjutkan.

Melalui desain yang dioptimalkan dengan mempertimbangkan struktur produk dan kemampuan manufaktur, kinerja isolasi tinggi dapat dipastikan dalam kondisi tegangan impuls petir. Kedua, jika kompartemen gas panjang, pemasangan peralatan transmisi bertekanan UHV menjadi tantangan. Dalam kasus seperti itu, tekanan gas operasional lokal dapat ditetapkan menjadi 0,4–0,5 MPa melalui desain kekuatan medan, memungkinkan partikel konduktif beroperasi normal di bawah pengaruh medan listrik tanpa menyebabkan pelepasan parsial atau keruntuhan celah gas.

Akhirnya, berdasarkan kondisi spesifik peralatan isolasi gas UHV, diameter luar batang konduktor harus dirancang sebesar 130 mm, dan diameter dalam casing sebesar 480 mm. Perhatian juga harus diberikan pada bagian colokan: ketebalan dinding harus ditetapkan antara 30–40 mm, dan celah harus <1 mm. Jika jari-jari chamfer luar area colokan ditetapkan menjadi 5 mm, variasi kekuatan medan listrik dapat lebih dipahami—kekuatan medan yang lebih tinggi dekat chamfer sesuai dengan radius yang lebih besar, sementara kekuatan medan yang lebih rendah sesuai dengan radius yang lebih kecil. Dengan prasyarat mengontrol konsentrasi medan listrik lokal, kekuatan medan yang berlebihan di celah harus dicegah, memungkinkan desain awal koneksi listrik untuk peralatan isolasi gas UHV dan memenuhi persyaratan distribusi sinyal medan listrik.

2.4 Desain Isolator yang Rasional
Karena isolator dalam peralatan isolasi gas UHV beroperasi sepanjang tanah, tegangan petirnya lebih rendah daripada tegangan putus celah, menjadikannya titik lemah dalam isolasi listrik. Oleh karena itu, pertimbangan celah harus diperkuat, dan kekuatan medan listrik di bawah kondisi impuls petir harus dipahami untuk merancang komponen isolasi dengan tepat.

2.4.1 Penguatan Kontrol Kekuatan Medan Listrik Isolator
Berdasarkan kondisi konstruksi proyek, perusahaan kami telah mempelajari fenomena petir sepanjang permukaan isolator, termasuk efek material isolator, struktur, dan muatan permukaan. Kontaminasi partikel logam juga harus dihindari. Struktur yang rasional untuk peralatan isolasi gas UHV dijamin dengan menggabungkan gas SF₆, material isolasi, dan komponen tertanam. Dengan memanfaatkan pengalaman desain isolator sebelumnya, kekuatan medan listrik selama operasi dapat dibatasi hingga setengah dari celah medan listrik operasional normal. Untuk peralatan isolasi murni SF₆, tekanan gas operasional dapat dipertahankan pada 0.4–0.5 MPa.

Kekuatan medan listrik vertikal (Eₛ) dapat dihitung menggunakan:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
di mana p adalah tekanan gas. Dengan demikian, tergantung pada tegangan tahanan peralatan, kekuatan medan desain pada permukaan konduktor pusat dapat dikontrol dalam rentang 19.9–24.5 kV/mm, sementara kekuatan medan listrik permukaan isolator tidak boleh melebihi 10 kV/mm. Memastikan isolator tertanam internal dalam medan listrik mencegah peningkatan mendadak medan di bawah pengaruh UHV, mengurangi risiko kegagalan isolasi, dan memungkinkan aplikasi jangka panjang peralatan transmisi isolasi gas UHV dalam proyek.

2.4.2 Desain Isolator Tipe Basin yang Dioptimalkan
Mengingat topografi proyek yang kompleks dan kebutuhan simulasi medan listrik, desain isolator tipe basin harus ditingkatkan—terutama dengan menghilangkan elektroda penutup. Struktur ini memungkinkan observasi intensitas medan listrik dekat sisi konduktor tegangan tinggi isolator. Jika kekuatan medan tinggi, nilai maksimum pada permukaan cembung ditemukan sebesar 12.7 kV/mm dan 13 kV/mm pada permukaan cekung; melampaui ambang batas ini menunjukkan operasi abnormal. Ketika intensitas medan listrik dekat isolator tinggi, tegangan operasional frekuensi daya maksimum harus dijaga di bawah 3.4 kV/mm. Menginstal elektroda penutup pada isolator tipe basin lebih lanjut mengoptimalkan dan mensimulasikan medan listrik.

Mengikuti metode koneksi listrik sebelumnya, ukuran elektroda penutup harus dikendalikan dengan hati-hati, dan konektor colokan listrik harus ditempatkan pada chamfer isolator tipe basin untuk menekankan efek penutupan elektrodanya, sehingga meningkatkan distribusi medan listrik peralatan transmisi isolasi gas UHV.

3. Kesimpulan
Untuk memenuhi persyaratan pengembangan komprehensif perusahaan energi, perusahaan kami harus lebih memperkuat penelitian tentang peralatan transmisi isolasi gas UHV. Berdasarkan kondisi operasional spesifik, masalah harus dianalisis dan diselesaikan melalui metode seperti pembuatan model resistansi kontak, verifikasi stres bus duct dan konduktor, klarifikasi karakteristik kontak listrik gas, optimasi desain celah medan listrik, dan desain isolator yang rasional—dengan demikian memperpanjang umur layanan peralatan.