Rancangan Optimasi untuk Unit Ring Utama Isolasi Udara 12kV untuk Mengurangi Probabilitas Pemutusan Pembuangan

Dengan perkembangan pesat industri tenaga listrik, konsep ekologis yang rendah karbon, hemat energi, dan ramah lingkungan telah terintegrasi secara mendalam dalam desain dan manufaktur produk peralatan listrik pengadaan dan distribusi. Ring Main Unit (RMU) adalah perangkat listrik kunci dalam jaringan distribusi. Keamanan, perlindungan lingkungan, keandalan operasional, efisiensi energi, dan ekonomi adalah tren yang tidak dapat dihindari dalam pengembangannya. RMU tradisional sebagian besar diwakili oleh RMU isolasi gas SF6. Karena kemampuan pemadam busur dan kinerja isolasi tinggi SF6, mereka telah digunakan secara luas. Namun, SF6 menyebabkan efek rumah kaca. Dengan meningkatnya tekanan regulasi terhadap gas rumah kaca, mengembangkan RMU isolasi gas ramah lingkungan sebagai alternatif untuk SF6 menjadi tren yang penting.

Saat ini, RMU isolasi gas ramah lingkungan termasuk RMU isolasi nitrogen dan RMU isolasi udara kering. Literatur telah memperkenalkan opsi-opsi ini. Dibandingkan dengan kemampuan isolasi SF6, isolasi nitrogen dan udara kering hanya sekitar sepertiga. Oleh karena itu, memastikan bahwa kinerja isolasi keseluruhan RMU dan saklar internalnya tidak terganggu akibat penurunan kinerja isolasi media, sambil tetap mempertahankan ruang kabinet yang ada, sangat penting. Ini terutama tercermin dalam desain struktur listrik dan isolasi internal. Desain struktur listrik dan isolasi yang tepat dapat mengkompensasi kekurangan kinerja media isolasi.

Makalah ini fokus pada celah isolasi dalam suatu RMU isolasi udara 12kV. Analisis distribusi medan listrik dan keuniformitasannya, menilai kinerja isolasi di lokasi tersebut, dan melakukan optimasi struktural untuk mengurangi probabilitas pelepasan dan meningkatkan kinerja isolasi. Studi ini bertujuan untuk memberikan acuan bagi desain isolasi produk serupa.

​1 Struktur RMU Isolasi Udara​

Model struktur 3D dari RMU isolasi udara yang diteliti dalam makalah ini ditunjukkan dalam Gambar 1. Struktur sirkuit utama RMU menggunakan skema kombinasi saklar vakum dan saklar tiga posisi. Tata letak menggunakan skema di mana saklar tiga posisi berada di sisi busbar, yaitu, saklar tiga posisi disusun di sisi atas RMU, sementara saklar vakum disusun di sisi bawah melalui tiang isolasi padat.

Karena saklar vakum terenkapsulasi dalam tiang, bagian luar terisolasi oleh resin epoksi. Kemampuan isolasi resin epoksi jauh lebih unggul daripada udara, sehingga memenuhi persyaratan isolasi. Selain itu, busbar penghubung di ujung tertutup tiang isolasi padat mencakup sudut bulat, desain melengkung, dan penyegelan karet silikon, mengatasi masalah pelepasan parsial di titik tersebut. Jarak isolasi antara busbar dan ke tanah dirancang sesuai dengan persyaratan isolasi yang relevan dan mematuhi peraturan.

Pisau isolasi saklar tiga posisi sepenuhnya bergantung pada media udara untuk isolasi. Sebagai komponen penghubung yang dapat bergerak, desain strukturnya mencakup bagian logam seperti pin, pegas, pegas cakram, dan cincin retainer untuk meningkatkan tekanan kontak antara kontak isolasi. Namun, karena bentuk khusus bagian-bagian logam ini, mereka dapat menyebabkan distribusi medan listrik yang sangat tidak uniform, memicu pelepasan parsial. Ini membawa risiko pelepasan breakdown, yang merugikan kinerja isolasi di lokasi tersebut. Oleh karena itu, desain struktur listrik di sini sangat penting.

Menurut persyaratan desain produk, celah isolasi harus mampu menahan tegangan daya frekuensi pendek waktu nominal 50kV. Jarak listrik minimum untuk celah isolasi dirancang sebesar 100mm. Mengingat kompleksitas struktur pisau isolasi, pelindung grading ditambahkan di kedua sisi pisau isolasi untuk meningkatkan keuniformitasan medan listrik dan mengurangi terjadinya pelepasan parsial. Model 3D dari saklar tiga posisi ditunjukkan dalam Gambar 2. Sesuai dengan itu, makalah ini melakukan analisis simulasi medan listrik pada celah isolasi.

Perangkat lunak elemen hingga digunakan untuk mensimulasikan medan listrik RMU, menganalisis distribusi intensitas medan listrik di seluruh celah isolasi pada tegangan daya frekuensi pendek waktu nominal 50kV. Dua skenario untuk simulasi medan elektrostatik didefinisikan:

• ​Skenario 1:​​ Sisi busbar (sisi dengan dudukan kontak statis isolasi) dihubungkan ke potensial rendah (0V), sisi jalur (sisi dengan kepala pisau isolasi) dihubungkan ke potensial tinggi (50kV).
• ​Skenario 2:​​ Sisi busbar (sisi dengan dudukan kontak statis isolasi) dihubungkan ke potensial tinggi (50kV), sisi jalur (sisi dengan kepala pisau isolasi) dihubungkan ke potensial rendah (0V).

Distribusi medan listrik di lokasi intensitas medan listrik maksimum dalam celah isolasi untuk kedua skenario diperoleh dari simulasi. Distribusi intensitas medan listrik di kepala pisau isolasi untuk Skenario 1 ditunjukkan dalam Gambar 3, dan yang di dudukan kontak statis isolasi untuk Skenario 2 ditunjukkan dalam Gambar 4. Intensitas medan listrik maksimum dalam Skenario 1 terjadi di ujung pelindung grading, mencapai 7,07 kV/mm. Maksimum dalam Skenario 2 adalah di pojokan dudukan kontak statis isolasi, mencapai 4,90 kV/mm.

Kekuatan medan listrik kritis untuk udara dalam kondisi standar umumnya 3 kV/mm. Gambar 3 dan 4 menunjukkan bahwa meskipun area lokal dalam celah isolasi melebihi 3 kV/mm, intensitas medan di area lain tetap di bawah ambang batas ini, sehingga pelepasan breakdown tidak mungkin terjadi. Namun, pelepasan parsial akan terjadi di posisi lokal di mana kekuatan medan melebihi 3 kV/mm.

Ketika udara berubah dari kering menjadi lembab, kemampuan isolasinya menurun. Kekuatan medan listrik kritis di bawah kondisi medan uniform turun di bawah 3 kV/mm. Selain itu, distribusi medan listrik yang sangat tidak uniform juga menurunkan kekuatan medan kritis udara. Kedua faktor ini meningkatkan kemungkinan dan risiko pelepasan. Untuk mengurangi dampak kondisi lingkungan eksternal terhadap media isolasi udara dan meningkatkan koefisien keuniformitasan medan listrik, makalah ini bertujuan untuk menentukan derajat keuniformitasan medan listrik di seluruh celah isolasi dan nilai tegangan tahanan celah. Ini menjadi dasar untuk meningkatkan kemampuan isolasi celah isolasi.

​3 Karakteristik Isolasi Udara​

​3.1 Penentuan Koefisien Non-Uniformitas Medan Listrik​

Medan listrik yang sempurna uniform tidak ada dalam praktik; semua medan listrik adalah non-uniform. Berdasarkan koefisien non-uniformitas f, medan listrik diklasifikasikan menjadi dua jenis: medan listrik sedikit non-uniform ketika f ≤ 4; dan medan listrik sangat non-uniform ketika f > 4. Koefisien non-uniformitas medan listrik f ditentukan oleh f = E_max / E_avg, di mana E_max adalah kekuatan medan listrik maksimum lokal, yang dapat diperoleh dari hasil simulasi, dan E_avg adalah kekuatan medan listrik rata-rata, dihitung sebagai tegangan yang diterapkan dibagi jarak listrik minimum.

Dari Gambar 3, E_max = 7,07 kV/mm dan E_avg = 0,5 kV/mm (50kV / 100mm). Oleh karena itu, koefisien non-uniformitas untuk celah isolasi f = 14,14 > 4, yang mengklasifikasikannya sebagai medan sangat non-uniform. Fenomena pelepasan parsial stabil dapat terbentuk dekat medan sangat non-uniform. Semakin besar derajat non-uniformitas, semakin nyata pelepasan parsial, dan semakin besar magnitudo pelepasan. Untuk RMU 12kV, persyaratannya adalah total pelepasan parsial seluruh kabinet harus kurang dari 20pC. Mengurangi koefisien non-uniformitas f bermanfaat untuk mengurangi magnitudo pelepasan parsial.

​3.2 Penentuan Tegangan Tahanan Udara​

Koefisien non-uniformitas mempengaruhi tegangan tahanan udara kering. Ketika medan sedikit non-uniform, tegangan tahanannya adalah:
​Rumus (1)​​

Di mana:

• U adalah tegangan tahanan.
• d adalah jarak listrik minimum antara elektroda.
• k adalah faktor keandalan, biasanya berkisar 1,2 hingga 1,5 berdasarkan pengalaman.
• E₀ adalah kekuatan medan listrik breakdown gas. Dalam praktik, nilai ini berkaitan dengan struktur elektroda. Kekuatan medan listrik breakdown udara bervariasi di bawah struktur elektroda dan jarak yang berbeda. Untuk analisis perbandingan dalam makalah ini, E₀ = 3 kV/mm ditetapkan secara sementara.

Dari Rumus (1), meningkatkan jarak listrik minimum d atau mengurangi koefisien non-uniformitas f dapat meningkatkan tegangan tahanan udara. Ketika medan sangat non-uniform, untuk elektroda dengan jarak minimum d sekitar 100mm, tegangan tahanannya ditentukan oleh:
​Rumus (2)​​

Di mana U_50%(d) adalah tegangan breakdown impuls petir 50% untuk elektroda dengan jarak listrik d. Dalam medan sangat non-uniform, tegangan breakdown menunjukkan dispersi yang signifikan dan penundaan pelepasan yang panjang, sehingga sangat tidak stabil.

Dalam praktik teknik, U_50%(d) ditentukan melalui beberapa tes impuls petir: tegangan yang diterapkan di mana pelepasan terjadi dengan probabilitas 50% didefinisikan sebagai U_50%(d). Nilai ini bergantung pada struktur produk dan derajat keuniformitasan medan. Ditetapkan bahwa koefisien non-uniformitas yang lebih rendah menghasilkan dispersi tegangan breakdown yang lebih kecil, tegangan breakdown yang lebih tinggi, dan oleh karena itu, tegangan tahanan yang lebih tinggi. Oleh karena itu, mengurangi koefisien non-uniformitas f meningkatkan tegangan tahanan celah isolasi.

​4 Optimasi Struktur​

Untuk meningkatkan keuniformitasan medan listrik di sekitar kepala pisau isolasi dan mengurangi koefisien non-uniformitas, struktur pelindung grading dioptimalkan.

Dibandingkan dengan desain asli, pelindung grading yang dioptimalkan memiliki ujung yang ditebalkan dengan desain sudut bulat. Radius fillet ditingkatkan dari 0,75mm menjadi 4mm, meningkatkan radius kelengkungan di area ini, yang menguntungkan pencapaian distribusi medan yang lebih uniform. Distribusi intensitas medan listrik di kepala pisau isolasi yang dioptimalkan ditunjukkan dalam Gambar 7. Gambar menunjukkan kekuatan medan listrik maksimum di lokasi ini sekarang 3,66 kV/mm, sekitar setengah dari nilai sebelum optimasi, menunjukkan peningkatan yang signifikan.

Berdasarkan rumus f = E_max / E_avg, koefisien non-uniformitas medan listrik setelah optimasi adalah 7,32. Dibandingkan dengan kondisi sebelum optimasi, nilai ini berkurang menjadi sekitar setengah. Keuniformitasan medan listrik di dekat kepala pisau isolasi juga meningkat secara signifikan, menunjukkan keabsahan optimasi struktur.

Struktur pelindung grading yang dioptimalkan memang mengurangi risiko pelepasan breakdown di seluruh celah isolasi. Namun, medan listrik di seluruh celah masih sangat non-uniform, dan tegangan tahanannya masih ditentukan oleh U_50%(d). Sejauh mana tegangan tahanan dapat ditingkatkan perlu ditentukan melalui tes lapangan selanjutnya.

​5 Kesimpulan​

Melalui analisis medan listrik celah isolasi dalam RMU isolasi udara 12kV, makalah ini mencapai kesimpulan berikut:

1. Karena kemampuan isolasi udara lebih rendah dibandingkan SF6, penggunaan udara untuk isolasi dalam saklar tiga posisi dalam RMU memerlukan peningkatan distribusi medan listrik untuk meningkatkan kemampuan isolasi.
2. Karena kompleksitas struktur komponen bergerak (pisau isolasi) dalam saklar tiga posisi RMU isolasi udara, distribusi intensitas medan listrik di posisi lokal dapat menjadi sangat tidak uniform. Untuk mengurangi non-uniformitas, pelindung grading dapat ditambahkan di kedua sisi pisau isolasi untuk melindungi intensitas medan listrik di dekat ujung konektor pisau, menggeser intensitas medan lokal maksimum ke ujung pelindung grading. Makalah ini meningkatkan radius kelengkungan ujung pelindung grading dari 0,75mm menjadi 4mm. Ini mengurangi intensitas medan lokal maksimum dan koefisien non-uniformitas menjadi sekitar setengah dari nilai aslinya, mencapai efek yang diinginkan.
3. Derajat keuniformitasan medan listrik, atau koefisien non-uniformitas, sangat mempengaruhi pelepasan parsial dan pelepasan breakdown. Medan sangat non-uniform mudah menyebabkan pelepasan parsial stabil (pelepasan korona). Baik untuk medan sedikit non-uniform maupun sangat non-uniform, koefisien non-uniformitas yang lebih tinggi berkorespondensi dengan tegangan tahanan yang lebih rendah antara dua elektroda.