Skema Reka Bentuk Pengoptimuman untuk Jurang Pemisah Unit Utama Cincin Berasingan Udara 12kV untuk Mengurangkan Kebarangkalian Pelepasan Pereputan

Dengan perkembangan pesat industri tenaga, konsep ekologi yang rendah karbon, hemat energi, dan perlindungan lingkungan telah terintegrasi secara mendalam ke dalam desain dan pembuatan 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 terelakkan dalam perkembangannya. 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, pengembangan RMU isolasi gas ramah lingkungan sebagai alternatif untuk SF6 telah menjadi tren yang mendesak.

Saat ini, RMU isolasi gas ramah lingkungan termasuk RMU isolasi nitrogen dan RMU isolasi udara kering. Literatur telah memperkenalkan pilihan-pilihan ini. Jika dibandingkan dengan kapabilitas isolasi SF6, isolasi nitrogen dan udara kering hanya sekitar sepertiga. Oleh karena itu, memastikan bahwa kinerja isolasi keseluruhan RMU dan saklar-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 struktur 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 di sekitarnya dan keteraturannya, mengevaluasi kinerja isolasi di lokasi tersebut, dan melakukan optimisasi struktural untuk mengurangi probabilitas pelepasan dan meningkatkan kinerja isolasi. Studi ini bertujuan untuk memberikan referensi 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 ditempatkan di sisi atas RMU, sementara saklar vakum ditempatkan di sisi bawah melalui tiang isolasi padat.

Karena saklar vakum terenkapsulasi dalam tiang, bagian luar saklar vakum diisolasi 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 memiliki sudut melengkung, 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.

Blade 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 merata, memicu pelepasan parsial. Ini menimbulkan risiko pelepasan putus, yang mempengaruhi buruk kinerja isolasi di lokasi tersebut. Oleh karena itu, desain struktur listrik di sini sangat penting.

Berdasarkan persyaratan desain produk, celah isolasi harus mampu menahan tegangan daya frekuensi pendek sementara yang diberikan 50kV. Jarak listrik minimum untuk celah isolasi dirancang sebesar 100mm. Mengingat kompleksitas struktur blade isolasi, pelindung grading ditambahkan di kedua sisi blade isolasi untuk meningkatkan keteraturan 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 di bawah tegangan daya frekuensi pendek sementara yang diberikan 50kV. Dua skenario untuk simulasi medan elektrostatik didefinisikan:

• ​Skenario 1:​​ Sisi busbar (sisi dengan dudukan kontak statis isolasi) terhubung ke potensial rendah (0V), sisi jalur (sisi dengan kepala blade isolasi) terhubung ke potensial tinggi (50kV).
• ​Skenario 2:​​ Sisi busbar (sisi dengan dudukan kontak statis isolasi) terhubung ke potensial tinggi (50kV), sisi jalur (sisi dengan kepala blade isolasi) terhubung 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 blade 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 berada di pojok melengkung 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 putus 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 dalam kondisi medan yang merata jatuh di bawah 3 kV/mm. Selain itu, distribusi medan listrik yang sangat tidak merata juga menurunkan kekuatan medan listrik kritis udara. Kedua faktor ini meningkatkan kemungkinan dan risiko pelepasan putus. Untuk mengurangi dampak kondisi lingkungan eksternal terhadap media isolasi udara dan meningkatkan koefisien keteraturan medan listrik, makalah ini bertujuan untuk menentukan derajat keteraturan 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 merata tidak ada dalam praktik; semua medan listrik tidak merata. Berdasarkan koefisien non-uniformitas f, medan listrik diklasifikasikan menjadi dua jenis: medan listrik sedikit tidak merata ketika f ≤ 4; dan medan listrik sangat tidak merata 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 tidak merata. Fenomena pelepasan parsial stabil dapat terbentuk dekat medan sangat tidak merata. Semakin besar derajat non-uniformitas, semakin nyata pelepasan parsial, dan semakin besar magnitud pelepasan. Untuk RMU 12kV, persyaratannya adalah total pelepasan parsial seluruh kabinet harus kurang dari 20pC. Mengurangi koefisien non-uniformitas f bermanfaat untuk mengurangi magnitud pelepasan parsial.

​3.2 Penentuan Tegangan Tahanan Udara​

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

Di mana:

• U adalah tegangan tahanan.
• d adalah jarak listrik minimum antara elektroda.
• k adalah faktor keandalan, biasanya berkisar dari 1.2 hingga 1.5 berdasarkan pengalaman.
• E₀ adalah kekuatan medan listrik pemutusan gas. Dalam praktik, nilai ini berkaitan dengan struktur elektroda. Kekuatan medan listrik pemutusan udara bervariasi di bawah struktur elektroda dan jarak yang berbeda. Untuk analisis perbandingan dalam makalah ini, E₀ = 3 kV/mm ditetapkan sementara.

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

Di mana U_50%(d) adalah tegangan pemutusan impuls petir 50% untuk elektroda dengan jarak listrik d. Dalam medan sangat tidak merata, tegangan pemutusan menunjukkan dispersi yang signifikan dan waktu tunda pelepasan yang panjang, membuatnya 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 keteraturan medan. Diketahui bahwa koefisien non-uniformitas yang lebih rendah menghasilkan dispersi tegangan pemutusan yang lebih kecil, tegangan pemutusan 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 Optimisasi Struktur​

Untuk meningkatkan keteraturan medan listrik di sekitar kepala blade 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 melengkung. Radius fillet ditingkatkan dari 0.75mm menjadi 4mm, meningkatkan radius kelengkungan di area tersebut, yang bermanfaat untuk mencapai distribusi medan yang lebih merata. Distribusi intensitas medan listrik di kepala blade 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 keadaan sebelum optimasi, nilai ini berkurang menjadi sekitar setengah. Keteraturan medan listrik di sekitar kepala blade isolasi juga meningkat secara signifikan, menunjukkan keberasan optimasi struktur.

Struktur pelindung grading yang dioptimalkan memang mengurangi risiko pelepasan putus di seluruh celah isolasi. Namun, medan listrik di sepanjang celah masih sangat tidak merata, dan tegangan tahanannya masih ditentukan oleh U_50%(d). Tingkat peningkatan tegangan tahanan yang dapat dicapai perlu ditentukan melalui tes lapangan berikutnya.

​5 Kesimpulan​

Melalui analisis medan listrik pada 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 di RMU memerlukan peningkatan distribusi medan listrik untuk meningkatkan kemampuan isolasi.
2. Karena kompleksitas struktur bagian yang bergerak (blade isolasi) dalam saklar tiga posisi RMU isolasi udara, distribusi intensitas medan listrik di posisi lokal dapat menjadi sangat tidak merata. Untuk mengurangi non-uniformitas, pelindung grading dapat ditambahkan di kedua sisi blade isolasi untuk melindungi intensitas medan listrik di dekat ujung konektor blade, menggeser intensitas medan lokal maksimum ke ujung pelindung grading. Makalah ini meningkatkan radius kelengkungan ujung pelindung grading dari 0.75mm menjadi 4mm. Ini mengurangi baik intensitas medan lokal maksimum maupun koefisien non-uniformitas menjadi sekitar setengah dari nilai aslinya, mencapai efek yang diinginkan.
3. Derajat keteraturan medan listrik, atau koefisien non-uniformitas, mempengaruhi pelepasan parsial dan pelepasan putus. Medan sangat tidak merata mudah menyebabkan pelepasan parsial stabil (pelepasan korona). Baik untuk medan sedikit tidak merata maupun sangat tidak merata, koefisien non-uniformitas yang lebih tinggi berkorespondensi dengan tegangan tahanan yang lebih rendah antara dua elektroda.