Pembatasan Arus Korting dalam Sistem Kuasa dan Penggunaan Pembatas Arus Korting (FCL)

0 Pengenalan​
Dengan perkembangan sistem kuasa dan peningkatan permintaan beban, penggabungan unit generasi kapasiti besar dan peralatan stesen pengubah saif—terutamanya munculnya pembangkit kuasa besar di pusat beban dan sambungan antara sistem kuasa besar—telah mengakibatkan peningkatan berterusan dalam aras arus korsleting. Tanpa langkah-langkah had yang berkesan, trend ini tidak hanya akan meningkatkan pelaburan peralatan untuk stesen pengubah saif baru tetapi juga memberi kesan serius kepada laluan komunikasi dan saluran stesen pengubah saif sedia ada, mungkin memerlukan dana yang besar untuk pembaikan dan peningkatan.

Pada tahap awal pembangunan sistem, apabila kapasiti sistem kecil dan aras arus korsleting rendah, peningkatan arus korsleting biasanya boleh ditangani dengan menggantikan peranti pemutus—peralatan stesen pengubah saif lain sering mempunyai margin yang mencukupi pada tahap ini. Walau bagaimanapun, apabila kapasiti sistem kuasa besar, aras korsleting tinggi, dan arus korsleting terus meningkat disebabkan sambungan sistem atau peningkatan kapasiti lanjut, hanya menggantikan pemutus litar tidak lagi mencukupi. Stesen pengubah saif sedia ada mungkin memerlukan tidak hanya penggantian pemutus litar tetapi juga peningkatan atau penggantian transformator utama, pemisah, transformator instrumen, busbar, isolator, struktur, asas, dan sistem grounding. Selain itu, laluan komunikasi mungkin perlu dipelindung atau bahkan ditukar menjadi kabel komunikasi bawah tanah.

Kerana pelbagai faktor, unit generasi kapasiti besar dan pembangkit kuasa baru terus digabungkan ke dalam grid 220kV, menyebabkan peningkatan yang terlalu cepat dalam aras arus korsleting. Kapasiti pemutusan dan prestasi kestabilan dinamik banyak pemutus litar 220kV—dan bahkan seluruh stesen pengubah saif—tidak lagi sepadan dengan aras korsleting yang meningkat, mencipta cabaran teknikal dan ekonomi yang serius. Oleh itu, penyelidikan tentang had arus korsleting amat diperlukan.

​1 Langkah Had Arus Korsleting Tradisional dan Keterbatasannya​
Had arus korsleting boleh ditangani dari perspektif struktur sistem, operasi, dan peralatan. Langkah tradisional termasuk kategori berikut, tetapi setiap satu mempunyai keterbatasan yang signifikan:

• ​a. Penyesuaian Struktur Grid​
  Termasuk pembangunan grid voltan lebih tinggi, pemisahan grid/busbars voltan rendah, dan pemisahan grid.
• Pembangunan grid voltan lebih tinggi: Memerlukan pelaburan besar dan melibatkan kebimbangan alam sekitar.
• Pemisahan/splitting grid voltan rendah: Mudah dilaksanakan dengan kesan had arus yang signifikan tetapi mengurangkan margin keselamatan sistem dan membatasi fleksibiliti operasi, menjadikannya sesuai hanya untuk skenario yang perlu.
• ​b. Teknologi Sambungan DC​
  Sambungan DC boleh mengurangkan arus korsleting secara signifikan, tetapi pelaburan dalam stesen penukar di kedua-dua hujung sangat tinggi. Untuk sambungan pendek dengan pertukaran kuasa rendah, penyelesaian ini tidak ekonomi.
• ​c. Transformator Impedansi Tinggi​
  Menggunakan transformator impedansi tinggi untuk menghadkan arus korsleting pada sisi voltan rendah adalah langkah yang sering digunakan. Walau bagaimanapun, transformator-transformator ini menunjukkan kerugian yang lebih tinggi semasa operasi stabil, mempengaruhi ekonomi sistem.
• ​d. Reaktor Siri​
  Reaktor siri, dengan teknologi pembuatan yang matang dan kesan had arus yang jelas, telah digunakan dalam sistem bantu pembangkit kuasa dan stesen pengubah saif 10–35kV. Walau bagaimanapun, penggunaannya dalam sistem ultra-high-voltage meningkatkan kerugian rangkaian dan mengurangkan kestabilan sistem, membatasi kesesuaiannya.
• ​e. Peningkatan Kapasiti dan Pembaikan Peralatan​
  Menggantikan pemutus litar dan membaiki stesen pengubah saif sedia ada untuk menangani arus korsleting yang lebih tinggi menangani isu tersebut secara langsung tetapi melibatkan pelaburan tinggi dan pembinaan yang kompleks, menghasilkan efisiensi ekonomi dan ketepatan waktu yang buruk.

Mengingat keterbatasan yang signifikan langkah-langkah tradisional, pembangunan peranti had arus baru yang disesuaikan dengan sistem kuasa moden telah menjadi suatu keperluan. Pembatas Arus Korsleting (FCL) telah muncul sebagai penyelesaian dan juga merupakan komponen penting dalam Sistem Transmisi AC Fleksibel (FACTS).

​2 Aplikasi Pembatas Arus Korsleting (FCL) dalam Sistem Kuasa​

​2.1 Model dan Prinsip Asas FCL​
Prinsip asas FCL berasal dari teknologi had arus reaktor siri, diperbaiki dengan elektronik kuasa untuk mengatasi kekurangan reaktor siri tradisional (contohnya, kerugian stabil yang tinggi dan kesan pada kestabilan sistem). Model intinya boleh diabstraksi sebagai: "Tiada reaktans semasa operasi normal; penyisipan reaktans dengan cepat semasa gangguan untuk menghadkan arus."

• Operasi normal: Peranti pemutus ditutup, impedansi FCL setara mendekati sifar, tiada kesan pada sistem.
• Kondisi gangguan: Peranti pemutus dibuka dengan cepat, menyisipkan reaktor had arus untuk menekan arus korsleting.

Komponen inti FCL termasuk empat elemen utama:

1. Elemen deteksi arus gangguan cepat: Memonitor arus sistem secara real-time dan mengenal pasti gangguan korsleting dengan cepat.
2. Peranti pemutus cepat: Bertindak dengan cepat semasa gangguan untuk beralih antara keadaan "tiada reaktans" dan "reaktans".
3. Reaktor had arus: Komponen had arus utama, menekan arus korsleting melalui impedansi.
4. Elemen perlindungan overvoltan: Mencegah overvoltan semasa pemutusan gangguan, melindungi peralatan sistem.

​2.2 Fungsi dan Syarat Reka Bentuk FCL​

​2.2.1 Fungsi Utama FCL​
FCL menyediakan pendekatan baru untuk had arus gangguan dalam sistem kuasa dan merupakan komponen penting dalam sistem kuasa moden. Kelebihannya termasuk:

• Mengurangkan beban pemutus litar: Voltan yang lebih tinggi berkoresponden dengan arus gangguan yang lebih besar dan lebih sukar untuk diputus. FCL mengurangkan arus pemutusan pemutus litar secara langsung, memanjangkan usia peralatan.
• Meningkatkan kestabilan sistem: Menekan arus korsleting dengan cepat mengurangkan jatuh voltan laluan dan kemungkinan generator keluar fasa, meningkatkan kestabilan sudut kuasa, voltan, dan frekuensi.
• Meningkatkan penggunaan peralatan dan laluan: Jika FCL bertindak sebelum arus korsleting mencapai puncak, ia mengurangkan keperluan untuk had stabiliti termal dan dinamik, dengan demikian meningkatkan kapasiti transmisi sebenar laluan.
• Mengoptimumkan kualiti voltan: Pembatasan arus cepat sebelum pemutusan gangguan memendekkan tempoh jatuh voltan pada laluan bukan gangguan, memastikan kestabilan voltan grid.
• Mengurangkan gangguan dengan fasiliti sekitar: Menghadkan arus korsleting dalam grid voltan tinggi mengurangkan gangguan elektromagnetik dengan laluan komunikasi dan sistem isyarat kereta api berhampiran.

​2.2.2 Syarat Reka Bentuk untuk FCL​
Untuk disesuaikan dengan ciri-ciri operasi sistem kuasa, FCL harus memenuhi syarat-syarat reka bentuk berikut:

• Tidak memberi kesan pada sistem semasa operasi normal (jatuh voltan mendekati sifar).
• Tanggapan cepat semasa gangguan (dalam 1–2 ms), menghadkan arus korsleting puncak dan stabil tanpa kesan sampingan seperti overvoltan.
• Reset otomatik selepas pemutusan gangguan tanpa campur tangan manual.
• Tidak mengganggu logik operasi relai pelindung yang normal.
• Kos yang munasabah dan kos-efektiviti yang tinggi, memenuhi keperluan aplikasi enjinering utiliti.

​2.3 Perbandingan Pelbagai Skema Pelaksanaan FCL​

​2.3.1 Perbandingan Skema​

• ​Kesimpulan: FCL berdasarkan bahan baru (terutamanya superkonduktor) dan FCL berdasarkan elektronik kuasa adalah penyelesaian optimum saat ini. Yang pertama mudah dan boleh dipercayai tetapi terbatas oleh teknologi bahan; yang kedua menawarkan kawalan yang kuat, dan dengan penurunan kos elektronik kuasa, ia telah menjadi feasible enjinering, menjadikannya arah R&D yang paling menjanjikan.

​2.5 Arah Penyelidikan Masa Depan untuk FCL​
Penyelidikan masa depan FCL harus fokus pada "optimisasi prestasi, integrasi fungsi, dan adaptasi enjinering." Arah utama termasuk:

1. Penukar impedansi boleh disesuaikan secara berterusan: Melepaskan batasan "impedansi dua keadaan (sifar atau infiniti)" semasa ini untuk mengembangkan penukar impedansi responsif, boleh disesuaikan secara berterusan yang secara dinamik sepadan dengan impedansi yang lebih tinggi dengan arus gangguan yang lebih besar. Ini juga harus menggabungkan pembaikan faktor kuasa dan penyerapan overvoltan, dikombinasikan dengan teori kawalan (contohnya, umpan balik negatif, kawalan PID) untuk meningkatkan otomatisasi sistem.
2. Integrasi dengan pengawal FACTS: Mengembangkan peranti kawalan komprehensif yang menggabungkan FCL dengan komponen FACTS lain (contohnya, SVG, SVC) untuk meningkatkan cost-effectiveness secara keseluruhan dan mendorong sistem transmisi dan distribusi AC yang boleh dikawal.
3. Penembusan teknologi utama:
• Mekanisme impak FCL pada kestabilan sistem kuasa.
• Logik koordinasi antara FCL dan relai pelindung.
• Optimisasi sistem deteksi isyarat gangguan ultra-cepat dan pengawal.
• Impak FCL pada kualiti kuasa (contohnya, harmonik, fluktuasi voltan) dan langkah-langkah mitigasi.

​3 Kesimpulan​

• a. Had arus korsleting dalam sistem kuasa telah menjadi isu kritikal yang memerlukan penyelesaian yang mendesak. Sebagai peranti perlindungan baru, Pembatas Arus Korsleting (FCL) menawarkan penyelesaian yang efektif, dan pengembangan FCL yang disesuaikan dengan grid moden mempunyai nilai teori dan enjinering yang signifikan.
• b. FCL berbasis elektronik kuasa telah mempunyai asas teori dan kelayakan enjinering. Prestasi kawalan yang luar biasa dan penurunan kos peranti elektronik kuasa menunjukkan prospek pengembangan yang luas.
• c. Dengan perkembangan teknologi FACTS/CusPow, FCL—sebagai anggota penting keluarga FACTS—tidak hanya harus menangani isu-isu had arus secara bebas dalam grid transmisi dan distribusi tetapi juga berkolaborasi dengan pengawal FACTS lain untuk lebih mendorong pengembangan sistem transmisi dan distribusi AC yang boleh dikawal.