Solusi Kolaboratif untuk Pembatas Arus Korting (FCL) dan Penutup Ulang Otomatis Fasa Tunggal (SPAR) dalam Jaringan Listrik EHV Asia Tenggara
- Pendahuluan: Latar Belakang dan Kepentingan Penelitian
Dengan perkembangan ekonomi yang pesat di Asia Tenggara, skala jaringan listrik terus berkembang, dan beban terus meningkat. Hal ini telah menyebabkan arus pendek sistem mendekati atau bahkan melebihi batas kapasitas pemutusan sirkuit breaker, mengancam serius keamanan dan stabilitas operasi jaringan listrik. Sementara itu, saluran transmisi EHV berfungsi sebagai tulang punggung untuk interkoneksi daya regional. Lebih dari 70% gangguan adalah gangguan tanah satu fase, dan sekitar 80% dari gangguan tersebut bersifat sementara (misalnya, sambaran petir, benda asing yang diterbangkan oleh angin). Teknologi Auto-Pemutusan Ulang Satu Fase (SPAR) adalah metode kunci untuk membersihkan gangguan dengan cepat, memulihkan pasokan listrik, dan menjamin stabilitas dan keandalan jaringan.
Batas Arus Gangguan (FCL), terutama tipe MOA (Metal-Oxide Arrester) yang hemat biaya, merupakan langkah efektif untuk menekan arus pendek dan telah digunakan secara bertahap dalam jaringan EHV. Namun, penelitian yang ada sebagian besar fokus pada dampak FCL terhadap stabilitas transien sistem dan perlindungan relai, mengabaikan potensi efek negatif mereka terhadap tingkat keberhasilan SPAR. Proposal ini bertujuan untuk mengisi celah penelitian ini dengan melakukan analisis mendalam tentang interaksi antara FCL dan SPAR, dan mengusulkan satu set strategi kontrol kolaboratif yang cocok untuk jaringan listrik Asia Tenggara. Strategi-strategi ini memastikan pembatasan arus yang efektif dan pasokan listrik yang andal.
1. Prinsip Kerja FCL Tipe Metal-Oxide Arrester
Jenis FCL ini terutama terdiri dari komponen-komponen berikut, yang bekerja sama untuk mencapai fungsi inti "impedansi rendah selama operasi normal dan impedansi tinggi selama gangguan":
|
Komponen |
Deskripsi Fungsi |
|
Reaktor Lf (Lf = Lc + L) |
Selama operasi normal, ia beresonansi seri dengan kapasitor Cf, menunjukkan impedansi rendah; selama gangguan, reaktor pembatas arus L dimasukkan ke dalam sistem. |
|
Kapasitor Cf |
Berpartisipasi dalam resonansi selama operasi normal; selama gangguan, ia dipersingkat dengan cepat oleh MOA dan keluar dari rangkaian resonansi. |
|
Metal-Oxide Arrester (MOA) |
Bertindak segera setelah mendeteksi gangguan pendek, menghantarkan untuk mempersingkat kapasitor Cf. |
|
Saklar Bypass K |
Tertutup dengan cepat setelah terjadi gangguan untuk membagi arus dan melindungi MOA dari penyerapan energi berlebih. Waktunya sangat kritis. |
|
Reaktor Pembatas Arus Lc |
Utamanya membatasi arus pengosongan kapasitor Cf melalui celah pelatuk. |
Alur kerja: Selama operasi sistem normal, Lf dan Cf beresonansi → impedansi FCL hampir nol → tidak ada dampak pada aliran daya. Ketika terjadi gangguan pendek, MOA bertindak dengan cepat untuk mempersingkat Cf → reaktor pembatas arus L dimasukkan ke dalam sistem untuk menekan arus pendek → celah pelatuk rusak dan mengirim sinyal untuk menutup saklar bypass K → setelah K tertutup, ia mengalihkan arus untuk melindungi MOA.
2. Analisis Masalah: Dampak Negatif FCL terhadap Arus Busur Sekunder dan SPAR
Arus busur sekunder adalah arus yang terus mempertahankan titik gangguan setelah sirkuit breaker fase gangguan terbuka selama operasi SPAR, dipertahankan oleh kawatan elektromagnetik dan elektrostatik dari fase sehat. Besarnya dan karakteristik arus ini secara langsung menentukan apakah busur gangguan dapat padam sendiri, yang kritis untuk keberhasilan SPAR.
Analisis simulasi (berdasarkan EMTP, dengan parameter model merujuk pada sistem 500 kV di Selatan China) menunjukkan bahwa pemasangan FCL mungkin memperkenalkan masalah baru:
- Dampak Waktu Saklar Bypass (K): Jika saklar bypass K terbuka saat sirkuit breaker terputus, arus busur sekunder akan mencakup komponen dengan amplitudo besar (hingga 225 A), penurunan lambat, dan frekuensi sangat rendah (sekitar 3–3.25 Hz). Komponen frekuensi rendah ini secara signifikan mengurangi jumlah persilangan nol arus, membuat pemadaman busur sulit dan menurunkan tingkat keberhasilan SPAR secara nyata.
- Dampak Resistansi Jalur Busur (Rg): Ketika resistansi transisi di titik gangguan besar (misalnya, 300 Ω), arus pendek kecil, yang mungkin mencegah FCL di ujung garis aktif (MOA tidak mencapai tegangan operasi). Dalam kasus ini, Cf tetap tidak dipersingkat dan membentuk rangkaian osilasi frekuensi rendah dengan reaktor paralel garis, juga menghasilkan komponen frekuensi rendah yang merugikan pemadaman busur.
3. Investigasi Mekanisme: Asal Usul Komponen Frekuensi Rendah
Analisis teoretis menggunakan jaringan impedansi ekuivalen dan transformasi Laplace mengungkapkan mekanisme di balik komponen frekuensi rendah:
Penyebab utamanya adalah kapasitor Cf dalam FCL. Setelah sirkuit breaker terputus dan fase gangguan dipisahkan, energi yang tersimpan dalam Cf dibuang melalui reaktor paralel dan resistansi busur titik gangguan. Rangkaian pembuangan ini membentuk rangkaian osilasi frekuensi rendah, dengan frekuensi osilasi (sekitar 3 Hz) terutama ditentukan oleh Cf dan parameter reaktor paralel garis, hampir independen dari lokasi gangguan. Osilasi frekuensi rendah ini hanya dihilangkan ketika saklar bypass K tetap tertutup, sepenuhnya mempersingkat Cf.
4. Solusi Inti: Strategi Koordinasi Waktu untuk FCL dan SPAR
Untuk memastikan pembatasan arus yang efektif oleh FCL tanpa mempengaruhi SPAR, proposal ini mengusulkan strategi koordinasi waktu presisi berikut, dengan durasi total dikontrol dalam 0.66–0.73 detik:
|
Node Waktu |
Selang Waktu (s) |
Deskripsi Proses |
|
t0 |
- |
Gangguan tanah satu fase terjadi dalam sistem. |
|
t1 |
0.002 |
MOA mencapai tegangan operasi, bertindak untuk mempersingkat Cf, dan reaktor pembatas arus L dimasukkan ke dalam sistem. |
|
t2 |
0.002 |
Sistem pemantauan FCL memicu celah pelatuk G dan secara simultan mengirim sinyal untuk mulai menutup saklar bypass K. |
|
t3 |
0.016 |
Perlindungan relai garis beroperasi, mengeluarkan sinyal putus sirkuit breaker, yang juga berfungsi sebagai perintah untuk menutup K secara paksa. |
|
t4 |
≤0.024 |
Pastikan saklar bypass K sepenuhnya tertutup. Ini harus diselesaikan sebelum sirkuit breaker terputus. |
|
t5 |
0.016–0.036 |
Kontak utama sirkuit breaker garis di kedua ujung terbuka, memutus arus gangguan. |
|
t6 |
0.02 |
Resistor buka sirkuit breaker terputus, memisahkan garis fase gangguan sepenuhnya dari sistem; busur sekunder mulai terbakar. |
|
t7 |
0.20 |
Selama busur sekunder terbakar, jaga K tertutup untuk menghilangkan komponen frekuensi rendah. Setelah busur padam sendiri, keluarkan sinyal untuk membuka K. |
|
t8 |
0.045 |
Saklar bypass K terbuka. |
|
t9 |
0.015 |
Waktu deionisasi jalur busur titik gangguan, memastikan pemulihan isolasi. |
|
t10 |
0.10 |
Koil tutup sirkuit breaker diberi energi, mempersiapkan untuk tutup ulang. |
|
t11 |
0.20–0.25 |
Sirkuit breaker menutup, dengan resistor tutup terlibat untuk menekan overtegangan pemutusan. |
|
t12 |
0.02 |
Kontak utama sirkuit breaker menutup, resistor tutup keluar, dan garis berhasil memulihkan pasokan listrik. |
Inti Strategi: Gunakan sinyal putus sirkuit breaker dari perlindungan relai sebagai perintah untuk menutup saklar bypass K dengan cepat dan menjaganya tertutup sepanjang periode pembakaran busur sekunder (sekitar 0.2 detik). Ini secara efektif mempersingkat Cf, menghilangkan sepenuhnya komponen osilasi frekuensi rendah dalam arus busur sekunder, dan menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk pemadaman busur.
5. Efektivitas dan Keunggulan Skema
Simulasi EMTP memverifikasi bahwa strategi koordinasi waktu ini mencapai hal-hal berikut:
- Menghilangkan Bahaya Frekuensi Rendah: Menghilangkan sepenuhnya komponen 3 Hz frekuensi rendah dalam arus busur sekunder, menghindari dampak negatifnya pada pemadaman busur.
- Optimalkan Karakteristik Pemadaman Busur: Mengurangi waktu pemadaman busur sekunder sekitar 4.5% dan menurunkan arus komponen frekuensi daya sebesar 10.5%, secara signifikan meningkatkan tingkat keberhasilan SPAR.
- Kompatibilitas dan Keandalan: Strategi ini tidak mempengaruhi karakteristik pemulihan tegangan asli sistem dan menyeimbangkan keamanan FCL (melindungi MOA) dengan kebutuhan pemulihan cepat.
- Mudah Dilaksanakan: Berdasarkan sinyal perlindungan yang ada, strategi ini memerlukan modifikasi minimal pada sistem sekunder, biaya rendah, dan cocok untuk proyek EHV yang ada atau baru di negara-negara Asia Tenggara.
6. Kesimpulan dan Rekomendasi
Untuk jaringan listrik EHV di Asia Tenggara yang direncanakan atau sudah dilengkapi dengan FCL tipe metal-oxide arrester, penting untuk memberikan perhatian serius terhadap potensi masalah osilasi frekuensi rendah dalam arus busur sekunder, yang dapat menurunkan tingkat keberhasilan SPAR dan mengancam keandalan pasokan listrik.
