Solusi Pemutus Lompatan Lanjutan untuk Aplikasi Tegangan Tinggi dan Arus Tinggi
I. Latar Belakang Penelitian dan Masalah Inti
1.1 Latar Belakang Penelitian
Dengan terus berkembangnya skala sistem tenaga listrik dan peningkatan kapasitas arus pendek, persyaratan yang lebih tinggi diberlakukan pada peralatan perlindungan pembatasan arus. Solusi utama saat ini termasuk pembatas arus pendek superkonduktor (SFCL), pemutus sirkuit pembatasan arus hibrida, dan sekering pembatasan arus hibrida. Di antara solusi-solusi tersebut, sekering pembatasan arus hibrida menjadi pilihan pasar karena kematangan teknologi, efisiensi biaya, dan aplikasi yang luas.
Namun, teknologi yang ada memiliki dua batasan utama:
• Tipe Dikendalikan Secara Elektronik: Bergantung pada komponen elektronik sensitif dan pasokan daya kontrol eksternal, sehingga rentan terhadap kerusakan atau kegagalan akibat kegagalan komponen atau hilangnya pasokan daya kontrol. Keandalannya dibatasi oleh kondisi eksternal.
• Tipe Dipicu oleh Busur: Meskipun menawarkan keuntungan seperti struktur sederhana, kemampuan anti-gangguan yang kuat, ukuran kompak, dan biaya rendah, arus nominal (biasanya ≤600A) dan kapasitas pemutusan (biasanya ≤25kA) relatif rendah, sehingga sulit memenuhi permintaan mendesak aplikasi industri dengan tegangan dan arus tinggi (misalnya, metalurgi berskala besar, pabrik kimia, pusat data).
1.2 Kontradiksi Inti
Peningkatan kinerja sekering dipicu busur menghadapi kontradiksi fundamental: trade-off antara operasi cepat dan kapasitas penghantaran arus. Untuk mencapai operasi cepat (nilai I²t prabusur rendah), diperlukan area penampang pengecilan elemen sekering yang kecil. Sebaliknya, untuk meningkatkan kapasitas penghantaran arus nominal, diperlukan area penampang pengecilan yang lebih besar. Memperbesar area penampang akan meningkatkan nilai I²t prabusur, menyebabkan penundaan operasi selama arus pendek. Penundaan ini memungkinkan arus pendek sebenarnya naik, akhirnya menyebabkan kegagalan pemutusan.
II. Solusi: Pencapaian Teknologi Kunci dan Desain Inovatif
2.1 Prinsip Kerja
Solusi ini menggunakan pemicu busur sebagai unit sensor dan pemicu inti. Strukturnya terdiri dari dua pelat tembaga, elemen sekering perak internal (dengan pengecilan khusus), bahan pengisi, dan penutup. Proses pemutusan adalah sebagai berikut:
- Pembusuran: Saat arus pendek terjadi, pengecilan elemen sekering meleleh dengan cepat dan membentuk busur, menghasilkan tegangan busur awal.
- Pemantik: Tegangan busur ini dengan cepat memicu pemutus ledakan paralel (detonator listrik).
- Komutasi Arus: Pemutus meledak, membentuk jalur resistansi tinggi, memaksa arus pendek beralih ke cabang sekering pemadam busur paralel.
- Pemutusan: Sekering pemadam busur membentuk busur, menghasilkan tegangan busur sangat tinggi yang memaksa arus menjadi nol, mencapai pemutusan pembatasan arus cepat.
2.2 Inovasi Inti: Desain Densitas Arus Pengecilan Tinggi
Nilai arus pemicu (I₁) adalah parameter kunci yang menentukan keberhasilan pemutusan, perlu tetap dalam rentang optimal 8-15kA. Untuk desain dipicu busur, arus nominal sangat berkorelasi dengan arus pemicu.
Pencapaian inti solusi ini terletak pada peningkatan signifikan densitas arus pengecilan. Melalui derivasi teoretis:
• Nilai arus pemicu I₁ ∝ (I²t prabusur * di/dt)^(1/3)
• Nilai I²t prabusur ∝ (area penampang pengecilan (S))²
Kesimpulan: Dalam kondisi arus nominal dan arus pendek yang sama, densitas arus pengecilan yang lebih tinggi memerlukan area penampang pengecilan (S) yang lebih kecil, sehingga mengurangi nilai I²t prabusur. Ini memastikan operasi cepat bahkan dalam arus pendek sangat tinggi, memungkinkan pemutusan yang andal. Tujuan desain solusi ini adalah untuk meningkatkan metrik ini dari level produk saat ini sekitar 1000 A/mm² menjadi lebih dari 3000 A/mm².
2.3 Optimalisasi Struktur dan Verifikasi Simulasi
• Alat Simulasi: Perangkat lunak ANSYS 11.0 digunakan untuk pemodelan parametrik berdasarkan bahasa APDL, memungkinkan perhitungan tahanan elemen sekering yang tepat dan simulasi proses prabusur.
• Pemilihan Struktur Elemen Sekering: Desain lubang bundar tradisional ditinggalkan untuk mendukung struktur lubang persegi panjang. Struktur ini memaksimalkan bagian penghantaran arus di daerah non-pengecilan, mencapai tahanan yang lebih rendah dan kapasitas penghantaran arus yang lebih tinggi dalam volume yang sama, menyelesaikan kontradiksi antara kapasitas penghantaran arus dan kecepatan dengan sempurna.
• Optimalisasi Parameter: Parameter kunci seperti lebar pengecilan (b), lebar lubang (c), jarak (d), dan ketebalan (h) dioptimalkan melalui simulasi multidimensi. Solusi optimal dicari untuk tahanan minimal sambil memastikan kelayakan manufaktur (misalnya, mencegah patah atau deformasi elemen).
Hasil Optimalisasi: Desain akhir mencapai tahanan elemen sekering 15.2 μΩ dan area penampang pengecilan 0.6 mm², memenuhi persyaratan untuk kapasitas pemutusan 40 kA dengan sempurna.
III. Verifikasi Kinerja dan Hasil Uji
3.1 Uji Kenaikan Suhu
• Kondisi Uji: Diterapkan arus AC 2000 A untuk operasi stabil berkelanjutan.
• Hasil Uji:
o Tahanan dingin yang diukur adalah 15.0 μΩ, sangat konsisten dengan nilai simulasi (15.2 μΩ), memvalidasi akurasi model.
o Kenaikan suhu di bagian-bagian kunci memenuhi standar (85 K di pengecilan, sekitar 47 K di terminal).
o Kapasitas penghantaran arus dikonfirmasi untuk arus nominal 2000 A. Densitas arus pengecilan yang dihitung mencapai 3300 A/mm², jauh melebihi produk serupa domestik dan internasional.
3.2 Uji Pemicu Arus Pendek
• Kondisi Uji: Sirkuit simulasi disiapkan untuk menghasilkan arus pendek simetris yang diharapkan 40 kA.
• Hasil Uji:
o Nilai arus pemicu yang diukur adalah 15.1 kA, sangat konsisten dengan nilai prediksi simulasi (15 kA) dan dalam rentang optimal 8-15 kA.
o Tegangan busur yang dihasilkan mencapai 50 V, cukup untuk memicu detonator listrik secara andal dalam mikrodetik, menunjukkan operasi cepat dan andal.
IV. Kesimpulan dan Keunggulan
Solusi ini berhasil mengembangkan sekering dipicu busur berkinerja tinggi. Kesimpulan dan keunggulan inti adalah sebagai berikut:
- Pencapaian Fundamental: Melalui desain elemen sekering lubang persegi panjang inovatif dan optimalisasi parameter, kontradiksi inheren antara kapasitas penghantaran arus dan kecepatan operasi dalam pemicu busur diselesaikan. Densitas arus pengecilan ditingkatkan ke tingkat industri terkemuka 3300 A/mm².
- Indikator Kinerja Tinggi: Produk ini cocok untuk tingkat tegangan 10 kV, mencapai arus nominal 2000 A dan kapasitas pemutusan 40 kA, memenuhi kebutuhan aplikasi industri dengan tegangan dan arus tinggi.
- Keandalan Tinggi: Mekanisme pemicu busur murni mekanis pasif dan tidak memerlukan kontrol, menghilangkan ketergantungan pada komponen elektronik dan pasokan daya eksternal. Menawarkan kemampuan anti-gangguan yang kuat dan operasi yang andal.
- Teknologi yang Dapat Diverifikasi: Model simulasi berbasis ANSYS menunjukkan konsistensi tinggi dengan hasil pengukuran, memberikan alat dan metodologi yang efisien dan andal untuk desain dan optimalisasi produk.
