Desain Terminasi Kabel untuk Pengujian Tegangan Breakdown AC

Dalam rekayasa, solusi atau proyek ideal harus ditetapkan karena keterbatasan ekonomi, teknis, praktis, dan lingkungan. Dalam perancangan dan konstruksi saluran transmisi atau distribusi tenaga listrik dapat digunakan dua jenis kabel, yaitu kabel overhead atau kabel bawah tanah [1]. Kabel bawah tanah bertegangan tinggi telah banyak digunakan sebagai konduktor listrik dalam berbagai aplikasi seperti fasilitas industri tegangan menengah, koneksi transmisi bawah tanah dan bawah laut, pembangkit energi terbarukan [1], pengumpanan bangunan tempat tinggal dan pusat kota, serta di fasilitas dimana aspek lingkungan dan visual memerlukan penggunaan kabel bawah tanah. Namun, pemasangan kabel bawah tanah merupakan pengeluaran keuangan yang signifikan bila dibandingkan dengan penerapan kabel overhead [1,2].

 Selain itu, proses pembuatan kabel bawah tanah yang rumit serta keragaman produk dan pabrikan dapat mengarah pada komersialisasi kabel berkinerja rendah. Penggunaan kabel dengan kinerja yang baik sangat penting untuk aplikasi bawah tanah, karena kabel mengalami beberapa tekanan selama masa pakainya, seperti listrik (karena tegangan operasi, lonjakan tegangan berlebih, dan lainnya), termal (karena kabel mengalami suhu abnormal naik, ekspansi termal, dan kontraksi), mekanik (seperti kerusakan eksternal, dampak lateral, dan kelainan tekanan), dan lingkungan (karena kelembaban, oksidasi, radiasi matahari, dan fenomena lainnya)

Oleh karena itu, untuk memastikan operasi di bawah tekanan yang disebutkan di atas dan meningkatkan keandalan dan kontinuitas catu daya, kabel harus menjalani uji listrik rutin dan jenis untuk menjamin, pada dasarnya, kinerja dielektrik dari bahan insulasi dan, akibatnya, mengurangi kerugian finansial. untuk pembangkit listrik dan industri. Salah satu material yang paling banyak digunakan adalah cross-linked polyethylene (XLPE)

Meskipun sebagian besar kegagalan dalam kabel listrik terjadi pada persimpangan dan terminasi, evaluasi bahan isolasi kabel sangat diperlukan. Salah satu pengujian yang diperlukan untuk evaluasi ini adalah penentuan tegangan tembus kabel. Standar internasional IEC 60229 dan IEC 60520-2 [6,7] menetapkan persyaratan pengujian untuk kabel tegangan tinggi. Di Brasil, standar NBR 10299 dan NBR 16132 [8,9] memberikan spesifikasi sehubungan dengan pengujian distribusi statistik kekuatan medan listrik tusukan pada kabel untuk sistem dengan tegangan di atas 15 kV. NBR 10299 bertujuan untuk mengatur tingkat kegagalan minimum berdasarkan panjang kabel yang terpasang. Nilai yang diterima secara umum adalah 6,7 × 10−4 kegagalan/(tahun × km)

Pengujian yang ditentukan harus dilakukan dengan menggunakan sampel dengan panjang efektif minimal 3 m, yaitu, tanpa mempertimbangkan terminasi pada kedua sisi. Perisai eksternal diardekan dan tegangan AC yang naik diterapkan di atas kabel sampai kerusakan internal tercapai. Pengaturan eksperimental harus memastikan terjadinya kerusakan pada kabel panjang efektif. Mempertimbangkan bahwa pengujian dapat membuat kabel mengalami tegangan lebih dengan nilai 5 hingga 10 kali lebih besar dari tegangan operasi normal, masalah utama yang dihadapi selama pengujian adalah distorsi medan listrik pada ujung kabel, yang menyebabkan pecahnya bagian luar dan mencegah evaluasi tegangan lebih. bahan isolasi bagian dalam. Untuk melakukan pemasangan di lapangan atau uji tegangan tembus pada kabel berinsulasi, perlu melepas sebagian insulasi kabel. Sementara medan listrik di dalam panjang efektif memiliki distribusi yang dapat diprediksi, dengan arah radial dan perilaku logaritmik [1,2,10], terdapat intensifikasi medan yang besar di ujung kabel. Medan listrik di sekitar ujung pelindung diilustrasikan pada Gambar 1. Dengan demikian, distribusi yang dapat diprediksi tersebut harus dijamin untuk memungkinkan pengujian yang berhasil.

Ujung kabel terdiri dari konduktor, lapisan semikonduktor, lapisan isolasi, dan pita konduktif untuk pelindung, selain udara. Keragaman bahan dengan karakteristik listrik yang berbeda, kekuatan dielektrik, dan permitivitas relatif memberikan medan listrik yang sangat tidak seragam dengan komponen medan aksial dan tangensial. Medan listrik tangensial adalah salah satu penyebab utama kegagalan terminal [12,13]. Peningkatan medan di ujung kabel menghasilkan pelepasan permukaan dan eksternal di udara, yang dapat dicegah dengan menggunakan terminasi yang dirancang dengan baik [1,9,10,14]. Dalam pengertian ini, pengaturan dengan karakteristik yang berbeda dipelajari oleh [12-19].

Sebagian besar studi yang berurusan dengan distribusi medan listrik pada terminasi kabel tegangan tinggi menerapkan perangkat lunak komersial berdasarkan metode elemen hingga (FEM) untuk tujuan analisis dan / atau desain terminasi, sambungan, atau kerucut pelepas stres. Dalam [12,15,16], simulasi digunakan untuk membantu dalam desain kerucut stres berdasarkan superkonduktor suhu tinggi (HTS). Penulis [16] mengusulkan penggunaan lapisan konduktif epoksi/ZnO untuk meningkatkan distribusi medan listrik. Studi lain membandingkan bahan yang berbeda dan opsi penilaian lapangan untuk kabel. Dalam [13], misalnya, berbagai jenis pilihan grading lapangan untuk 36 kV paper-insulated lead cable (PILC) dan kabel cross-linked polyethylene (XLPE) dibandingkan. Dalam [17], dampak cacat pada sambungan kabel dianalisis, dan [18] mempelajari medan listrik dalam terminasi kabel yang mengalami tegangan transien. Selama tahap proyek penghentian, tujuan lain yang mungkin adalah memperkirakan area yang lebih rentan terhadap cacat dan dengan demikian memperbaiki prototipe. Dalam hal ini, [19] menghitung medan listrik di selongsong untuk kabel 110 kV menggunakan FEM, untuk memperkirakan zona yang lebih rentan terhadap gangguan dielektrik dan dengan demikian memperbaiki prototipe selongsong.

Beberapa studi tersebut mempresentasikan proyek terminasi berdasarkan konsep kerucut tegangan, dan menganalisis distribusi medan listrik atau pengaruh material yang berbeda. Namun, ada kekurangan studi terkait kinerja terminasi selama uji tegangan lebih atau uji tegangan tembus. Selain itu, beberapa prototipe yang diusulkan membutuhkan bahan yang mahal. Oleh karena itu, metodologi untuk konsepsi, gambar, dan simulasi elektrostatik dari penghentian layak dilaporkan dalam makalah ini. Pemutusan harus dapat memastikan penyelesaian tes tegangan lebih pada kabel. Prosedur yang diusulkan juga dapat digunakan untuk desain terminasi kabel yang dioptimalkan. Pengakhiran seperti itu biasanya bertanggung jawab, misalnya, untuk menghubungkan antara saluran transmisi yang berbeda, yang berfungsi sebagai konektor. Untuk analisis tegangan listrik pada terminasi, simulasi komputasi dilakukan menggunakan perangkat lunak komersial berdasarkan metode elemen hingga dan model kabel 35 kV fase tunggal, yang digunakan sebagai sampel. Material konvensional dipertimbangkan dalam proyek, yang merupakan potensi pengurangan biaya.