Kabel Listrik Overhead: Jenis, Pemilihan & Pemasangan

Memilih yang benar kabel listrik di atas untuk jalur transmisi atau distribusi memerlukan penyeimbangan tiga variabel yang saling bergantung: kapasitas hantar arus kontinu, kekuatan tarik mekanis, dan perilaku melorot jangka panjang pada suhu pengoperasian maksimum . Untuk sebagian besar aplikasi tegangan menengah dan tinggi, konduktor aluminium yang diperkuat baja (ACSR) tetap menjadi pilihan default karena inti baja galvanis membawa sekitar 55% hingga 65% dari total tegangan sementara untaian aluminium membawa arus, sebuah pemisahan fungsi yang tidak dapat ditandingi oleh konduktor homogen dengan biaya yang setara.

Jenis konduktor dan komposisi bahan

Kabel listrik overhead diklasifikasikan berdasarkan bahan dan konfigurasi konduktornya. Tiga kelompok konduktor telanjang utama mendominasi pasar, masing-masing disesuaikan dengan panjang bentang dan kondisi lingkungan yang berbeda.

ACSR, atau Aluminium Conductor Steel-Reinforced, terdiri dari inti baja terdampar konsentris yang dikelilingi oleh satu atau lebih lapisan untaian aluminium 1350-H19 yang ditarik dengan keras. Inti baja, tersedia dalam berbagai tingkat kekuatan, menyediakan tulang punggung tarik, sedangkan lapisan aluminium membawa arus dengan konduktivitas sebesar 61,2% IACS (Standar Tembaga Anil Internasional). Konduktor "Drake" ACSR yang khas, dengan jalinan 26/7 dan diameter keseluruhan 28,14 mm, mencapai kekuatan tarik terukur sebesar 140 kN dan ampacity kontinu sekitar 907 amp pada 75°C dalam kondisi angin sedang.

AAAC, konduktor paduan aluminium, menggunakan untaian kawat paduan aluminium 6201-T81 yang homogen. Paduan ini menggabungkan magnesium dan silikon untuk mencapai kekuatan tarik kira-kira dua kali lipat dari aluminium konduktor listrik 1350-H19, sehingga menghilangkan kebutuhan akan inti baja. Konduktor AAAC ditentukan jika korosi pada inti baja menjadi perhatian, khususnya di lingkungan pesisir atau industri dengan senyawa klorida atau sulfur di udara. Tidak adanya inti baja magnetis juga menghilangkan histeresis dan kerugian arus eddy, sehingga mengurangi resistansi AC sekitar 3% hingga 5% dibandingkan dengan ACSR dengan diameter setara di bawah arus beban yang sama.

AAC, konduktor aluminium seluruhnya terbuat dari untaian 1350-H19, menawarkan konduktivitas tertinggi per satuan berat namun kekuatan tarik terendah. Penggunaannya terbatas pada bentang pendek di jaringan distribusi perkotaan dan dropper bus-bar di dalam gardu induk, di mana panjang bentang jarang melebihi 50 meter dan konduktor tidak diharuskan menahan beban es atau angin yang tinggi.

Kinerja komparatif jenis konduktor standar

Dasar-dasar peringkat ampacity dan termal

Ampacity suatu kabel listrik overhead bukanlah suatu angka tetap tetapi merupakan fungsi dari keseimbangan panas antara rugi-rugi resistif (pemanasan I²R), radiasi matahari yang diserap oleh permukaan konduktor, pendinginan konvektif dari angin, dan rugi-rugi panas radiasi ke langit. Standar IEEE 738 mendefinisikan persamaan termal kondisi tunak yang mengatur keseimbangan ini. Berdasarkan asumsi kasus terburuk yaitu sinar matahari penuh, kecepatan angin rendah 0,6 m/s, dan suhu sekitar 40°C, ampasitas konduktor tertentu mungkin adalah 25% hingga 35% lebih rendah daripada nilai yang dipublikasikan untuk kondisi musim semi sedang.

Suhu pengoperasian konduktor merupakan variabel independen yang mengontrol sag. Konduktor ACSR standar dinilai untuk pengoperasian berkelanjutan pada 75°C, 90°C, atau 100°C , dengan suhu yang lebih tinggi diperbolehkan untuk kondisi beban puncak darurat atau jangka pendek. Di atas 93°C, untaian aluminium mulai anil, sehingga mengurangi kekuatan tariknya secara permanen. Konduktor high-temperature low-sag (HTLS) seperti ACSS, G(Z)TACSR, dan ACCR menggunakan aluminium anil penuh atau inti komposit untuk beroperasi terus menerus pada suhu tinggi. 150°C hingga 210°C , secara kasar menggandakan kapasitas jalur ACSR konvensional dalam jalur yang sama tanpa memerlukan menara yang lebih tinggi.

Perhitungan tegangan sag dan latihan merangkai

Hubungan antara tegangan konduktor dan sag konduktor diatur oleh persamaan catenary, yang untuk bentang lebih pendek dari 300 meter disederhanakan menjadi pendekatan parabola dengan kesalahan yang dapat diterima. Proses desain dimulai dengan konsep bentang utama, yaitu panjang bentang rata-rata tertimbang yang mewakili perilaku mekanis ekuivalen dari seluruh bagian tegangan antara struktur buntu. Ketegangan awal yang dibongkar pada suhu rangkaian terendah, biasanya -20°C atau 0°F , harus diatur sedemikian rupa sehingga konduktor tidak melebihi 60% dari nilai kekuatan putusnya pada kombinasi beban es dan angin paling parah yang ditentukan oleh Kode Keselamatan Listrik Nasional (NESC) untuk distrik pemuatan geografis.

Merangkai bukan sekadar menarik konduktor ke tegangan sasaran dan menjepitnya. Konduktor harus dikencangkan hingga nilai sag diukur dengan melihat melintasi bentang dengan sagometer transit atau digital, dengan konduktor pada suhu seragam yang diketahui. Untuk ACSR Drake sepanjang 300 meter pada suhu 15°C tanpa angin atau es, target penurunannya kira-kira 6,5 meter , sesuai dengan tegangan horizontal sekitar 17 kN. Setelah terpotong, konduktor berelaksasi melalui pengendapan untaian dan mulur metalurgi, kehilangan kira-kira 10% hingga 15% dari ketegangan awal selama 1.000 jam pertama layanan . Stringing sag harus mengantisipasi creep ini dengan menargetkan tegangan berlebih sebesar 10% hingga 12%, yang kemudian dilonggarkan hingga desain final sag.

Getaran Aeolian dan redaman konduktor

Ketika angin laminar stabil melewati kabel overhead dengan kecepatan antara 1 dan 7 m/s, angin tersebut melepaskan pusaran Kármán bergantian yang menginduksi gaya angkat siklik yang tegak lurus terhadap arah angin. Getaran aeolian ini, dengan frekuensi biasanya berkisar pada 3 hingga 150Hz , memaksa konduktor berosilasi pada atau mendekati frekuensi resonansi alami dari salah satu mode getarannya yang lebih tinggi. Regangan lentur yang dihasilkan pada penjepit suspensi konduktor, dimana gerakannya tertahan sepenuhnya, melebihi batas ketahanan lelah aluminium kira-kira 57 MPa (8,3 ksi) dalam puluhan juta siklus, yang terakumulasi dalam hitungan hari selama kondisi angin stabil.

Mitigasi menggunakan peredam Stockbridge, peredam getaran spiral (secara resmi disebut peredam tulang anjing atau elemen peredam bentuk spiral), atau peredam penjarak pada konduktor yang dibundel. Peredam Stockbridge yang disetel dengan benar memiliki dua frekuensi resonansi yang mengelompokkan frekuensi konduktor dominan, menyerap energi getaran melalui gesekan internal untaian kabel pembawa pesan. Jarak penempatan peredam dari klem tidak sembarangan; itu harus diposisikan pada titik di mana amplitudo antinode getaran konduktor cukup untuk menggairahkan peredam. Untuk saluran 132 kV dengan konduktor ACSR Lynx, peredam pertama dipasang 0,8 hingga 1,2 meter dari mulut penjepit suspensi , dengan peredam kedua pada 1,8 meter pada bentang melebihi 400 meter.

Pelepasan corona dan pengelolaan medan elektromagnetik

Pada tegangan transmisi 230 kV ke atas, gradien medan listrik pada permukaan konduktor mendekati kekuatan tembus dielektrik udara, kira-kira 30 kV/cm di permukaan laut . Ketika gradien permukaan melebihi sekitar 17 kV/cm dalam kondisi kering, pelepasan korona dimulai, menghasilkan kebisingan yang dapat didengar, interferensi radio (RI) pada pita 0,5 hingga 1,6 MHz, dan hilangnya daya. Gradien permukaan berbanding terbalik dengan jari-jari konduktor; satu konduktor per fasa harus mempunyai diameter paling sedikit 24 mm untuk 230 kV dan 32 mm untuk 345 kV untuk menjaga gradien di bawah ambang batas corona.

Konduktor yang dibundel mengatasi hal ini dengan membagi arus fasa antara dua, tiga, atau empat subkonduktor yang dipisahkan oleh spacer kaku pada interval 30 hingga 45 cm. Sebuah bundel ganda konduktor berdiameter 28 mm pada 400 kV mencapai diameter setara kira-kira 180mm dalam hal distribusi medan listrik, mengurangi gradien permukaan sekitar tiga kali lipat dibandingkan dengan konduktor tunggal dengan luas penampang total yang setara. Jarak spacer dipilih untuk mengoptimalkan keseimbangan antara keseragaman medan listrik dan stabilitas mekanis terhadap osilasi sub-bentang, sebuah fenomena di mana konduktor yang mengarah ke arah angin melindungi konduktor yang berada di bawah angin, menciptakan ketidakstabilan aerodinamis yang mendorong gerakan mencambuk elips.

Pemilihan isolator dan koordinasi jarak rambat

Konduktor di atas didukung secara mekanis dan diisolasi secara elektrik oleh suspensi atau rangkaian isolator tegangan. Jarak rambat isolator, yaitu panjang jalur sepanjang permukaan isolator dari sambungan ujung berenergi ke ujung ground, harus cukup untuk mencegah flashover dalam kondisi basah yang terkontaminasi. Jarak rambat spesifik ditentukan dalam mm rambat per kV tegangan fasa ke fasa sistem. Untuk daerah polusi cahaya, rambat tertentu sebesar 16 mm/kV sudah memadai; untuk semprotan garam industri berat atau pantai, 31 mm/kV atau lebih ditentukan, dicapai dengan menggunakan string yang lebih panjang atau isolator tipe kabut dengan rok yang lebih dalam.

Insulator polimer komposit dengan gudang karet silikon telah banyak menggantikan porselen dan string tutup-dan-pin kaca untuk konstruksi baru pada 138 kV dan di bawahnya, dan mulai diterima pada tingkat EHV. Permukaan hidrofobik karet silikon menyebabkan air menjadi butiran daripada membentuk film konduktif kontinu, sehingga menekan arus bocor faktor 10 hingga 100 dibandingkan dengan permukaan porselen hidrofilik dalam kondisi kontaminasi yang sama. Mode kegagalan utama isolator komposit adalah patah getas pada batang inti fiberglass akibat serangan asam atau masuknya air pada segel pemasangan ujung yang rusak, suatu mekanisme yang memerlukan pemantauan terus menerus terhadap beban mekanis dan inspeksi visual terhadap integritas wadah.

Penyambungan, jalan buntu, dan kompatibilitas perangkat keras

Keseluruhan saluran udara hanya dapat diandalkan jika sambungan dan terminasinya. Sambungan bentang tengah, yang diperlukan untuk panjang konduktor yang melebihi kapasitas gulungan standar, harus mencapai kekuatan tarik paling sedikit 95% dari nilai kekuatan putus konduktor dan hambatan listrik tidak melebihi 75% dari panjang ekivalen konduktor tak bersendi. Sambungan tegangan penuh tipe kompresi, diaplikasikan dengan cetakan heksagonal dan mesin press hidrolik yang mampu menghasilkan tekanan 700 bar (10.000 psi), merupakan standar industri. Badan sambungan adalah selongsong aluminium yang meluncur di atas untaian aluminium dan selongsong baja terpisah yang mencengkeram inti baja. Kedua selongsong diayunkan secara terpisah; selongsong baja terlebih dahulu, mentransfer tegangan pengenal penuh ke seluruh inti, diikuti oleh selongsong aluminium, yang mengalirkan arus ke sekeliling sambungan baja.

Korosi galvanik bimetalik terjadi dimanapun untaian konduktor aluminium bersentuhan dengan perangkat keras paduan tembaga dengan adanya elektrolit. Aluminium, karena anodik terhadap tembaga, menimbulkan korosi. Semua konektor kompresi dan badan penjepit untuk konduktor aluminium harus terbuat dari paduan aluminium atau dilapisi timah sepenuhnya untuk mencegah kontak langsung tembaga-aluminium. Pada struktur buntu gardu induk di mana saluran udara aluminium bertransisi ke bus tembaga, lug transisi yang dilas dengan gesekan bimetal mengisolasi kedua logam sekaligus menyediakan jalur arus resistansi rendah yang diperuntukkan bagi arus hubung singkat penuh pada saluran tersebut.