Memperkuat Jaringan Listrik:Para Ilmuwan Mengembangkan Bushing Transformator Tahan Gempa

INSIDER Elektronika Daya

Jon Bender dari W. E. Gundy and Associates (WEGAI) digambarkan di sini berdiri di samping contoh transformator daya yang diterapkan pada penelitian bushing ini. (Gambar:INL)

Jaringan listrik yang kita anggap remeh melibatkan peralatan yang besar dan mahal, terutama transformator daya. Jika salah satu rusak, diperlukan waktu lebih dari satu tahun untuk menggantinya dan memerlukan biaya yang sangat besar. Di wilayah berpenduduk padat dan aktif secara seismik seperti California atau Pacific Northwest, waktu bukanlah suatu kemewahan.

Saat terjadi gempa bumi, tempat yang paling rentan bagi trafo listrik bertegangan tinggi adalah pada bushingnya – isolator listrik berongga yang dengan aman mengarahkan arus antara belitan internal trafo dan saluran listrik eksternal. Biasanya terbuat dari porselen karena kemampuannya mengisolasi bahan penghantar, biasanya tembaga atau aluminium, dan menjaga arus tegangan tinggi agar tidak bocor atau memicu percikan api dan menyebabkan ledakan.

Busing dibaut ke menara trafo, yang memanjang dari tangki utama. Hubungan inilah yang menjadi fokus tim peneliti di Idaho National Laboratory (INL). Tujuan tim ini adalah mengembangkan isolator yang sederhana secara mekanis dan dapat disesuaikan, yang dikenal sebagai decoupler, yang dapat dipasang di dasar bushing dan disetel untuk mencegah frekuensi resonansi pada bushing dan turret agar tidak selaras (yang mengakibatkan peningkatan tekanan mekanis pada bushing porselen).

“Frekuensi resonansi adalah kuncinya,” kata Bjorn Vaagensmith, peneliti utama proyek ini dan penerima Presidential Early Career Award 2025 untuk Ilmuwan dan Insinyur.

Semua benda memiliki frekuensi resonansi, yang terjadi ketika getaran masukan diperkuat secara maksimal pada suatu benda. Ketika gelombang suara memecahkan gelas anggur atau cermin, itulah frekuensi resonansi yang bekerja. Dalam sejarah teknik sipil, mungkin contoh paling terkenal adalah runtuhnya Jembatan Tacoma Narrows pada tahun 1940. Kecepatan dan arah angin dikombinasikan dengan desain dan material jembatan, yang menciptakan frekuensi resonansi, menyebabkan deknya berosilasi dengan liar. Hal ini membuat jembatan yang baru dibangun ini mendapat julukan “Galloping Gertie” — sebelum jembatan tersebut hancur berkeping-keping dan jatuh ke Puget Sound setelah empat bulan.

Pada gempa bumi, gelombang seismik menyebabkan gerakan osilasi tanah naik-turun atau bolak-balik yang ditransfer ke transformator daya besar. Karena fleksibilitas dan kepadatannya, tangki transformator daya besar yang terbuat dari baja dan diisi dengan minyak isolasi dapat beresonansi secara dinamis dengan peralatan yang dipasang di atasnya. Jika tangki dan bushing yang dipasang berada pada panjang gelombang yang sama, ada bahaya guncangan yang semakin besar akibat gempa bumi akan menyebabkan bushing mengalami kegagalan yang sangat parah.

Vaagensmith dan rekan-rekannya — Chandu Bolisetti dari INL dan Jon Bender dari WEGAI, sebuah perusahaan teknik yang berbasis di Boise — berupaya mengatasi masalah ini dengan mengembangkan perangkat decoupling yang menggeser frekuensi resonansi bushing menjauhi frekuensi resonansi transformator. Pemisah yang mereka rancang dapat dengan mudah dipasang di dasar busing dan dipasang ke model transformator lama dengan biaya rendah. Tim sedang mengejar paten atas desain tersebut.

Proyek mereka awalnya didanai melalui program Penelitian dan Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium INL. Hal ini kini didukung secara kolaboratif oleh program Ketahanan Transformator dan Komponen Lanjutan (TRAC) dari Kantor Ketenagalistrikan Departemen Energi AS dan Kantor Keamanan Siber, Keamanan Energi, dan Tanggap Darurat (CESER) milik departemen tersebut. Program TRAC hadir untuk mempercepat modernisasi jaringan listrik dengan mengatasi tantangan dalam teknologi perangkat keras jaringan listrik, termasuk transformator daya besar. Kantor CESER bertujuan untuk mengamankan dan memperkuat infrastruktur energi AS dari ancaman dan bahaya.

Pada puncak proyek mereka, Vaagensmith dan rekan-rekannya berharap dapat menguji pemisah frekuensi resonansi mereka secara besar-besaran. Mereka berhasil mendapatkan trafo seberat 500.000 pon, yang mereka harap dapat digunakan untuk simulator gempa bumi di Universitas California San Diego pada tahun 2026. Meja goyang milik universitas tersebut adalah yang terbesar di Amerika Serikat dan ukurannya hanya dapat disaingi oleh meja goyang lainnya di Jepang. Ini akan menjadi pengujian pertama dalam skala besar dan dapat berdampak signifikan terhadap persyaratan keselamatan transformator di zona seismik.

Bekerja sama dengan Universitas di Buffalo, tim memiliki banyak peluang untuk melakukan kesalahan. Itulah tujuan eksperimen. “Kita bisa gagal, bagaimanapun kita ingin gagal,” kata Vaagensmith. "Kami dapat mencoba solusi kami dan mengujinya hingga batasnya. Kami ingin memastikan bahwa kami mengetahui cara merancang pemisah sebelum kami berangkat ke San Diego."

“Orang-orang sangat antusias dengan hal ini,” kata Vaagensmith. "Kami mempunyai kesempatan untuk menyelesaikan perdebatan yang sudah berlangsung lama mengenai langkah-langkah perlindungan trafo seismik yang tepat dan menghasilkan solusi bagi produsen bushing yang tidak mengharuskan mereka melakukan perlengkapan ulang. Perusahaan utilitas akan senang, dan jaringan listrik akan lebih tangguh."

Sumber