Dari Hampir Mati hingga Teknologi Tinggi: Menjinakkan Binatang Listrik

Seorang profesor teknik mengubah pengalaman masa kecilnya yang traumatis dengan listrik menjadi karier yang didedikasikan untuk meningkatkan keselamatan listrik. Dia mengembangkan inverter sumber Z yang merespons gangguan listrik 1.000 kali lebih cepat dibandingkan metode tradisional, yang bertujuan untuk memperkuat stabilitas jaringan listrik dan mencegah bencana seperti kebakaran hutan yang disebabkan oleh putusnya jaringan listrik.

Ketika Profesor Fang Peng dari Fakultas Teknik FAMU-FSU masih kecil, dia melihat secara langsung kekuatan dan bahaya listrik.

Dia masih duduk di bangku sekolah menengah ketika kampung halamannya yang terpencil di Tiongkok pertama kali menerima layanan listrik. Keluarganya berbagi sebuah bola lampu portabel 15 watt yang terpasang pada kabel. Tugasnya adalah mengganti bohlam.

“Suatu malam, bohlamnya padam dan saya mencoba menggantinya dalam keadaan gelap gulita,” kata Peng. “Saya tidak sengaja memasukkan ibu jari kiri saya ke stopkontak dan langsung terkejut. Aku kehilangan keseimbangan dan terjatuh ke lantai tanah, gemetar saat aliran listrik membakar tubuhku. Untungnya, tangan kanan saya tersangkut kabel dan mencabut stopkontak dari tangan kiri saya, jika tidak, saya tidak akan selamat.”

Setelah pengalaman mendekati kematian itu, Peng melihat listrik sebagai sebuah tantangan. Dia berupaya keras mempelajari fenomena tersebut dan “menjinakkan binatang buas” yang menempatkannya dalam bahaya, namun juga mengizinkan keluarganya untuk melihat di malam hari.

Fang Peng, Profesor Terhormat Teknik Elektro dan Komputer di Sekolah Tinggi Teknik FAMU-FSU. Kredit: Mark Wallheiser/Sekolah Tinggi Teknik FAMU-FSU

Inovasi dalam Keamanan Listrik

Penelitian terbaru Peng melanjutkan misi tersebut. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Laporan Ilmiahia menunjukkan bagaimana perangkat semikonduktor yang ia ciptakan, bernama inverter sumber Z, dapat dengan cepat mengurangi tegangan dan arus jika terjadi gangguan hubung singkat atau hubung terbuka.

Mekanisme keselamatan yang ada yang mematikan listrik jika terjadi gangguan bekerja dengan cepat, namun tidak selalu cukup cepat. Pemutus arus pada umumnya membutuhkan waktu sekitar 50 milidetik untuk diaktifkan — masih cukup lama untuk membunuh seseorang atau memicu kebakaran. Konverter/inverter sumber Z digital Peng dapat melindungi dalam 5 mikrodetik, atau 1.000 kali lebih cepat.

Bagaimana itu bekerja

Ketika suatu rangkaian beroperasi secara regular, saluran listrik dan kabel mengalirkan arus listrik dalam jarak yang jauh dari generator ke pengguna akhir, yang kegunaannya disebut beban dalam sistem kelistrikan. Insinyur biasanya menginginkannya bekerja sekuat mungkin untuk memberikan daya kepada pengguna akhir. Namun ketika ada sesuatu yang memutus atau menyebabkan hubungan arus pendek, seperti pohon tumbang, arus akan mengalir melalui benda tersebut. Kilatan listrik yang mencapai 35.000 derajat Fahrenheit dapat menyebabkan benda yang bersentuhan dengan sirkuit menjadi cepat panas dan terbakar dengan intensitas tinggi.

Sakelar elektronik Peng mendeteksi korsleting lebih cepat dibandingkan metode yang ada. Ia juga dapat menangani berbagai macam tegangan enter tanpa memerlukan komponen tambahan. Fleksibilitas ini membuatnya berguna dalam situasi di mana pasokan listrik tidak konstan atau ketika Anda perlu bekerja dengan tingkat voltase berbeda secara efisien.

“Kami mengembangkan cara agar sumber listriknya lebih responsif terhadap beban,” ujarnya. “Tanpa pengguna akhir menyadarinya, kami dapat segera mengembalikan jaringan listrik ke regular, tanpa lonjakan arus.”

Mengapa Ini Penting

Putusnya kabel listrik memicu ratusan kebakaran hutan setiap tahun di Amerika Serikat. Kebakaran hutan Maui tahun 2023 adalah salah satu yang paling mematikan dalam sejarah AS. Menurut Nationwide Fireplace Safety Affiliation, kebakaran tersebut bermula ketika sebuah pohon yang tumbang dan menimpa kabel listrik terbakar.

“Tujuan penelitian kami adalah membuat sumber energi (tegangan) lebih responsif terhadap kondisi pembebanan,” kata Peng. “Jika ada arus besar yang tidak terduga, kami ingin menurunkan tegangan ke kisaran aman untuk mencegah kebakaran. Generator tradisional tetap menghasilkan tegangan konstan berapa pun arusnya.”

Merekayasa Ulang Grid

Solusi Peng dapat digunakan untuk memperbaiki infrastruktur yang ada agar lebih aman.

Diversifikasi jaringan listrik dengan sumber energi terbarukan seperti turbin angin, sel fotovoltaik, dan sel bahan bakar adalah salah satu cara untuk mengatur kenaikan dan penurunan tegangan.

“Selain energi terbarukan, cara lain untuk mencegah lonjakan listrik adalah dengan mengatur sistem secara artifisial dengan konverter daya,” kata Peng. “Baik yang alami maupun buatan, kami ingin menciptakan sesuatu yang bekerja secara mandiri dengan perlindungan diri, ketahanan, dan redundansi. Salah satu idenya adalah dengan menggunakan resistor digital yang diterapkan oleh elektronika daya dan kontrol untuk memberikan redaman dan stabilisasi sistem sirkuit.”

Sebagian besar jaringan listrik di Amerika Serikat dibangun dan diperluas pada tahun 1960an dan 1970an. Selain kebakaran akibat matinya jaringan listrik, penuaan infrastruktur juga menimbulkan masalah lain, seperti pemadaman listrik atau kerentanan terhadap serangan siber.

“Sudah waktunya untuk merombak jaringan listrik kita dan 'menjinakkan binatang buas' dengan elektronika daya, sebuah teknologi ketenagalistrikan baru yang mulai berkembang pada tahun 1980an ketika saya memulai karir penelitian saya,” kata Peng. “Saya sungguh beruntung menjadi anak didik dari beberapa pionir elektronika daya dan pemimpin dunia. Dibutuhkan sebuah desa untuk membesarkan seorang anak, dan dibutuhkan seluruh masyarakat/dunia untuk mewujudkan jaringan listrik baru ini.”

Referensi: “Sumber impedansi (sumber Z) dengan perlindungan kesalahan bawaan untuk jaringan listrik yang tangguh dan bebas kebakaran” oleh Fang Zheng Peng, 6 Februari 2024, Laporan Ilmiah.
DOI: 10.1038/s41598-024-53452-y

Penelitian Peng didukung oleh Departemen Energi AS dan Kantor Teknologi Energi Surya.