Analisis Tindakan Perlindungan Petir untuk Trafo Distribusi

Analisis Tindakan Perlindungan Petir untuk Trafo Distribusi

Untuk mencegah intrusi gelombang petir dan memastikan operasi aman trafo distribusi, makalah ini menyajikan tindakan perlindungan petir yang dapat diterapkan yang secara efektif meningkatkan kemampuan tahan terhadap petir.

1. Tindakan Perlindungan Petir untuk Trafo Distribusi

1.1 Pasang pelindung petir pada sisi tegangan tinggi (HV) dari trafo distribusi.
Menurut SDJ7–79 Kode Teknis untuk Desain Perlindungan Overvoltage Peralatan Listrik: “Sisi HV dari trafo distribusi umumnya harus dilindungi oleh pelindung petir. Konduktor grounding dari pelindung petir, titik netral dari gulungan tegangan rendah (LV), dan tangki trafo harus dihubungkan bersama dan di-grounding.” Konfigurasi ini juga direkomendasikan dalam DL/T620–1997 Perlindungan Overvoltage dan Koordinasi Isolasi untuk Instalasi Listrik AC yang dikeluarkan oleh otoritas listrik China.

Namun, penelitian luas dan pengalaman lapangan menunjukkan bahwa bahkan dengan pelindung petir sisi HV saja, kegagalan trafo masih terjadi ketika ada gelombang petir. Dalam area biasa, tingkat kegagalan tahunan sekitar 1%; di daerah dengan banyak petir, dapat mencapai sekitar 5%; dan di zona badai petir yang sangat parah (misalnya, daerah dengan lebih dari 100 hari petir per tahun), tingkat kegagalan tahunan dapat melonjak hingga sekitar 50%. Penyebab utamanya adalah overvoltage transien maju dan mundur yang ditimbulkan saat gelombang petir menginvasi gulungan HV.

• Overvoltage Transformasi Reversibel:
  Ketika gelombang petir (3–10 kV) menginvasi sisi HV, pelindung petir melepaskan, menyebabkan arus impuls besar mengalir melalui resistansi grounding, menciptakan penurunan tegangan. Tegangan ini meningkatkan potensial titik netral LV. Jika jalur LV panjang, ia berperilaku seperti impedansi gelombang ke tanah. Akibatnya, arus impuls besar mengalir melalui gulungan LV. Karena arus LV tiga fase sama besar dan arah, mereka menghasilkan fluks magnet nol yang kuat, yang melalui rasio putaran trafo, menginduksi tegangan transien yang sangat tinggi di gulungan HV. Karena gulungan HV terhubung bintang dengan netral tidak di-grounding, tidak ada arus impuls sirkulasi di sisi HV untuk menyeimbangkan fluks. Oleh karena itu, seluruh arus impuls LV bertindak sebagai arus magnetisasi, menghasilkan tegangan induksi tinggi di ujung netral HV—di mana isolasi paling rentan. Selain itu, gradien tegangan antar putaran dan antar lapisan meningkat signifikan, berisiko kerusakan isolasi di tempat lain. Fenomena ini—dipicu oleh gelombang sisi HV tetapi menginduksi overvoltage melalui kawat elektromagnetik LV—dikenal sebagai transformasi reversibel.
• Overvoltage Transformasi Maju:
  Ketika gelombang petir masuk melalui jalur LV, arus impuls mengalir melalui gulungan LV, menginduksi tegangan tinggi di gulungan HV melalui rasio putaran. Ini secara drastis meningkatkan potensial netral HV dan meningkatkan gradien tegangan antar lapisan dan antar putaran. Proses ini—di mana gelombang sisi LV menginduksi overvoltage di sisi HV—disebut transformasi maju. Uji coba menunjukkan bahwa dengan gelombang LV 10 kV dan resistansi grounding 5 Ω, gradien tegangan antar lapisan di gulungan HV dapat melebihi kekuatan tahan impuls penuh trafo lebih dari 100%, pasti menyebabkan kegagalan isolasi.

1.2 Pasang pelindung petir katup konvensional atau pelindung petir oksida logam pada sisi LV.
Dalam konfigurasi ini, konduktor grounding dari pelindung petir HV dan LV, titik netral LV, dan tangki trafo semua dihubungkan bersama dan di-grounding (sering disebut sebagai “pengikatan empat titik” atau “grounding tiga dalam satu”).

Data lapangan dan studi eksperimental mengkonfirmasi bahwa bahkan untuk trafo dengan isolasi baik, pelindung petir sisi HV saja tidak dapat mencegah kerusakan dari overvoltage transformasi maju atau reversibel. Pelindung petir HV tidak memberikan perlindungan terhadap transien internal yang dihasilkan. Gradien tegangan yang dihasilkan antar lapisan dan putaran proporsional dengan jumlah putaran dan tergantung pada geometri gulungan—kegagalan dapat terjadi di awal, tengah, atau akhir gulungan, dengan ujung terminal paling rentan. Menambahkan pelindung petir sisi LV secara efektif membatasi kedua overvoltage transformasi maju dan reversibel.

1.3 Grounding terpisah untuk sisi HV dan LV.
Dalam pendekatan ini, pelindung petir HV di-grounding secara independen, sementara titik netral LV dan tangki trafo dihubungkan dan di-grounding secara terpisah (tanpa pelindung petir LV).

Penelitian menunjukkan bahwa metode ini memanfaatkan redaman bumi untuk sebagian besar menghilangkan overvoltage transformasi reversibel. Untuk transformasi maju, perhitungan menunjukkan bahwa mengurangi resistansi grounding LV dari 10 Ω menjadi 2.5 Ω dapat menurunkan overvoltage sisi HV sekitar 40%. Dengan perawatan yang tepat pada sistem grounding LV, overvoltage transformasi maju dapat diminimalisir secara efektif. Solusi ini sederhana dan ekonomis, meskipun membutuhkan resistansi grounding LV yang rendah, memberikan nilai praktis yang cukup besar.

Selain yang disebutkan di atas, tindakan lain termasuk memasang gulungan seimbang pada inti trafo untuk menekan overvoltage transformasi atau menyisipkan varistor oksida logam (MOVs) di dalam trafo.

2. Aplikasi Tindakan Perlindungan Petir

Analisis di atas menunjukkan bahwa setiap metode perlindungan memiliki karakteristik unik. Wilayah harus memilih strategi yang sesuai berdasarkan intensitas petir lokal (dihitung dalam hari petir per tahun):

• Area dengan cahaya rendah (misalnya, dataran):Pemutus sisi HV saja sudah cukup karena tingkat kegagalan tahunan yang rendah.
• Area dengan cahaya sedang:Pasang pemutus di sisi HV dan LV.
• Area dengan cahaya tinggi:Tindakan tunggal seringkali tidak memadai. Disarankan pendekatan komprehensif: pemutus HV dengan grounding independen, ditambah pemutus LV terhubung, netral LV, dan tangki yang terhubung ke sistem grounding terpisah.
• Zona petir parah (terutama di mana tingkat kegagalan tahunan tetap tinggi meskipun telah diterapkan tindakan komprehensif):Setelah evaluasi teknis dan ekonomi, pertimbangkan solusi lanjutan seperti lilitan keseimbangan dipasang pada inti (yaitu, transformator tahan petir jenis baru) atau pemutus lonjakan oksida logam yang dipasang secara internal.

3. Kesimpulan

Metode perlindungan petir untuk transformator distribusi bervariasi, dan kondisi situs berbeda signifikan di berbagai wilayah. Dengan memilih skema perlindungan berdasarkan kondisi lokal, dan dengan memperkuat manajemen operasional, perusahaan utilitas dapat meningkatkan ketahanan dan keandalan transformator distribusi terhadap petir secara substansial.