Analisis Langkah-langkah Perlindungan Petir untuk Transformator Distribusi

Analisis Langkah-langkah Perlindungan Petir untuk Trafo Distribusi

Untuk mencegah intrusi lonjakan petir dan memastikan operasi aman trafo distribusi, makalah ini menyajikan langkah-langkah perlindungan petir yang dapat diterapkan untuk secara efektif meningkatkan kemampuan tahanan petir mereka.

1. Langkah-langkah Perlindungan Petir untuk Trafo Distribusi

1.1 Pasang pemutus lonjakan pada sisi tegangan tinggi (HV) trafo distribusi.
Menurut SDJ7–79 Kode Teknis untuk Desain Perlindungan Overvoltage Peralatan Listrik: “Sisi HV dari trafo distribusi umumnya harus dilindungi oleh pemutus lonjakan. Konduktor grounding dari pemutus lonjakan, titik netral gulungan tegangan rendah (LV), dan tangki trafo harus dihubungkan bersama dan diground.” 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 pemutus lonjakan sisi HV saja, kegagalan trafo masih terjadi di bawah lonjakan petir. Dalam daerah biasa, tingkat kegagalan tahunan sekitar 1%; di daerah berpetir tinggi, dapat mencapai sekitar 5%; dan di zona badai petir yang sangat parah (misalnya, daerah dengan lebih dari 100 hari berpetir per tahun), tingkat kegagalan tahunan dapat melonjak hingga sekitar 50%. Penyebab utamanya adalah overvoltage transien maju dan mundur yang diinduksi ketika lonjakan petir menyerang gulungan HV.

• Overvoltage Transformasi Mundur:
  Ketika lonjakan petir (3–10 kV) menyerang sisi HV, pemutus lonjakan mengeluarkan arus, menyebabkan arus impuls besar mengalir melalui resistansi grounding, menciptakan jatuh tegangan. Tegangan ini meningkatkan potensial titik netral LV. Jika jalur LV panjang, ia bertindak seperti impedansi gelombang ke tanah. Akibatnya, arus impuls besar mengalir melalui gulungan LV. Karena arus LV tiga fasa sama besarnya dan arahnya, mereka menghasilkan fluks magnetik nol-sekuens yang kuat, yang melalui rasio putaran trafo menginduksi tegangan transien yang sangat tinggi di gulungan HV. Karena gulungan HV terhubung bintang dengan netral tidak terground, tidak ada arus impuls sirkulasi di sisi HV untuk menyeimbangkan fluks. Dengan demikian, seluruh arus impuls LV berfungsi sebagai arus magnetisasi, menghasilkan tegangan induksi tinggi di ujung netral HV—di mana isolasi paling rentan. Selain itu, gradien tegangan antara lapisan dan antar putaran meningkat signifikan, menimbulkan risiko kerusakan isolasi di tempat lain. Fenomena ini—diciptakan oleh lonjakan sisi HV tetapi menginduksi overvoltage melalui kawat elektromagnetik LV—dikenal sebagai transformasi mundur.
• Overvoltage Transformasi Maju:
  Ketika lonjakan 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 lonjakan sisi LV menginduksi overvoltage di sisi HV—disebut transformasi maju. Uji coba menunjukkan bahwa dengan lonjakan LV 10 kV dan resistansi grounding 5 Ω, gradien tegangan antar lapisan di gulungan HV dapat melebihi kekuatan tahanan impuls penuh trafo lebih dari 100%, tidak dapat dihindari menyebabkan kegagalan isolasi.

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

Data lapangan dan studi eksperimental mengkonfirmasi bahwa bahkan untuk trafo dengan isolasi baik, pemutus lonjakan sisi HV saja tidak dapat mencegah kerusakan dari overvoltage transformasi maju atau mundur. Pemutus lonjakan HV tidak memberikan perlindungan terhadap transien internal yang dihasilkan. Gradien tegangan antar lapisan dan antar 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 pemutus lonjakan sisi LV secara efektif membatasi kedua overvoltage transformasi maju dan mundur.

1.3 Grounding terpisah untuk sisi HV dan LV.
Dalam pendekatan ini, pemutus lonjakan HV diground secara independen, sementara titik netral LV dan tangki trafo dihubungkan dan diground secara terpisah (tanpa pemutus lonjakan LV).

Penelitian menunjukkan bahwa metode ini memanfaatkan atenuasi tanah untuk sebagian besar menghilangkan overvoltage transformasi mundur. 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 sistem grounding LV yang tepat, overvoltage transformasi maju dapat dikurangi secara efektif. Solusi ini sederhana dan hemat biaya, meskipun memerlukan resistansi grounding LV rendah, memberikan nilai praktis yang cukup besar.

Selain yang di atas, langkah-langkah lain termasuk pemasangan gulungan seimbang pada inti trafo untuk menekan overvoltage transformasi atau penyisipan varistor oksida logam (MOVs) di dalam trafo.

2. Aplikasi Langkah-langkah Perlindungan Petir

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

• Kawasan dengan kilat rendah (contohnya, padang):Penahan pada sisi HV sahaja sudah mencukupi disebabkan kadar kegagalan tahunan yang rendah.
• Kawasan dengan kilat sederhana:Pasang penahan pada kedua-dua sisi HV dan LV.
• Kawasan dengan kilat tinggi:Langkah tunggal sering tidak mencukupi. Cadangan pendekatan menyeluruh: Penahan HV dengan pembumian bebas, ditambah penahan LV yang dihubungkan, netral LV, dan tangki yang disambungkan ke sistem pembumian berasingan.
• Zon kilat teruk (terutamanya di mana kadar kegagalan tahunan tetap tinggi walaupun dengan langkah-langkah menyeluruh):Selepas penilaian teknikal dan ekonomi, pertimbangkan penyelesaian canggih seperti lilitan penyeimbang dipasang pada inti (iaitu, transformator tahan kilat jenis baru) atau penahan lonjakan oksida logam yang dipasang secara dalaman.

3. Kesimpulan

Kaedah perlindungan kilat untuk transformator pengagihan bervariasi, dan keadaan tapak berbeza secara signifikan di seluruh kawasan. Dengan memilih skema perlindungan berdasarkan keadaan tempatan, dan dengan memperkukuh pengurusan operasi, syarikat utiliti boleh meningkatkan ketahanan dan kebolehpercayaan transformator pengagihan terhadap kilat secara substansial.