Pengamanan Trafo Penyangga: Penyebab dan Tindakan Pencegahan Kesalahan Operasi di Substasi 110kV
Dalam sistem tenaga listrik China, jaringan 6 kV, 10 kV, dan 35 kV umumnya mengadopsi mode operasi titik netral tidak terhubung. Sisi tegangan distribusi dari trafo utama dalam jaringan biasanya dihubungkan dalam konfigurasi delta, yang tidak menyediakan titik netral untuk menghubungkan resistor grounding.
Saat terjadi gangguan tanah satu fase pada sistem titik netral tidak terhubung, segitiga tegangan antar fasa tetap simetris, sehingga dampaknya minimal terhadap operasi pengguna. Selain itu, ketika arus kapasitif relatif kecil (kurang dari 10 A), beberapa gangguan tanah sementara dapat padam sendiri, yang sangat efektif dalam meningkatkan keandalan pasokan listrik dan mengurangi insiden pemadaman listrik.
Namun, dengan ekspansi dan perkembangan berkelanjutan industri tenaga listrik, metode sederhana ini tidak lagi memenuhi permintaan saat ini. Dalam jaringan listrik perkotaan modern, peningkatan penggunaan sirkuit kabel telah menyebabkan arus kapasitif yang jauh lebih besar (melebihi 10 A). Dalam kondisi tersebut, busur tanah tidak dapat dipadamkan secara andal, yang menghasilkan konsekuensi berikut:
Pemadaman dan penyalaan ulang busur tanah satu fase yang berulang menghasilkan tegangan overvoltage busur-tanah dengan amplitudo mencapai hingga 4U (di mana U adalah tegangan puncak fase) atau bahkan lebih, berlangsung selama periode yang lama. Ini menimbulkan ancaman serius terhadap isolasi peralatan listrik, yang dapat menyebabkan keruntuhan pada titik isolasi lemah dan mengakibatkan kerugian besar.
Busur yang berkelanjutan menyebabkan ionisasi udara, merusak isolasi udara sekitarnya dan membuat short circuit antar fasa lebih mungkin terjadi.
Overvoltage ferroresonansi mungkin terjadi, mudah merusak transformator potensial (PTs) dan pelindung petir, dan dalam kasus yang parah, bahkan dapat menyebabkan ledakan pelindung petir. Konsekuensi-konsekuensi ini serius mengancam isolasi peralatan jaringan dan mengancam operasi aman sistem tenaga listrik.
Untuk mencegah kecelakaan di atas dan menyediakan arus nol-sekuensial dan tegangan yang cukup untuk operasi perlindungan gangguan tanah yang andal, titik netral buatan harus dibuat agar resistor grounding dapat dihubungkan. Untuk memenuhi kebutuhan ini, transformator grounding (sering disebut sebagai "unit grounding") dikembangkan. Transformator grounding menciptakan titik netral buatan dengan resistor grounding, biasanya dengan nilai resistansi yang sangat rendah (biasanya kurang dari 5 ohm).
Selain itu, karena karakteristik elektromagnetiknya, transformator grounding menampilkan impedansi tinggi terhadap arus sekuensial positif dan negatif, hanya memungkinkan arus eksitasi kecil mengalir melalui gulungannya. Pada setiap cabang inti, dua bagian gulungan dilingkarkan dalam arah yang berlawanan. Ketika arus nol-sekuensial yang sama mengalir melalui gulungan-gulungan ini pada cabang inti yang sama, mereka menampilkan impedansi rendah, menghasilkan penurunan tegangan minimum di sepanjang gulungan dalam kondisi nol-sekuensial.
Saat terjadi gangguan tanah, arus sekuensial positif, negatif, dan nol mengalir melalui gulungan. Gulungan menampilkan impedansi tinggi terhadap arus sekuensial positif dan negatif, tetapi untuk arus nol-sekuensial, dua gulungan pada fase yang sama dihubungkan seri dengan polaritas berlawanan. Gaya elektromotif yang diinduksi sama besar tetapi berlawanan arah, secara efektif saling menghilangkan, sehingga menampilkan impedansi rendah.
Dalam banyak aplikasi, transformator grounding digunakan hanya untuk menyediakan titik netral dengan resistor grounding kecil dan tidak mensuplai beban apa pun; oleh karena itu, banyak transformator grounding dirancang tanpa gulungan sekunder. Selama operasi jaringan normal, transformator grounding beroperasi pada dasarnya dalam kondisi tidak bermuatan. Namun, selama gangguan, ia hanya membawa arus gangguan untuk jangka waktu singkat.
Dalam sistem titik netral dengan grounding resistansi rendah, saat terjadi gangguan tanah satu fase, perlindungan nol-sekuensial yang sangat sensitif dengan cepat mengidentifikasi dan mengisolasi sementara feeder yang bermasalah. Transformator grounding aktif hanya selama interval singkat antara terjadinya gangguan tanah dan operasi perlindungan nol-sekuensial untuk membersihkan gangguan. Selama periode ini, arus nol-sekuensial mengalir melalui resistor grounding netral dan transformator grounding, diberikan oleh
di mana U adalah tegangan fase sistem, R1 adalah resistor grounding netral, dan R2 adalah resistansi tambahan dalam lingkaran gangguan tanah.
Berdasarkan analisis di atas, karakteristik operasional transformator grounding adalah: operasi tanpa beban jangka panjang dengan kemampuan overload jangka pendek.
Secara keseluruhan, transformator grounding menciptakan titik netral buatan untuk menghubungkan resistor grounding. Selama gangguan tanah, ia menampilkan impedansi tinggi terhadap arus sekuensial positif dan negatif tetapi impedansi rendah terhadap arus nol-sekuensial, memungkinkan operasi perlindungan gangguan tanah yang andal.
Saat ini, transformator grounding yang dipasang di gardu induk memiliki dua tujuan:
Mengsupply daya AC tekanan rendah untuk penggunaan bantu gardu;
Menciptakan titik netral buatan pada sisi 10 kV, yang—ketika dikombinasikan dengan koil penghapus busur—mengkompensasi arus gangguan tanah kapasitif selama gangguan tanah satu fase 10 kV, sehingga memadamkan busur pada titik gangguan. Prinsipnya adalah sebagai berikut:
Sepanjang garis transmisi dalam jaringan listrik tiga fasa, kapasitansi ada antara fasa dan antara setiap fasa dengan tanah. Ketika netral jaringan tidak terhubung kuat, kapasitansi fasa-ke-tanah dari fasa yang mengalami gangguan menjadi nol selama gangguan tanah satu fase, sementara tegangan fasa-ke-tanah dari dua fasa lainnya naik hingga √3 kali tegangan fasa normal. Meskipun peningkatan tegangan ini tidak melebihi kekuatan isolasi yang dirancang untuk keamanan, hal ini meningkatkan kapasitansi fasa-ke-tanah mereka.
Arus gangguan tanah kapasitif selama gangguan fasa tunggal kira-kira tiga kali arus kapasitif per fasa normal. Ketika arus ini besar, mudah menyebabkan busur api yang berulang, mengakibatkan tegangan tinggi dalam rangkaian resonansi LC yang terbentuk oleh induktansi jaringan dan kapasitansi, dengan magnitudo mencapai 2,5 hingga 3 kali tegangan fasa. Semakin tinggi tegangan jaringan, semakin besar risiko dari tegangan tinggi tersebut. Oleh karena itu, hanya sistem di bawah 60 kV yang dapat beroperasi dengan netral tidak terhubung, karena arus gangguan tanah kapasitif fasa tunggal mereka relatif kecil. Untuk tingkat tegangan yang lebih tinggi, harus digunakan transformator grounding untuk menghubungkan titik netral melalui impedansi ke tanah.
Ketika sisi 10 kV dari transformator utama stasiun pengaturan dihubungkan dalam bentuk delta atau wye tanpa titik netral, dan arus gangguan tanah kapasitif fasa tunggal besar, diperlukan transformator grounding untuk membuat titik netral buatan, memungkinkan koneksi ke koil penghilang busur. Ini membentuk sistem grounding netral buatan—fungsi utama dari transformator grounding. Selama operasi normal, transformator grounding menahan tegangan jaringan seimbang dan hanya membawa arus eksitasi kecil (dalam kondisi beban kosong).
Perbedaan potensial antara netral dan tanah adalah nol (mengabaikan tegangan pergeseran netral kecil dari koil penghilang busur), dan tidak ada arus yang mengalir melalui koil penghilang busur. Jika terjadi hubungan pendek fase-C-ke-tanah, tegangan urutan nol yang dihasilkan dari ketidakseimbangan tiga fasa mengalir melalui koil penghilang busur ke tanah. Seperti halnya koil penghilang busur sendiri, arus induksi yang dihasilkan mengkompensasi arus gangguan tanah kapasitif, menghilangkan busur pada titik gangguan.
Dalam beberapa tahun terakhir, telah terjadi beberapa kesalahan operasi perlindungan transformator grounding di stasiun pengaturan 110 kV di suatu wilayah, sangat mempengaruhi stabilitas jaringan. Untuk mengidentifikasi penyebab akar, analisis dilakukan terhadap alasan-alasan kesalahan operasi tersebut, dan langkah-langkah yang sesuai diterapkan untuk mencegah terulangnya dan memberikan referensi bagi wilayah lain.
Saat ini, umpan 10 kV di stasiun pengaturan 110 kV semakin menggunakan saluran keluar kabel, secara signifikan meningkatkan arus gangguan tanah kapasitif fasa tunggal dalam sistem 10 kV. Untuk menekan magnitudo overvoltage selama gangguan tanah fasa tunggal, stasiun pengaturan 110 kV mulai menginstal transformator grounding untuk menerapkan skema grounding resistansi rendah, membentuk jalur arus urutan nol. Ini memungkinkan perlindungan urutan nol selektif untuk mengisolasi gangguan tanah berdasarkan lokasi gangguan, mencegah penyalakan ulang busur dan overvoltage, sehingga memastikan pasokan listrik yang aman untuk peralatan jaringan.
Mulai tahun 2008, suatu jaringan regional tertentu melakukan retrofit sistem 10 kV stasiun pengaturan 110 kV ke grounding resistansi rendah dengan menginstal transformator grounding dan perangkat perlindungan terkait. Ini memungkinkan isolasi cepat dari setiap gangguan tanah umpan 10 kV, meminimalkan dampak pada jaringan. Namun, baru-baru ini, lima stasiun pengaturan 110 kV di wilayah tersebut mengalami kesalahan operasi berulang dari perlindungan transformator grounding, menyebabkan pemadaman stasiun dan sangat mengganggu stabilitas jaringan. Oleh karena itu, mengidentifikasi penyebab dan menerapkan tindakan korektif penting untuk mempertahankan keamanan jaringan regional.
1.Analisis Penyebab Kesalahan Operasi Perlindungan Transformator Grounding
Ketika umpan 10 kV mengalami gangguan hubungan pendek tanah, perlindungan urutan nol pada umpan yang bermasalah di stasiun pengaturan 110 kV harus beroperasi terlebih dahulu untuk mengisolasi gangguan. Jika gagal beroperasi dengan benar, perlindungan urutan nol transformator grounding akan berfungsi sebagai cadangan, menjatuhkan pemutus bus tie dan kedua sisi transformator utama untuk mengisolasi gangguan. Dengan demikian, operasi yang benar dari perlindungan dan pemutus umpan 10 kV sangat kritis untuk keamanan jaringan. Analisis statistik kesalahan operasi di lima stasiun pengaturan 110 kV menunjukkan bahwa penyebab utamanya adalah kegagalan umpan 10 kV untuk menghapus gangguan tanah dengan benar.
Prinsip Perlindungan Urutan Nol Umpan 10 kV:
Pengambilan sampel CT urutan nol → Aktivasi perlindungan umpan → Penjatuhkan pemutus sirkuit.
Dari prinsip ini, CT urutan nol, relay perlindungan umpan, dan pemutus sirkuit adalah komponen kunci untuk operasi yang benar. Berikut ini menganalisis penyebab kesalahan operasi dari aspek-aspek tersebut:
1.1 Kesalahan CT urutan nol menyebabkan kesalahan operasi perlindungan transformator grounding.
Selama gangguan tanah umpan 10 kV, CT urutan nol umpan yang bermasalah mendeteksi arus gangguan, memicu perlindungannya untuk mengisolasi gangguan. Pada saat yang sama, CT urutan nol transformator grounding juga merasakan arus gangguan dan memulai perlindungan. Untuk memastikan selektivitas, perlindungan urutan nol umpan 10 kV disetel dengan arus dan waktu yang lebih rendah daripada perlindungan transformator grounding. Pengaturan arus: transformator grounding—75 A primer, 1,5 s untuk menjatuhkan bus tie 10 kV, 1,8 s untuk memblokir transfer otomatis 10 kV, 2,0 s untuk menjatuhkan sisi rendah transformator, 2,5 s untuk menjatuhkan kedua sisi; umpan 10 kV—60 A primer, 1,0 s untuk menjatuhkan pemutus sirkuit.
Namun, kesalahan CT tidak dapat dihindari. Jika CT transformator grounding memiliki kesalahan -10% dan CT umpan +10%, arus operasional aktual menjadi 67,5 A dan 66 A—hampir sama. Hanya mengandalkan grading waktu, gangguan tanah umpan 10 kV bisa dengan mudah menyebabkan perlindungan overcurrent urutan nol transformator grounding beroperasi terlalu dini.
1.2 Penyalaan shield kabel yang salah menyebabkan kesalahan operasi.
Umpan 10 kV stasiun pengaturan 110 kV menggunakan kabel ber-shield dengan shield di-ground di kedua ujung—praktik mitigasi EMI yang umum. CT urutan nol adalah jenis toroidal yang dipasang di sekitar kabel pada terminal keluar switchgear. Selama gangguan tanah, arus tidak seimbang menginduksi sinyal dalam CT untuk mengaktifkan perlindungan. Namun, dengan grounding shield di kedua ujung, arus yang diinduksi dalam shield juga melewati CT urutan nol, menciptakan sinyal palsu. Tanpa mitigasi yang tepat, ini mengurangi akurasi perlindungan urutan nol umpan, menyebabkan perlindungan backup transformator grounding beroperasi.
1.3 Kegagalan perlindungan umpan 10 kV menyebabkan kesalahan operasi.
Relay berbasis mikroprosesor modern menawarkan kinerja yang lebih baik, tetapi variasi kualitas produsen dan disipasi panas yang buruk tetap menjadi masalah. Statistik gangguan menunjukkan bahwa modul sumber daya, papan sampling, papan CPU, dan modul output trip dalam perlindungan umpan 10 kV paling rentan terhadap kegagalan. Kegagalan yang tidak terdeteksi dapat menyebabkan penolakan perlindungan, memicu kesalahan operasi transformator grounding.
1.4 Kegagalan pemutus feeder 10 kV menyebabkan operasi salah.
Dengan bertambahnya usia peralatan, operasi yang sering, atau masalah kualitas bawaan, kegagalan switchgear 10 kV—terutama pada rangkaian kontrol—semakin meningkat. Di daerah pegunungan yang kurang berkembang, switchgear tipe GG-1A yang lebih tua masih digunakan dengan tingkat gangguan tanah yang lebih tinggi. Meskipun proteksi urutan nol beroperasi dengan benar, kegagalan pemutus (misalnya koil trip terbakar sehingga tidak dapat beroperasi) akan menyebabkan operasi salah pada trafo pentanahan.
1.5 Gangguan tanah impedansi tinggi pada dua feeder 10 kV (atau satu gangguan impedansi tinggi parah) menyebabkan operasi salah.
Ketika dua feeder mengalami gangguan tanah impedansi tinggi pada fase yang sama, arus urutan nol masing-masing mungkin tetap di bawah ambang batas trip 60 A (misalnya 40 A dan 50 A), sehingga proteksi feeder hanya memberi alarm. Namun arus gabungan (90 A) melebihi setting trafo pentanahan sebesar 75 A, menyebabkan trip dini. Dengan seluruh feeder 10 kV menggunakan kabel, arus kapasitif normal bisa mencapai 12–15 A. Bahkan satu gangguan impedansi tinggi parah saja (misalnya 58 A) ditambah arus kapasitif normal sudah mendekati 75 A. Osilasi sistem kemudian dapat dengan mudah memicu operasi salah trafo pentanahan.
2. Langkah-Langkah Pencegahan Operasi Salah Proteksi Trafo Pentanahan
Berdasarkan analisis di atas, langkah-langkah berikut direkomendasikan:
2.1 Untuk mencegah operasi salah akibat kesalahan CT
Gunakan CT urutan nol berkualitas tinggi; uji karakteristik CT secara ketat sebelum pemasangan dan tolak CT dengan kesalahan >5%; tentukan nilai pickup proteksi berdasarkan arus primer; verifikasi setting melalui pengujian injeksi primer.
2.2 Untuk mencegah pentanahan pelindung kabel yang salah
Konduktor pentanahan pelindung kabel harus melewati CT urutan nol dari atas ke bawah dan terisolasi dari tray kabel. Tidak boleh ada kontak tanah sebelum konduktor melewati CT. Ekspos ujung logam untuk pengujian injeksi primer; isolasi bagian lainnya secara andal.
Jika titik pentanahan pelindung berada di bawah CT, konduktor tidak boleh melewati CT. Hindari merutekan konduktor pentanahan pelindung melalui tengah CT.
Tingkatkan pelatihan teknis agar tim proteksi relai dan tim kabel sepenuhnya memahami metode pemasangan CT dan pentanahan pelindung.
Perkuat prosedur penerimaan dengan inspeksi bersama oleh tim relai, operasi, dan kabel.
2.3 Untuk mencegah kegagalan proteksi feeder
Pilih perangkat proteksi yang telah terbukti andal; ganti unit yang sudah tua atau sering mengalami kerusakan; tingkatkan pemeliharaan; pasang pendingin udara dan ventilasi untuk mencegah operasi pada suhu tinggi.
2.4 Untuk mencegah kegagalan pemutus feeder
Gunakan switchgear yang andal dan matang; pensiunkan panel GG-1A lama dan ganti dengan tipe tertutup yang menggunakan pegas atau motor penggerak; rawat rangkaian kontrol; gunakan koil trip berkualitas tinggi.
2.5 Untuk mencegah operasi salah akibat gangguan impedansi tinggi
Segera lakukan patroli dan perbaiki feeder saat muncul alarm urutan nol; kurangi panjang feeder; seimbangkan beban fase untuk meminimalkan arus kapasitif normal.
3. Kesimpulan
Seiring semakin banyak jaringan regional memasang trafo pentanahan dan proteksi terkait untuk meningkatkan struktur dan stabilitas, kejadian operasi salah yang berulang menunjukkan perlunya penanganan efek negatif tersebut. Makalah ini menganalisis penyebab utama operasi salah proteksi trafo pentanahan dan mengusulkan langkah-langkah antisipasi, memberikan panduan bagi wilayah yang telah memasang atau berencana memasang sistem semacam itu.
