Analisis Penyebab Kesalahan Operasi Perlindungan Trafo Penyangga
Dalam sistem tenaga listrik China, jaringan 6 kV, 10 kV, dan 35 kV umumnya mengadopsi mode operasi titik netral tidak terhubung. Sisi tegangan distribusi transformator utama dalam jaringan biasanya dihubungkan dalam konfigurasi delta, yang tidak menyediakan titik netral untuk menghubungkan resistor grounding. Ketika terjadi gangguan tanah fase tunggal pada sistem titik netral tidak terhubung, segitiga tegangan antar fase tetap simetris, menyebabkan gangguan 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.
Namun, dengan ekspansi dan perkembangan berkelanjutan industri tenaga listrik, metode sederhana ini tidak lagi memenuhi permintaan saat ini. Dalam jaringan tenaga listrik perkotaan modern, penggunaan sirkuit kabel yang semakin meningkat telah menyebabkan arus kapasitif yang jauh lebih tinggi (melebihi 10 A). Dalam kondisi ini, busur tanah tidak dapat dipadamkan secara andal, menghasilkan konsekuensi berikut:
Pemadaman dan penyalaan ulang busur tanah fase tunggal yang berulang dapat menghasilkan tegangan overbusur-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, potensial menyebabkan kerusakan pada titik isolasi lemah dan mengakibatkan kerugian signifikan.
Busur panjang mengionisasi udara sekitarnya, merusak sifat isolasinya dan meningkatkan kemungkinan hubungan pendek antar fase.
Overvoltase ferroresonan mungkin terjadi, mudah merusak transformator tegangan dan penahan petir—potensial bahkan menyebabkan ledakan penahan petir. Konsekuensi-konsekuensi ini sangat mengancam integritas isolasi peralatan jaringan dan mengancam operasi aman seluruh sistem tenaga listrik.
Untuk mencegah insiden-insiden tersebut dan menyediakan arus dan tegangan nol-sekuens yang cukup untuk memastikan operasi perlindungan gangguan tanah yang andal, titik netral buatan harus dibuat sehingga resistor grounding dapat dihubungkan. Kebutuhan ini mengarah pada pengembangan transformator grounding (biasa disebut "transformator grounding" atau "unit grounding"). Transformator grounding menciptakan titik netral buatan dengan resistor grounding, biasanya memiliki resistansi sangat rendah (biasanya kurang dari 5 ohm).
Selain itu, karena karakteristik elektromagnetiknya, transformator grounding menampilkan impedansi tinggi terhadap arus positif dan negatif-sekuens, hanya memungkinkan arus eksitasi kecil mengalir melalui gulungannya. Pada setiap cabang inti, dua bagian gulungan diwindings dalam arah berlawanan. Ketika arus nol-sekuens yang sama mengalir melalui gulungan-gulungan ini, mereka menunjukkan impedansi rendah, menghasilkan penurunan tegangan minimal di sepanjang gulungan dalam kondisi nol-sekuens.
Secara khusus, selama gangguan tanah, gulungan membawa arus positif, negatif, dan nol-sekuens. Ia menampilkan impedansi tinggi terhadap arus positif dan negatif-sekuens, tetapi impedansi rendah terhadap arus nol-sekuens. Hal ini karena, dalam fase yang sama, dua gulungan dihubungkan seri dengan polaritas berlawanan; gaya elektromotif yang diinduksi sama besar tetapi berlawanan arah, secara efektif saling menghapus, sehingga menampilkan impedansi rendah terhadap arus nol-sekuens.
Dalam banyak aplikasi, transformator grounding digunakan hanya untuk menyediakan titik netral dengan resistor grounding kecil dan tidak menyediakan beban sekunder. Oleh karena itu, banyak transformator grounding dirancang tanpa gulungan sekunder. Selama operasi normal jaringan, transformator grounding beroperasi hampir dalam keadaan tanpa beban. Namun, selama gangguan, ia hanya membawa arus gangguan untuk durasi singkat. Dalam sistem grounded rendah-resistansi, ketika terjadi gangguan tanah fase tunggal pada sisi 10 kV, perlindungan nol-sekuens yang sangat sensitif dengan cepat mengidentifikasi dan mengisolasi sementara feeder yang bermasalah.
Transformator grounding aktif hanya selama interval singkat antara terjadinya gangguan dan operasi perlindungan nol-sekuens feeder. Selama waktu ini, arus nol-sekuens mengalir melalui resistor grounding netral dan transformator grounding, mengikuti rumus: I_R = U / (R₁ + R₂), di mana U adalah tegangan fase sistem, R₁ adalah resistor grounding netral, dan R₂ adalah resistansi tambahan dalam loop gangguan tanah.
Berdasarkan analisis di atas, karakteristik operasional transformator grounding adalah: operasi tanpa beban jangka panjang dan overload jangka pendek selama gangguan.
Kesimpulannya, transformator grounding menciptakan titik netral buatan untuk menghubungkan resistor grounding. Selama gangguan tanah, ia menampilkan impedansi tinggi terhadap arus positif dan negatif-sekuens, tetapi impedansi rendah terhadap arus nol-sekuens, sehingga memastikan operasi perlindungan gangguan tanah yang andal.
Saat ini, transformator grounding yang dipasang di substation memiliki dua tujuan utama:
Menyediakan tenaga listrik AC tegangan rendah untuk penggunaan bantu substation;
Menciptakan titik netral buatan pada sisi 10 kV, yang, ketika dikombinasikan dengan koil penghilang busur (koil Petersen), mengkompensasi arus gangguan tanah kapasitif selama gangguan tanah fase tunggal 10 kV, sehingga memadamkan busur pada titik gangguan. Prinsipnya adalah sebagai berikut:
Sepanjang keseluruhan konduktor dalam jaringan tenaga tiga fasa, kapasitansi ada baik antar fase maupun antara setiap fase dan tanah. Ketika netral jaringan tidak di-ground solid, kapasitansi ke tanah fase yang mengalami gangguan menjadi nol selama gangguan tanah fase tunggal, sementara tegangan dua fase lainnya naik hingga √3 kali tegangan fase normal. Meskipun peningkatan tegangan ini tetap dalam batas desain isolasi, hal ini meningkatkan kapasitansi mereka ke tanah. Arus gangguan tanah kapasitif selama gangguan fase tunggal kira-kira tiga kali arus kapasitif per fase normal. Ketika arus ini menjadi besar, ia dengan mudah mempertahankan busur intermiten, menggetarkan osilasi resonan dalam rangkaian induktif-kapasitif jaringan, dan menghasilkan overvoltase hingga 2,5–3 kali tegangan fase. Semakin tinggi tegangan jaringan, semakin besar risiko dari overvoltase tersebut. Oleh karena itu, hanya sistem di bawah 60 kV yang dapat beroperasi dengan netral tidak ter-ground, karena arus gangguan tanah kapasitif fase tunggal mereka tetap kecil. Untuk sistem tegangan lebih tinggi, transformator grounding harus digunakan untuk menghubungkan titik netral melalui impedansi.
Ketika salah satu sisi transformator utama stasiun pengaturan (misalnya, sisi 10 kV) terhubung dalam delta atau wye tanpa titik netral yang dikeluarkan, dan arus kapasitif fasa tunggal ke tanah cukup besar, tidak ada titik netral yang tersedia untuk grounding. Dalam kasus seperti itu, digunakanlah transformator grounding untuk menciptakan titik netral buatan, memungkinkan koneksi ke koil penekan busur. Titik netral buatan ini memungkinkan sistem untuk mengkompensasi arus kapasitif dan memadamkan busur tanah—ini adalah peran dasar dari transformator grounding.
Selama operasi normal, transformator grounding mengalami tegangan tiga fasa seimbang dan hanya membawa arus eksitasi kecil, beroperasi hampir tidak bermuatan. Perbedaan potensial antara netral-ke-tanah adalah nol (mengabaikan pergeseran netral minor dari koil penekan busur), dan tidak ada arus yang mengalir melalui koil. Jika, misalnya, fasa C mengalami gangguan tanah, tegangan urutan nol yang dihasilkan (dari ketidakseimbangan) mengalir melalui koil penekan busur ke tanah. Koil menghasilkan arus induktif yang mengkompensasi arus kapasitif gangguan tanah, sehingga menghilangkan busur—fungsi yang identik dengan koil penekan busur mandiri.
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 akarnya, dilakukan analisis, diterapkan langkah-langkah korektif, dan dibagikan pelajaran untuk mencegah terulangnya dan memberi panduan kepada wilayah lain.
Dengan semakin banyaknya penggunaan umpan kabel di jaringan 10 kV stasiun pengaturan 110 kV, arus kapasitif fasa tunggal ke tanah telah meningkat secara signifikan. Untuk menekan magnitudo overvoltage selama gangguan tanah, banyak stasiun pengaturan 110 kV sekarang memasang transformator grounding untuk menerapkan grounding resistansi rendah, mendirikan jalur arus urutan nol. Ini memungkinkan perlindungan urutan nol selektif untuk mengisolasi gangguan tanah berdasarkan lokasi, mencegah renyala ulang busur, dan memastikan pasokan listrik yang aman.
Sejak 2008, suatu wilayah telah meretrofit sistem 10 kV stasiun pengaturan 110 kV-nya ke grounding resistansi rendah dengan memasang 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 dan mengancam stabilitas jaringan. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengidentifikasi penyebab dan menerapkan solusi.
1. Analisis Penyebab Kesalahan Operasi Perlindungan Transformator Grounding
Ketika umpan 10 kV mengalami gangguan tanah, perlindungan urutan nol umpan 10 kV di stasiun pengaturan 110 kV harus beroperasi terlebih dahulu untuk mengisolasi gangguan. Jika gagal, perlindungan urutan nol cadangan transformator grounding akan memutus pemutus bus tie dan transformator utama untuk mengandung gangguan. Oleh karena itu, operasi yang benar dari perlindungan umpan 10 kV dan pemutus sangat penting. Analisis statistik dari kesalahan operasi di lima stasiun menunjukkan bahwa kegagalan perlindungan umpan adalah penyebab utama.
Perlindungan urutan nol umpan 10 kV beroperasi sebagai berikut: CT urutan nol mengambil sampel → perlindungan dimulai → pemutus diputus. Komponen kunci adalah CT urutan nol, relai perlindungan, dan pemutus. Analisis fokus pada komponen-komponen ini:
1.1 Kesalahan CT urutan nol yang menyebabkan kesalahan operasi
Saat terjadi gangguan tanah, CT urutan nol umpan yang bermasalah mendeteksi arus gangguan, memicu perlindungannya. Pada saat yang sama, CT urutan nol transformator grounding juga mendeteksi arus. Untuk memastikan selektivitas, pengaturan perlindungan umpan (misalnya, 60 A, 1,0 s) lebih rendah daripada pengaturan transformator grounding (misalnya, 75 A, 1,5 s untuk memutus bus tie, 2,5 s untuk memutus transformator utama). Namun, kesalahan CT (misalnya, -10% untuk CT transformator grounding, +10% untuk CT umpan) dapat membuat arus pickup aktual hampir sama (67,5 A vs. 66 A), hanya bergantung pada penundaan waktu. Ini meningkatkan risiko overreach transformator grounding.
1.2 Penyebab kesalahan operasi oleh grounding pelindung kabel yang tidak benar
Umpan 10 kV menggunakan kabel berselimut dengan pelindung di-ground di kedua ujungnya—praktik umum untuk mitigasi EMI. CT urutan nol biasanya toroidal, dipasang di sekitar kabel di outlet switchgear. Selama gangguan tanah, arus tidak seimbang menginduksi sinyal di CT. Namun, jika pelindung di-ground di kedua ujung, arus sirkulasi pelindung juga melewati CT, mengganggu pengukuran. Tanpa pemasangan yang tepat (misalnya, kawat ground pelindung melewati CT dengan benar), perlindungan umpan dapat gagal, menyebabkan overreach transformator grounding.
1.3 Kegagalan perlindungan umpan yang menyebabkan kesalahan operasi
Meskipun relai berbasis mikroprosesor menawarkan kinerja tinggi, kualitas produk bervariasi. Kegagalan umum melibatkan modul daya, sampling, CPU, atau output trip. Jika tidak terdeteksi, ini dapat menyebabkan penolakan perlindungan, mengarah ke kesalahan operasi transformator grounding.
1.4 Kegagalan pemutus umpan yang menyebabkan kesalahan operasi
Penuaan, operasi sering, atau pemutus berkualitas buruk (terutama tipe GG-1A lama di daerah pedesaan) meningkatkan tingkat kegagalan. Gangguan sirkuit kontrol—terutama kumparan trip yang terbakar—mencegah operasi pemutus bahkan ketika perlindungan memerintahkan trip, memaksa perlindungan cadangan transformator grounding untuk bertindak.
1.5 Gangguan tanah impedansi tinggi pada satu atau dua umpan yang menyebabkan kesalahan operasi
Jika dua umpan mengalami gangguan tanah impedansi tinggi simultan pada fase yang sama, arus urutan nol individu (misalnya, 40 A dan 50 A) mungkin tetap di bawah pickup umpan (60 A), tetapi jumlahnya (90 A) melebihi pengaturan transformator grounding (75 A), menyebabkan overreach. Bahkan gangguan impedansi tinggi parah tunggal (misalnya, 58 A) ditambah dengan arus kapasitif normal (misalnya, 12–15 A) dapat mendekati 75 A. Gangguan sistem kemudian dapat memicu kesalahan operasi.
2. Tindakan Pencegahan untuk Menghindari Kesalahan Operasi
2.1 Mengatasi kesalahan CT
Gunakan CT urutan nol berkualitas tinggi; tolak unit dengan kesalahan >5% selama komisioning; atur ambang batas perlindungan berdasarkan nilai primer; verifikasi pengaturan melalui pengujian injeksi primer.
2.2 Benarkan grounding pelindung kabel
Lalui kabel tanah melalui CT urutan nol dan isolasi dari tray kabel; hindari kontak sebelum CT.
Biarkan ujung konduktor terbuka untuk pengujian; isolasi sisanya.
Jika titik tanah perisai berada di bawah CT, jangan lalui melalui CT. Hindari meletakkan titik tanah di dalam jendela CT.
Latih personel perlindungan dan kabel tentang pemasangan yang benar.
Pastikan inspeksi penerimaan bersama oleh tim relai, operasi, dan kabel.
2.3 Cegah penolakan perlindungan
Gunakan relai yang terbukti andal; ganti unit yang sudah tua atau rusak; tingkatkan pemeliharaan; instal pendingin/ventilasi untuk mencegah overheating.
2.4 Cegah penolakan pemutus sirkuit
Gunakan pemutus sirkuit yang andal dan modern (misalnya, jenis tertutup dengan pengisian pegas atau motor); hapus kabinet GG-1A lama; lakukan pemeliharaan pada sirkuit kontrol; gunakan kumparan trip berkualitas tinggi.
2.5 Kurangi risiko gangguan impedansi tinggi
Segera selidiki dan bersihkan feeder saat alarm tanah terjadi; kurangi panjang feeder; seimbangkan beban fase untuk meminimalkan arus kapasitif normal.
3. Kesimpulan
Meskipun transformator tanah meningkatkan struktur dan stabilitas grid, operasi yang salah secara berulang menyoroti risiko tersembunyi. Makalah ini menganalisis penyebab utama dan mengusulkan solusi praktis untuk membimbing wilayah yang telah menginstal—atau berencana menginstal—transformator tanah.
Transformator Tanah Zigzag (Tipe Z)
Dalam jaringan distribusi 35 kV dan 66 kV, winding transformator biasanya terhubung wye dengan titik netral tersedia, sehingga tidak memerlukan transformator tanah. Namun, dalam jaringan 6 kV dan 10 kV, transformator yang terhubung delta tidak memiliki titik netral, sehingga diperlukan transformator tanah untuk menyediakannya—utamanya untuk menghubungkan koil pembasmi busur.
Transformator tanah menggunakan koneksi winding zigzag (tipe Z): setiap winding fase dibagi di dua lengan inti. Fluks magnetik urutan nol dari dua winding saling menghilangkan, menghasilkan impedansi urutan nol yang sangat rendah (biasanya <10 Ω), kerugian tanpa beban yang rendah, dan pemanfaatan lebih dari 90% kapasitas nominal. Sebaliknya, transformator konvensional memiliki impedansi urutan nol yang jauh lebih tinggi, membatasi kapasitas koil pembasmi busur hingga ≤20% dari rating transformator. Oleh karena itu, transformator tipe Z optimal untuk aplikasi grounding.
Ketika tegangan ketidakseimbangan sistem besar, winding Z yang seimbang cukup untuk pengukuran. Dalam sistem dengan ketidakseimbangan rendah (misalnya, jaringan kabel sepenuhnya), netral dirancang untuk menghasilkan tegangan ketidakseimbangan 30–70 V untuk kebutuhan pengukuran.
Transformator tanah juga dapat mensuplai beban sekunder, berfungsi sebagai transformator layanan stasiun. Dalam kasus seperti itu, rating primer sama dengan jumlah kapasitas koil pembasmi busur dan kapasitas beban sekunder.
Fungsi utama transformator tanah adalah untuk memberikan arus kompensasi kesalahan tanah.
Gambar 1 dan Gambar 2 menunjukkan dua koneksi transformator tanah tipe Z yang umum: ZNyn11 dan ZNyn1. Prinsip di balik impedansi urutan nol yang rendah adalah sebagai berikut: setiap lengan inti mengandung dua winding identik yang terhubung ke tegangan fase yang berbeda. Di bawah tegangan urutan positif atau negatif, gaya magnetomotif (MMF) pada setiap lengan adalah jumlah vektor dari dua MMF fase. Tiga MMF lengan seimbang dan 120° terpisah, membentuk jalur magnetik tertutup dengan reluktansi rendah, fluks tinggi, tegangan induksi tinggi, dan oleh karena itu impedansi magnetisasi tinggi.
Di bawah tegangan urutan nol, dua winding pada setiap lengan menghasilkan MMF yang sama tetapi berlawanan, menghasilkan MMF bersih nol per lengan. Tidak ada fluks urutan nol yang mengalir di inti; alih-alih, ia beredar melalui tank dan medium sekitarnya, menghadapi reluktansi tinggi. Akibatnya, fluks dan impedansi urutan nol sangat rendah.
