Evaluasi Ketidakpastian untuk Pengukuran Trafo Tegangan Elektronik Jaringan

1. Pendahuluan

Trafo tegangan elektronik jaringan, sebagai komponen pengukuran yang tidak terpisahkan dalam sistem tenaga, memiliki akurasi pengukuran yang secara langsung terkait dengan operasi stabil dan manajemen efisien sistem tenaga. Namun, dalam praktiknya, karena sifat bawaan komponen elektronik, faktor lingkungan, dan keterbatasan metode pengukuran, hasil pengukuran trafo tegangan sering melibatkan ketidakpastian. Ketidakpastian ini tidak hanya mempengaruhi akurasi data tenaga tetapi juga menyesatkan strategi penjadwalan, kontrol, dan perlindungan sistem tenaga. Oleh karena itu, penelitian mendalam tentang metode evaluasi ketidakpastian untuk hasil verifikasi dan pengukuran trafo tegangan elektronik jaringan sangat penting untuk meningkatkan akurasi pengukuran sistem tenaga.

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis secara sistematis faktor-faktor yang mempengaruhi ketidakpastian pengukuran trafo tegangan, termasuk drift suhu, penuaan, dan gangguan noise komponen elektronik, serta perubahan suhu, kelembaban, dan medan elektromagnetik di lingkungan pengukuran. Melalui ini, metode evaluasi ketidakpastian ilmiah dan rasional akan diteliti. Dengan membangun model matematika yang dikombinasikan dengan prinsip statistik dan pengetahuan metrologi, penelitian ini akan mengevaluasi secara komprehensif ketidakpastian pengukuran trafo tegangan elektronik jaringan di bawah kondisi kerja yang berbeda, memberikan dasar teori dan dukungan teknis untuk merumuskan peraturan verifikasi yang lebih tepat dan meningkatkan kualitas produk trafo tegangan.

2. Eksperimen untuk Evaluasi Ketidakpastian Hasil Pengukuran
2.1 Objek Eksperimen

Untuk evaluasi ketidakpastian trafo tegangan elektronik jaringan, dipilih perangkat kalibrasi tegangan presisi dengan akurasi tingkat 0,001, yang mencakup rentang pengukuran 1-1000 V. Trafo tegangan yang akan diverifikasi dirancang untuk skenario dengan tegangan primer 10 kV-50 kV dan tegangan sekunder 100 V, dengan tingkat akurasi 0,02. Struktur trafo tegangan elektronik jaringan ditunjukkan pada Gambar 1.

Lingkungan eksperimen disetel pada suhu konstan 20 ± 2 °C, dengan kelembaban relatif dipertahankan di bawah 60%, menghilangkan potensi dampak lingkungan pada hasil pengukuran.

2.2 Metode Verifikasi dan Pengukuran untuk Trafo Tegangan Elektronik Jaringan

Selama verifikasi trafo tegangan elektronik jaringan, diperlukan metode evaluasi ketidakpastian ilmiah untuk memastikan akurasi pengukuran. Menggunakan trafo tegangan elektronik jaringan yang ditunjukkan pada Gambar 1 sebagai perangkat standar, koneksi rangkaian berbasis perbandingan diadopsi. Ini memungkinkan penyelarasan mulus antara trafo tegangan elektronik yang diuji dan perangkat standar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Kemudian, sistem pengukuran digital berakurasi tinggi membaca dan menghitung langsung kesalahan trafo tegangan elektronik yang diuji. Model perangkat standar adalah DHBV-110/0.02, dengan akurasi luar biasa yang mendukung verifikasi. Untuk trafo yang diuji, titik tegangan nominal 0,5%, 2%, 10%, 50%, dan 110% ditetapkan untuk mencakup rentang operasinya. Meskipun batas kesalahan maksimum yang diperbolehkan untuk titik-titik ini sama di bawah kondisi beban penuh dan ringan, drift suhu dan penuaan komponen elektronik dapat menyebabkan perbedaan stabilitas yang signifikan di berbagai kondisi. Oleh karena itu, stabilitas setiap titik harus dievaluasi secara independen untuk mengontrol ketidakpastian hasil verifikasi, memenuhi persyaratan ketat teknologi pengukuran akurat untuk operasi jaringan listrik.

3. Model Matematika

Dalam eksperimen untuk mengevaluasi ketidakpastian hasil verifikasi dan pengukuran trafo tegangan elektronik jaringan, saat memverifikasi akurasi perangkat yang diuji, ketidakpastiannya sering diquantifikasi melalui berbagai dimensi, seperti deviasi akurasi dan lag fase. Dua indikator ini masing-masing mencerminkan perbedaan amplitudo dan deviasi fase antara nilai yang diukur dan nilai sebenarnya. Dengan demikian, model matematika independen dapat dibangun untuk menggambarkan secara akurat sumber-sumber ketidakpastian tersebut. Untuk deviasi akurasi Y, model regresi linier dapat digunakan, yang dinyatakan sebagai:

Di mana β0 dan β1 adalah parameter model; $X$ adalah sinyal masukan trafo tegangan elektronik jaringan; $\ε$ adalah istilah kesalahan acak. Untuk lag fase $\φ$, dapat dinyatakan oleh model fungsi trigonometri sebagai

Di mana α mewakili pergeseran fase tetap; θ(X) adalah fungsi fase yang bervariasi dengan sinyal masukan. Untuk analisis yang lebih rinci, istilah nonlinier atau aproksimasi polinomial dapat diperkenalkan untuk meningkatkan akurasi model. Pembentukan model matematika ini memberikan dasar teori yang solid dan alat kuantitatif untuk mengevaluasi secara komprehensif dan sistematis ketidakpastian hasil pengukuran.

4. Hasil Eksperimen Evaluasi Komponen Ketidakpastian

Dalam verifikasi trafo tegangan elektronik jaringan, beberapa set tingkat tegangan ditetapkan untuk penilaian ketidakpastian. Titik tegangan nominal 0,5%, 2%, 10%, 50%, dan 110% dipilih dan diukur menggunakan metode perbandingan. Nilai rata-rata dari perbedaan amplitudo dan deviasi fase dicatat dan dihitung sebagai nilai referensi pada tingkat tegangan yang sesuai, sehingga dapat mengevaluasi secara akurat ketidakpastian kinerja trafo yang diuji.

4.1 Evaluasi Ketidakpastian Tipe A

Ketidakpastian tipe A mencerminkan derajat dispersi antara hasil yang diperoleh selama pengukuran berulang objek yang sama. Rumus kalkulasinya adalah:

Di mana n adalah jumlah pengukuran; x_i adalah nilai pengukuran ke-i; xˉ adalah rata-rata aritmetik nilai-nilai pengukuran.

Kemudian, untuk titik tegangan nominal 0,5%, 2%, 10%, 50%, dan 110%, hasil evaluasi ketidakpastian tipe A ditunjukkan pada Tabel 1.

Seperti yang dapat dilihat dari Tabel 1, seiring meningkatnya titik tegangan nominal, ketidakpastian tipe A baik untuk perbedaan amplitudo maupun deviasi fase menunjukkan tren meningkat. Hal ini karena pada tingkat tegangan yang lebih rendah, trafo tegangan lebih stabil, menghasilkan dispersi yang lebih sedikit dalam hasil pengukuran. Namun, pada tingkat tegangan yang lebih tinggi, trafo tegangan dipengaruhi oleh lebih banyak faktor, sehingga menghasilkan dispersi yang lebih besar dalam hasil pengukuran.

4.2 Evaluasi Ketidakpastian Tipe B

Berdasarkan JJF 1059.1—2022 Evaluasi dan Ekspresi Ketidakpastian Pengukuran, ketidakpastian tipe B berasal dari inferensi yang wajar dari informasi terkait yang diketahui untuk memperkirakan simpangan baku-nya. Informasi ini mungkin melibatkan spesifikasi peralatan dari produsen, data metode kalibrasi yang diakui industri, atau analisis statistik data pengukuran historis. Inti dari ketidakpastian tipe B adalah untuk mendefinisikan rentang variasi yang mungkin dari nilai yang diukur berdasarkan pengalaman atau pengetahuan profesional, dengan lebarnya setengah rentang.

Kemudian, pilih faktor cakupan yang sesuai k untuk kuantifikasi berdasarkan karakteristik distribusi probabilitas dan tingkat kepercayaan yang diperlukan. Biasanya, jika nilai yang diukur terdistribusi secara merata dalam interval yang ditetapkan (setiap nilai memiliki probabilitas yang sama), model distribusi seragam digunakan, dan k dapat diambil sebagai perkiraan √3 untuk memastikan akurasi dan ketatnya evaluasi. Rumus kalkulasi untuk ketidakpastian tipe B adalah

Di mana a adalah lebar setengah dari interval variasi pengukuran.

Untuk titik tegangan nominal 0,5%, 2%, 10%, 50%, dan 110%, hasil evaluasi ketidakpastian tipe B ditunjukkan pada Tabel 2.

Seperti yang dapat dilihat dari Tabel 2, pada titik tegangan nominal yang berbeda, baik untuk perbedaan amplitudo maupun deviasi fase, ketidakpastian menunjukkan tren meningkat seiring meningkatnya tingkat tegangan. Dibandingkan dengan ketidakpastian tipe A, evaluasi ketidakpastian tipe B lebih bergantung pada akurasi dan kelengkapan informasi yang diketahui, mencerminkan estimasi sebelumnya tentang kinerja trafo tegangan yang diukur. Oleh karena itu, dalam aplikasi praktis, pertimbangan yang komprehensif tentang ketidakpastian tipe A dan tipe B memungkinkan pemahaman yang lebih lengkap tentang akurasi dan keandalan hasil pengukuran.

4.3 Evaluasi Ketidakpastian Standar Gabungan

Saat mengevaluasi ketidakpastian standar gabungan, jika hasil verifikasi dan pengukuran setiap trafo tegangan elektronik jaringan independen dan tidak berkorelasi (yaitu, koefisien korelasinya semua 0), ketidakpastian mengikuti prinsip kombinasi linier untuk akumulasi. Berdasarkan ini, evaluasi ketidakpastian standar gabungan dapat dinyatakan dengan rumus berikut

Kemudian, untuk titik tegangan nominal 0,5%, 2%, 10%, 50%, dan 110%, hasil evaluasi ketidakpastian standar gabungan ditunjukkan pada Gambar 3.

Dari hasil Gambar 3, seiring meningkatnya tegangan nominal dari 0,5% hingga 110%, ketidakpastian standar gabungan untuk perbedaan amplitudo dan deviasi fase menunjukkan pertumbuhan yang stabil. Secara khusus, ketidakpastian perbedaan amplitudo meningkat dari 0,008% hingga 0,085% (sekitar 10 kali lipat), dan ketidakpastian deviasi fase meningkat dari 0,05° hingga 0,35° (sekitar 7 kali lipat). Tren ini menunjukkan bahwa peningkatan tegangan membuat trafo lebih rentan terhadap gangguan eksternal, memperluas ketidakpastian pengukuran. Namun, tidak ada perubahan data ekstrem yang terjadi, menunjukkan proses evaluasi stabil dan dapat diandalkan.

5. Kesimpulan

Dalam penelitian tentang metode evaluasi ketidakpastian untuk hasil verifikasi dan pengukuran trafo tegangan elektronik jaringan, berbagai faktor yang mempengaruhi akurasi pengukuran dianalisis, dan metode evaluasi ilmiah dan efektif diteliti. Melalui analisis teoritis dan verifikasi eksperimental, tidak hanya meningkatkan keandalan hasil pengukuran trafo tegangan, tetapi juga memberikan jaminan yang kuat untuk operasi stabil sistem tenaga.