Pengukuran Arus Menggunakan Transformer Arus Nol Flux dalam Peralatan Penghubung Terisolasi Gas (GIS)

Kompleksitas yang semakin meningkat dari jaringan listrik, terutama dengan penggabungan perangkat berbasis elektronik daya, memerlukan teknik pengukuran yang dapat ditelusuri. Teknik-teknik ini sangat penting untuk menentukan komponen frekuensi tinggi dari arus listrik yang tinggi dengan akurat. Dalam pengukuran non-intrusif arus listrik AC dan DC, kawat induksi magnetik pada trafo arus digunakan secara luas.

Kesalahan pada trafo arus secara langsung berkaitan dengan magnetisasi inti trafo. Hubungan inheren ini secara alami mendorong eksplorasi metode untuk mengurangi fluks magnet ini. Salah satu pendekatan tersebut adalah teknik zero-flux. Dalam teknik ini, arus kompensasi seimbang diperkenalkan untuk menginduksi fluks nol dalam inti magnetik.

Trafo arus zero-flux termasuk dalam kategori Trafo Instrument Rendah Daya (LPITs). LPITs menawarkan banyak keuntungan, termasuk ukuran yang lebih kecil, konsumsi daya yang lebih rendah, keamanan yang ditingkatkan, akurasi yang lebih tinggi, dan keandalan sinyal yang lebih baik. Dengan implementasi komunikasi digital di substation sesuai dengan standar IEC61850-9-2, pemanfaatan LPITs di Substasi Gas Terisolasi (GIS) akan semakin umum.

Lilitan deteksi bertanggung jawab untuk merasakan fluks magnetik dalam inti. Sistem kontrol loop tertutup, yang terdiri dari amplifier dan lilitan umpan balik, menghasilkan arus sekunder. Arus sekunder ini dirancang untuk menetralkan fluks yang dihasilkan oleh arus primer, sehingga menciptakan “Trafo Arus Zero-Flux”. 

Arus sekunder kemudian melewati resistor beban presisi, menghasilkan sinyal tegangan yang proporsional dengan arus primer. Dalam pengaturan ini, bahan magnetik inti tetap tidak terexcitasi, memastikan bahwa ia tidak menunjukkan efek histeresis atau saturasi. Namun, pada kondisi DC atau frekuensi rendah, mekanisme pembatalan fluks menghadapi tantangan. Lilitan deteksi tidak mampu mengukur fluks sisa dalam situasi tersebut, dan karenanya, fluks tidak dapat dibatalkan secara efektif. 

Untuk mengatasi pengukuran DC, sensor fluks DC dimasukkan. Ini bisa berupa probe Hall yang tertanam dalam inti atau rangkaian flux-gate yang dilengkapi dengan dua lilitan kontrol dan sensor tambahan.Kelebihan Trafo Arus Zero-FluxSensor AC zero-flux menunjukkan linearitas dan presisi yang tinggi. Mereka kebal terhadap karakteristik inti magnetik, menghasilkan kesalahan fase yang kecil. Akurasi sensor-sensor ini sebagian besar ditentukan oleh presisi resistor beban.

Penambahan probe Hall atau detektor flux-gate memungkinkan pengukuran arus DC.Sensor-sensor ini sangat tahan terhadap gangguan elektromagnetik, memastikan operasi yang andal dalam berbagai lingkungan elektromagnetik.Kekurangan Trafo Arus Zero-FluxSensor memerlukan sumber daya eksternal dan amplifier untuk berfungsi.Circuit sekunder yang rusak memiliki potensi untuk menghasilkan tegangan berbahaya, menimbulkan risiko keselamatan.Penggunaan Contoh Trafo Arus Zero-Flux dalam Proyek Kii-Channel HVDC Link untuk GIS DC 500 kV OutdoorDalam proyek Kii-Channel, trafo arus zero-flux digunakan. 

Gambar 2 menampilkan diagram blok dan detail hardware dari trafo arus. Arus yang akan diukur, (Ip), menghasilkan fluks magnetik yang dipengaruhi oleh arus (Is) di lilitan sekunder ((Ns)).Tiga inti toroid, yang terletak di dalam kompartemen GIS, digunakan untuk merasakan fluks. Inti (N1) dan (N2) dikhususkan untuk merasakan komponen DC dari fluks sisa, sementara (N3) bertanggung jawab untuk mendeteksi komponen AC. Osilator menggerakkan pasangan inti sensor fluks DC ((N1) dan (N2)) ke arah saturasi yang berlawanan.

Jika fluks DC sisa adalah nol, puncak arus yang dihasilkan dalam kedua arah akan sama. Namun, jika fluks DC sisa bukan nol, perbedaan antara puncak-puncak tersebut proporsional dengan fluks DC sisa. Dengan menggabungkan komponen AC yang dideteksi oleh (N3), sebuah loop kontrol dibentuk. Loop ini menghasilkan arus sekunder (Is) sedemikian rupa sehingga menetralkan fluks secara keseluruhan. Amplifier daya menyediakan arus (Is) ke lilitan sekunder (Ns). Selanjutnya, arus sekunder dialihkan ke resistor beban, yang mengubah arus menjadi sinyal tegangan setara. Presisi pengukuran ditentukan oleh kedua resistor beban dan stabilitas amplifier diferensial.

Trafo arus zero-flux adalah instrumen presisi yang dirancang untuk pengukuran AC dan AC/DC. Saat ini, mereka paling sering digunakan di Substasi Gas Terisolasi (GIS) Arus Langsung Tegangan Tinggi (HVDC). Prinsip pengukuran trafo arus zero-flux AC diilustrasikan dalam Gambar 1.