Titik Netral Transformator 110 kV Overvoltage Petir: Simulasi ATP & Solusi Perlindungan

Terdapat literatur yang luas tentang analisis tegangan lebih pada titik netral transformator dalam kondisi lonjakan petir. Namun, karena kompleksitas dan keacakan gelombang petir, deskripsi teoretis yang akurat masih sulit diperoleh. Dalam praktik teknik, tindakan pelindungan biasanya ditentukan berdasarkan kode sistem tenaga listrik dengan memilih perangkat pelindung petir yang sesuai, dengan dokumentasi pendukung yang melimpah.

Transmisi garis atau gardu induk rentan terhadap sambaran petir. Lonjakan petir mungkin menyebar sepanjang garis transmisi ke gardu induk atau langsung menyerang peralatan gardu induk, menghasilkan tegangan lebih pada titik netral transformator, yang membahayakan isolasi titik netral. Oleh karena itu, penelitian karakteristik tegangan lebih pada titik netral di bawah kondisi petir dan evaluasi efektivitas pembatasan tegangan oleh perangkat pelindung memiliki makna praktis [1]. Makalah ini menyajikan studi simulasi menggunakan Program Transien Alternatif (ATP), versi paling banyak digunakan dari Program Transien Elektromagnetik (EMTP), berdasarkan konfigurasi gardu induk 110 kV tertentu. Dengan menggabungkan teori tegangan lebih petir dengan karakteristik isolasi titik netral transformator 110 kV, makalah ini mensimulasikan tegangan lebih pada titik netral dalam berbagai kondisi gelombang petir. Hasil simulasi dianalisis secara komparatif, dan langkah-langkah untuk mengurangi tegangan lebih pada titik netral diusulkan.

1. Analisis Teoritis

1.1 Sambaran Petir pada Garis Transmisi

Ketika garis transmisi udara disambar petir, gelombang bergerak menyebar sepanjang konduktor [1]. Di dalam gardu induk, banyak garis penghubung pendek (misalnya, koneksi dari transformator ke busbar atau pelindung petir) bertindak serupa dengan garis transmisi di bawah impuls petir yang sangat singkat. Garis-garis ini menunjukkan proses penyebaran, pantulan, dan bias gelombang yang cepat, sering kali menghasilkan tegangan sementara dengan amplitudo puncak yang sangat tinggi yang dapat merusak peralatan.

1.2 Analisis Parameter dari Lilitan Transformator Y-Terkoneksi di Bawah Lonjakan Petir

Lilitan transformator tiga fase umumnya terhubung dalam konfigurasi Y, Yo, atau Δ. Selama operasi, lonjakan petir mungkin masuk melalui satu, dua, atau bahkan semua tiga fase [1]. Makalah ini fokus pada lilitan Y-terkoneksi, karena hanya konfigurasi tersebut yang memiliki titik netral yang dapat diakses. Ketika transformator terhubung dalam Yo dan keterkaitan antar fase diabaikan, apakah satu, dua, atau tiga fase disambar, sistem dapat dianalisis sebagai tiga lilitan independen dengan terminal yang di-grounded.

2. Kondisi Isolasi Titik Netral Transformator 110 kV

Titik netral transformator 110 kV menggunakan isolasi bertingkat, dikategorikan sebagai level 35 kV, 44 kV, atau 60 kV. Saat ini, produsen utamanya memproduksi transformator dengan isolasi titik netral 60 kV. Tingkat isolasi yang berbeda memiliki kemampuan tahan dielektrik yang berbeda, seperti ditunjukkan dalam Tabel 1. Mengingat kondisi praktis, penuaan isolasi, dan margin keselamatan untuk tegangan frekuensi daya, faktor koreksi diterapkan. Faktor margin tahanan impuls petir 0,6 dan faktor margin tahanan frekuensi daya 0,85 diterapkan [1], mengarah ke nilai tahanan referensi dalam Tabel 1.

Tabel 1 Tingkat Tahanan Isolasi / Nilai Tahanan Referensi untuk Titik Netral

3. Simulasi dan Perhitungan

Pertimbangkan sebuah gardu induk 110 kV dengan dua transformator (Y/Δ) yang beroperasi secara paralel, dua jalur masuk 110 kV, dan empat jalur keluar 35 kV. Diagram satu garis ditunjukkan dalam Gambar 1. Untuk membatasi arus gangguan tanah fasa tunggal dan mengurangi gangguan komunikasi, biasanya hanya satu transformator yang memiliki titik netralnya di-grounded sementara yang lain tetap tidak digrounded. Dalam kondisi lonjakan petir, tegangan sangat tinggi dapat terinduksi pada titik netral transformator yang tidak digrounded, mengancam isolasinya. Bagian-bagian berikut ini menyajikan analisis simulasi menggunakan program ATP dalam berbagai skenario.

Gambar 1 Diagram Satu Garis Gardu Induk 110 kV

3.1 Lonjakan Petir yang Menyebar dari Jalur Transmisi ke Gardu Induk

3.1.1 Pemilihan Parameter Gelombang Petir

Penyebab utama overvoltage di gardu induk adalah lonjakan petir yang menyebar dari jalur transmisi. Amplitudo tegangan maksimum pada jalur tidak boleh melebihi tingkat tahanan U50% dari rangkaian insulator jalur; jika tidak, flashover akan terjadi pada jalur sebelum lonjakan masuk ke gardu induk. Karena 1-2 km pertama jalur masuk biasanya dilindungi dari sambaran petir langsung, gelombang petir yang masuk ke gardu induk sebagian besar berasal dari sambaran di luar bagian yang dilindungi. Untuk sambaran petir di luar gardu induk, magnitudo arus petir yang masuk ke gardu induk melalui jalur ≤220 kV umumnya ≤5 kA, dan ≤10 kA untuk jalur 330–500 kV, dengan kemiringan yang signifikan berkurang [15,17]. Berdasarkan kondisi-kondisi tersebut, gelombang petir dimodelkan menggunakan fungsi eksponensial ganda yang tipikal:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
di mana a dan b adalah konstanta negatif, dan k, a, b ditentukan oleh amplitudo surge, waktu depan, dan waktu ekor. Arus puncak 5 kA dan gelombang eksponensial standar 20/50 μs digunakan di sini.

3.1.2 Pengaturan Parameter Peralatan Gardu Induk

Lonjakan petir mengandung harmonisa frekuensi sangat tinggi; oleh karena itu, parameter jalur gardu induk dimodelkan sebagai parameter terdistribusi. Sakelar, pemutus sirkuit, transformator arus (CT), dan transformator tegangan (VT) di dalam gardu induk direpresentasikan oleh kapasitansi shunt setara. Kapasitansi input setara transformator diberikan oleh Cₜ = kS⁰·⁵, di mana S adalah kapasitas transformator tiga fase. Untuk level tegangan ≤220 kV, n=3, dan untuk transformator 110 kV, k=540. Pelindung lonjakan busbar dipilih sebagai YH1OWx-108/290, dan pelindung lonjakan titik netral sebagai YH1.5W-72/186.

3.1.3 Perhitungan dan Analisis

Overvoltage yang dihasilkan pada titik netral berbeda tergantung apakah titik tersebut di-grounded lokal atau tidak digrounded. Simulasi dilakukan untuk tiga skenario: lonjakan fasa tunggal satu sirkuit, lonjakan dua fasa satu sirkuit, dan lonjakan fasa tunggal dua sirkuit, dengan mempertimbangkan baik dengan maupun tanpa pelindung lonjakan titik netral. Hasil ditunjukkan dalam Tabel 2.

Tabel 2 Overvoltage Puncak di Bawah Kondisi Titik Netral Di-Grounded / Tidak Digrounded

3.1.4 Analisis Hasil

Dari Tabel 2, dalam sistem di mana netral transformator di-grounding lokal, penahan lonjakan busbar secara efektif membatasi tegangan lebih, sehingga titik netral transformator yang tidak di-grounding tidak mengalami tegangan lebih tinggi, dan penahan lonjakan titik netral biasanya tidak beroperasi. Dalam sistem di mana titik netral tidak di-grounding lokal, tegangan lebih pada titik netral sangat tinggi. Tanpa penahan lonjakan, ini membentuk ancaman serius terhadap isolasi (tegangan tahanan impuls petir dari transformator 110 kV dengan isolasi bertingkat, dengan pertimbangan margin keamanan, adalah 195 kV). Pemasangan penahan lonjakan titik netral secara signifikan mengurangi puncak tegangan lebih. Oleh karena itu, gelombang surut petir yang menyebar dari garis tidak mengancam isolasi titik netral yang dilengkapi dengan penahan lonjakan.

3.2 Petir Langsung Menyerang Substasi

Meskipun substasi umumnya memiliki perlindungan petir yang komprehensif, sambaran petir langsung, meskipun jarang terjadi karena kompleksitas dan acaknya petir, masih dapat terjadi [2] dan menyebabkan kerusakan peralatan. Oleh karena itu, studi tentang tegangan lebih pada titik netral yang disebabkan oleh sambaran langsung dan tindakan perlindungan yang sesuai diperlukan.

3.2.1 Pemilihan Parameter Petir dan Substasi

Parameter substasi tetap sama seperti yang telah didefinisikan sebelumnya. Perhitungan dilakukan menggunakan parameter petir standar (1.2/50 μs) dengan amplitudo 50, 100, 200, dan 250 kA. Impedansi gelombang saluran petir diambil sebagai 400 Ω.

3.2.2 Perhitungan dan Analisis

Hasil untuk sambaran petir langsung pada busbar satu fasa (sambaran dua fasa sangat jarang) di bawah kondisi netral di-grounding dan tidak di-grounding lokal ditunjukkan dalam Tabel 3 (I dan II mewakili kasus tanpa dan dengan penahan lonjakan titik netral, masing-masing).

Tabel 3 Tegangan Lebih Puncak di Bawah Kondisi Netral Di-grounding / Tidak Di-grounding Lokal (Sambaran Langsung)

3.2.3 Analisis Hasil

Seperti ditunjukkan dalam Tabel 3, dengan meningkatnya amplitudo arus petir, tegangan puncak di titik netral meningkat secara signifikan, dan osilasi menjadi lebih jelas. Bahkan dengan pelindung lonjakan, tegangan sisa di seberang pelindung juga meningkat. Di substasiun dengan netral yang tidak terhubung ke tanah secara lokal, overvoltage titik netral akibat petir sangat parah. Bahkan dengan pelindung lonjakan, overvoltage tetap tinggi. Misalnya, sambaran langsung 250 kA menghasilkan overvoltage titik netral sebesar 224.1 kV. Dalam kasus ini, bahkan jika pelindung titik netral beroperasi, trafo masih bisa rusak.

3.2.4 Pembahasan Tindakan Perbaikan

(1) Pasang pelindung lonjakan di terminal trafo (misalnya, tambahkan YH10Wx-108/290 untuk trafo yang tidak terhubung ke tanah) untuk membatasi overvoltage gelombang petir.
(2) Tingkatkan kapasitas arus pelepasan pelindung lonjakan titik netral. Pelindung yang ada memiliki kapasitas pelepasan 1.5 kA pada tegangan sisa 186 kV. Diusulkan untuk meningkatkan kapasitas ini menjadi 15 kA.

Simulasi ulang untuk sambaran petir langsung pada busbar di sistem netral yang tidak terhubung ke tanah secara lokal telah dilakukan, dan hasilnya ditampilkan dalam Tabel 4.

Tabel 4 Overvoltage Puncak Titik Netral dengan Pelindung Lonjakan (Tindakan Perbaikan)

Dengan membandingkan Tabel 3 dan 4, pemasangan pelindung petir di terminal transformator tidak efektif dalam mengurangi tegangan lebih titik netral. Namun, peningkatan kapasitas lepasan pelindung petir secara signifikan meningkatkan pembatasan tegangan lebih. Oleh karena itu, metode ini direkomendasikan. Produsen pelindung petir disarankan untuk fokus pada peningkatan teknologi untuk meningkatkan kapasitas arus lepasan.

4. Kesimpulan

a) Pemasangan pelindung petir pada busbar dan titik netral transformator secara efektif membatasi tegangan lebih di titik netral yang disebabkan oleh gelombang petir yang menyebar dari saluran transmisi.
b) Ketika stasiun pengaturan menerima sambaran petir langsung, tegangan lebih tinggi dapat terjadi di titik netral transformator yang tidak terhubung ke tanah. Efek ini lebih mencolok pada sistem dengan netral sebagian tidak terhubung, dan di bawah skema perlindungan tegangan lebih yang ada, isolasi titik netral masih bisa rusak.
c) Pemasangan pelindung petir di terminal transformator tidak memiliki efek signifikan dalam membatasi tegangan lebih titik netral; peningkatan kapasitas arus lepasan pelindung petir titik netral adalah metode yang efektif untuk pembatasan tegangan lebih.