Analisis Kasus tentang Kesalahan Operasi Relay Perlindungan Arus Lebih Grounding Transformer

Mode grounding netral merujuk pada koneksi antara titik netral sistem tenaga listrik dengan tanah. Dalam sistem 35 kV dan di bawahnya di Cina, metode umum termasuk netral tidak terhubung, grounding koil pembasmi busur, dan grounding tahanan kecil. Mode tidak terhubung digunakan secara luas karena memungkinkan operasi jangka pendek selama gangguan ground satu fasa, sementara grounding tahanan kecil telah menjadi mainstream karena penghapusan cepat gangguan dan pembatasan tegangan tinggi. Banyak substation menginstal transformator grounding untuk retrofit grounding netral, tetapi perubahan karakteristik gangguan mempengaruhi perlindungan relai, berisiko kesalahan operasi atau penolakan.

Makalah ini memperkenalkan prinsip dan karakteristik transformator grounding, menjelaskan konfigurasi/penyetelan perlindungan arus saat ini dalam sistem tahanan kecil, menganalisis penyebab kesalahan operasi, dan mengambil kasus ground satu fasa untuk mendiskusikan tindakan perlindungan dan akar masalah. Ini memberikan referensi untuk penanganan/pencegahan gangguan, mendalamkan pemahaman staf pemeliharaan, meningkatkan efisiensi pemecahan masalah, dan menghilangkan potensi bahaya.

Prinsip Kerja Transformator Grounding

Selama transformasi substation dengan sistem delta-terhubung, netral tidak terhubung menjadi sistem grounding tahanan kecil, untuk memperkenalkan titik netral, praktik yang paling umum adalah menambahkan transformator grounding di busbar. Saat ini, biasanya dipilih transformator grounding jenis Z untuk memperkenalkan titik grounding. Selanjutnya, akan dianalisis prinsip kerja transformator grounding jenis Z.

Transformator grounding jenis Z secara struktural mirip dengan transformator daya biasa. Namun, gulungan pada inti setiap fasa dibagi menjadi dua bagian dengan jumlah putaran yang sama, atas dan bawah, yang dihubungkan dalam bentuk zig-zag. Cara penghubungannya ditunjukkan pada Gambar 1.

Saat terjadi short-circuit ground, arus nol-murid mengalir melalui titik netral. Penghubungan zig-zag transformator grounding jenis Z membuat arus nol-murid pada gulungan atas dan bawah saling bertentangan, menghapus fluks magnetik dan meminimalkan impedansi nol-murid untuk menghindari overvoltage grounding busur yang berlebihan. Untuk arus positif/negatif-murid, sifat elektromagnetiknya seperti transformator biasa menciptakan impedansi tinggi, membatasi aliran mereka.

Dalam operasi normal, transformator grounding beroperasi hampir tanpa beban (tidak ada beban sekunder). Selama gangguan ground, arus gangguan positif, negatif, dan nol-murid melewati transformator tersebut. Berkat "impedansi tinggi positif/negatif-murid, rendah nol-murid", perangkat perlindungan sebagian besar mengukur arus nol-murid grid.

2 Konfigurasi dan Analisis Perlindungan Arus untuk Transformator Grounding

Perlindungan arus transformator grounding biasanya menggunakan perlindungan arus fasa-ke-fasa dan arus nol-murid. Berikut penjelasannya:

2.1 Penyetelan Perlindungan Arus Fasa-ke-Fasa
2.1.1 Prinsip Penyetelan

Perlindungan ini mencakup trip instan dan perlindungan over-current:

• Trip Instan: Koordinasi dengan perlindungan over-current cadangan transformator suplai di sisi yang sama. Pastikan sensitivitas selama short-circuit dua fasa (mode operasi minimum) dan hindari arus inrush (7–10× arus nominal transformator grounding) dan arus gangguan sisi tegangan rendah.

• Perlindungan Over-Current: Atur untuk menghindari arus nominal transformator grounding dan arus fasa maksimum saat gangguan ground satu fasa eksternal, memastikan keandalan.

• Logika Operasi: Trip instan beraksi segera (tanpa penundaan); perlindungan over-current (cadangan untuk short fasa-ke-fasa) memiliki penundaan singkat dan pengaturan lebih rendah untuk koordinasi bertingkat.

2.1.2 Mode Trip

Berdasarkan koneksi transformator grounding ke transformator suplai:

• Terhubung ke bus tegangan rendah: Trip instan/perlindungan over-current memutus pemutus sirkuit sisi yang sama untuk mengisolasi gangguan dengan cepat.

• Terhubung ke lead tegangan rendah: Perlindungan memutus semua pemutus sirkuit sisi untuk memotong jalur gangguan dan mencegah eskalasi.

2.2 Penyetelan Perlindungan Arus Nol-Murid untuk Transformator Grounding
2.2.1 Prinsip Penyetelan

• Nilai penyetelan arus harus memastikan sensitivitas yang cukup saat terjadi gangguan ground satu fasa-ke-tanah.

• Berkolaborasi dengan nilai penyetelan perlindungan delay panjang untuk sensitivitas penuh garis dari perlindungan arus nol-murid level bawah.

• Untuk batas waktu pertama arus nol-murid, pertimbangkan untuk menghindari terjadinya gangguan ground satu fasa-ke-tanah berturut-turut pada dua garis.

• Waktu operasi harus lebih lama dari waktu operasi maksimum Bagian II arus nol-murid dari setiap komponen yang terhubung ke bus.

Karena perlindungan arus nol-murid transformator grounding tidak berfungsi sebagai perlindungan utama, ada tiga batas waktu, yang ditunjukkan sebagai berikut:

Dalam rumus: t0¹, t0², t0³ masing-masing adalah batas waktu pertama, kedua, dan ketiga perlindungan arus nol-murid transformator grounding; t_0I' adalah nilai penyetelan waktu Bagian I arus nol-murid garis keluar; t_0II' adalah nilai penyetelan waktu terpanjang Bagian II perlindungan arus nol-murid semua peralatan di busbar kecuali transformator grounding; Δt disetel sebesar 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Mode Trip

• Ketika transformator grounding terhubung ke busbar substation yang sesuai, perlindungan arus nol-murid beroperasi: batas waktu pertama memutus pemutus sirkuit penghubung bus atau pemutus sirkuit bagian dan memblokir perangkat input daya cadangan otomatis (disingkat "input cadangan otomatis"); batas waktu kedua memutus pemutus sirkuit sisi yang sama dari transformator grounding dan transformator suplai.

• Ketika transformator grounding terhubung ke lead yang sesuai dari transformator suplai, perlindungan arus nol-murid beroperasi: batas waktu pertama memutus pemutus sirkuit penghubung bus atau pemutus sirkuit bagian dan memblokir input cadangan otomatis; batas waktu kedua memutus pemutus sirkuit sisi yang sama dari transformator suplai; batas waktu ketiga memutus pemutus sirkuit semua sisi dari transformator suplai.

2.3 Analisis Operasi Perlindungan Arus untuk Transformator Grounding

Analisis konfigurasi perlindungan transformator grounding menunjukkan perbedaan signifikan dalam mode trip antara perlindungan arus fasa-ke-fasa dan arus nol-murid: perlindungan nol-murid memblokir input cadangan otomatis selama operasi, sementara perlindungan fasa-ke-fasa tidak.

Jika arus nol-murid yang diukur oleh perangkat perlindungan mencapai nilai operasi dan terjadi gangguan ground (dengan transformator grounding sebagai jalur arus nol-murid tunggal dalam sistem grounding tahanan kecil), perangkat mendeteksi gangguan tetapi tidak dapat menemukan lokasinya. Jika gangguan ada pada garis keluar, setelah perlindungan memutus transformator grounding, input cadangan otomatis beralih ke bus cadangan. Jika bus cadangan kembali menyambung ke garis yang rusak, transformator grounding di atasnya masih mendeteksi arus nol-murid, memicu trip lain. Karena input cadangan otomatis belum selesai charging, jangkauan padam mungkin bertambah. Oleh karena itu, perlindungan nol-murid harus memblokir input cadangan otomatis.

Ketika perlindungan fasa-ke-fasa beraksi (tetapi perlindungan nol-murid tidak), perangkat menilai adanya short-circuit fasa-ke-fasa pada transformator grounding itu sendiri. Perangkat memutus transformator grounding, parallel-trip pemutus sirkuit sisi yang sama dari transformator suplai, dan input cadangan otomatis beralih ke bus cadangan. Sebagai gangguan ada pada transformator grounding yang diputus, bus cadangan kembali menyambung ke garis normal, memulihkan pasokan listrik.

Secara keseluruhan, perlindungan arus fasa-ke-fasa dan nol-murid transformator grounding sangat berbeda dalam penilaian penyebab dan lokasi gangguan, memerlukan penyetelan dan konfigurasi yang berbeda. Namun, selama short-circuit ground, perlindungan fasa-ke-fasa mungkin salah operasi karena komponen nol-murid yang diukur. Mengingat logika input cadangan otomatis yang berbeda, kesalahan operasi mungkin memperluas jangkauan gangguan atau bahkan menyebabkan padam total substation.

3 Analisis Kasus
3.1 Proses Gangguan

Diagram kabel primer substation 110 kV ditunjukkan pada Gambar 2. Sebelum gangguan, pemutus sirkuit 018 sisi tegangan rendah Transformator 1 tertutup, pemutus sirkuit 032 sisi tegangan rendah Transformator 2 tertutup, dan pemutus sirkuit 034 berada di posisi uji.

Pada 06:14 tanggal 30 Juli 2023, perlindungan over-current Bagian I No. 2 transformator grounding aktif, memutus pemutus sirkuit 022 transformator grounding No. 2. Sementara itu, ia juga memotong pemutus sirkuit 032 sisi tegangan rendah Transformator 2, menyebabkan bus 10 kV Bagian II dan III kehilangan listrik. Perangkat input daya cadangan otomatis (auto-standby) beroperasi untuk menutup pemutus sirkuit penghubung bus 10 kV Bagian I/II 020.

Pada 06:36, perlindungan over-current Bagian I No. 1 transformator grounding aktif, memutus pemutus sirkuit 015 transformator grounding No. 1 dan memotong pemutus sirkuit 018 sisi tegangan rendah Transformator 1, menyebabkan hilangnya listrik di semua bus 10 kV Bagian I, II, dan III. Perangkat auto-standby kemudian menutup pemutus sirkuit 032 sisi tegangan rendah Transformator 2 dan pemutus sirkuit 022 transformator grounding No. 2. Namun, gangguan berlanjut, memicu perlindungan over-current Bagian I transformator grounding No. 2 lagi. Pemutus sirkuit 022 memutus dan memotong pemutus sirkuit 032, akhirnya menyebabkan padam total sistem 10 kV substation.

3.2 Hasil Inspeksi Peralatan di Lapangan
Temuan inspeksi peralatan primer:

• Badan transformator grounding: Tidak ditemukan anomali pada transformator grounding No.1 dan No.2, tanpa jejak gangguan yang jelas pada gulungan atau inti.

• Interval PT bus 10 kV Bagian III (switchgear 040):

• Noda air yang jelas di tutup atas lemari switchgear, menunjukkan infiltrasi air hujan.

• Ablasi parah di posisi fase C pintu ruang handcart, dengan dua lubang tembus di pintu atas.

• Kotak kontak fase C atas dan kontak statis terbakar dan rusak, dengan air cair terakumulasi di dalam kotak.

• Jejak pembakaran busur pada kontak gerak fase C atas/bawah handcart pelindung petir, pegas yang dilembutkan, dan silinder isolasi lengan kontak yang rusak.

• Lapisan isolasi luar bus fase C di ruang bus terbakar dan retak. Penetrasi noda air diamati di area fase C papan belakang ruang bus, dan tetesan air terkondensasi pada sensor tampilan hidup.

• Sedikit air terakumulasi di dasar ruang transformator tegangan, sementara tiga PT fase tidak menunjukkan anomali eksternal yang jelas.

Kebocoran air hujan dari sokongan baja di atas ruang PT bus 10 kV Bagian III menembus switchgear, menurunkan isolasi dan menyebabkan pelepasan fase C yang berkembang menjadi gangguan ground metalik. Dalam sistem grounding tahanan rendah, transformator grounding No. 2 mendeteksi arus nol-murid sekitar 4,3 A/fase (melebihi penyetelan overcurrent I-section 2,5 A), memicu trip. Perlindungan overcurrent tidak memblokir 10 kV auto-standby, menyebabkan operasi berulang. Trip akhir meninggalkan auto-standby tidak terisi, menyebabkan padam total 10 kV.

Faktor kontribusi utama: Kata kontrol "pembatalan nol-murid arus fasa" dinonaktifkan (diatur ke "0"), mencegah filter perangkat lunak komponen nol-murid dalam arus fasa. Dengan arus nol-murid 13 A, perlindungan overcurrent salah operasi. Jika diaktifkan dengan benar, kontrol ini akan mencegah gangguan. Sebaliknya, perlindungan overcurrent nol-murid Bagian I (diatur pada 1,4 A) beroperasi: batas waktu pertama memutus penghubung bus dan memblokir auto-standby; batas waktu kedua memutus pemutus sirkuit transformator grounding dan utama, mengisolasi Bagian II/III sementara Bagian I tetap berdaya.

Akar penyebab: Kata kontrol pembatalan nol-murid yang dinonaktifkan memungkinkan misinterpretasi arus fasa.

4 Kesimpulan

Makalah ini menguraikan penyetelan perlindungan transformator grounding, menganalisis risiko kesalahan operasi di bawah arus nol-murid tinggi, dan menyajikan studi kasus. Untuk mencegah kejadian berulang:

• Aktifkan fitur pembatalan nol-murid berbasis perangkat lunak (misalnya, kata kontrol "pembatalan nol-murid arus fasa") dalam sistem grounding tahanan rendah.

• Jika fitur tersebut tidak tersedia, optimalkan koordinasi antara penyetelan perlindungan overcurrent dan nol-murid.

Poin penting: Konfigurasi proaktif perangkat lunak perlindungan sangat penting untuk mencegah kesalahan operasi selama gangguan ground.