Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
BAB III PROTEKSI TRANSFORMATOR DAYA MENGGUNAKAN TRANSFORMASI HILBERT
Pada bab ini akan dijelaskan tentang metoda panggunaan transformasi Hilbert untuk analisis gangguan pada transformator daya dan implementasi dalam penelitian disertai dengan pemodelan sistem. 3.1
Pengenalan
Metode
Proteksi
Transformator
Daya
menggunakan
Transformasi Hilbert Pada penelitian ini akan diajukan sebuah metode proteksi secara digital pada transformator daya. Metoda ini hanya menggunakan arus sebagai data input serta tidak bergantung dari adanya arus diferensial sebagaimana yang dipakai pada metode relai diferensial. Selain itu metoda ini tidak membutuhkan data tegangan sebagaimana metoda lain yang telah digunakan sebelum ini antara lain metoda dengan waveletbased. Metode ini diperoleh berdasarkan karakteristik dari arus gangguan dalam (internal fault). Ketika gangguan dalam terjadi maka nilai dari amplitudo arus akan bertambah dan aliran arah arus pada sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah dari transformator daya akan berlawanan. Saat aliran arah arus tersebut berlawanan maka sudut fasanya akan meningkat atau berkurang hingga mendekati 1800 dari kondisi sebelum gangguan. Ketika terjadi gangguan luar (external fault) pada sistem, maka nilai dari amplitudo arus akan bertambah, namun karena gangguan yang terjadi tidak terletak dalam daerah pengukuran trafo arus (CT) maka aliran arah arus pada sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah dari transformator daya tidak akan berlawanan. Dengan membandingkan pengukuran besar amplitudo (amplitude envelope) dan beda sudut fasa (phase-angle difference) antara sebelum dengan sesudah 18
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
gangguan pada kedua sisi tegangan transformator daya, maka dapat diketahui perbedaan antara gangguan dalam dengan gangguan luar serta menghindari kejadian relai yang bekerja dari kejadian magnetizing inrush. Pada penelitian tugas akhir ini mempergunakan transformasi Hilbert yang digunakan untuk menghasilkan data besar amplitudo (amplitude envelope) serta beda sudut fasa (phase-angle difference) yang diperoleh dari data arus saluran sistem.
3.2 Dasar Teori Transformasi Hilbert dan Implementasi Penggunaan transformasi Hilbert pada penelitian ini tujuannya adalah untuk menggeser fasa sebesar 900 dan menghasilkan nilai kompleks dari data arus sistem yang diperoleh. Selanjutnya dari nilai kompleks arus sistem tersebut diperoleh nilai komponennya yang berupa nilai real dan nilai imajiner. Kedua nilai tersebut dapat diolah agar dapat menghasilkan besar amplitudo (amplitude envelope) serta beda sudut fasa (phase-angle difference) dari arus saluran sistem yang kita butuhkan untuk selanjutnya dibandingkan dengan batas ambang terjadinya gangguan (threshold). Pengolahan sinyal tersebut dapat ditulis secara matematis ialah sebagai berikut : Transformasi Hilbert dari sebuah nilai real pada domain waktu untuk sinyal y(t) dengan batas dari ∞ hingga - ∞ adalah sinyal bernilai real yang didefinisikan sebagai :
H[ y(t)] = y`(t) =
1
y ( )
t d
Dan inverse dari transformasi Hilbert adalah :
H-1[y`(t)] = y(t) =
19
1
y ( )
t d
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
Dimana y`(t) merupakan HT dari sinyal input y(t) dan arti dari integral tersebut mengimplikasikan nilai integral Cauchy. Jadi, y`(t) adalah integral konvolusi dari y(t) dengan
( 1 t) yang ditulis sebagai y`(t) = y(t)* (1 t). Konvolusi ini akan
memberikan nilai yang sama dengan filter yang menggeser semua komponen frekuensi dari sinyal input sebesar ( 2 ) radian. Jadi HT seringkali diinterpretasikan sebagai 900 phase-shifter atau penggeser fasa. Transformasi ini memiliki bentuk sebagai sebuah basis dari dari sinyal analitik. Transformasi ini dapat dijadikan sebagai sinyal real dari sinyal kompleks yang didefinisikan sebagai : Y(t) = y(t) + jy`(t)
A(t) =
y (t )^ 2 y`(t )^ 2
y`(t ) Ø(t) = arctan y (t )
Dimana Y(t) adalah sinyal analitik yang berupa sinyal kompleks, A(t) adalah besar amplitudo (amplitude envelope) dari sinyal, dan Ø(t) adalah sudut fasa (instantaneous phase-angle) dari sinyal. Dibawah ini ialah blok diagram dari transformasi Hilbert :
Gambar 3.1 Diagram blok dari Transformasi Hilbert
20
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
Implementasi
dari
transformasi
Hilbert
dalam
penelitian
ini
ialah
menggunakan Finite Impules Response Filter (FIR). Filter FIR dari transformasi Hilbert (HT-FIR) dapar diwujudkan dalam bentuk baik bentuk analog maupun bentuk digital. Dalam penelitian ini, HT-FIR yang digunakan adalah dalam bentuk digital. Sebuah Filter HT-FIR dengan koefisien simetri ganjil dirancang dengan menggunakan algoritma Parks-McClellan, yang mana menggunakan algoritma Remez exchange dan teori aproksimasi Chebyshev. Perancangan metode yang dugunakan dapat meminimalisasi kesalahan/error maksimum antara respon frekuensi yang diiinginkan dengan respon frekuensi sebenarnya. Gambar 3.1 menunjukkan diagram blok dari transformasi Hilbert untuk mengukur besar amplitudo (amplitude envelope) dan beda sudut fasa (phase-angle difference). Fungsi transfer dari filter FIR ialah sebagai berikut : H(z) = b0 + b1z-1 + b2z-2 + ... + bnz-n Orde filter, n, mempengaruhi akurasi dari hasil pengukuran besar amplitudo (amplitude envelope) dan kecepatan dalam melakukan perhitungan. Orde filter yang panjang dapat mengurangi kesalahan pengukuran yang terjadi, namun membutuhkan waktu perhitungan yang lebih lama. Dalam penelitian ini, orde filter dipergunakan pada n = 10.
3.3 Prinsip Kerja Metode yang Diajukan
Gambar 3.2 Pemodelan Simulasi Gangguan Sistem
21
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
Kemampuan untuk membedakan gangguan dalam pada F1 dengan gangguan luar pada F2 diperoleh yang utama dengan membandingkan beda sudut fasa (phaseangle difference) dari arus gangguan. Prosedur pada transformasi Hilbert diatas dapat diimplementasikan sebagai berikut : a) Arus fasa pada sisi LV (Ia, Ib, Ic) dan sisi HV (IA, IB, IC) dijadikan sebagai input pada transformasi Hilbert. Dengan Menggunakan persaman HT maka akan diperoleh besar amplitudo (amplitude envelope) Ai (t) dan sudut fasa (phase-angle) Øi (t), dimana i merupakan indeks untuk nama fasa. b) Berdasarkan perolehan dari analisis transformasi Hilbert maka beda sudut fasa (Phase-angle difference) dapat didefinisikan sebagai : ØA (t) = Øa (t) – ØA (t) ØB (t) = Øb (t) – ØB (t) ØC (t) = Øc (t) – ØC (t) c) Gangguan dalam akan terdeteksi apabila masing-masing arus fasa pada kedua sisi tegangan dan beda sudut fasa (phase-angle difference) melebihi ambang (threshold) yang telah ditentukan. Ketika gangguan dalam terdeteksi maka sinyal trip akan mengindikasikan kondisi gangguan. Sedangkan ketika gangguan luar timbul maka sinyal trip akan mengindikasikan sebagai kondisi tidak ada gangguan.
3.4 Pemodelan Sistem Tenaga Listrik
Softaware Matlab Simulink digunakan untuk menghasilkan data gangguan hubung singkat pada jaringan sistem tenaga listrik di daerah sekitar transformator daya. Transformator yang digunakan memiliki spesifikasi 13.8/150 kV hubungan Y/∆ serta frekuensi 50 Hertz. Titik netral dari hubungan Y diketanahkan. Parameter sumber pada sisi tegangan rendah transformator adalah 0.5 GVA dan pada sisi tegangan tinggi setelah saluran transmisi adalah 1.5 GVA. Panjang saluran transmisi ialah 50 Kilometer.
22
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
Sumber 1.5 GVA pada sisi tegangan tinggi setelah saluran transmisi merupakan interpretasi dari sistem jaringan tenaga listrik. Interpretasi sumber 1.5 GVA cukup untuk mewakili kondisi riil di lapangan untuk menganalisis gangguan. Titik terjadinya gangguan adalah pada titik F1 dan F2. Titik F1 terletak didalam daerah pengukuran trafo arus yaitu gangguan dalam. Titik F2 terletak sejauh 25 Kilometer dari transformator daya dan diluar daerah pengukuran trafo arus, merupakan gangguan luar Maka jumlah dari kedua jarak F1 Dan F2 merupakan panjang total saluran yaitu 50 Kilometer.Parameter-parameter instalasi untuk model sistem jaringan transmisi adalah sebagai berikut : 1. Parameter sumber : Generator G1 : 0.5 GVA, 13.8kV, X/R = 5 Generator G2 : 1.5 GVA, 150 kV,X/R = 5 2. Parameter transformator daya : 50 MVA, 3 fasa, 13.8/150 kV, Yg/∆ solid grounding Kumparan primer : R = 0.002 pu, X = 0.08 pu Kumparan sekunder : R = 0.002 pu, X = 0.08 pu Impedansi Magnetisasi : Rm = 500 pu, Lm = 500 pu 3. Parameter saluran transmisi : R1 = 0.001273 Ω/km L1 = 0.00293 H/km C1 = 0.012 μF/km
23
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
4. Resistansi tanah dan resistansi gangguan : Resistansi gangguan (Rf): Rf = 2 ohm Resistansi tanah (Rg) : Rg = 5 ohm Simulasi gangguan ini menghasilkan data arus dari sistem yang disampling setiap 0.001 detik. Rangkaian pengukuran pada arus setiap fasa diukur secara independen. Setiap trafo arus pada pada sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah transformator tidak memiliki hubungan rangkaian langsung dengan trafo arus lainnya, oleh karena itu tidak diperlukan untuk menghubungkan trafo arus dalam hubungan ∆/Y. Rangkaian pengukuran seperti ini memberikan beberapa keuntungan sebagai berikut : 1. Rasio trafo arus tidak perlu sama antara satu dengan yang lain 2. Setiap fasa dimungkinkan memiliki perbedaan level nilai ambang besar amplitudo (amplitude-envelope) bergantung dari rasio trafo arus yang dipakai pada masing-masing fasa saluran 3. Masalah dari CT-ratio mismatch yang disebabkan adanya tap-changing dari transformator daya dapat dihindari.
Gambar 3.3 Pemodelan Simulasi dan Parameter Sistem
Pada simulasi ini, untuk mendukung kestabilan algoritma untuk membedakan antara gangguan dalam dengan gangguan luar, batas ambang yang diberikan untuk besar amplitudo (amplitude-envelope) adalah 110% dari kondisi arus sebelum gangguan. Sementara itu, batas ambang untuk beda sudut fasa (phase-angle
24
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
difference) diberikan ± 1200 atau 2 3 untuk masing-masing fasa. Analisis nilai-nilai ini telah dipelajari dan lazim digunakan untuk membedakan antara gangguan dalam dan gangguan luar. Simulasi dari metoda yang diajukan berjalan secara realtime atau online. Jadi dengan pengertian bahwa ketika arus saluran terdeteksi oleh rangkaian pengukuran, maka seketika itu pula besar amplitudo (amplitude-envelope) dan beda sudut fasa (phase-angle difference) dihitung untuk membedakan saat terjadi gangguan dalam dengan gangguan luar. Kemudian sinyal trip akan timbul jika gangguan dalam terjadi, tidak demikian halnya dengan gangguan luar.
3.5 Pemodelan Sistem dengan Saturasi Trafo Arus
Saturasi trafo arus memperlihatkan bentuk gelombang yang sepadan dengan sisi arus primer sampai dengan inti trafo arus tersebut mengalami saturasi. Pada saat inti dari trafo arus mengalami saturasi, saturasi ini mempengaruhi bentuk gelombang pada sisi sekunder trafo arus sehingga dapat mempengaruhi besaran arus yang terdeteksi pada kumparan relai. Untuk menginterpretasikan keadaan saturasi trafo arus tersebut maka akan diberikan parameter-parameter saturasi inti pada komponen trafo arus. Komponen trafo arus pada simulasi ditunjukkan pada gambar 3.4
Gambar 3.4 Pemodelan Simulasi Saturasi Trafo Arus
25
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
Parameter yang diberikan untuk pemodelan saturasi trafo arus ialah B ={0 10 10.5} dan H = {0, 0.01 1}. Kurva dari B dan H ditunjukkan dari gambar 3.5.
15 10.5
10
10
B
5 0
0 -5 -10
-1
-0.01 -10.5
0
0.01
1
-10
-15 H
Gambar 3.5 Kurva B versus H dari Pemodelan Saturasi Trafo Arus
3.5 Algoritma Metode yang Diajukan
Algoritma dari metode proteksi ini secara umum dapat dituliskankan sebagai berikut : 1. Langkah pertama, memperoleh data berupa sinyal arus dari transformator daya dari terminal trafo arus 2. Langkah kedua, mengolah data sinyal arus dari sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah menjadi sinyal kompleks dengan transformasi Hilbert 3. Langkah ketiga, menghitung beda sudut fasa (phase-angle difference) dari arus masing-masing fasa pada sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah
26
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
4. Langkah keempat, perbandingan besar amplitudo (amplitude-envelope) dan beda sudut fasa (phase-angle difference) dengan batas ambang yang ditentukan 5. Langkah kelima, menentukan sinyal trip antara gangguan dalam dan gangguan luar atau magnetizing inrush. Algoritma tersebut dirancang dalam Matlab Simulink untuk mengolah data input berupa arus saluran. Output yang dihasilkan akan tampak dalam simulasi secara online berupa besar amplitudo (amplitude-envelope) sisi tegangan rendah, besar amplitudo (amplitude-envelope) sisi tegangan tinggi beda sudut fasa (phase-angle difference) dari fasa-fasa yang besesuaian, dan sinyal trip untuk respon relai. Flowchart dari algorima metode yang diajukan dapat dilihat pada gambar 3.6
27
Laporan Tugas Akhir
Bab III Teknik Proteksi Transformator Daya
Gambar 3.6 Flowchart Metode yang Diajukan
28
Laporan Tugas Akhir
