Jurnal Sarjana Institut Teknologi Bandung bidang Teknik Elektro dan Informatika Vol. 1, No. 3 Oktober 2012
Karakteristik Konfigurasi Interbus Transformer Y/Y Inti Tiga-kaki dengan dan tanpa Belitan Tersier Delta sebagai Belitan Penyeimbang Agam Bhaskoro1, Dr. Ir. Muhammad Nurdin2, Dr. Ir. Nanang Hariyanto3 1,3
Jurusan Teknik Tenaga Listrik STEI ITB Jln. Ganesha 10 Bandung 40132 INDONESIA
[email protected] [email protected] [email protected] 2
Institut Teknologi Bandung
Abstrak— Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi (GITET) 275 kV merupakan jantung dari sistem kelistrikan. Sistem ini merupakan sumber utama ke gardu induk pada level tegangan dibawahnya selain dengan unit pembangkitan pada level tegangan 150 kV, sehingga keberadaannya sangat strategis dan membutuhkan kehandalan yang sangat tinggi didalam operasinya. Interbus transformer (IBT) pada saat ini seringkali memiliki belitan tersier delta sebagai belitan penyeimbang. Belitan tersier ini seringkali menjadi sumber permasalahan yang terjadi di interbus transformer (IBT). Di berbagai negara praktek untuk menggunakan belitan tersier pada interbus transformer (IBT) telah ditinggalkan. Hal ini menyebabkan pertanyaan “apakah belitan tersier delta dibutuhkan dalam interbus transformer ?”. Hal ini mendorong penulis untuk meneliti lebih jauh mengenai fungsi dan cara kerja dari belitan tersier delta. Konsep dasar yang dipergunakan penulis yaitu dengan membandingkan performa dari transformator dengan dan tanpa belitan tersier delta dalam keadaan terjadi gangguan maupun ketika beroperasi sebagai belitan penyeimbang. Simulasi dilakukan dengan data interbus transformer (IBT) dari PT. UNINDO ALSTHOM pada software alternative transient program (ATP) untuk melihat bentuk gelombang dan besar dari arus maupun tegangan. Simulasi dilakukan pada konfigurasi pentanahan yang berbeda yaitu diketanahkan langsung (solidly grounded), diketanahkan melalui neutral grounding resistor (NGR), maupun tidak diketanahkan (floating) karena konfigurasi pentanahan mempengaruhi rangkaian impedansi urutan ke-nol dari transformator. Hasil simulasi digunakan untuk mengambil keputusan mengenai konfigurasi transformator yang tepat pada kondisi sistem tertentu. Kata kunci— interbus transformer, belitan tersier delta, konfigurasi pentanahan.
I. PENDAHULUAN Sistem transmisi tenaga listrik umumnya dibagi dalam kedalam beberapa grid untuk mengurangi rugi-rugi pada sistem transmisi tenaga listrik. Untuk menyalurkan daya dari tingkat tegangan tertentu ke tingkat tegangan lainnya dibutuhkan transformator. Transformator yang menyalurkan daya dari sisi pembangkitan ke pusat beban dari satu tingkat
tegangan tertentu ke tingkat tegangan lainnya dalam saluran transmisi tenaga listrik disebut interbus transformer (IBT). Interbus transformer merupakan komponen yang sangat penting dalam saluran transmisi tenaga listrik karena menyalurkan daya dari tingkat tegangan ekstra tinggi. Jika interbus transformer gagal bekerja akan terjadi pemadaman listrik pada area yang sangat luas. Karenanya, perencanaan dalam pembuatan interbus transformer haruslah matang agar dapat bekerja dengan handal. Interbus transformer dilengkapi dengan belitan tersier yang berfungsi sebagai belitan penyeimbang ketika terjadi beban tidak seimbang. Pada kenyataannya sering terjadi gangguan pada interbus transformer yang berasal dari belitan tersiernya. Oleh sebab itu, maka diperlukan studi yang mempelajari belitan tersier pada interbus transformer untuk mengetahui konfigurasi yang lebih handal dan ekonomis. Didalam aplikasinya dilapangan belitan/ sambungan primer dan sekunder interbus transformer merupakan hubungan bintang/bintang yang dapat diketanahkan secara langsung (solid), dengan diketanahkan melalui neutral grounding resistor (NGR), ataupun dipasang dalam keadaan mengambang (floating). Ketiga konfigurasi ini akan mempengaruhi sistem proteksi yang akan digunakan. Sampai saat ini belum ada referensi yang bisa digunakan sebagai rujukan untuk pemasangan sambungan belitan tersier dengan konfigurasi seperti diatas serta karakteristik pada saat terjadi gangguan dari masing-masing konfigurasi tersebut. Sehingga sering kali konfigurasi interbus transformer saat ini kurang ekonomis, tidak efektif, dan kurang handal karena tidak tepat konfigurasinya dan penggunaannya dalam sistem. Perihal diatas mendorong penulis untuk meneliti lebih jauh karakteristik interbus transformer, dengan dan tanpa belitan tersier, dengan konfigurasi pentanahan berbeda-beda pada saat terjadi gangguan maupun pada saat operasi tidak seimbang..
II. IMPEDANSI URUTAN KE-NOL PADA TRANSFORMATOR Untuk mendukung pencapaian tujuan penelitian ini perlu diuraikan terlebih dahulu pemasangan belitan tersier delta, impedansi urutan ke-nol pada transformator. A. Pemasangan Belitan Tersier Delta Belitan tersier mengatasi arus harmonisa ketiga dengan menyediakan jalur dengan impedansi yang kecil. Begitu pula arus urutan ke-nol akibat ketidak-seimbangan beban juga diatasi dengan dialirkan pada belitan delta sehingga tidak memberikan efek yang besar kepada sistem. Komponen harmonisa ketiga yang mengandung arus magnetisasi harus mengalir ke netral untuk hubungan bintang, dimana netral dan hubungan bintang ditanahkan, atau berada mengalir di dalam belitan hubungan delta. Jika arus harmonisa tidak dapat mengalir pada jalur-jalur ini maka tegangan keluaran akan mengandung distorsi harmonisa. Karena kegunakaan belitan tersier delta untuk mengatasi hal ini sehingga sering disebut belitan penyeimbang [5]. Konfigurasi dari belitan tersier delta dapat disesuaikan kebutuhan sehingga dapat juga dibebani. Pada trafo transmisi belitan tersier delta juga sering digunakan untuk menyediakan hubungan untuk proteksi sistem. Ketidak seimbangan pada sistem menyebabkan arus sirkulasi di belitan tersier delta. Arus sirkulasi menyebabkan fluks yang berlawanan dengan fluks urutan ke-nol pada masing-masing kaki inti besi transformator. Sehingga menimbulkan efek menyeimbangkan fluks urutan ke-nol pada inti besi transformator seperti yang diperlihatkan pada gambar II.4.
Gbr 1. Transformator hubung bintang/bintang inti 5-kaki dengan belitan tersier delta[4].
Pemasangan belitan tersier menyebabkan impedansi hubung singkat yang berbeda. Berikut cara menghitung impedansi pada transformator tiga belitan: Zps = (Zp + Zs) (II.5) Zts = (Zt + Zs) (II.6) Zpt = (Zp + Zt) (II.7) Zp = ½ (Zps + Zpt - Zts) (II.8) Zs = ½ (Zps + Zts - Zpt) (II.9) Zt = ½ (Zts + Zpt - Zps) (II.10)
Dimana : Zp = Impedansi kumparan primer Zs = Impedansi kumparan sekunder Zt = Impedansi kumparan tersier Zps = Impedansi hubung singkat belitan primer ke sekunder Zpt = Impedansi hubung singkat belitan primer ke tersier. Zts = Impedansi hubung singkat belitan tersier ke sekunder. B. Impedansi Urutan ke-nol pada Transformator Faktor yang mempengaruhi impedansi urutan ke-nol transformator adalah inti besi/ rangkaian magnetik dari transformator, dan konfigurasi belitan serta pentanahannya. Terdapat beberapa rangkaian magnetik untuk transformer, tetapi pada kasus impedansi urutan ke-nol dapat digeneralisasi menjadi dua golongan. Golongan tersebut antara lain rangkaian magnetik dengan minyak transformator sebagai jalur kembali dari fluks urutan ke-nol, dan rangkaian magnetik yang menyediakan kaki inti besi sebagai jalur kembali dari fluks urutan ke-nol. Golongan pertama terdiri dari inti besi tiga-kaki. Pada inti besi tiga-kaki, pada saat terjadi kondisi beban tidak seimbang maka fluks urutan ke-nol harus melalui celah minyak dan perlengkapan konstruksi dari transformator termasuk didalamnya adalah tangki transformator seperti yang diperlihatkan gambar II.9. Hal ini menyebabkan fluks melalui jalur dengan reluktansi yang besar dibandingkan dengan reluktansi inti besi. Maka impedansi magnetisasi dari rangkaian magnetik ini menjadi lebih kecil dibandingkan rangkaian magnetik yang lain. Lebih jauh lagi fluks urutan kenol yang melalui perlengkapan konstruksi akan menyebabkan arus eddy pada perlengkapan tersebut yang dapat menyebabkan panas berlebih bila tidak diatasi. Hal ini harus diperhitungkan dalam desain rangkaian magnetik dengan memberikan proteksi fluks secara paralel dengan material seperti inti besi.
Gbr 2. Fluks urutan ke-nol pada transformator inti besi tiga-kaki[1].
Sedangkan golongan yang lainnya terdiri dari rangkaian magnetik inti besi lima-kaki, inti besi tipe cangkang, serta gabungan dari tiga transformator satu fasa. Pada golongan rangkaian magnetik ini fluks urutan ke-nol memiliki jalur kembali pada kaki yang tidak dibelit yang memiliki reluktansi yang rendah seperti pada gambar II.11. Hal ini menyebabkan impedansi magnetik yang besar.
Gbr 3. Fluks urutan ke-nol pada transformator inti besi lima-kaki[1].
Pada belitan transformator terdapat dua hubungan tiga fasa yang umum digunakan yaitu hubungan bintang (Y) dan hubungan segitiga/ delta (∆). Hubungan bintang (Y) memiliki dapat diketanahkan baik secara langsung maupun melalui NGR. Apabila dipasangkan dengan hubungan bintang (Y) yang juga diketanahkan maka arus urutan ke-nol dapat disalurkan ke sisi transformator lainnya. Hal ini menyebabkan ampere-turn dari transformator tersebut seimbang sehingga tidak terdapat fluks urutan ke-nol. Pada rangkaian impedansi urutan ke-nol hal ini direpresentasikan dengan terhubungnya impedansi uji hubung singkat urutan ke-nol ke sistem. Hubungan segitiga/ delta (∆) memiliki kelebihan menurunkan impedansi urutan ke-nol apabila dipasangkan dengan hubungan bintang. Hal ini menyebabkan arus sirkulasi pada belitan delta apabila terdapat fluks urutan ke-nol. Arus sirkulasi ini kemudian menyebabkan keseimbangan ampereturn pada inti besi transformator. Berikut kombinasi dari masing-masing hubungan dengan pentanahannya : 1. YNy atau Yyn Pada konfigurasi ini arus urutan ke-nol tidak dapat dialirkan melalui pentanahan ke sisi trafo yang tidak diketanahkan. Arus urutan ke-nol harus melalui impedansi magnetisasi yang besar sehingga terdapat kenaikan tegangan netral pada sisi yang tidak diketanahkan. Hal tersebut juga menyebabkan fluks urutan ke-nol sehingga keseimbangan ampere-turn tidak tercapai. Fluks urutan ke-nol ini dapat menyebabkan rugi-rugi arus eddy pada konstruksi transformator. 2. YNd, Dyn, YNyd (belitan tersier delta dibebani), atau YNy+d (belitan tersier tidak dibebani) Arus urutan ke-nol pada hubungan Y yang diketanahkan bersirkulasi pada hubungan delta. Impedansi tersier jauh lebih rendah dibanding impedansi magnetisasi sehingga sebagian besar arus melewati impedansi tersebut seperti diperlihatkan pada gambar II.13.
Gbr 4. Rangkaian impedansi urutan ke-nol pada transformator YNyd atau YNy+d[1].
3. YNyn atau YNauto Dengan diketanahkan pada kedua sisinya arus urutan ke-nol dapat disalurkan melalui transformator dengan impedansi yang relatif rendah. Pada inti besi tiga-kaki impedansi magnetisasi yang tidak terlalu besar menyebabkan impedansi yang dilalui turun menjadi 90% sampai 95% dari impedansi uji hubung singkat. Sedangkan pada inti besi lima-kaki impedansi magnetisasi sangat besar sehingga dapat diabaikan. Apabila salah satu hubungan diketanahkan melalui NGR bernilai Zn maka rangkaian impedansi urutan ke-nolnya dihubungkan seri dengan impedansi bernilai 3Zn seperti gambar II.14.
Gbr 5. Rangkaian impedansi urutan ke-nol pada transformator YNyn dengan hubungan di sekunder diketanahkan melalui impedansi Zn[1].
4. YNynd atau YNyn+d Seperti pada hubungan YNyd atau YNy+d tetapi arus urutan ke-nol dapat datang dari kedua sistem yang dihubungkan pada transformator. Impedansi magnetisasi dapat diabaikan pada hubungan ini. Impedansi dari hubungan ini berada pada 85% sampai 90% dari biasa.
Gbr 6. Rangkaian impedansi urutan ke-nol pada transformator YNynd[1].
III. KARAKTERISTIK KONFIGURASI INTERBUS TRANSFORMER
transformator yang berbeda-beda untuk menentukan apakah arus dapat dideteksi oleh relay proteksi juga menghitung Paragraph harus teratur. Semua paragraf harus rata, yaitu dengan menggunakan MATLAB, berdasarkan simulasi ATPDraw, arus sirkulasi yang terjadi di belitan tersier delta pada sama-sama rata kiri dan dan rata kanan. saat terjadi hubung singkat karena dapat menyebabkan gaya A. Pemodelan Ketidak Seimbangan Sistem elektromagnetik kuat yang dapat menyebabkan belitan terurai. Belitan tersier delta sebagai belitan penyeimbang bertujuan Simulasi juga dilakukan dengan tahanan gangguan yang untuk menurunkan impedansi urutan ke-nol dari transformator. berbeda-beda (0.1 Ohm, 1 Ohm, 10 Ohm, dan 100 Ohm) Hal ini bertujuan untuk memfasilitasi relay proteksi agar dapat untuk melihat karakteristik arus hubung singkat dari masingmembaca arus hubung singkat dan dapat melakukan tindakan masing konfigurasi. Simulasi dilakukan selama 1 detik dengan perlindungan. Selain itu, belitan tersier delta juga bertujuan waktu sampling 10-5 detik karena sudah merepresentasikan sebagai belitan penyeimbang pada keadaan operasi beban fenomena transient dan tunak dan memiliki akurasi yang tidak seimbang. Oleh sebab itu, perlu dilakukan studi cukup baik. Berdasarkan IEC 600076-8[1] arus hubung singkat mengenai performa transformator pada keadaan tidak yang diperhitungkan antara lain adalah: seimbang terburuk yaitu pada saat terjadi hubung singkat 1. Kasus 1 : Arus hubung singkat satu fasa di sistem maupun pada keadaan operasi beban tidak seimbang. sekunder Rangkaian impedansi urutan ke-nol juga dipengaruhi oleh pentanahan dari transformator. Terdapat tiga jenis pentanahan 2. Kasus 2 : Arus hubung singkat satu fasa di sistem primer yaitu diketanahkan secara langsung (solid), diketanahkan 3. Kasus 3 : Arus hubung singkat dua fasa di sistem sekunder melalui NGR, dan tidak diketanahkan (float). Oleh sebab itu, 4. Kasus 4 : Arus hubung singkat dua fasa di sistem primer dalam pemodelannya terdapat beberapa konfigurasi 5. Kasus 5 : Arus hubung singkat tiga fasa di sistem sekunder pentanahan untuk mengetahui performa dari masing-masing 6. Kasus 6 : Arus hubung singkat tiga fasa di sistem primer konfigurasi. Konfigurasi transformator yang akan dimodelkan 7. Kasus 7 : Arus hubung singkat tiga fasa di sistem tersier Simulasi dengan ATP-Draw juga dilakukan untuk antara lain: memodelkan operasi pada sistem tidak-seimbang dengan 1. YNy0 tingkat ketidak-seimbangan 1%, 2%, 5%, 10%, dan 20%, 2. YNy0 (NGR 30) diatas batas ketidak-seimbangan EN50160 dan IEC 1000-3-x 3. YNy0+d untuk tegangan tinggi sebesar 1%, sehingga hanya 4. YNy0+d (NGR 30) dimodelkan terhadap konfigurasi transformator dengan belitan 5. YNyn0 tersier delta sebagai belitan penyeimbang dengan asumsi 6. YNyn0 (NGR 30 I) model lain tidak dapat digunakan karena sistem tidak 7. YNyn0 (NGR 30 II) seimbang diatas 1% tidak diperbolehkan. Simulasi dilakukan 8. YNyn0 (NGR 30 III) pada sistem dengan ketidak-seimbangan urutan negatif dan 9. YNyn0+d urutan ke-nol sesuai standar. 10. YNyn0+d (NGR 30 I) Simulasi ini dilakukan untuk melihat performa belitan 11. YNyn0+d (NGR 30 II) tersier pada saat bekerja dalam sistem dengan tingkat ketidak12. YNyn0+d (NGR 30 III) seimbangan tertentu. Simulasi ini dilakukan untuk melihat 13. Yyn0 kenaikan tegangan pada bushing terminal tersier pada tingkat 14. Yyn0 (NGR 30) ketidak-seimbangan tertentu untuk menentukan rating dari 15. Yyn0+d isolasi pada terminal tersier. Selain itu arus sirkulasi dalam 16. Yyn0+d (NGR 30) belitan tersier juga diperhatikan karena merupakan faktor Ket: - (NGR 30) maksudnya adalah diketanahkan melalui yang dapat menyebabkan pemanasan berlebih bila tidak sesuai desainnya. NGR sebesar 30 Ohm - (NGR 30 I) maksudnya adalah belitan primer B. Simulasi Arus Hubung Singkat diketanahkan melalui NGR sebesar 30 Ohm Penjelasan dari simulasi ini akan dilakukan berdasarkan - (NGR 30 II) maksudnya adalah belitan sekunder konfigurasi dari transformator. diketanahkan melalui NGR sebesar 30 Ohm Berikut kurva karakteristik arus hubung singkat dari - (NGR 30 III) maksudnya masing-masing belitan konfigurasi YNy0: diketanahkan melalui NGR sebesar 30 Ohm AKIBAT KETIDAK SEIMBANGAN SISTEM
Belitan tersier delta sebagai belitan penyeimbang pada umumnya diketanahkan secara langsung pada salah satu terminalnya untuk menghindari tegangan berlebih. Simulasi yang dilakukan diantaranya adalah simulasi arus hubung singkat dengan menggunakan software ATP-Draw. Simulasi ini dilakukan untuk melihat besar arus hubung singkat yang terjadi dengan konfigurasi pentanahan
Kurva karakteristik dari konfigurasi YNy0+d memiliki nilai paling tinggi seperti dua konfigurasi sebelumnya. Hal ini disebabkan karena sisi sekunder tidak diketanahkan sehingga arus urutan ke-nol harus melalui impedansi magnetisasi seperti konfigurasi sebelumnya. Pengaruh dari belitan tersier dapat dilihat pada kasus dimana terdapat arus urutan ke-nol pada belitan primer yaitu pada kasus 2 dan kasus 4. Arus hubung singkat pada kedua kasus tersebut meningkat terutama pada kasus 2, meningkat sebesar 1 kA. Hal ini disebabkan karena rangkaian impedansi total merupakan rangkaian seri dari masing-masing impedansi komponennya. Berikut kurva karakteristik arus hubung singkat untuk konfigurasi ini:
kA
Ohm Gbr 7. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNy0, YNy0 (NGR 30), Yyn0, dan Yyn0 (NGR 30)
Dari kurva tersebut dapat kita lihat pada hambatan gangguan kecil (0,1 Ohm) nilai arus hubung singkat tiga fasa dan arus hubung singkat dua fasa ke tanah pada sisi sekunder berada paling atas dengan nilai lebih dari 27 kA. Sedangkan arus hubung singkat satu fasa ketanah pada sisi sekunder berada pada nilai 25,5 kA. Hal ini disebabkan karena impedansi urutan ke-nol dari konfigurasi transformator ini dianggap sama besar dengan impedansi urutan positif dan negatif karena arus urutan ke nol harus melewati impedansi magnetisasi untuk disalurkan ke belitan primer. Hal yang menarik lainnya adalah nilai arus hubung singkat di primer lebih besar daripada arus hubung singkat di sekunder pada hambatan gangguan sangat besar (100 Ohm). Hal ini disebabkan karena pada rangkaian impedansi komponen simetrisnya impedansi gangguan bernilai tiga kali lebih besar dari biasa dan terhubung secara seri sehingga lebih besar pengaruhnya pada nilai impedansi total. Hal ini menyebabkan impedansi total pada gangguan hubung singkat di sisi primer dan sekunder tidak begitu berbeda sedangkan tegangan sebelum terjadi gangguan lebih besar di sisi primer. Pada hambatan hubung singkat sangat besar (100 Ohm) dapat dilihat arus hubung singkat yang paling kecil sebesar 1,2 kA dengan kontribusi dari sistem sekunder sebesar 1,06 kA, masih jauh lebih besar dari arus beban maksimal sebesar 0,49 kA, sehingga dapat dengan mudah dideteksi oleh relay proteksi sebagai gangguan dan dapat segera diatasi. Proteksi arus urutan ke-nol hanya dapat dilakukan pada sistem primer. Kurva karakteristik dari konfigurasi YNy0 (NGR 30) ini sama seperti kurva karakteristik konfigurasi YNy0. Hal ini disebabkan karena pada rangkaian impedansi urutan ke-nol, impedansi NGR (30 Ohm) bernilai tiga kali lebih besar dan terangkai secara seri dengan impedansi magnetisasi. Kemudian impedansi tersebut paralel dengan impedansi sistem primer. Hal ini menyebabkan impedansi urutan ke-nol hampir sama dengan konfigurasi YNy0. Arus hubung singkat hampir sama dengan arus kontribusi dari sistem primer. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 2 adalah paling besar yaitu 0.167 A. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan primer sebesar 5 V.
kA
Ohm Gbr 8. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNy0+d
Pada konfigurasi ini dapat terjadi hubung singkat di belitan tersier dengan nilai sebagai berikut:
kA
Ohm Gbr 9. Kurva arus hubung singkat tiga fasa di belitan tersier untuk semua konfigurasi
Hubung singkat tiga fasa di tersier, sama seperti hubung singkat tiga fasa di primer dan sekunder, memiliki nilai yang sama untuk semua konfigurasi. Hal ini disebabkan karena hubung singkat tiga fasa hanya dipengaruhi oleh impedansi urutan positif. Pada hubung singkat kasus 2 dan 4 dapat dihitung arus sirkulasi yang terjadi di belitan tersier delta yang dapat menjadi alternatif untuk mendeteksi arus hubung singkat.
Berikut data arus sirkulasi di belitan tersier untuk konfigurasi YNy0+d: kA kA
Ohm Ohm Gbr 10. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi YNy0+d
Arus sirkulasi ini harus diperhitungkan dalam desain terutama terhadap gaya elektromagnetik, yang merupakan kuadrat arus, akibat arus hubung singkat yang dapat menguraikan belitan transformator apabila tidak diantisipasi. Kurva karakteristik dari konfigurasi YNy0+d (NGR 30) tidak jauh berbeda dengan konfigurasi YNy0 dan YNy0 (NGR 30). Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol di belitan primer dibatasi oleh impedansi sebesar tiga kali NGR. Dapat dilihat arus hubung singkat kasus 2 dan 4 turun nilainya, bahkan arus hubung singkat kasus 2 turun 0,5 kA. Hal yang menarik terdapat pada kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta yang turun secara signifikan. Hal ini disebabkan arus urutan ke-nol di belitan primer yang juga turun diperbesar dengan perbandingan tegangan belitan primer ke belitan tersier. Hal ini dapat digunakan untuk membatasi arus sirkulasi yang dapat terjadi di belitan tersier delta yang akan sangat diperlukan pada pentanahan belitan sekunder seperti yang akan dilihat pada kasus berikutnya. Berikut ini kurva karakteristik beserta kurva arus sirkulasinya:
Gbr 12. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi YNy0+d (NGR 30)
Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 2 adalah paling besar yaitu 1.58 kA. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan primer sebesar 47.3 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan primer transformator. Pada konfigurasi YNyn0 arus urutan ke-nol dapat melalui pentanahan untuk dapat disalurkan ke belitan sebelahnya. Hal ini menyebabkan impedansi urutan ke-nol yang relatif kecil. Berikut kurva karakteristiknya:
kA
Ohm
kA Gbr 13. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNyn0
Ohm Gbr 11. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNy0+d (NGR 30)
Dapat dilihat bahwa arus hubung singkat yang paling besar adalah arus hubung singkat satu fasa ketanah di belitan sekunder sebesar 27,61 kA. Kelebihan dari konfigurasi ini adalah dapat mendeteksi arus urutan ke-nol di belitan primer maupun belitan sekunder untuk memfasilitasi relay proteksi. Dalam keadaan tidak seimbang di bawah batas ketidakseimbangan konfigurasi ini memberikan keseimbangan ampere-turn yang berarti tidak terjadi pemanasan tambahan akibat rugi-rugi arus eddy di konstruksi transformator. Pada konfigurasi YNyn0 (NGR 30 I) arus urutan ke-nol di belitan primer ditahan oleh impedansi sebesar 3 kali NGR. Berikut kurva karakteristiknya:
kA
kA
Ohm
Ohm
Gbr 14. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNyn0 (NGR 30 I)
Gbr 15. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNyn0 (NGR 30 II)
Pada Konfigurasi ini arus hubung singkat paling besar adalah arus hubung singkat dua fasa ketanah pada belitan sekunder dengan nilai 27,9 kA. Hal ini disebabkan impedansi tiga kali NGR yang terangkai secara seri pada impedansi urutan ke-nol meningkatkan sedikit nilai impedansi urutan kenol. Hal ini sangat terlihat pada kasus 1 karena impedansi totalnya terangkai secara seri dari impedansi komponen simetrisnya. Sedangkan untuk kasus 3 yang impedansi totalnya merupakan paralel impedansi komponen simetris perubahan ini tidak terlalu terlihat. NGR pada belitan primer menurunkan arus hubung singkat untuk kasus 2 dan 4, terutama kasus 2 sebesar 0,5 kA. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 2 adalah paling besar yaitu 1.68 kA. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan primer sebesar 51 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan primer transformator. Pada konfigurasi YNyn (NGR 30 II) NGR menahan arus urutan ke-nol pada belitan sekunder agar tidak terlalu besar. Hal ini menyebabkan arus hubung singkat pada kasus 1 dan kasus 3 menurun dibandingkan konfigurasi sebelumnya. Berikut kurva karakteristik dari konfigurasi ini :
Kurva karakteristik konfigurasi ini hampir sama dengan kurva karakteristik sebelumnya. Tetapi dapat dilihat jelas untuk kasus 1 dan 3 terjadi penurunan arus hubung singkat sebesar 1 kA. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 2 adalah paling besar yaitu 1.36 kA. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan sekunder sebesar 40.6 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan sekunder transformator. Pada konfigurasi YNyn0 (NGR 30 III) terjadi sedikit penurunan arus urutan ke-nol pada hampir semua kasus. Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol dibatasi baik di belitan primer maupun di belitan sekunder. Kurva karakteristik dari konfigurasi ini hampir identik dengan kurva karakteristik konfigurasi YNyn (NGR 30 II). Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 2 adalah paling besar yaitu 589.14 A di belitan primer dan 1.08 kA di belitan sekunder. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan primer sebesar 17.7 kV dan di belitan sekunder sebesar 32.4 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan primer dan sekunder transformator. Pada konfigurasi YNyn0+d impedansi urutan ke-nol paling kecil hal ini disebabkan karena ada impedansi tersier yang relatif kecil yang paralel dengan impedansi magnetisasi pada rangkaian impedansi urutan ke-nolnya. Berikut kurva konfigurasinya:
kA
kA
Ohm Gbr 16. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNyn0+d
Dapat dilihat arus hubung singkat paling besar adalah arus hubung singkat satu fasa ketanah pada belitan sekunder sebesar 32,12 kA. Seluruh kasus yang melibatkan arus urutan ke-nol naik nilainya dibandingkan konfigurasi lain. Sedangkan data arus sirkulasi pada belitan tersier delta sebagai berikut:
kA
Ohm Gbr 18. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 I)
Pada kurva karakteristik dapat dilihat penurunan arus hubung singkat pada kasus 2 dan kasus 4. Selebihnya kurva karakteristik ini identik dengan kurva karakteristik sebelumnya. Sedangkan kurva arus sirkulasinya sebagai berikut:
kA
Ohm Gbr 17. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi YNyn0+d
Dapat dilihat dari kurva arus sirkulasi bahwa arus sirkulasi yang terjadi di belitan tersier delta sangat besar pada kasus 1 dan kasus 3. Hal ini berbahaya terutama terhadap gaya elektromagnetik yang akan terjadi antar belitan. Oleh sebab itu, arus ini harus dibatasi dengan menggunakan NGR pada belitan sekunder seperti konfigurasi berikutnya. Dapat dilihat arus sirkulasi akibat kasus 2 dan kasus 4 relatif kecil dibandingkan pada konfigurasi dengan belitan tersier delta sebelumnya. Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol pada konfigurasi ini dibagi juga terhadap arus urutan ke-nol di belitan sekunder. Pada konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 I) arus urutan ke-nol ditahan oleh NGR. Berikut kurva karakteristiknya:
Ohm Gbr 19. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 I)
Dapat dilihat arus sirkulasi akibat kasus 2 dan kasus 4 turun drastis sebesar 2 kA. Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol pada kasus tersebut ditahan oleh NGR. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 2 adalah paling besar yaitu 1.73 kA. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan primer sebesar 52 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan primer transformator. Berikut kurva karakteristik konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 II):
kA kA
Ohm Ohm
Gbr 20. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 II)
Dapat dilihat arus hubung singkat pada kasus satu turun signifikan sebesar 5,5 kA. Hal ini disebabkan oleh NGR yang menahan arus urutan ke-nol di belitan sekunder. Sedangkan kurva arus sirkulasi yang terjadi pada belitan tersier delta sebagai berikut:
kA
Ohm Gbr 21. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 II)
Dapat dilihat arus sirkulasi untuk kasus 1 dan kasus 3 turun drastis hingga 2,9 kA. Hal ini disebabkan oleh NGR. Sedangkan arus sirkulasi pada kasus 2 dan kasus 4 naik signifikan menjadi 14,71 kA dan 8,38 kA hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol hanya sedikit yang ke belitan sekunder karena NGR. Sehingga sebagian besar arus urutan ke-nol ke belitan primer. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 1 adalah paling besar yaitu 1.47 kA. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan sekunder sebesar 43.9 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan sekunder transformator. Kurva karakteristik konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 III) mirip dengan sebelumnya selain kasus 2 dan 4.
Gbr 22. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 III)
Pada kurva arus sirkulasi dapat dilihat penurunan signifikan pada kasus 2 dan 4 karena NGR. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 2 adalah paling besar untuk belitan primer yaitu 1.57 kA. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan primer sebesar 46.9 kV. Sedangkan arus yang melewati NGR pada kasus 1 adalah paling besar yaitu 1.45 kA untuk belitan sekunder. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan sekunder sebesar 43.4 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan primer dan sekunder transformator. Kurva karakteristik dari konfigurasi Yyn0 hampir identik dengan konfigurasi YNy0, YNy0 (NGR 30), dan Yyn0 (NGR 30). Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol pada hubung singkat tidak seimbang harus melalui impedansi magnetisasi yang besar sehingga sebagian besar arus urutan ke-nol adalah kontribusi dari sistem. Pada konfigurasi ini dapat mendeteksi arus urutan ke-nol pada belitan sekunder sehingga dapat memfasilitasi relay proteksi. Kurva karakteristik dari konfigurasi Yyn0 (NGR 30) hampir identik dengan konfigurasi YNy0, YNy0 (NGR 30), dan Yyn0 dengan alasan yang sama seperti sebelumnya. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 1 adalah paling besar yaitu 0.303 A. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan sekunder sebesar 9.1 V. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan sekunder transformator. Berikut kurva karakteristik dari konfigurasi Yyn0+d:
kA
kA
Ohm Gbr 23. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi Yyn0+d
Dapat dilihat arus hubung singkat yang paling besar adalah arus hubung singkat satu fasa ketanah di sisi sekunder sebesar 30,74 kA. Hal ini disebabkan karena pada rangkaian impedansi urutan ke-nol pada sisi sekunder terdapat impedansi tersier yang relatif kecil yang paralel terhadap impedansi magnetisasi sehingga impedansi magnetisasi dapat diabaikan, arus urutan ke-nol sebagian besar melalui belitan tersier. Hal tersebut menyebabkan impedansi urutan ke-nol dari konfigurasi ini relatif kecil. Sehingga arus hubung singkat kasus 1 dan 3 memiliki nilai yang besar. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier deltanya sebagai berikut:
Ohm Gbr 25. Kurva karakteristik arus hubung singkat konfigurasi Yyn0+d (NGR 30)
Dapat dilihat pengaruh NGR yang membatasi arus urutan ke-nol di belitan sekunder menurunkan arus hubung singkat kasus 1 sebesar 4 kA. Sedangkan kurva arus sirkulasinya adalah:
kA
kA Ohm Gbr 26. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi Yyn0+d (NGR 30)
Ohm Gbr 24. Kurva arus sirkulasi di belitan tersier delta untuk konfigurasi Yyn0+d
Dapat dilihat arus sirkulasi pada belitan tersier delta paling besar pada konfigurasi ini, yaitu 42,29 kA untuk kasus 1 dan 30,81 kA untuk kasus 3. Hal ini disebabkan karena, selain konfigurasi ini memiliki impedansi urutan ke-nol yang rendah di sisi sekunder, arus urutan ke-nol seluruhnya dialirkan ke belitan sekunder dan tidak dibagi. Arus sirkulasi pada konfigurasi ini paling berbahaya dibandingkan konfigurasi lainnya oleh sebab itu disarankan untuk memasang NGR pada pentanahan belitan sekunder untuk membatasinya seperti pada konfigurasu sesudah ini. Berikut kurva karakteristik dari konfigurasi Yyn0+d (NGR 30):
Pada kurva arus sirkulasi dapat dilihat penuruna yang sangat drastis dari konfigurasi sebelumnya. Hal ini disebabkan oleh NGR. Pada konfigurasi ini, arus yang melewati NGR pada kasus 1 adalah paling besar yaitu 1.46 kA. Hal tersebut menyebabkan pergeseran titik netral di belitan sekunder sebesar 43.8 kV. Hal ini harus diperhitungkan dalam penentuan penentuan rating dari NGR dan bushing pentanahan dari belitan sekunder transformator. C. Simulasi Ketidak-seimbangan Tegangan Simulasi yang dilakukan antara lain simulasi ketidakseimbangan urutan negatif dan urutan ke-nol. Simulasi ketidak-seimbangan urutan negatif tidak dipengaruhi oleh pentanahan dari transformator. Data yang diamati hanyalah kenaikan tegangan pada terminal belitan tersier. Data hasil simulasi ketidak-seimbangan urutan negatif dirangkum dalam tabel IV.1 sebagai berikut:
TABEL I DATA HASIL SIMULASI KETIDAK-SEIMBANGAN TEGANGAN URUTAN NEGATIF
Ketidak-seimbangan urutan negatif disalurkan melalui impedansi magnetisasi. Dapat dilihat terdapat kenaikan tegangan hingga 3 kV pada tingkat ketidak-seimbangan 20%. Hal ini perlu diperhitungkan dalam menentukan proteksi tegangan dari belitan tersier terutama bushing terminalnya terhadap tanki yang diketanahkan. Simulasi ketidak-seimbangan urutan ke-nol dipengaruhi oleh konfigurasi transformator oleh sebab itu akan dibahas seperti simulasi arus hubung singkat. Pada konfigurasi YNy0+d beban tidak seimbang tidak dapat dialirkan melalui transformator sehingga tidak terdapat arus sirkulasi pada belitan tersier. Hal ini menyebabkan ketidak-seimbangan disalurkan melalui urutan negatif. Tegangan pada terminal tersier juga tidak mengalami kenaikan melainkan mengalami penurunan. Pada konfigurasi YNy0+d (NGR 30) seperti konfigurasi sebelumnya tidak terjadi fenomena apapun hal ini disebabkan hal yang sama seperti sebelumnya. Pada konfigurasi YNyn0+d terdapat arus sirkulasi sebesar 0.97 kA untuk tingkat ketidak-seimbangan 1% dan 1.88 kA untuk tingkat ketidak-seimbangan 2%. Sedangkan rating arus dari belitan tersier adalah Ir =
=
= 1.74 kA
Oleh sebab itu konfigurasi ini hanya dapat beroperasi sampai pada tingkat ketidak-seimbangan sekitar 1.84% dengan pendekatan linear. Pada konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 I) terdapat pergeseran netral akibat arus urutan ke-nol yang melalui NGR. Arus dan tegangan ini harus diperhitungkan dalam menentukan rating dari NGR. TABEL 2 DATA HASIL SIMULASI KETIDAK-SEIMBANGAN TEGANGAN URUTAN KE-NOL UNTUK KONFIGURASI YNyn0+d (NGR 30 I)
Oleh sebab itu konfigurasi ini hanya dapat beroperasi sampai pada tingkat ketidak-seimbangan sekitar 2% dengan pendekatan linear. Pada konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 II) terdapat pergeseran netral akibat arus urutan ke-nol yang melalui NGR. Arus dan tegangan ini harus diperhitungkan dalam menentukan rating dari NGR.
TABEL 3 DATA HASIL SIMULASI KETIDAK-SEIMBANGAN TEGANGAN URUTAN KE-NOL UNTUK KONFIGURASI YNyn0+d (NGR 30 II)
Konfigurasi ini dapat beroperasi sampai pada tingkat ketidak-seimbangan lebih dari 20%. Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol dibatasi oleh NGR. Pada konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 III) terdapat pergeseran netral akibat arus urutan ke-nol yang melalui NGR. Arus dan tegangan ini harus diperhitungkan dalam menentukan rating dari NGR. TABEL 4 DATA HASIL SIMULASI KETIDAK-SEIMBANGAN TEGANGAN URUTAN KE-NOL UNTUK KONFIGURASI YNyn0+d (NGR 30 III)
Konfigurasi ini dapat beroperasi sampai pada tingkat ketidak-seimbangan lebih dari 20%. Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol dibatasi oleh NGR. Pada konfigurasi Yyn0+d terdapat arus sirkulasi sebesar 0.83 kA untuk tingkat ketidak-seimbangan 1% dan 1.62 kA untuk tingkat ketidak-seimbangan 2%. Maka batas tingkat ketidak-seimbangan pada konfigurasi ini adalah 2.15%. Pada konfigurasi Yyn0+d (NGR 30) terdapat pergeseran netral akibat arus urutan ke-nol yang melalui NGR. Arus dan tegangan ini harus diperhitungkan dalam menentukan rating dari NGR. TABEL 5 DATA HASIL SIMULASI KETIDAK-SEIMBANGAN TEGANGAN URUTAN KE-NOL UNTUK KONFIGURASI Yyn0+d (NGR 30)
Konfigurasi ini dapat beroperasi sampai pada tingkat ketidak-seimbangan lebih dari 20%. Hal ini disebabkan karena arus urutan ke-nol dibatasi oleh NGR.
IV. KESIMPULAN Pada sistem transmisi dengan ketidak seimbangan dibawah 1% maka konfigurasi yang paling tepat untuk digunakan adalah konfigurasi transformator YNyn0. Konfigurasi ini memiliki karakteristik arus hubung singkat yang baik, yaitu arus hubung singkat tidak terlalu besar tetapi dapat dengan jelas dibedakan dengan arus beban penuh Pada sistem transmisi dengan ketidak seimbangan diatas 1% maka konfigurasi transformator yang paling tepat untuk digunakan adalah konfigurasi YNyn0+d (NGR 30 II). Konfigurasi ini memiliki karakter arus hubung singkat yang cukup baik dengan perhatian desain yang khusus pada penambahan belitan tersier. Konfigurasi ini menyediakan belitan tersier delta sebagai belitan penyeimbang dengan tingkat ketidak seimbangan sesuai rating NGR. Apabila memang diperlukan penggunaan belitan tersier delta sebagai belitan penyeimbang, maka desain dari transformator perlu diperhatikan secara khusus. Impedansi urutan ke-nol dari belitan tersier delta harus cukup kecil untuk mengatasi ketidak-seimbangan sistem tetapi harus cukup besar untuk membatasi arus sirkulasi pada keadaan tidak-seimbang terburuk. Selain itu ketidak seimbangan sistem yang akan dipasang transformator tersebut harus diperhitungkan dalam desain untuk arus sirkulasi pada belitan tersier delta serta kenaikan tegangan akibat ketidak seimbangan sistem agar isolasi tidak mengalami breakdown. Pentanahan Melalui NGR pada belitan primer tidak efektif karena memerlukan rating NGR yang tinggi sedangkan arus di primer relatif cukup rendah sehingga tidak perlu dibatasi oleh NGR.
REFERENSI [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]
IEC 60076-8 “Power Transformer – Application Guide”, IEC, January 1997. Haryanto, Bagus “Analisa dan Manajemen Resiko Sambungan Tersier pada Interbus Transformer”, Institue Teknologi Bandung, 2010. General Electric. “The Whys of The Wyes, the Behaviour of Transformer Y Connection” R. O. KAPP, B.Sc. “The performance of Star-Star Transformers”, IEEE Journal, January 1955. J. Heathcote, Martin “The J & P Transformers Book”, Newnes, 1998. Wang, Jialong & Lascu, Raluca “Zero Sequence Circuit of ThreeLegged Core Type Transformers”. Fitzgerald, A.E “Electric Machinery” Mc Graw Hill, 2003. Grainger, John J. And Stevenson William D. Jr, Power System Analysis”, Mc Graw Hill International Edition, Singapore, 1994. Anna Guldbrand “System Earthing”. T. Smith & W. Smith, “Star/Star Transformers Without Delta Tertiary”, Electrical Review article, 21 July 1961. Driesen, Johan & Van Craenenbroeck, Thierry “Voltage Disturbances, Introduction to Unbalance”, Katholieke Universiteit Leuven, May 2002. P. Pillay & M. Manyage “Definition of Voltage Unbalance”, IEEE Power Engineering Review, May 2001. Loftness,Marvin O, “Power Line Interference – Sounds, Patterns, and Myths” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12, No. 2, April 1997.
