Analisis Fenomena Ferroresonance pada Capacitive Voltage Transformer (CVT) Akibat Pelepasan Beban Secara Mendadak

Transkripsi

1 Analisis Fenomena Ferroresonance pada Capacitive Voltage Transformer () Akibat Pelepasan Beban Secara Mendadak Putu Wegadiputra Wiratha, I Made Yulistya Negara, IGN Satriyadi Hernanda Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Abstrak - Ferroresonance atau dikenal juga dengan sebutan resonansi non-linier merupakan suatu fenomena kelistrikan yang sangat kompleks. Kemunculan ferroresonance pada suatu sistem kelistrikan dengan memodelkan suatu kondisi abnormal switching yaitu membuka satu atau dua fasa pemutus daya pada transformator daya yang pada kasus ini dilakukan pada tranformator wyewye 150KV/20KV dan Capacitive Voltage Transformer () Perangkat lunak yang digunakan pada simulasi adalah yaitu MATLAB untuk mendapatkan plot tegangan dan arus keluaran yang dihasilkan. Dari hasil plot tegangan primer, tegangan sekunder, arus primer dan arus sekunder, akan menunjukkan suatu gejala khusus yang mengindikasikan kemunculan ferroresonance dengan mengubah waktu switching, pelepasan beban pada, dan 2 phasa yang terbuka. Dari hasil simulasi, didapat kenaikan tegangan puncaknya hingga mencapai 730 KV untuk transformator daya dan 1229 kv untuk sisi primer pada. Sedangkan untuk arus puncaknya, mencapai 539 A untuk transformator daya dan 229 A untuk transformator pada. Didapatkan juga harmonisa pada sampai mencapai 375,27% Kata Kunci - Ferroresonance,, tegangan lebih, arus lebih T I. PENDAHULUAN RANSFORMATOR adalah salah satu mesin listrik yang berperan dalam penyaluran daya sistem arus bolak-balik (AC). Kinerja dan keandalannya sangat berperan besar. Banyak faktor yang mempengaruhi kinerja transformator. Salah satunya adalah fenomena ferroresonance pada transformator. Ferroresonance atau dikenal juga dengan sebutan resonansi non-linier merupakan suatu fenomena kelistrikan yang sangat kompleks. Ferroresonance fenomena resonansi non-linier yang dapat mempengaruhi jaringan listrik. Tingkat tegangan lebih atau arus lebih yang terjadi dapat berbahaya bagi peralatan listrik. Hal ini perlu diperhatikan dalam penyaluran tenaga listrik. Dalam sistem transmisi alat yang paling penting dan perlu perlindungan lebih adalah transformator. [1] II. FERRORESONANCE A. Pengertian Ferroresonance Ferroresonance merupakan situasi resonansi dengan ketidaklinieran induktansi, dimana reaktansi induktif tidak hanya bergantung pada frekuensi tetapi juga pada kerapatan fluks magnetik dari inti besi (contoh : inti besi transformator). Secara teori, induktansi yang tidak linier mengakibatkan timbulnya dua reaktansi induktif (pada zona linier dan zona saturasi) menurut situasi pada kurva saturasi atau kejenuhan, dan disebut dengan histerisis magnetik. Penyebab utama dari fenomena ini adalah munculnya lebih dari satu respon steady state yang stabil pada parameter jaringan yang sama. Gejala transient, lightning overvoltage, pengisian tanaga transformator atau beban, kemunculan atau penghilangan gangguan, memungkinkan sebagai penyebab ferroresonance. Responnya dapat berubah secara tiba-tiba dari respon steady state normal (sinusoidal pada frekuensi yang sama sebagai sumber) ke respon steady state ferroresonance yang ditandai dengan level harminonisa dan overvoltage yang tinggi, yang dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan listrik. [2] B. Rangkaian Dasar Ferroresonance [2] Pemahaman dari osilasi bebas dari rangkaian dasar ferroresonan mengilustrasikan perilaku yang spesifik. Rugi-rugi diabaikan dan kurva magnetisasi sederhana dari kumparan inti besi dapat dilihat pada Gambar 1 dan Gambar 2. Gambar 1. Rangkaian Ferroresonance Sederhana [2] Gambar 2. Karakteristik φ (i) [2] 1

2 Korespondensi bentuk gelombang (lihat Gambar 3) merupakan tipikal dari ferroresonance periodik. Secara umum, tegangan pada kapasitansi terminal diasumsikan sama dengan V 0 IV. ANALISIS HASIL SIMULASI A. Simulasi Ferroresonance Dampak ferroresonance dianalisis berdasarkan pada hasil simulasi yang telah dilakukan. Permodelan yang digunakan adalah permodelan sistem transmisi pada gardu induk yang dihubungkan dengan Capacitive Voltage Transformer () di gardu induknya pada saluran transmisi. Permodelan yang digunakan dapat terlihat seperti Gambar 4.1 berikut ini. Saluran Transmisi Transformator Daya Circuit Breaker Gambar 5. Rangkaian pada simulasi Gambar 3. Osilasi bebas dari rangkaian ferroresonance seri [2] III. CAPACITIVE VOLTAGE TRANSFORMER () Line Voltage C 1 C 2 L Step Down Transformer Gambar 4. Komponen Utama Kapasitor kopling memiliki fungsi sebagai pembagi tegangan untuk menurunkan tegangan saluran ke level tegangan intermediet, biasanya 5 sampai 15 kv. Compensating reactor membatalkan reaktansi dari kapasitor kopling pada frekuensi sistem. Proses ini mencegah pergeseran fasa antara tegangan primer dan tegangan sekunder pada frekuensi sistem. Kemudian, tegangan diturunkan lagi dari level intermediet ke level tegangan nominal rele tegangan, biasanya 115/ 3 Volt. Compensating reactor dan transformator stepdown memiliki inti besi. Disamping mengakibatkan terjadinya rugi-rugi inti besi, copmpensating reactor dan transformator step-down dapat menghasilkan ferroresonance akibat dari sifat non-linier pada inti besi tersebut. Sumber yang digunakan merupakan sumber arus bolak-balik (AC) dengan tegangan rms line-line (V L-Lrms ) 150 kv, 50 Hz. Untuk sumber, digunakan Three Phase Programmable Voltage Source. Circuit Breaker berfungsi sebagai pemutus daya dan switch pada proses switching. Saluran transmisi yang digunakan diasumsikan memiliki panjang saluran 50 km. Resistansi saluran 0,01273 Ohm/km, induktasi saluran memiliki nilai 0,9337 mh/km, dan kapasitansi saluran sebesar 12,74 nf/km. Pada, digunakan nilai kapasitor pembagi yang diambil dari referensi yang ada. Nilai kapasitor tersebut adalah pf dan pf [4]. Selain itu, terdapat compensating reactor sebesar 56 H sesuai dengan referensi yang ada [4]. Transformator yang digunakan adalah transformator satu fasa yang memiliki nilai saturasi tertentu dengan perbandingan tegangan 15kV pada sisi primer, dan 115 Volt pada sisi sekunder. B. Analisis Hasil Simulasi B.1 Keadaan Normal Pada keadaan normal, tegangan puncak yang terukur dari sumber sebesar 122,47 kv. Hal ini dapat terlihat dari persamaan 4.1, dimana 150 kv merupakan V L-Lrms, sedangkan tegangan yang terukur adalah tegangan puncak line-netral (V L-Npeak ). Berikut ini merupakan rumus V L-Nrms. V L Nrms = V L Lrms 3 (1) Dari persamaan 1 didapatkan hasil debesar 86,6 kv. Kemudian, untuk mendapatkan tegangan puncak yang terukur : V L Npeak = 2V L Nrms (2) Dari persamaan 2 didapatkan hasil sebesar 122,47 kv, sesuai dengan hasil pengukuran dari tegangan sumber. Gambar 4.2 menunjukkan plot hasil simulasi tegangan sumber dalam keadaan normal. 2

3 Gambar 6. Plot tegangan sumber pada kondisi normal Untuk tegangan pada sis primer transformator daya, didapatkan hasil pengukuran sebesar 121,67 kv. Terdapat rugi-rugi saluran transmisi sebesar 0,8 kvolt. Untuk tegangan sisi sekunder transformator daya didapatkan hasil pengukuran sebesar 15,95 kv. Pada pengukuran, didapatkan tegangan input pada, yaitu tegangan hasil pembagian kapasitor, sebesar 13,57 kv. Nilai ini dapat dihitung dari persamaan berikut. V out = C 1 C 1 +C 2 V (3) Jika nilai pada simulasi diatas dimasukkan dalam persamaan 3, maka : V out = ,67kV = 13,39 kv Dalam kondisi normal, ketika terjadi gangguan, breaker akan terbuka secara bersamaan. Gambar 9. Arus sisi primer transformator daya pada pemutusan normal Gambar 10. Arus pada pemutusan normal Untuk Arus pada sisi primer transformator daya, didapatkan arus puncak sebesar 319 Ampere. Sedangkan pada sisi sekunder transformator daya, tercatat arus puncak sebesar 2,39 ka. Untuk arus pada, terdapat gejala transient untuk waktu yang singkat, dengan besar arus puncak 0,022 Ampere pada sisi primer dan 2,49 A pada sisi sekunder. B.2. Ferroresonance Akibat Satu Fasa Terbuka B.2.1 Analisis Tegangan Lebih Untuk memunculkan ferroresonance, salah satu fasa diasumsikan terbuka tanpa ada gangguan. Gambar 7. Tegangan Transformator Daya saat ketiga breaker trip bersamaan Gambar 11. Tegangan primer transformator daya ketika satu fasa terbuka Tegangan pada fasa yang terbuka dapat melonjak sangat tinggi. Tegangan lebih yang terjadi pada sistem ini terukur dengan puncak hingga mencapai 500 kv. Gambar 8. Tegangan primer saat ketiga breaker trip bersamaan Untuk keadaan arus pada kondisi normal, dapat terlihat pada gambar berikut ini. Gambar 12. Tegangan primer ketika satu fasa terbuka 3

4 Gambar 12 menunjukkan respon tegangan pada sisi primer. Tegangan yang seharusnya hanya mencapai sekitar 15 kv melonjak naik hingga mencapai 393,46 kv. TABEL I PERBANDINGAN WAKTU SWITCING DENGAN TEGANGAN PUNCAK MASING-MASING TRANSFORMATOR Transformator Daya Transformator pada 0,1 500,56 41, ,46 3,01 0, ,94 46, ,98 1,18 0, ,71 50, ,19 1,8 0, ,21 35,38 751,31 5,73 0,11 499,5 40, ,76 1,02 0, ,18 43, ,7 0, ,9 42,31 392,18 3 0, ,36 42,64 578,7 4,43 0,12 536,62 43,43 823,32 6,24 B.2.2 Analisis Arus Lebih Gejala ferroresonance juga dapat menimbulkan munculnya arus lebih. Pada gambar 15, kondisi arus yang ditunjukkan menandakan adaya arus lebih yang terjadi. Lonjakan arus sangat tinggi, terutama pada fasa yang terlepas. Arus lebih yang terjadi juga cukup lama, sehingga dapat merusak peralatan ukur yang digunakan. Arus puncak yang terjadi mencapai 11,93 A. TABEL II VARIASI WAKTU SWITCHING TERHADAP ARUS PUNCAK Arus Puncak Arus Puncak Transformator Daya Transformator pada 0, , ,93 72,93 0, ,1171 3,53 28,73 0, ,81 0,126 7,58 44,15 0, ,72 0,088 26,99 138,66 0,11 275,9 0,1 3,49 24,6 0, ,7 0,108 11,57 65,24 0, ,6 0,105 12,86 72,69 0, ,26 0,106 20,43 107,2 0, ,108 31,8 151 B.3 Kondisi Dua Fasa Terbuka B.3.1 Analisis Tegangan Lebih Ferroresonance juga dapat terjadi akibat dua buah fasa yang terbuka. Sementara itu, fasa yang terakhir masih tersambung dengan beban. Gambar 14. Kondisi arus pada sisi primer transformator daya ketika satu fasa terbuka Gambar 14 memperlihatkan kondisi arus lebih yang diakibatkan ferroresonance. Terlihat jelas arus lebih yang terjadi sangat tinggi dan jauh diatas arus normal. Arus puncak yang terjadi mencapai 294 A pada sisi sekunder transformator daya. Gelombang arus setelah terjadinya switching juga tidak stabil. Gambar 16. Tegangan lebih pada sisi primer transformator daya akibat 2 fasa terlepas Gambar 16 merupakan plot hasil respon tegangan ketika kedua fasa A dan fasa B dilepas. Dapat terlihat gejala tegangan lebih yang cukup signifikan, bukan hanya pada tegangan fasa A, melainkan juga pada tegangan fasa B yang terkena gangguan. Tegangan puncak yang terjadi mencapai 730 kv. Gambar 15. Kondisi arus pada sisi primer ketika satu fasa terbuka Gambar 17. Tegangan lebih pada sisi primer akibat 2 fasa terlepas 4

5 Gambar 17 memperlihatkan tegangan pada sisi primer. Terlihat adanya gejala tegangan lebih yang sangat tinggi. Tegangan puncak yang terjadi mencapai 1229,3 kv. Padahal, level tegangan pada kondisi normal hanya sekitar 15 kv. TABEL III PERBANDINGAN SELISIH DUA FASA TERBUKA TERHADAP TEGANGAN PUNCAK Fasa 1 Fasa 2 Transformator Daya Transformator pada 0,1 0, ,4 1129,3 9 0,1 0, ,4 453,21 3,47 0,1 0, , ,7 7,67 0,1 0, ,23 62,4 1332,9 9,49 0,1 0,11 718,29 65,85 511,25 3,9 0,1 0, ,39 57, ,7 9,46 0,1 0, ,24 49, ,7 8,6 0,1 0, ,18 59, ,9 0,1 0,12 661,51 55, ,9 B.2.2 Analisis Arus Lebih Untuk analisis arus lebih, digunakan pembebanan 1000 Watt pada sisi sekunder transformator daya, dan beban resistif sebesar 320 Watt pada sisi sekunder. Gambar 18. Kondisi arus pada sisi primer transformator daya pada saat 2 fasa lepas bersamaan Arus puncak yang terukur mencapai 468,4 A. Terlihat bahwa 2 fasa yang terlepas mengalami arus lebih yang dominan. Gambar 19. Kondisi arus pada sisi primer pada saat 2 fasa lepas bersamaan TABEL IV PERBANDINGAN SELISIH DUA FASA TERBUKA TERHADAP ARUS PUNCAK Arus Puncak Fasa 1 Fasa 2 Arus Puncak Transformator Daya Transformator pada 0,1 0,1 468,4 0,138 52,7 217,86 0,1 0, ,116 15,4 84 0,1 0, ,36 0,147 40,2 185,55 0,1 0, ,75 0,156 59,48 229,58 0,1 0,11 493,4 0,164 16,86 94,77 0,1 0, ,143 61, ,1 0, ,2 0,124 51,04 208,3 0,1 0, ,8 0,149 50,51 214,58 0,1 0,12 463,1 0,14 41,7 190,42 B.3 Analisis Harmonisa Tegangan dan Arus Pada fasa A, tegangan dan arus, baik sisi sekunder maupun sisi primer memiliki THD sebesar 0,12%. THD yang terjadi cukup kecil karena sistem masih dalam kondisi normal tanpa gangguan. Pada fasa B terjadi THD sebesar 0,6% dan pada fasa C sebesar 0,07%. THD yang dihasilkan sebesar 375,27%. Hal ini menunjukkan adanya harmonisa yang sangat tinggi, dan jika dibandingkan dengan pada keadaan normal, THD naik dengan besar yang sangat signifikan. Hasil harmonisa yang didapatkan menunjukkan ferroresonance tipe Chaotic. Untuk pada fasa yang tidak terganggu, pada tegangan sisi primer, tegangan sisi sekunder, dan arus sisi sekunder, nilai THD yang terjadi sama besar pada masing-masing fasa, yaitu 4,18% pada fasa B dan 3,7% pada fasa C. Sementara itu, pada arus primer, THD yang terjadi mencapai 4,08% pada fasa B dan 3,61% pada fasa C. TABEL V PERBANDINGAN WAKTU SWITCHING DENGAN THD PADA THD pada sisi (%) Tegangan Arus 0,1 295,44 18,34 0, ,24 38,3 0, ,59 32,68 0, ,1 2,6 0,11 60,86 19,84 0, ,8 12,02 0, ,96 0, ,08 4,65 0,12 28,48 3,16 Terlihat gejala arus lebih yang terjadi. Arus puncak yang terjadi mencapai 52,7 Ampere. 5

6 B.4 Ferroresonance Akibat Pelepasan Beban pada Ferroresonance pada dapat terjadi apabila beban yang terhubung pada sisi sekunder terlepas. Beban pada biasanya berupa beban alat ukur yang dihubungkan ke sisi sekunder. Karena terhubung pada sisi tegangan tinggi, memerlukan kapasitas daya yang cukup besar. Gambar 20. Respon tegangan sisi sekunder transformator pada pada saat pelepasan beban Tegangan sisi sekunder transformator pada ini memiliki tegangan puncak sebesar 883 V. THD yang terjadi mencapai 24,18%. TABEL VI PERBANDINGAN PEMBEBANAN PADA SISI SEKUNDER TRANSFORMATOR DI DENGAN TEGANGAN DAN ARUS PUNCAK Beban Tegangan Tegangan (V) Arus 100% ,78 90% ,12 80% 88, ,7 70% 124, ,9 60% ,3 50% ,1 40% ,8 30% % ,21 10% ,8 B.5 Pengaruh Peningkatan Nilai Kapasitansi pada Tegangan Lebih dan Arus Lebih Nilai kapasitansi yang digunakan pada awalnya adalah pf dan pf. Nilai kapasitansi ini akan diperbesar sampai menjadi nf dan nf. Hasil yang didapatkan dapat terlihat pada gambar berikut. Gambar 21. Respon arus sisi primer transformator pada pada saat pelepasan beban Gelombang respon arus yang terjadi lebih terlihat teratur, menandakan jenis ferroresonance yang terjadi merupakan ferroresonance mode fundamental. Arus puncak yang terjadi mencapai 2,78 Ampere. THD yang terjadi hanya sebesar 5,5. Hal ini menunjukkan gelombang mendekati gelombang aslinya. Artinya, ferroresonance yang terjadi merupakan model fundamental Gambar 22. Respon tegangan primer transformator daya dengan peningkatan nilai kapasitansi Terlihat bahwa gejala tegangan lebih akibat ferroresonance berkurang meskipun ketidakstabilan gelombang tetap terjadi. Pada sisi primer transformator daya, tegangan puncak yang terjadi mencapai 232,5 kv. Jauh lebih kecil dibandingkan dengan menggunakan kapasitansi pada orde pf. Tegangan lebih yang terjadi jauh lebih menurun jika dibandingkan dengan pemakaian kapasitansi dengan orde pf. Tegangan puncak yang terjadi pada sisi sekunder transformator pada hanya mencapai 235,9 Volt. Jauh lebih kecil dibandingkan dengan simulasi menggunakan kapasitor orde pf yang mencapai 2,49 kvolt. 6 V. KESIMPULAN 1. Pada kasus terlepasnya satu fasa, tegangan lebih yang terjadi mencapai 610,71 kv pada sisi primer transformator daya. Pada sisi sekunder transformator daya, terjadi tegangan lebih dengan tegangan puncak tertinggi mencapai 50,48 kv. Tegangan lebih pada sisi primer transformator di mencapai 823,32 kv dan

7 pada sisi sekunder transformator di mencapai 6,42 Volt. switching dapat mempengaruhi perbedaan nilai tegangan puncak, namun tidak memberikan pola tertentu. 2. Arus puncak yang terjadi mencapai 363,6 A pada sisi primer transformator daya, 0,126 A pada sisi sekunder transformator daya, 31,8 A pada sisi primer transformator pada, serta 138,6 A pada sisi sekunder transformator pada. Variasi waktu switching menghasilkan arus lebih yang berbeda-beda, dengan pola yang tidak tertentu. 3. Pada kasus terlepasnya dua fasa pada sistem, tegangan yang dicapai sampai pada 730 kv pada sisi primer transformator daya, 65,85 kv pada sisi sekunder transformator daya, 1332,9 kv pada sisi primer transformator di, dan 9,49 kv pada sisi sekunder transformator di. Sementara itu, variasi waktu switching tidak memberikan pola tertentu pada tegangan puncak yang terjadi pada sistem. 4. Arus lebih yang terjadi pada terlepasnya dua fasa, pada sisi primer transformator daya, terdapat arus lebih sebesar 539 A, pada sisi sekunder transformator daya arus puncak mencapai 0,164 A, pada sisi primer transformator di terdapat arus puncak mencapai 61,3 A, dan pada sisi sekunder transformator di terdapat arus mencapai 229,58 A. 5. Ketika terjadi ferrroresonance pada saluran yang terlepas, dihasilkan THD hingga mencapai 295,44% untuk tegangan sekunder, 375,72% untuk tegangan sisi primer, 18,34% untuk arus sisi primer, serta 375,27% untuk arus sisi sekunder. Pada waktu swiching yang bervariasi, THD yang terjadi tidak memilki pola tertentu. 6. Ferroresonance pada juga dapat terjadi akibat beban pada sisi sekunder yang dilepas. Tegangan pada sisi sekunder yang terjadi mencapai 883 V dan pada sisi primer mencapai 115 kv. Harmonisa yang terjadi pada tegangan mencapai 26%. Untuk arus lebih yang terjadi pada sisi primer transformator pada, dihasilkan arus lebih yang mencapai 2,78 A dengan harmonisa mencapai 5,5%. 7. Nilai kapasitansi yang dinaikkan dapat mengurangi pengaruh tegangan lebih pada sistem. Pada awalnya, kapasitor yang digunakan pada level pf. Ketika dinaikkan hingga menjadi level nf, tegangan lebih yang dihasilkan turun hingga mencapai tegangan puncak pada sisi primer transformator daya mencapai 232,5 kv, pada sisi primer transformator pada mencapai 30,79 kv, dan sisi sekunder transformator mencapai 235,9 V. Terjadi penurunan yang cukup signifikan. DAFTAR PUSTAKA 1. Pratama, Rangga Tito A, Analisis Tegangan Lebih dan Arus Lebih Ferroresonance pada Transformator 150kV/20kV Konfigurasi Wye-Wye Menggunakan Matlab, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, ITS, Surabaya, Ferraci, P., Ferroresonance, Group Schneider: Cahier no 190, pp. 1-28, Maret, Tobing, Bonggas L., Peralatan Tegangan Tinggi, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, Bab. 6 dan Bab. 7, Sanaye-Pasand, M., Rezaei-Zare, A., Mohseni, H., Farhangi, Sh., Iravani, R., Comparison of Performance of Various Ferroresonance Suppressing Methods in Inductive and Capacitive Voltage Transformers, IEEE, Hou, Daqing, Robert, Jeff, Capacitive Voltage Transformer : Transient Overreach Concern and Solution on Distance Relaying, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., Pullman WA, USA, 1995 BIOGRAFI PENULIS Putu Wegadiputra Wiratha lahir di Denpasar pada tanggal 28 Agustus Anak pertama dari pasangan Putu Wiratha dan Yuniwati Wiratha. Mendapatkan pendidikan di TK Catur Asrama Jember pada tahun , kemudian melanjutkan ke SD No. 4 Pemecutan pada tahun , Setelah lulus melanjutkan pendidikannya ke SMP Negeri 1 Denpasar pada tahun , pendidikan SMA ditempuh pada tahun di SMA Negeri I Denpasar, setelah lulus melanjutkan pendidikannya di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jurusan Teknik Elektro Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga tahun sekarang. Penulis aktif di dalam Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro (Himatektro) ITS sebagai Staf sie Riset Departemen Riset dan Teknologi periode 2009/2010, dan Sekretaris IEE Expo Saat ini penulis aktif sebagai Asisten Laboratorium Tegangan Tinggi di Jurusan Teknik Elektro FTI ITS. 7