Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 71 hal. 71-76 METODE PENGUKURAN ARUS GIC PADA TRANSFORMATOR JARINGAN LISTRIK Setyanto Cahyo P Pusat Pemanfaatan Sains Antariksa, Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional, Jl. Dr. Djunjunan No. 133 Bandung, Indonesia, 40173. Email : setya_cp@yahoo.com INTISARI Ketika badai geomagnet terjadi maka akan terjadi perubahan pada sistem arus magnetosfer bumi, salah satunya adalah arus ionosfer. Arus ionosfer yang mengalir di permukaan bumi menyebabkan terjadinya arus induksi yang dikenal sebagai Geomagnetically Induced Current (GIC). Selama terjadi gangguan medan magnet bumi, arus GIC yang mengalir pada permukaan bumi ini dapat mengakibatkan terjadinya saturasi (core saturation) pada transformator jaringan listrik. Pada makalah ini dilakukan pengkajian mengenai keberadaan arus GIC yang terdapat pada arus netral jaringan listrik di Indonesia. Dari analisis yang telah dilakukan belum mampu mengungkap keberadaan arus GIC pada arus netral tranformator distribusi jaringan lisrtik hal ini dikarenakan kondisi medan geomagnet yang relatif tenang serta letak geografis Indonesia yang jauh dari kutub. Kata kunci : Geomagnetically Induced Current, - Geomagnetic Disturbance (GMD), Core Saturation I. PENDAHULUAN Geomagnetically Induced Current GIC merupakan manifestasi dari adanya interaksi antara matahari dan bumi berupa badai geomagnet. Ketika terjadinya aktivitas pada matahari (Corona Mass Ejection - CME) maka terjadi lontaran partikel menuju bumi dengan kecepatan tinggi dan saat bertemu magnetosfer bumi akan terjadi interplanetary shock. Peristiwa selanjutnya adalah terjadi transfer energi dan partikel melalui mekanisme rekoneksi yang akan semakin intens bersamaan dengan arah selatan medan magnet ruang antar planet (Interplanetary magnetic field, Bz IMF). Dampaknya akan terjadi perubahan sistem arus di dalam magnetosfer seiring dengan itu, terjadi peningkatan medan geomagnet di permukaan bumi. Ilustrasi sederhana mekanisme terbentuknya badai geomagnet dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Skema rekoneksi garis medan magnet bumi dan medan magnet ruang antar planet. Terbentuknya Geomagnetically Induced Current GIC dipicu oleh adanya variasi arus ionosfer yang mengalir di permukaan bumi pada saat badai geomagnet. Dampak dari variasi arus ionosfer adalah terbentukanya medan magnet induksi di permukaan bumi, sehingga terjadi fluktuasi medan geomagnet atau dengan kata lain terjadi perubahan medan geomagnet. Selama terjadi badai geomagnet, fluktuasi medan magnet bumi oleh arus ionsifer akan membangkitkan perbedaan potensial di sekitar permukaan bumi yang dikenal sebagai Earth Surface Potential (ESP). ESP ini seolah-olah bertindak sebagai sumber tegangan di antara dua netral ground transformator pada jaringan listrik. Dengan
72 Setyanto Cahyo P / Metode Pengukuran Arus Gic Pada Transformator Jaringan Listrik adanya ESP ini maka akan mengalirkan arus pada kedua netral ground transformator dan sepanjang kabel jaringan listrik. Arus inilah yang dinamakan arus induksi geomagnet (GIC). Ilustrasi pembangkitan arus GIC oleh arus ionsofer saat badai geomagnet dapat dilihat pada Gambar 2. Earth Surface Potential Gambar 2. Ilustrasi pembangkitan arus GIC saat badai geomagnet. ESP timbul di antara dua netral ground transformator pada jaringan listrik yang selanjutnya bertindak sebagai sumber arus. Jika dibandingkan dengan arus AC frekuensi arus GIC yang mengalir pada transformator sangat kecil /arus DC freq 0.001-0.1 Hz. Arus GIC yang mengalir pada permukaan bumi pada saat terjadi badai geomagnet dapat mengakibatkan terjadinya core saturation pada transformator distribusi jaringan listrik dan dampak terburuknya adalah terjadi kerusakan pada transfromator. Tujuan dari makalah ini adalah melakukan kajian mengenai keberadaan arus GIC yang terdapat pada arus netral distribusi jaringan listrik di Indonesia. Perilaku dari output tegangan dan arus pada transformator distribusi jaringan listrik ketika terinjeksi arus netral (GIC) dapat diilustrasikan seperti pada Gambar.3 (Sabdullah.M.,Haryono,T.2007). (a) (b) Gambar.3. Contoh simulasi plot tegangan (a) dan arus (b) pada transformator sekunder sebelum dan sesudah di injeksi suatu arus (simulasi arus GIC)
Setyanto Cahyo P / Metode Pengukuran Arus Gic Pada Transformator Jaringan Listrik 73 II. METODE PENELITIAN Metode yang digunakan pada penelitian ini menggunakan FFT dan harmonik. Hal ini dikarenakan arus listrik berupa sinyal dengan frekuensi berbeda-beda. Selain itu juga dilakukan studi literatur yang berkaitan dengan karakteristik dari GIC, mekanisme pembentukan GIC serta dampaknya terhadap transformator distribusi jaringan listrik. Sedangkan data yang digunakan merupakan data pengukuran arus netral pada transformator distribusi jaringan listrik PLN tahun 2008-2009. Arus netral ini digunakan untuk memperkirakan arus GIC yang mungkin mengalir pada transformator jaringan listrik PLN. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Kontruksi transformator tiga fasa pada dasarnya merupakan transformator satu fase yang disusun menjadi 3 buah dalam satu inti besi. Ada 4 tipe kombinasi yang biasa digunakan pada transformator tiga fasa yaitu; Delta to Delta; Delta to Wye; Wye todelta dan Wye to Wye. Distribusi jaringan listrik di Indonesia umumnya menggunakan kontruksi tranformator tiga fasa dengan tipe kombinasi Wye atau Delta. Ilustrasi bentuk tipe transformator dapat dilihat pada Gambar 4 dan 5. Gambar 4. Kontruksi Transformator (a) tipe wye, (b) tipe delta Gambar 5. Kombinasi tipe Transformator (a) Wye to Delta (b) Delta to Wye Telah disebutkan bahwa masuknya arus GIC pada transformator menyebabkan terjadinya saturasi pada lilitan primernya (halfcycle saturation) yang menyebabkan terjadinya kerusakan. Trafo memiliki kurva magnetisasi yang bentuknya tergantung dari material inti yang digunakan. Pada arus dan tegangan nominal (rated), trafo bekerja pada daerah linier, sehingga bentuk gelombang sisi primer (input) sama dengan sisi sekunder. Jika arus melewati daerah saturasi, maka output arus dan tegangan sekunder akan cacat (biasa disebut harmonisa). Ilustrasi kurva magnetisasi transformator, ditunjukkan pada Gambar 6.
74 Setyanto Cahyo P / Metode Pengukuran Arus Gic Pada Transformator Jaringan Listrik Injeksi Arus GIC Kurva magnetisasi trafo Daerah kerja trafo (linier) Output sekunder trafo Arus primer trafo yang sudah di injek arus DC Gambar 6. Poses terjadinya harmonik akibat half cycle saturation Untuk mengetahui besarnya arus netral yang mengalir pada netral ground transformator jaringan listrik PLN digunakan alat ukur arus yang dinamakan PQM Nexus dan Power Visa. Profil dan setting pemasangan PQM Nexus dirangkai secara seri pada wiring sekunder CT Switchyard, sedangkan PQM Power Visa menggunakan clamp on pada wiring sekunder CT switchyard. Alur pemasangan alat ukur arus netral ditunjukan pada Gambar 7. Gambar 7. Profil dan pemasangan alat ukur arus netral pada transformator distribusi jaringan listrik PLN (kiri) PQM Nexus dan (kanan) PQM Power Visa 400, serta (bawah) skema pemasangan alat ukur arus netral pada transformator jaringan listrik PLN di gardu induk Fajar Surya Wisesa Sebagai bahan analisis, dilakukan pengukuran arus netral di gardu induk Fajar Surya Wisesa, Bekasi menggunakan alat ukur PQM Power Visa 400. Arus netral hasil pengukuran kemudian diolah untuk dianalisis menggunakan metode FFT dan Harmonik. Hasil dari pengolahan data tersebut ditunjukkan pada Gambar 8.
Setyanto Cahyo P / Metode Pengukuran Arus Gic Pada Transformator Jaringan Listrik 75 Gambar 8. Plot hasil pengukuran arus netral (kiri) sampling ms dan (kanan) rata-rata (rms)nya di gardu induk Fajar Surya Wisesa, Bekasi tanggal 22-23 Maret 2009 Area frekuensi GIC 0.001-0.1Hz Gambar 9. Plot spektrum frekuensi arus netral di gardu induk Fajar Surya Wisesa, Bekasi Gambar 10. Plot FFT terhadap pengukuran arus netral pada gardu induk Fajar Wisesa, Bekasi, 31/06/08 Analisis terhadap hasil pengolahan spektrum frekuensi Gambar 9, tampak adanya banyak frekuensi antara lain frekuensi listrik (50 Hz), frekuensi harmonik dan frekuensi lainnya dengan amplitudo dibawah 0.05 A. Sedangkan untuk arus GIC sendiri dari hasil plot spektrum frekuensi terhadap arus netral belum nampak. Hal ini dikarenakan area frekuensi untuk arus GIC ada pada daerah frekuensi 0.001 0.1Hz, sehingga diperlukan metode lain untuk mengungkap arus GIC ini. Dari hasil Plot FFT terhadap pengukuran arus netral pada gardu induk Fajar Wisesa Gambar 10, belum nampak jelas adanya frekuensi arus GIC, bahkan untuk frekuensi arus operasional (50Hz) saja juga tidak tampak dominan, karenanya diperlukan kajian lebih lanjut. Dari hasil pengolahan yang telah dilakukan jika diklarifikasi dengan data indeks Dst (Disturbance Store Time) yang merupakan ukuran intensitas medan magnet bumi secara global, tampak bahwa belum terindikasinya arus GIC ini disebabkan karena aktivitas medan geomagnet sepanjang tahun 2008-2009 relarif kecil.
76 Setyanto Cahyo P / Metode Pengukuran Arus Gic Pada Transformator Jaringan Listrik IV. KESIMPULAN Keberadaan arus GIC yang terdapat pada arus netral jaringan listrik di Indonesia selama tahun 2008-2009 belum mampu diidentifikasikan secara pasti, hal ini berkaitan dengan kondisi medan geomagnet yang relatif tenang selama rentang waktu tersebut. Dalam kegiatan ini juga telah dapat mengungkap keberadaan arus lainnya yang terkandung pada arus netral diantaranya, arus operasional dan arus harmonik. V. DAFTAR PUSTAKA Ari Viljanen, Antii Pulkkinen and Risto Pirjola..General Mechanisms of GeomagneticallyIinduced Currents on Power Systems and Pipeline. Finnish Meteorological Institute.Helsinki.Finland. Boteler.D.H.,Pirjola.R,and H.Nevanlinna.1998. The Effect of Geomagnetic Disturbances on Electrical Systems at The Earth Surface. Adv.Space Res.,22,17-27. J. Aubin.1992.Effects of Geomagnetically Induced Currents on Power Transformers. p24-33. Kappenman JG., 2003, Storm sudden commencement events and associated geomagnetically induced current risks to ground-based system at low-latitude and mid-latitude locations Lehtinen.M., Pirjola.R.1985. Currents Produced in Earthed Conductor Networks by Geomagnetically Induced Electri Field. iannalas Geophysicae. Vol.3, No.4,pp.479-484. Makoto Harada, Jun Izutsu, T. Uetake, T. Tearayama, and T.Nagao.2008. The Observation of Natural Current of 500KV Powerline andaapplication to The Monitoring of The Underground Electrical Conductivity. EMSEV-DEMETER Joint Workshop. Romania. Santoso,A.2009.Analytical Study Of Geomagnetically Induced Current (GIC) Existance in Indonesia. National Seminar of Electro Engineering. ITS. Surabaya.Indonesia Sabdullah.M.,Haryono,T.2007.Analytical Study of Geomagnetically Induced Current Phenomenon at Power Transformer. Gadjah Mada University Yogyakarta, Indonesia.