METODE ANALISIS REDUKSI ARUS INRUSH PADA TRANSFORMATOR Zainal Abidin ) Dosen dpk pada Fakultas Teknik Prodi Elektro Universitas Islam Lamongan Abstrak Transformasi energi dalam sebuah transformator tak berbeban dapat menghasilkan arus inrush dengan amplitudo tinggi. Hal ini dapat menyebabkan efek yang kurang baik terhadap kegagalan operasi sistem proteksi differensial sebuah transformator, kerusakan isolasi dan pendukung mekanis dari struktur lilitan serta mengurangi kualitas daya sistem. Artikel ini menjelaskan tentang beberapa metode mereduksi arus inrush pada transformator. Penggunaan persamaan-persamaan arus inrush ditentukan dengan menggunakan beberapa metode untuk mereduksinya. Kemudian hasilnya dibandingkan antara beberapa metode untuk menghasilkan metode reduksi yang terbaik. Karakter hasil dibandingkan dengan simulasi EMTP / ATP. Kata Kunci : Reduksi, Arus, Inrush, Transformator Abstract This paper present some techniques for reduction of transformer inrush current. The equation of inrush current is obtained and then by use thes methods, transformer inrush current is reduced, then after comparing the result of some methode, we choice the best methode is determined. These result character is compared with EMTP / ATP simulation program. Keywords : Arus Inrush, Transformator, Analisis, EMTP I. Pendahuluan Transformasi energi dalam sebuah transformator tak berbeban dapat menghasilkan arus inrush dengan amplitudo tinggi. Hal ini dapat menyebabkan efek yang kurang baik terhadap kegagalan operasi sistem proteksi differensial sebuah transformator, kerusakan isolasi dan pendukung mekanis dari struktur lilitan serta mengurangi kualitas daya sistem. Tanpa menggunakan switching terkontrol transformasi energi sebuah transformator dapat menghasilkan gelombang tegangan dengan amplitudo tinggi sesaat ketika inti transformator dalam keadaan saturasi. Transformator daya, sebagai salah satu komponen vital dari sistem daya listrik memerlukan relay proteksi dengan keterkaitan, keamanan dan kecepatan operasi yang tinggi. Akan tetapi arus magnetisasi inrush, yang sering muncul ketika transformator bekerja dapat mengakibatkan kegagalan trip pada relay diffierensial sehingga reduksi dari arus inrush sangat diperlukan. Beberapa metode telah banyak dilakukan untuk mereduksi arus inrush pada transformator, diantaranya adalah metode pemasangan resistor seri dan sistem penutupan sinkron ( synchronous closing) pada circuit breaker, serta metode pengetanahan resistor menjadi dasar skema mitigasi arus inrush pada beberapa penelitian yang telah banyak dilakukan. II. Model Transformator Secara mendasar model transformator dan persamaan-persamaan untuk menghitung arus inrush akan dipaparkan. Karakteristik transformator phase dapat dimodelkan melalui persamaan sederhana yang digambarkan pada gambar sebagai berikut : Gambar. Model transformator phase
Dari gambar, r p dan L p merupakan representasi dari gulungan primer. Lm representasi dari induktan non linier dari inti besi sebagai fungsi dari arus magnetisasi. Sedangkan r sp dan L sp mewakili gulungan sekunder. Vp dan Vs adalah tegangan primer dan sekunder yang masing-masing terhubung ke terminal ground. Dari gambar tersebut dapat diformulasikan : Vp= Vm sin ( t + 0 ) = i r p + N d L / dt () dimana 0 adalah tegangan fase primer pada saat t=0, i adalah arus magnetisasi, L adalah fluk inti dan N adalah jumlah lilitan sisi primer. Sehingga didapatkan : Vm = sin ( t + 0 ) = (N L. r p / L ) + N L / dt (2) dimana L adalah induktansi primer. Dari persamaan 2 maka untuk L : rp t L t ( m Cos 0 r ) e. mcos( t 0) (3) dimana m adalah L maksimum dan r adalah flux residual. Pada 0 = /2 sehingga dari persamaan 3 kita mendapatkan : e t r rp t L sin t m (4) dari arus inrush berada dalam wilayah short circuit dan mungkin akan mengakibatkan tekanan dinamik pada gulungan transformator. Nilai maksimum arus inrush biasanya tidak sampai menyebabkan arus gagal pada kemampuan transformator, tetapi bagaimanapun durasi dari tekanan-tekanan tersebut secara signifikan lebih panjang daripada peluang beberapa frekuensi daripada short circuit yang dikondisikan oleh proteksi relay dengan waktu 0 ms. Amplitudo arus tergantung pada dua faktor, yakni fluk sisa inti magnet dan fluk transient yang dihasilkan oleh tegangan suply. Ketika sebuah tegangan transformator pada titik 0 grafik sinus maka arus dan fluk menjadi maksimum, dan tertunda 90. Fluks transient berjalan dari fluk sisa dan mencapai amplitudo tertinggi pada setengah periode kemudian. Pada keadaan ini fluk saturasi inti dan amplitudo arus inrush menjadi tinggi karena induktansi dari inti magnet terlalu kecil. Untuk mengurangi arus inrush ada beberapa metode yang dapat diterapkan. III. Metode Reduksi Arus Inrush Trafo Untuk menganalisis arus inrush transformator marilah kita analisis rangkaian gambar 2. Gambar berikut adalah rangkaian transformator tanpa kontrol. Dalam hal ini terjadi flux transient dengan r tetap dan waktu konstan dengan persamaan = L / r p, sehingga arus magnetisasi maksimum dapat dihitung : i 2 2.22A m r m (5) 0At dimana A adalah luas daerah inti, A t adalah luas area inti dengan lilitan dan 0 adalah permeabilitas udara. Arus transient primer dapat dihitung dengan menghubungkan transformator dengan beban yakni sebesar : r rp p t t L I sp ( t) i e Ie (6) i 2 dimana I adalah arus nominal. Karena Isp < L, maka arus transient yang timbul dengan arus beban menjadi tertahan sangat cepat. Dari persamaan kita dapat melihat bahwa jumlah Gambar 2. rangkaian jaringan dengan ATP Draw A. Pengaruh Clearing Flux Sisa (Residual Flux) Jika transformator bekerja tanpa metode reduksi arus inrush seperti gambar 2 di atas, maka akan menghasilkan karakter sebagai mana gambar 3 berikut : 2
dan resistor. Dalam kasus ini karakter arus inrush ditampilkan pada gambar 5. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa arus inrush secara efektif dapat terkurangi, ada satu metode yang efektif untuk mereduksi arus inrush adalah dengan memasang resistor sebelum switch utama tertutup (preinsertion resistor). Gambar 3. Arus inrush trafo tanpa kontrol Seperti yang digambarkan pada model transformator, bahwa magnitude fluks sisa pada transformator merupakan parameter penting untuk merubah magnitude arus inrush trafo, ketika circuit breaker dibuka maka transformator akan terbuka dengan network, sementara fluks sisa masih ada di transformator dan ketika bekerja kembali arus inrush akan naik. Untuk menurunkan pengaruh ini, kapasitor dimasukkan pada sisi primer trafo, hal ini untuk mereduksi fluks sisa kemudian akan mengurangi arus inrush seperti ditampilkan pada gambar 4 berikut : Gambar 5. Arus inrush dengan pemasangan resistor sebelum switch C. Pengaruh pemasangan resistor dan clearing flux sisa Langkah selanjutnya untuk melihat pengaruh pemasangan resistor dan clearing flux sisa terhadap efektifitas pengurangan arus inrush, dalam langkah ini kedua metode digunakan bersamaan. Hasilnya adalah berupa gambar 6 berikut : Gambar 4. Arus inrush trafo dengan clearing fluks sisa Dari gambar di atas, kita dapat melihat adanya reduksi arus sisa dengan metode clearing fluks sisa. B. Pengaruh dari Pemasangan Resistor Pada gambar 2 ditunjukkan pada saat C3 ditutup rangkaian terseri dengan resistor, setelah 0 ms switch C tertutup dan tersambung dengan switch yang lain Gambar 6. Arus inrush dengan clearing flux sisa & metode pemasangan resistor Dari gambar 6 dapat dilihat bahwa penggabungan dua metode tersebut dapat lebih efektif mereduksi arus inrush trafo. D. Pengaruh bekerjanya beban-beban Bagaimana metode yang dapat digunakan untuk mereduksi arus inrush ketika bekerjanya beban-beban lain secara 3
simultan dengan transformator?. Untuk kasus ini, rangkaian lain yang diajukan adalah seperti pada gambar 7. Pada saat rangkaian beban bantu (auxiliary load) bekerja, maka arus inrush transformator yang pertama dapat tereduksi. Dari gambar 9 di atas menyatakan bahwa kombinasi dari kedua metode yakni auxiliary load dan clearing fluks sisa dapat lebih memperkecil arus inrush. F. Pengaruh penggunaan auxiliary load, clearing arus flux sisa dan pemasangan resistor Langkah berikutnya adalah menggunakan ketiga metode secara bersama-sama untuk mereduksi arus inrush. Dan hasil simulasi dari ketiga metode ini seperti pada gambar 0. Gambar 7. Rangkain jaringan dengan beban bantu (auxiliary load) Ketika beban diputus maka arus inrush masih ada, secara simulasi dapat dilihat pada gambar 8. Gambar 0. Arus inrush dengan menggunakan ketiga metode Gambar 8. Arus inrush dengan penggunaan beban bantu (auxiliary load) E. Pengaruh penggunaan auxiliary load dan clearing flux sisa Di samping untuk menemukan metode reduksi arus inrush, pada bagian ini kedua metode yakni penggunaan auxiliary load dan clearing flux sisa digunakan, dengan hasil simulasi rangkaian sebagai berikut : Dari gambar di atas, kita dapat melihat ketiga metode mampu menekan lebih kecil arus inrush tetapi arus inrush masih tetap tinggi pada orde ketiga sehingga membutuhkan solusi untuk mengatasinya. G. Waktu Swiching Terbaik Dalam bahasan kali ini mencoba untuk menemukan waktu terbaik switching open and close dan jadwal ini digunakan pada metode F (penggunaan ketiga metode). Waktu terbaik untuk open dan close ditunjukkan pada tabel. Tabel. Waktu terbaik switching Switch Waktu (t) Waktu (t) tertutup terbuka C 0.0775 s - C2 0.07 s 0.52 s C3 0.07 s 0.5 s Gambar 9. Arus inrush trafo, ketika auxiliary load dan clearing flux sisa digunakan. Dengan menggunakan waktu switching di atas untuk metode F, arus inrush akan direduksi, hasil dari simulasi ditunjukkan pada gambar berikut : 4
Gambar. Arus inrush dengan ketiga metode dan penentuan waktu terbaik Kemudian dengan menggunakan switching asinkron saja, arus inrush dapat diperkecil. Untuk trafo tanpa beban karakter arus inrush trafo ditunjukkan gambar 3, ketika trafo bekerja tanpa beberapa metode kontrol. Sebagai pembanding, ketika switching asinkron digunakan, arus inrush digambarkan pada gambar 4. Dengan demikian arus inrush semakin kecil dengan metode asinkron switching. Dari gambar di atas, dapat dilihat bahwa arus inrush diperkecil. Kemudian dengan kombinasi metode ini, kita dapat menemukan masalah terbaik untuk mereduksi arus inrush dengan biaya terkecil. H. Switching Asinkron Dalam bagian ini, kita menggunakan metode switching asinkron untuk switch C tanpa C3 pada rangkaian gambar 2. Waktu terbaik penyalaan (switching) C di tunjukkan pada tabel 2, dimana saat tegangan sumber pada masing-masing phase maksimum dan fluks sisa terjadi. Gambar 3. Arus inrush transformator tanpa beban tanpa metode kontrol Tabel 2. Waktu terbaik switching C Phase A B C Waktu (t) tertutup 0.08 s 0.086 s 0.083 s Dengan menggunakan waktu switching pada tabel 2, maka arus inrush dapat ditunjukkan pada gambar 2 berikut : Gambar 2. Arus transformator ketika terjadi switching asinkron Gambar 4. Arus inrush trafo tanpa beban dengan metode asinkron IV. Kesimpulan Fluks sisa pada transformator memainkan peranan penting dalam pembentukan magnetisasi arus inrush. Dalam prakteknya fluk sisa (residual flux) dapat direduksi dengan menghubungkan kapasitor dari fase ke ground pada terminal trafo. Pemasangan resistor dan penggunaan kombinasi dari beberapa metode dapat menghasilkan reduksi terbaik terhadap arus inrush. Pada akhirnya bahwa switching asinkron dapat menekan arus inrush tetapi metode ini mahal karena seluruh CB harus diadakan peralihan/ pergantian. Hasil perbandingan numerik ditunjukkan pada 5
tabel 3. Pada tabel tersebut dapat dilihat bahwa metode G adalah yang terbaik karena hampir semua arus inrush dapat diperkecil. Jika rugi-rugi dari pemasangan resistor dan kemungkinan terjadinya resonansi, maka metode switch asinkron adalah metode terbaik untuk menekan arus inrush pada transformator. Transformer Inrush Current and Some New Techniques For Its Reduction. 2006 Tabel 3. Hasil Perbandingan dari beberapa metode Metode Arus max Arus min (pu) (pu) Normal 5.96-5.24 A. Dengan resistor 5.05-4.9 B. Dengan Kapasitor 4.95-4.2 C. Kapasitor & Resistor 4.9-3.82 D. Beban Auxiliary 4.78-2.39 E. Beban Auxiliary & 3.2-2.72 Kapasitor F. Beban Auxiliary, Kapasitor & Resistor 2.89-2.48 G. Waktu terbaik switching.08 -.0 H. Switch asinkron - Apendiks : Data Transformator F =50 Hz, S= 50 MVA, V h = 32 kv, V = kv, I base = 230 A Daftar Pustaka :. M. Steurer, K. Frohlich. The Impact of Inrush current on the mechanical stress of high voltage power transformer coils, IEEE PWRD, Vol. 7 No., pp. 55-60 January 2002 2. L. Prikler, G. Banfai, G.Ban and P. Becker, Reducing the Magnetizing Inrush Current by means of Controlled Energization and de-energization of Large Power Transformer. International Conference on Power System Transient. IPST.2003. 3. W. Xu. SG, Abdulsalam, S.Chen and X. Liu. A Sequential Phase Energization Method for Transformer inrush current reduction, Part II : Theoritical Analysis and Design Guide, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 20, pp. 950-957 April 2005. 4. R. Rahnavard, M. Valizadeh, and A.A.B. Sharifian. Analitical Analysis of 6