Menerjemahkan Black-Box nya Gardu Induk

Terjadi gangguan pada sisi HV transformator daya (trafo) 150/20 kV 60 MVA dan didapat rekaman DFR sebagai berikut. Tidak lengkap memang tapi diakhir postingan ini kita coba tafsirkan.

Itu adalah studi kasus yang akan jadi topik pembahasan kita kali ini. Tapi sebelum kita analisa, saya mau singgung sedikit fundamental mengenai Digital Fault Recorder (DFR) ini.

Fundamental DFR

DFR merupakan device elektronik yang berfungsi untuk merekam segala fenomena power system di gardu induk sehingga bila dilihat dari fungsinya mirip black box di pesawat. Jadi apabila ada fenomena abnormal di power system, kita bisa melihat data tersebut melalui DFR ini.

Hasil dari rekaman DFR ini bisa kita manfaatkan untuk melakukan analisa pada saat terjadi gangguan di power system, karakteristik dan performa pada sistem proteksi hingga kinerja komponen switching seperti PMT dan PMS. Karena fungsinya sebagai black box, DFR ini bekerja secara kontinu memonitoring kerja dari power system.

Karena DFR ini bekerja secara digital dengan memproses informasi di dalam microprocessor, maka informasi analog pada sistem harus mampu di sampling dengan resolusi tingkat tinggi. Kenapa harus di sampling?

Itu karena pada realitanya, besaran pada sistem AC baik itu arus maupun tegangan memiliki besaran analog yang relatif terhadap satuan waktu yang artinya lagi nilai dari besaran tersebut tidak konstan seperti pada arus DC. Misal pada periode t=0 ms, nilai tegangan sebesar 100 V, tetapi pada periode t=n ms, nilai tegangan tersebut sudah tidak 100 V lagi karena menyesuaikan dengan fungsi gelombang sinus.

Ketajaman dari resolusi sampling sinyal analog ke digital akan sangat berpengaruh pada relay yang bekerja dengan prinsip membandingkan dua besaran pada primer-sekunder trafo (relay differential) serta pada relay LCD. Apabila sampling ratenya rendah dan pada saat tertentu terjadi pergeseran fasa sepersekian derajat, maka DFR atau relay akan gagal membaca pergeseran fasa tersebut sehingga akan terdeteksi gangguan atau kesalahan unjuk kerja.

Selain untuk optimalisasi kerja relay numerik, sampling rate yang tinggi juga diperlukan agar DFR dapat merekam gelombang transien frekuensi tinggi sehingga engineer dapat melakukan analisa gangguan dengan hasil yang lebih akurat

Analisa gangguan menggunakan DFR

Data yang didapat dari DFR dan relay numerik dapat digunakan untuk memonitoring karakteristik relay proteksi saat terjadinya gangguan sehingga kita bisa mengetahui apa yang terjadi? kenapa itu terjadi? dan apa yang harus dilakukan pada sistem yang terganggu setelahnya.

Berikut ini adalah contoh dari beberapa analisa yang dapat digunakan untuk menilai kondisi dari power system menggunakan DFR.

1. Mendeteksi outrush arus berlebih pada capacitor bank saat close-in.
2. Mendeteksi ketidakserempakan open/close PMT
3. Penentuan operasi relay yang tidak diinginkan
4. Mendeteksi dan menindaklanjuti dari analisa operasi relay yang tidak diinginkan sehingga dapat menemukan kegagalan yang tersembunyi pada relay
5. Mendeteksi transient tegangan capacitive berlebih pada CVT pada saat terjadinya gangguan
6. Mendeteksi spillover pada surge arrester atau kegagalan surge arrester dalam meredam energi transient saat terjadi gangguan.
7. Menganalisa gangguan yang sidebabkan oleh sambaran petir
8. Menentukan puncak tegangan saat terjadi flashover yang menyebabkan kegagalan insulasi sehingga dapat memberikan feedback terkait design insulasi yang kurang sesuai.

Prinsip kerja DFR

DFR bekerja dengan menerima sinyal analog maupun event input/output. Untuk sinyal analog range frekuensinya berupa frekuensi 50 Hz hingga frekuensi dengan bentuk gelombang transient yang kemudian gelombang analog tersebut dikonversi menjadi sinyal digital melalui ADC (Analogue to Digital Conv.) yang kemudian lagi sinyal digital hasil dari sampling sinyal analog di proses oleh mikroprosesornya DFR.

Analisa hubung singkat pada power system

Next kita refresh lagi tentang jenis-jenis hubung singkat dan bagaimana DFR memvisualisasikan gangguan tersebut.

Hubung singkat tiga fasa

Gangguan ini ditandai dengan peningkatan arus pada ketiga fasa R, S & T dan tegangan drop di ketiga fasa tersebut. Pada gangguan ini cendrung tidak ada arus pada netral karena gangguan bersifat simetris. Gangguan ini bisa disebabkan oleh benang layangan yang melilit pada tiga fasa konduktor.

Hubung singkat Fasa ke Fasa

Gangguan fasa-fasa (R-S, S-T dan R-T) bisa diidentifikasi dengan ciri-ciri terjadi overcurrent pada dua fasa yang terganggu, terjadi pergeseran fasa sebesar 180 derajat antara fasa yang terganggu, terjadi undervoltage pada fasa yang terganggu serta tidak ada arus netral karena tidak ada arus zero sequence karena tidak ada koneksi ke ground.

Hubung singkat Fasa-Ground

Ciri-ciri hubung singkat ini (R-G, S-G dan T-G) ditandai dengan terjadinya undervoltage hingga sampai hilang tegangan pada salah satu fasa terganggu, terjadi overcurrent yang tinggi.

Sebab-sebab terjadinya gangguan

Gangguan dianggap sebagai kondisi tidak seimbang yang muncul di power system yang diklasifikasikan antara fasa atau gorund fault. Gangguan yang paling sering terjadi adalah gangguan fasa-ground yang mencapai hingga 80-85% dari total terjadinya gangguan. Selebihnya antara gangguan fasa-fasa dan gangguan 3 fasa.

Shunt atau short sirkuit adalah kondisi di mana gangguan terjadi akibat kegagalan insulasi. Kegagalan ini bisa terjadi karena beberapa sebab semisal kesalahan dalam mendesain koordinasi insulasi, fabrikasi yang kurang baik, faktor penuaan pada material serta faktor eksternal seperti petir atau gangguan akibat objek lain, surja switching dan stress akibat overvoltage pada material insulator.

Selain faktor elektris, gangguan juga dapat disebabkan oleh kegagalan mekanis pada peralatan, stress thermal, pengaruh lingkungan, kelalaian manusia serta bencana alam.

Penjelasan studi kasus

Kita masuk ke inti pembahasan dari studi kasus di awal barusan. Jadi, dugaan sementara penyebab gangguan trafo tersebut adalah akibat sambaran petir. Sekali lagi, dengan informasi osilogram gangguan tersebut, informasi apa yang bisa kita ambil?

Pertama kita validasi dulu skenario penyebab karena petir.

Gangguan akibat petir pada peralatan karena petir bisa terjadi berdasarkan tiga kondisi,

1. Step voltage. Hmm ini bisa langsung dieliminasi karena sistem grounding di gardu induk didesain buat mencegah step voltage yang fatal ke peralatan. Lagi pula posisi trafo yang dekat dengan peratalan lain tentunya peralatan lain juga bisa merasakan efetk dari step voltage itu. Ada ide?
2. Shielding failure atau sambaran langsung ke konduktor atau bushing trafo. Apabila peralatan yang bertegangan disambar petir secara langsung makan akan menghasilkan overvoltage pada sistem yang kemudian diikuti oleh insulation breakdown. Artinya pada osilogram akan menampilkan transien pada grafik tegangan yang kemudian kemungkinan besar terjasi gangguan tiga fasa karena kegagalan insulasi pada belitan di dalam main tank.
3. Back-flash over (BFO). Skenario kedua apabila trafo disambar petir pada bagian body trafo maka akan terjadi flash over pada bushing atau insulation breakdown pada minyak. Flash over pada bushing dan insulation brakdown pada minyak akan menghasilkan rault resistance. Fault resistance ini disebabkan pada saat proses ionisasi baik itu udara atau minyak hingga terjadinya flash. Saat terjadi short fasa-ground, flash over akan menghasilkan arus gangguan yang mengalir dari bushing ke netral trafo apabila flash terjadi di arcing horn dan dari belitan langsung tembus ke main tank apabisa minyak breakdown. Arus gangguan dari netral tersebut akan diteruskan ke ground trafo dan DFR akan mendeteksi grafik seperti ini.

Pada grafik di atas menunjukan apabila terjadi flash akibat gangguan fasa-ground, DFR akan mendeteksi ripple frekuensi tinggi yang disebabkan oleh fault resistance. Berarti dari studi kasus kita di atas, petir bukan termasuk penyebab terjadinya gangguan tersebut.

Kemungkinan lainnya adalah terjadi shunt fasa-ground yang bersifat solid artinya fault resistance = 0. Kondisi ini bisa tercapai apabila ada element bertegangan fail sehingga bersentuhan langsung dengan main tank atau element ground di trafo tersebut. Dalam kondisi ini, DFR akan menunjukan tegangan hilang secara bertahap pada fasa terganggu seperti gambar dibawah ini.

Tentu untuk mengidentifikasi secara menyeluruh, data dari DFR tersebut harus dibandingkan dengan temuan dilapangan serta data hasil pengujian yang sudah dilakukan sehingga penyebab pasti dari gangguan tersebut bisa di temukan. Atau dalam melakukan analisa kita bisa pakai metode Sherlock Holmes dengan mengeliminasi kemungkinan-kemungkinan yang kurang kuat data pendukungnya hingga tersisa penyebab yang tidak bisa dibantak lagi, walaupun keliatan ngga mungkin tapi kemungkinan terbesar itulah penyebab utamanya.

\”How often have I said to you that when you have eliminated the impossible, whatever remains, however improbable, must be the truth?\” – Sherlock Holmes

― Arthur Conan Doyle, The Sign of Four

Demikian postingan tentang DFR dan studi kasusnya. Kalau ada penyampaian saya yang keliru atau barangkali pembaca punya ide lain, silahkan tinggalkan pesan dibawah ya.

Referensi:

• Disturbance analysis for power system by M.A. Ibrahim
• Understanding Microprocessor-Based Technology Applied to Relaying by IEEE Power System Relaying Committee
• Symmetrical Components for Power Systems Engineering by Marcel Dekker
• Electrical Transients in Power Systems by Greenwood, A.