Voltage Swell


  1. Definisi Voltage swell

Voltage swell merupakan suatu fenomena kenaikan tegangan rms dari nilai nominalnya yang terjadi dalam waktu yang singkat, sekitar 10 ms sampai beberapa detik. IEC 61000-4-30 mendefinisikan voltage swell sebagai kenaikan besar tegangan sementara pada titik diatas nilai threshold-nya. Sedangkan berdasarkan IEEE Standard 1159-1995, voltage swell merupakan variasi tegangan rms dengan besar antara 110% sampai 180% dari tegangan nominal dan berlangsung selama 0,5 siklus sampai satu menit. Gambar berikut menunjukkan gelombang tegangan saat terjadi voltage swell dengan besar 1.2 pu dan berlangsung selama 0,12 detik.


Gambar 2.2. Contoh Bentuk Gelombang Saat Terjadi Voltage swell

  1. Karakteristik Voltage swell

Karakteristik dari voltage swell dapat dilihat pada Gambar 3 untuk gelombang tegangan yang ideal (sinusoidal murni, tanpa harmonik)


Gambar 2.3. Karakteristik Voltage swell

Voltage swell dicirikan dengan besarnya swell (tegangan saat terjadi fault) dan durasinya. Besarnya swell ditentukan oleh jarak terjadinya fault dan durasinya bergantung pada waktu penghilangan fault.

  • Swell magnitude

Merupakan tegangan rms total saal fault terjadi, yang dinyatakan dalam persen atau dalam nilai per-unit dari tegangan nominalnya.

  • Swell Duration

Durasi swell merupakan waktu saat tegangan menjadi tinggi, biasanya kurang dari 1 detik. Durasi swell bergantung pada peralatan proteksi arus lebih dan seberapa lama arus fault diperbolehkan untuk mengalir. Ada banyak jenis peralatan yang digunakan untuk menghilangkan fault dan masing-masing mempunyai waktu absolut minimum untuk menghilangkan fault.

  • Phase angle jump

Fault yang terjadi pada sistem tenaga listrik tidak hanya menyebabkan turunnya besar tegangan, tapi juga menyebabkan perubahan pada sudut fasa tegangan. Phase angle jump (yaitu perbedaan sudut fasa selama terjadi swell dan sebelum terjadi swell) dapat dihitung dari nilai tegangan kompleks Vswell.

  1. Model Matematis untuk Menghitung Voltage swell

Berdasarkan referensi yang didapat, ada dua model matematika yang digunakan untuk menghitung besarnya voltage swell, model pertama yang mengabaikan besarnya arus beban, dan model kedua yang memperhitungkan arus beban.

Model pertama : arus beban diabaikan

Besarnya voltage swell dapat dinyatakan dalam model pembagian tegangan (voltage divider) sebagaimana yang tergambar pada gambar berikut:


Gambar 2.4. Model Pembagian Tegangan Saat Terjadi Voltage swell

Dengan mengabaikan arus beban, tegangan swell,
Vswell, dapat dinyatakan sebagai:


Dimana Zs merepresentasikan impedansi sumber pada point of common coupling (PCC) dan Zf merepresentasikan impedansi diantara PCC sampai ke lokasi terjadinya fault. Pada titik terjadinya fault, tegangan bernilai mendekati nol. Oleh karena itu, impedansi Zs dan Zf menentukan besarnya voltage swell, sedangkan durasi terjadinya voltage swell ditentukan oleh waktu penghilangan fault alat proteksi. Dari persamaan di atas, terlihat bahwa jika fault terjadi di dekat PCC, akan menyebabkan voltage swell yang terjadi semakin dalam.

Model kedua : Memperhitungkan arus beban

Dengan memperhatikan Gambar 2.5, pada kondisi normal (tidak terjadi fault), arus yang mengalir menuju beban A dan beban B bernilai sama (beban seimbang). Ketika terjadi fault pada feeder 1, arus yang sangat besar akan mengalir menuju feeder 1. Sehingga, berdasarkan pada hukum Kirchhoff, aliran arus menuju feeder 2 akan berkurang. Sebagai akibatnya, tegangan pada feeder 2 juga akan turun. Penurunan tegangan ini kemudian didefinisikan sebagai voltage swell.


Gambar 2.5. Perhitungan Voltage swell

Jika diasumsikan:

Beban A        = ZLOAD_A

Beban B         = ZLOAD_B

Reaktansi feeder 1    = x1

Reaktansi feeder 2    = x2

Arus dari sumber    = I

Arus pada feeder 1    = I1

Arus pada feeder 2    = I2

Sehingga     I = I1 + I2

Pada kondisi normal (tidak terjadi fault)


Ketika fault terjadi pada feeder 1 karena hubung singkat, arus yang sangat besar akan mengalir melalui feeder 1 begitu pula arus sumber I. Pada saat ini, tegangan pada feeder 2 menjadi turun karena peningkatan voltage drop pada reaktansi xs yang pada akhirnya menyebabkan swell terjadi.

(Ketika fault terjadi)

Sehingga:


dan nilai V2 menjadi lebih kecil dari nilai nominalnya (voltage swell)

  1. Metode Deteksi Tegangan

Deteksi tegangan sangat diperlukan karena dapat menentukan unjuk kerja dinamik dari regulator voltage swell. Oleh karena itu, deteksi tegangan yang presisi dan cepat merupakan bagian penting dari regulator voltage swell. Beberapa metode deteksi tegangan yang telah didokumentasikan pada penggunaan berbagai macam skema kompensasi tegangan antara lain:

  • Metode rata-rata
  • Metode deteksi RMS (RMS detection method)
  • Metode deteksi dengan transformasi DQ
  • Metode deteksi puncak (peak detection method)
  • Menggunakan signal processing

Diantara metode-metode di atas, banyak pendekatan yang telah menggunakan transformasi DQ dengan kerangka acuan sinkron (synchronous reference frame) untuk mendeteksi adanya swell. Teknik pemrosesan sinyal seperti FFT (Fast Fourier Transformation) dan Wavelet Transformation dapat digunakan untuk mendeteksi voltage swell. Akan tetapi, untuk mendapatkan informasi besar tegangan yang akurat, FFT dapat memakan waktu sampai satu siklus frekuensi fundamental. Sedangkan penggunaan Wavelet Transformation, sekalipun dapat mendeteksi perubahan mendadak pada tegangan suplai, implementasi secara real time menjadi sulit karena jumlah pemrosesan data yang besar. Metode transformasi DQ dan metode deteksi puncak dapat dijelaskan sebagai berikut:

  1. Transformasi DQ untuk Deteksi Tegangan

Teori transformasi DQ telah banyak digunakan pada aplikasi motor drive selama beberapa tahun, dan teori ini kemudian diadaptasi untuk mendeteksi voltage swell. Nilai transformasi DQ dihitung dengan menggunakan persamaan (5), dimana nilai tiga fasa ditransformasikan ke nilai stasioner dua-sumbu menjadi Vds dan Vqs. Kedua nilai ini kemudian ditransformasikan menjadi nilai dq pada kerangka rotasi


dimana θ adalah perbedaan sudut antara fase A dengan sumbu-q

Jika parameter tiga fasa seperti arus dan tegangan bernilai seimbang, nilai transformasi DQ akan menghasilkan nilai DC yang konstan. Dengan adanya pengubahan nilai AC tiga fasa menjadi nilai DC yang konstan menjadikan desain kontroler tegangan menjadi lebih mudah. Gambar 2.6 (kiri) menunjukkan tegangan tiga fasa dan hasil transformasi dq-nya (Gambar 2.6 kanan). Dari gambar, terlihat jelas bahwa sekalipun terjadi voltage swell, nilai pada sumbu-d tetap bernilai nol, dan komponen sumbu-q secara langsung mengindikasikan perubahan pada besarnya tegangan. Transformasi DQ menggunakan nilai sesaat yang menjadikan waktu deteksi menjadi lebih cepat dibandingkan dengan metode lain seperti metode deteksi RMS, metode puncak dan metode rata-rata.


Gambar 2.6. Hasil Transformasi DQ Tegangan Tiga Fasa Seimbang

Akan tetapi, untuk voltage swell yang tidak seimbang, metode transformasi DQ tidak menunjukkan adanya perubahan seketika pada nilai DC-nya. Nilai keluaran transformasi DQ mempunyai komponen ripple 100 / 120 Hz, yang merupakan dua kali nilai frekuensi sumber tegangan.

  1. Metode Deteksi Tegangan Puncak

Metode transformasi DQ memberikan waktu deteksi yang cepat untuk sistem tiga fasa yang seimbang. Akan tetapi, untuk mendapatkan komponen DC pada kerangka rotasi pada sistem yang tidak seimbang, komponen ripple 120 Hz perlu dihilangkan dengan menggunakan filter yang membuat respon deteksi menjadi lamban.

Untuk mengendalikan dan mendeteksi voltage swell, kompensator tegangan hanya membutuhkan nilai puncak tegangan input dan output. Oleh karena itu, metode sederhana yang disebut “peak detection method” digunakan. Jika transformasi DQ membutuhkan informasi ketiga fasanya, peak detection method hanya membutuhkan nilai fasa tunggalnya. Low-pass filter dengan frekuensi cut-off yang dibutuhkan untuk mengeliminasi noise pengukuran dipasang pada rangkaian pengindera. Sebagaimana yang telah disebutkan sebelumnya, penyaringan (filtering) pada transformasi DQ menyebabkan adanya detection delay. Dengan membandingkan waktu deteksinya, peak detection method mempunyai waktu deteksi yang hampir sama dengan transformasi DQ yang mempunyai notch filter 120 Hz. Peak detection method diimplementasikan sebagaimana terlihat pada Gambar 10, dan persamaan XXX menunjukkan metode deteksi puncak ini


Gambar 2.7. Pengukuran Tegangan dengan Peak Detection Method


Proses pengukuran magnitudo puncak dapat dijelaskan sebagai berikut. Tegangan phase-to-neutral salah satu fasa diukur, dan nilai cosinus tegangan ini dicari dengan menggunakan phase shifter 90o. Dengan mengasumsikan frekuensi suplai bernilai tetap, nilai pergeseran 90o dapat dicari dengan menggunakan rangkaian digital atau dengan pemrosesan sinyal digital. Komponen sinus dan cosinus kemudian dikuadratkan dan dijumlahkan untuk mendapatkan Vm2. Dengan mendapatkan nilai akar dari Vm2, besarnya tegangan dapat ditemukan. Gambar 11 menunjukkan hasil pengukuran tegangan menggunakan peak detection method.


Gambar 2.8. Hasil Pengukuran Tegangan dengan Peak Detection Method

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s