DIKTAT KULIAH
PROTEKSI SISTEM TENAGA
Disusun oleh: Ir. Zulkarnaen Pane, MT
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN 20014
DAFTAR ISI
Daftar Isi
i
Bab 1 Pendahuluan
1
Bab 2 Rele Proteksi
11
Bab 3 Rele Arus Lebih
16
Bab 4 Rele Tegangan
25
Bab 5 Rele Diferensial
32
Bab 6 Rele Urutan Fasa Negatif
38
Bab 7 Rele Daya Balik
43
Bab 8 Rele Jarak
48
Bab 9 Pemutus Tenaga
83
Bab 10 Transformator Arus
87
i
I. PENDAHULUAN
1.1. Pengertian Proteksi (Pengaman)
Sistem proteksi tenaga listrik merupakan sistem pengamanan pada peralatan peralatan yang terpasang pada sistem tenaga listrik, seperti generator, busbar, transformator, saluran udara tegangan tinggi, saluran kabel bawah tanah, dan lain sebagainya terhadap kondisi abnormal operasi sistem tenaga listrik tersebut. 1.2. Fungsi Proteksi
Kegunaan sistem proteksi antara lain untuk : 1. Mencegah kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya gangguan atau kondisi operasi tidak normal 2. Mengurangi kerusakan peralatan-peralatan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya gangguan atau kondisi operasi sistem yang tidak normal 3. Mempersempit daerah yang terganggu sehinggga gangguan gangguan tidak melebar pada sistem yang lebih luas 4. Memberikan pelayanan tenaga listrik dengan keandalan dan mutu mutu tinggi kepada konsumen 5. Mengamankan manusia dari bahaya yang ditimbulkan oleh oleh tenaga listrik 1.3. Gangguan Pada Pada Sistem Tenaga Listrik 1.3.1. Faktor-Faktor Penyebab Gangguan
Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang melibatkan banyak komponen dan sangat kompleks. Oleh karena itu, ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya gangguan pada sistem tenaga listrik, antara lain sebagai berikut. a. Faktor Manusia Faktor ini terutama menyangkut kesalahan atau kelalaian dalam memberikan perlakuan pada sistem. Misalnya salah menyambung rangkaian, keliru dalam mengkalibrasi suatu piranti pengaman, dan sebagainya.
1
b. Faktor Internal Faktor ini menyangkut gangguan-gangguan yang berasal dari sistem itu sendiri. Misalnya usia pakai (ketuaan), keausan dan sebagainya. Hal ini bisa mengurangi sensitivitas rele proteksi, juga mengurangi daya isolasi peralatan listrik lainnya. c. Faktor Eksternal Faktor ini meliputi gangguan-gangguan yang berasal dari lingkungan sekitar sistem. Misalnya cuaca, gempa bumi, banjir, dan sambaran petir. 1.3.2. Jenis Gangguan
Jika ditinjau dari sifat dan penyebabnya, jenis gangguan dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. Hubung singkat Hubung singkat adalah terjadinya hubungan penghantar bertegangan atau penghantar tidak bertegangan secara langsung tidak melalui media (resistor/beban) yang semestinya sehingga terjadi aliran arus yang tidak normal (sangat besar). Hubung singkat merupakan jenis gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik, terutama pada saluran udara 3 fasa. Semua komponen peralatan listrik selalu diisolasi dengan isolasi padat, cair (minyak), udara gas, dan sebagainya. Namun karena usia pemakaian, keausan, tekanan mekanis, dan sebab lainnya, maka kekuatan isolasi pada peralatan listrik bisa berkurang atau bahkan hilang sama sekali. Hal ini akan mudah menimbulkan hubung singkat. Pada bahan isolasi padat atau cair, gangguan hubung singkat biasanya mengakibatkan busur api sehingga menimbulkan kerusakan yang tetap dan gangguan ini disebut gangguan permanen. Pada isolasi udara yang biasanya te rjadi pada saluran udara tegangan menengah atau tinggi, jika terjadi busur api dan setelah padam tidak menimbulkan kerusakan, maka gangguan ini disebut gangguan temporer . Arus hubung singkat yang begitu besar sangat membahayakan peralatan. Gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi pada sistem tenaga listrik 3 fasa adalah sebagai berikut, 1) Hubung singkat tiga fasa, 2) Tiga fasa ke tanah, 3) Fasa ke fasa, 4) Satu fasa ke tanah, 5) Dua fasa ke tanah 6) Fasa ke fasa dan pada waktu bersamaan dari fasa ke tiga dengan tanah, 2
Dua jenis gangguan yang pertama menimbulkan arus gangguan hubung singkat simetris sedangkan empat jenis gangguan terakhir menimbulkan arus gangguan tidak simetris. 2. Beban lebih (OverLoad ) Beban lebih merupakan gangguan yang terjadi akibat konsumsi energi listrik melebihi energi listrik yang dihasilkan pada pembangkit. Gangguan beban lebih sering terjadi terutama pada generator dan transformator daya. Arus lebih ini dapat menimbulkan pemanasan yang berlebihan sehingga bisa menimbulkan kerusakan pada isolasi. 3. Tegangan Lebih (OverVoltage ) Tegangan lebih merupakan suatu gangguan akibat tegangan pada sistem tenaga listrik lebih besar dari yang seharusnya. Gangguan tegangan lebih dapat terjadi karena kondisi eksternal dan internal a) Kondisi Internal: Hal ini terutamakarena osilasi akibat perubahan yang mendadak dari kondisi rangkaian atau karena resonansi. Misalnya operasi hubung pada saluran tanpabeban.perubahan yang mendadak, operasi pelepasan pemutus tenaga yang mendadak akibat hubung singkat pada jaringan, kegagalan isolassi, dan sebagainya. b) Kondidi Eksternal: Kondisi eksternal terutama akibat adanya sambaran petir. 3. Daya Balik ( ReversePower ) Daya balik merupakan suatu gangguan yang terjadi pada generator-generator yang bekerja paralel. Pada kondisi normal generator-generator tersebut secara paralel akan bekerja secara serentak dalam membangkitkan tenaga listrik. Namun karena sesuatu sebab misalnya terjadi gangguan pada penggerak mula maka generator dapat berubah fungsi menjadi motor. 1.4. Pencegahan Gangguan
Sebagaimana telah dijelaskan di muka, ada beberapa jenis gangguan pada sistem tenaga listrik yang memang tidak semuanya bisa dihindarkan. Untuk itu perlu dicari upaya pencegahan agar bisa memperkecil kerusakan pada peralatan listrik, terutama pada manusia akibat adanya gangguan. Usaha memperkecil terjadinya gangguan ditempuh antara lain, 1) Membuat isolasi yang baik untuk semua peralatan; 3
2) Membuat koordinasi isolasi yang baik antara kekuatan isolasi peralatan dan penangkal petir; 3) Menggunakan kawat tanah dan membuat tahanan pentanahan pada kaki menara sekecil mungkin, serta selalu mengadakan pengecekan; 4) Membuat perencanaan yang baik untuk mengurangi pengaruh luar mekanis dan mengurangi atau menghindarkan sebab-sebab gangguan karena binatang, polusi, kontaminasi, dan lainnya; 5) Pemasangan yang baik, artinya pada saat pemasangan harus mengikuti peraturan peraturan yangberlaku; 6) Menghindari kemungkinan kesalahan operasi, yaitu dengan membuat prosedur tata cara operasional dan membuat jadwal pemeliharaan yang rutin; 7) Memasang lightning arrester untuk mencegah kerusakan pada peralatan akibat sambaran petir. 1.5. Komponen-komponen Sistem Proteksi
Sistem proteksi terdiri dari : 1. Transformator instrument (CT dan PT) 2. Rele proteksi 3. Pemutus tenaga (CB, PMT) 1
800/5 A
CB
F
20 kV OCR
Gambar 1.1.
Transformator instrument berfungsi untuk memonitor arus atau tegangan dan menurunkan besar kedua besaran tersebut ke suatu nilai yang sesuai untuk keperluan rele,
Rele berfungsi untuk membandingkan besar arus atau tegangan yang diterimanya dari trafo instrument dengan nilai setelannya. Jika sinyal input melebihi nilai setelan rele, maka rele akan trip dan memberikan sinyal ke suatu pemutus tenaga
4
Pemutus Tenaga berfungsi untuk mengisolasi bagian yang terganggu dari sistem yang sehat.
Gambar 1.2. Trafo arus
5
Gambar 1.3. Air Circuit Circuit Breaker
Gbr 14. Oil Circuit Breaker 138 kV 6
Gambar 1.5. Rele proteksi berbasis mikroprosessor
Gambar 1.6. Tipikal rele mekanikal
7
Gambar 1.7. Diagram skematik dari rele pada Gambar 1.5.
8
9
10
II. RELE PROTEKSI
2.1. Pengertian Umum
Pada saat terjadi gangguan pada sistem tenaga listrik, misalnya adanya arus lebih, tegangan lebih, dan sebagainya, maka perlu diambil suatu tindakan untuk mengatasi kondisi gangguan tersebut. Jika dibiarkan, gangguan itu akan meluas ke seluruh sistem sehingga bisa merusak semua peralatan sistem tenaga listrik yang ada. Untuk mengatasi hal tersebut, mutlak diperlukan suatu sistem pengaman yang andal. Salah satu komponen yang penting untuk pengaman tenaga listrik adalah rele proteksi. Rele proteksi adalah susunan piranti, baik elektronik maupun magnetik yang direncanakan untuk mendeteksi suatu kondisi ketidaknormalan pada peralatan listrik yang bisa membahayakan atau tidak diinginkan. Jika bahaya itu muncul maka rele proteksi akan segera otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga ( circuit breaker ) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem yang normal. Rele
proteksi dapat mengetahui adanya gangguan pada peralatan yang perlu diamankan dengan mengukur atau membandingkan besaran-besaran yang diterimanya, misalnya arus tegangan, daya, sudut fase frekuensi impedansi dan sebagainya sesuai dengan besaran yang telah ditentukan. Alat tersebut kemudian akan mengambil keputusan seketika atau dengan perlambatan waktu untuk membuka pemutus tenaga atau hanya memberikan tanda tanpa membuka pemutus tenaga. Pemutus tenaga dalam hal ini harus mempunyai kemampuan untuk memutus arus hubung singkat maksimum yang melewatinya dan harus mampu menutup rangkaian dalam keadaan hubungan singkat yang kemudian membuka kembali. Disamping itu rele juga berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam gangguannya. Berdasarkan data dari rele maka akan memudahkan kita dalam menganalisis gangguannya. 2.2. Fungsi Rele
Pada prinsipnya rele proteksi yang dipasang pada sistem tenaga listrik mempunyai 3 macam fungsi, yaitu 1. Merasakan, mengukur, dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta memisahkan secepatnya; 2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu; 11
3. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang tidak terganggu didalam sistem tersebut serta dapat beroperasi normal Rele proteksi tidak mengantisipasi atau mencegah terjadinya gangguan yang pertama, tetapi untuk gangguan berikutnya. Sebab rele proteksi bekerja hanya setelah terjadi gangguan. Suatu pengecualian untuk rele Bucholf yang digunakan untuk proteksi trafo daya. Rele ini bekerja karena terjadinya akumulasi gas yang terjadi di dalam minyak transformator akibat panas yaang dibangkitkan dan dekomposisi isolasi minyak trafo atau isolasi padat lainnya. 2.3. Persyaratan Rele Proteksi
Pada sistem tenaga listrik, rele memegang peran yang sangat vital. Pengaman berkualitas yang baik memerlukan rele proteksi yang baik juga. Untuk itu ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi oleh rele pengaman, seperti tersebut berikut ini. 1. Kepekaan (Sensitivity)
Rele harus mempunyai mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap besaran minimal (kritis) sebagaimana direncanakan. Rele harus dapat bekerja pada awal terjadinya gangguan. Oleh karena itu, gangguan lebih mudah diatasi pada awal kejadian. Hal ini memberi keuntungan dimana kerusakan peralatan yang harus diamankan menjadi kecil. Namun demikian, rele juga harus stabil, artinya a. Rele harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum b. Pada saat transformator daya dihubungkan ke sistem, rele tidak boleh bekerja karena adanya arus inrush, yang besarnya seperti arus gangguan, yaitu 3-5 kali arus beban maksimum; c. Rele harus dapat membedakan adanya gangguan atau ayunan beban. 2. Keandalan ( Reliability)
Pada kondisi normal atau tidak ada gangguan, mungkin selama berbulan-bulan atau lebih rele tidak bekerja. Seandainya suatu saat terjadi gangguan maka rele tidak boleh gagal bekerja dalam mengatasi gangguan tersebut. Kegagalan kerja rele dapat mengakibatkan alat yang diamankan rusak berat atau gangguannya meluas sehingga daerah yang mengalami pemadaman semakin luas. Rele tidak boleh salah kerja, artinya rele yang seharusnya tidak bekerja, tetapi bekerja. Hal ini menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya dan menyulitkan analisa
12
gangguan yang terjadi. Keandalan rele proteksi ditentukan dari rancangan, pengerjaaan, beban yang digunakan dan perawatannya.
Gbr. 2.1 Keandalan dari suatu sistem proteksi 3. Selektivitas (Selectivity)
Selektivitas berarti rele harus mempunyai daya beda terhadap bagian yang terganggu, sehingga mampu dengan tepat memilih bagian dari sistem tenaga listrik yang terkena gangguan. Kemudian rele bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem dalam jangkauan pengamanannya. Tugas rele untuk mendeteksi adanya gangguan yang terjadi pada daerah pengamanannya dan memberikan perintah untuk membuka pemutus tenaga dan memisahkan bagian yang terganggu. Letak pemutus tenaga sedemikian rupa sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisahkan. Dengan demikian bagian dari sistem lainnya yang tidak terganggu jangan sampai dilepas dan masih beroperasi secara normal, sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan. Jika terjadi pemutusan atau pemadaman hanya terbatas pada daerah yang terganggu. Contoh zona proteksi rele ditunjukkan pada Gambar 2.2.
13
Gbr. 2.2 Diagram satu garis suatu sistem yang menunjukkan zona proteksi 4. Kecepatan Kerja
Rele proteksi harus dapat bekerja dengan cepat. Namun demikian, rele tidak boleh bekerja terlalu cepat (kurang dari 10 ms). Disamping itu, waktu kerja rele tidak boleh melampaui waktu penyelesaian kritis (critical clearing time). Pada sistem yang besar atau luas, kecepatan kerja rele proteksi mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan sistem agar tidak terganggu. 5. Ekonomis
Satu hal penting yang harus diperhatikan sebagai persyaratan rele proteksi adalah masalah harga atau biaya. Rele tidak akan diaplikasikan didalam sistem tenaga listrik, jika harganya sangat mahal. Persyaratan reliabilitas, sensitivitas, selektivitas, dan kecepatan kerja rele tidak menyebabkan harga rele tersebut menjadi mahal. 2.4. Terminologi
Ada beberapa istilah (terminologi) yang perlu diketahui diantaranya adalah: a. Rele adalah sebuah alat yang bekerja membuka dan menutup secara automatis karena beroperasinya peralatan lain dibawah pengaruh besaran listrik, 14
b. Rele proteksi adalah sebuah alat listrik yang bekerja secara automatis mendeteksi keadaan abnormal dalam rangkaian listrik dan memberikan sinyal ke PMT untuk mengisolasi bagian yang terganggu. Dalam beberapa hal rele proteksi hanya cukup memberikan alarm atau nyala lampu, c. Waktu kerja rele (operating time) adalah waktu yang dibutuhkan oleh sebuah rele proteksi sesaat setelah terjadi gangguan sampai output rele menutup kontaknya, d. Setting adalah suatu nilai besaran yang ditetapkan sebelumnya agar rele bekerja pada nilai tersebut, e. Pick-up, suatu rele dikatakan pick-up apabila kontak output rele bergerak dari posisi off ke posisi on. Nilai dari besaran perubahan minimum pada karakteristik ini disebut nilai pick-up, f. Dropout atau reset, sebuah rele dikatakan dropout apabila kontak outputnya bergerak dari posisi on ke posisi off , g. Proteksi utama (main protection) adalah suatu proteksi yang pertama kali mengamankan begitu ada gangguan di daerah proteksinya, h. Rele cadangan (Backup relay) adalah sebuah rele yang bekerja setelah beberapa saat rele utama gagal bekerja, i. Burden adalah daya yang diperlukan untuk mengoperasikan rele, dinyatakan dalam volt amper (VA)
15
III. RELE ARUS LEBIH
Rele arus lebih merupakan suatu rele yang bekerjanya berdasarkan adanya kenaikan arus yang melebihi suatu nilai pengaman tertentu dan dalam jangka waktu tertentu. Rele arus lebih dikategorikan menjadi 3, yaitu 1) Rele arus lebih seketika (instantaneous over-current relay ), 2) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu yang tidak tergantung pada besarnya arus gangguan (definite time over current relay ), dan 3) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu terbalik ( inverse time over current relay ). 3.1. Rele Arus Lebih Seketika
Rele arus lebih seketika adalah rele arus lebih yang bekerja tanpa penundaan waktu (jangka waktu rele) mulai saat arusnya pick-up sampai selesai sangat singkat (sekitar 20 – 100 ms). Salah satu contoh rangkaian sederhana dari rele arus lebih seketika dapat dilihat pada Gambar 3.1. Sedangkan sistem kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut. +VC Th T2
R1
C1
Input from CT
T1 C2
R2
D Pe
AR
B C t i u c r i c l o r t n o c o t
Aux transformer Or transactor
Gbr. 3.1. Rele arus lebih seketika
Arus masukan dari CT (trafo arus) diumpankan ke suatu CT bantu (biasanya berupa transactor yang merubah arus ke suatu tegangan) dengan beberapa sadapan pada belitan sekundernya. Arus sekunder kemudian diumpankan ke suatu penyearah jembatan gelombang penuh yang dilindungi terhadap tegangan lebih transient oleh filter R 1-C1 . Keluaran penyearah kemudian mengalir ke basis transistor T1. Keluaran tadi yang terdapat 16
pada resistor R 2 diratakan oleh kapasitor C2. Transistor T1 (npn) dan transistor T 2 (pnp) dalam keadaan off. Apabila tegangan basis T1 melebihi nilai pickup yang telah diset melalui potensiometer Pe, maka T1 akan bekerja sehingga menyebabkan T 2 dan rele output AR akan bekerja pula. Thermistor Th pada kolektor T 1 dimaksudkan sebagai kompensasi suhu, sedangkan diode D sebagai pengaman rele output Tr. Besarnya arus pickup dapat diatur melalui tap-tap transformator bantu dan potensiometer Pe. Pada
rele
diatas
ada
kemungkinan
terjadi
sensitivitas
yang
berlebihan
(oversensitivity) pada saat terjadi arus gangguan transient dengan komponen-komponen
arus searah. Hal ini dapat dicegah dengan membuat transformator bantu (auxiliary transformer) menjadi jenuh diatas nilai pick-up. Juga filter transient R 1C1 diatas akan mengurangi terjadinya oversensitivity.
3.2. Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu
Ada beberapa jenis rele arus lebih dengan tundaan waktu, hal ini tergantung pada karakteristik waktu tundanya. Berdasarkan tundaan waktu kerjanya rele arus lebih dapat dibedakan menjadi : a. Waktu tertentu (definite time) b. Waktu minimal tertentu terbalik (inverse definite minimum time/IDMT) c. Sangat berbanding terbalik (very inverse) d. Sangat berbanding terbalik sekali ( extremely inverse).
Gambar 3.2 merupakan diagram karakteristik rele arus lebih dengan tundaan waktu. 50
10
m a 3 l a d a k j t r i e e k d u t k a 1.0 W 0.5
a. waktu tertentu b. waktu terbalik c. waktu sangat terbalik
d. waktu terbalik sekali
0.1 1
10
20
100
Multiples of Plug Setting
Gambar 3.2. Karakteristik Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu
17
Perbedaan mendasar antara rele arus lebih dengan tundaan waktu tertentu terhadap rele arus lebih jenis inverse adalah pada pengisian kapasitor yang digunakan. Waktu operasi dari rele arus lebih jenis definite time adalah tetap dan tidak tergantung pada besanya arus gangguan. Fungsi dari arus input hanya untuk mengisi muatan kapasitor, sesudah itu rangkaian akan bekerja untuk membuka pemutus tenaga. Dengan kata lain arus masukan pada rele jenis definite time hanya mengontrol atau membandingkan dengan besarnya arus pickup-nya, sedangkan pada rele jenis inverse arus masukan mengendalikan tidak hanya arus pickup, tetapi juga tingkat tegangan pengisian kapasitor sehingga waktu kerjanya tergantung pada besarnya arus masukan.
3.2.1
Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Tertentu
Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu tertentu adalah suatu rele yang jangka waktu mulai rele pickup sampai rele trip, diperpanjang dalam waktu tertentu. Blok diagram dan rangkaian lengkap rele jenis ini bisa dilihat pada Gambar 3.3. dan Gambar 3.4, sedangkan alur kerjanya secara garis besar adalah sebagai berikut.
Arus masukan
Detektor tingkat pewaktu
Detektor tingkat beban lebih
AC to DC converter
Rangkaian keluaran
keluaran
Aux CT
Gambar 3.3. Blok Diagram Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu
R2
R4
+ Vc R5
R3
T2
P1 Arus masukan
T3 R1
R6 T1
C
P2
D
AR
B C t i u c r i c l o r t n o c o t
Gambar 3.4. Rangkaian Lengkap Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu
Arus masukan bolak-balik diubah menjadi tegangan searah melalui suatu CT bantu (auxiliary CT) atau transactor dan penyearah jembatan. Tegangan ini kemudian diumpankan ke transistor T1 melalui resistor R 2. Pada kondisi normal, transistor T 1 (npn) 18
dalam keadaan konduksi (konduksi) karena adanya bias dari catu tegangan melalui resistor R 4 – ini akan menghubungsingkatkan kapasitor C. Pada saat arus masukan melebihi nilai setelan yang telah ditentukan oleh potensiometer P1 maka sambungan base- emitter T1 reverse biased sehingga T 1 menjadi OFF. Pada kondisi ini kapasitor C mulai mengisi
muatan dari tegangan suplai melalui resistor R 3. Pada saat tegangan kapasitor melebihi tegangan emitter T2, sebagaimana telah ditentukan atau diatur oleh potensiometer P 2, maka transistor T2 konduksi dan akan menggerakkan T 3 untuk konduksi pula dan selanjutnya akan membuat rele output AR akan bekerja. Pada saat arus masukan menurun maka dengan segera T 1 konduksi dan melepaskan muatan kapasitor C sehingga rangkaian direset dengan cepat. Dioda reverse-biased D berfungsi untuk mengamankan transistor dari tegangan induksi yang cukup tinggi akibat induktansi kumparan rele output. Disini potensiometer P 1 berperan sebagai Plug setting multipier (PMS) dan potensiometer P 2 berperan sebagai Time multiplier setting (TMS).
Dari uraian diatas dapat dilihat bahwa pengisian kapasitor dilakukan oleh tegangan suplai bantu, sedangkan arus masukan hanya menentukan/mengendalikan kondisi pickup dari rele.
3.2.2
Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Terbalik
Rele arus lebih jenis inverse pada dasarnya hampir sama dengan rele arus lebih jenis definite . Perbedaannya hanya pada waktu kerjanya. Gambar 3.5 merupakan contoh rangkaian dasar rele arus lebih jenis inverse. P2 R1
P1
+ Vc
R4
R6
R7 T3
R2 Arus masukan
C
T1
R5 P3
AR
D
R3
Gambar 3.5. Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Terbalik
Pada saat besar arus masukan bolak-balik rendah, transistor T 1 dalam keadaan konduksi sehingga menghubungsingkatkan kapasitor C. Apabila arus masukan melebihi nilai settingnya yang diatur melalui potensiometer P2 dan taping pada sekunder transformator, maka transistor T1 terbuka (off) sehingga kapasitor C terisi muatannya dari 19
arus masukan (melalui tegangan yang dibangkitkan pada resistor R 2 ) melalui resistor R 1 dan potensiometer P1. Pada saat tegangan kapasitor tersebut melebihi besarnya tegangan yang disetting melalui potensiometer P3, maka transistor T2 konduksi sehingga transistor T3 juga konduksi, yang selanjutnya menyebabkan rele output AR bekerja. Pada rele ini Plug setting multiplier dilakukan melalui taping pada sekunder transformator dan potensiometer P2. Time multiplier setting (TMS) ditentukan oleh potensiometer P1 dan P 3. Rele diatas merupakan rangkaian dasar untuk rele arus lebih dengan tundaan waktu terbalik. Untuk rele arus lebih jenis very inverse dan extremely inverse bisa diperoleh dengan memodifikasi rangkaian pengisian kapasitor, yakni dengan menghubungkan suatu dioda zener atau resistor peka tegangan (voltage sensitive resistor) pada R 1 yang akan memodifikasi karakteristik penundaan waktu. Meskipun teknologi dibidang rele static telah mengalami kemajuan yang begitu pesat, namun pemakaian rele arus lebih jenis magnetic atau mekanik masih banyak digunakan, terutama di Indonesia. 3.3. Karakteristik Rele Arus Lebih Waktu Terbalik (inverse)
Waktu kerja (operating time) dari rele ini adalah berbanding terbalik dengan besarnya arus masukan atau arus gangguan seperti yang terlihat pada Gambar 3.6. Karakteristik waktu vs arusnya adalah sesuai dengan BS 142 : 1966 dan IEC 255-4. Secara matematis hubungan antara tundaan waktu kerja rele dengan besarnya arus masukan atau arus gangguan dinyatakan oleh persamaan : t =
k
I f I 1 set
di mana :
t
detik
(3.1)
= tundaan waktu kerja rele (detik)
k = setelan skala pengali waktu (time multiplier setting) If = arus masukan ke rele Iset = nilai setelan arus lebih Konstanta-konstanta
dan menentukan
tingkat atau derajat inversitas dari
tundaan waktu rele dan menurut standar di atas nilainya adalah sebagai berikut :
20
Normal Inverse (N) Very Inverse (V) Extremely Inverse (E)
0,02 1,0 2,0
0,14 13,5 80,0
t10 3,0 s 1,5 s 0,8 s
Dimana t10 menyatakan tundaan waktu kerja rele untuk besarnya arus masukan sama dengan 10 kali nilai setelan arus rele (I>) dan dengan setelan skala pengali waktu k = 1.
Gambar 3.6.a Karakteristik Normal Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi 22…23 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent. 21
Gambar 3.6.b Karakteristik Very Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi 22…23 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.
22
Gambar 3.6.c Karakteristik Extremely Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi 22…23 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.
23
3.4. Pemasangan Rele Arus Lebih
Rele arus lebih merupakan rele yang banyak digunakan pada komponen-komponen sistem tenaga listrik, yaitu mulai dari generator, transformator tenaga pada transmisi, bus bar, saluran transmisi sampai pada saluran distribusi. Untuk pengamanan terhadap hubung singkat pada generator, transformator, atau jaringan dengan
pentanahan melalui
impedansi, rele dipasang pada dua fasa. Sedangkan untuk pentanahan langsung diperlukan rele arus lebih untuk ketiga fase.
Gambar 3.8. Block dan Connection Diagram Rele Arus Lebih
Rele arus lebih berfungsi untuk merasakan adanya arus lebih karena gangguan hubung singkat dan kemudian memberi perintah kepada PMT untuk membuka. Rele arus lebih ini pada umumnya digunakan pada sistem tegangan rendah sampai tegangan tinggi.
24
IV. RELE TEGANGAN
4.1. Pendahuluan
Salah satu hal yang harus dihindari pada pengoperasian peralatan listrik ialah kelebihan tegangan
(overvoltage ) ataupun kekurangan tegangan ( undervoltage ).
Kelebihan tegangan hampir dapat dipastikan akan merusak setiap peralatan listrik. Hal ini umumnya akan menyebabkan timbulnya panas yang belebihan sehingga dapat menyebabkan terbakarnya peralatan listrik tersebut.
Sebaliknya, kekurangan tegangan
belum tentu merusak peralatan listrik. Pada beberapa peralatan listrik seperti lampu pijar ataupun peralatan lain yang bersifat resistip, kekurangan tegangan tidak akan membahayakan peralatan tersebut.
Tetapi bagi beberapa peralatan lain seperti motor
induksi, kekurangan tegangan dapat menyebabkan faktor daya (cos- ) yang terlalu rendah. Hal ini akan menyebabkan arus peralatan tersebut terlalu besar, sehingga menimbulkan panas yang berlebihan dan pada akhirnya akan
merusak peralatan tersebut.
Untuk
menghindari hal-hal yang tidak diinginkan ini maka suatu panel distribusi tegangan rendah umumnya dilengkapi dengan rele tegangan yang berfungsi untuk memantau tegangan busbar. Jika nilai tegangan ini keluar dari batas-batas aman maka rele ini akan membuka CB utama sehingga catuan daya ke panel tersebut akan diputus. 4.2. Prinsip Kerja Dasar
Rele tegangan elektronik ( Gambar 4.1) mendeteksi besarnya tegangan melalui trafo tegangan atau yang lebih dikenal sebagai PT ( potensial transformer ).
PT berfungsi
untuk menurunkan tegangan yang masuk ke rele dan sekaligus mengisolasi rele dari tegangan rangkaian yang diukur.
Masukan PT umumnya adalah 110V atau 220V
sedangkan keluarannya adalah tegangan yang berkisar antara 12V hingga 24V, tergantung dari rangkaian yang digunakan. Tegangan keluaran PT ini terlebih dahulu disearahkan, selanjutnya dibandingkan dengan dua tegangan acuan, sebut saja V A untuk tegangan acuan atas dan VB untuk tegangan acuan bawah. Jika tegangan keluaran PT lebih besar dari V A maka rele keluaran pertama akan diaktipkan. Sebaliknya jika tegangan keluaran PT lebih kecil dari VB maka rele keluaran kedua yang akan diaktipkan
25
T2
INPUT 220V
D7
+12V
IC1
D8
+12V
7812 C3
C4
R3 C5
C6
D5
+
VR1
V A
RL1
N2
A1
R6
-
Q1 D3
T1
D1
R1
C1
N1
R2 VR2
D2
R7
VR3
VS
VB
D4
R5
C2
+
+12V
A2
-
N3
D6
RL2
R4 R8 Q2 R9
Gambar 4.1 Rangkaian lengkap rele tegangan elektronik
Agar dapat mengabaikan kelebihan atau kekurangan tegangan yang berlangsung sesaat (transient ), maka rele tegangan biasanya dilengkapi dengan rangkaian tunda ( delay) yang dapat menunda kerja kontak keluaran.
Lamanya tundaan waktu dapat diatur,
umumnya berkisar antara 0 hingga 10 detik.
4.3. Rangkaian Rele Tegangan
Rele tegangan terdiri dari beberapa rangkaian dasar yaitu: 1. Rangkaian masukan, 2. Rangkaian pembanding tegangan 3. Rangkaian tunda 4. Rangkaian penggerak rele keluaran 5. Rangkaian catu daya
4.3.1. Rangkaian masukan
Tegangan masukan diturunkan sekaligus diisolasi oleh trafo T1 dan disearahkan oleh dioda D1 dan D2, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.2. T1
D1
R1 VS
INPUT 220V
C1
R2
D2
Gambar 4.2. Rangkaian masukan
26
Selanjutnya tegangan ini ditapis oleh kapasitor C1 untuk menghilangkan kerut ( ripple ). Besarnya tegangan jepit dari C1 adalah : VC1 Vm – Vm
dan
I DC
(4.1)
2 x VSEK
(4.2)
4fC
dimana VSEK : tegangan sekunder trafo IDC
: arus beban
f
: frekuensi jala-jala
C
: kapasitansi C1
Sebelum diteruskan ke rangkaian pembanding, tegangan ini disesuaikan oleh tahanan R1 dan R2 yang membentuk rangkaian pembagi tegangan resisitip. Besarnya tegangan yang diterima pembanding adalah : VS =
R2 R1 R2
. VC1
(4.3)
4.3.2. Rangkaian Pembanding Tegangan
Sebagai pembanding tegangan digunakan opamp yang mempunyai faktor penguatan tegangan loop terbuka (AV) yang mendekati tak terhingga. Oleh karena itu jika tegangan pada masukan tak-membalik sedikit lebih tinggi dari tegangan pada masukan membaliknya maka keluaran pembanding akan jenuh tinggi dan bernilai mendekati nilai VCC (tegangan catuan). Sebaliknya jika tegangan pada masukan membalik sedikit lebih tinggi dari tegangan pada masukan tak-membaliknya maka keluaran pembanding akan jenuh rendah sehingga tegangannya mendekati nol. Rangkaian dari pembanding tegangan ini diperlihatkan pada Gambar 4.3.
+12V
R3
+ VR1
V A
A1
KE
VS
RANGKAIAN TUNDA
Gambar 4.3. Rangkaian
VR2
VB
+ A2
pembanding tegangan
R4
27
Penguat A1 membandingkan tegangan V S yang dihubungkan ke masukan tak membaliknya (non-inverting input ) dengan tegangan acuan V A yang dihubungkan ke masukan membaliknya (inverting input ). Tegangan acuan VA adalah ambang tegangan maksimum yang diperkenankan. Tegangan ini diperoleh dari kontak geser ( wiper ) potensiometer VR1.
Jika VS > VA maka keluaran A1 akan jenuh positip sehingga
tegangan keluaran A1 akan mendekati tegangan catu, yaitu 12V DC. Sebaliknya jika VS < VA maka keluaran A1 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan mendekati nol. Penguat A2 membandingkan tegangan V S yang dihubungkan ke masukan membaliknya dengan tegangan acuan V B yang dihubungkan ke masukan tak membaliknya. Tegangan acuan VB adalah ambang tegangan minimum yang diperkenankan.
Tegangan
ini diperoleh dari kontak geser potensiometer VR2. Jika VS < VB maka keluaran A1 akan jenuh positip sehingga tegangan keluaran A2 akan mendekati tegangan catu.
Sebaliknya
jika VS > VB maka keluaran A2 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan mendekati nol. Oleh karena itu agar tegangan keluaran dari penguat A1 dan A2 mendekati nol maka besarnya tegangan V S haruslah : VB < VS < VA
(4.4)
Nilai tahanan R3, R4, VR1 dan VR2 ditentukan sedemikian rupa agar kisar pengaturan V A memungkinkan kisar tegangan masukan dari 220V hingga 240V dan kisar pengaturan VA memungkinkan kisar tegangan masukan dari 200V hingga 220V.
4.3.3. Rangkaian Tunda
Agar dapat mengabaikan kenaikan atau penurunan tegangan yang berlaku sesaat (transien), maka rele tegangan ini dilengkapi dengan rangkaian tunda. Untuk itu maka keluaran dari rangkaian pembanding selain diteruskan ke rangkaian penggerak rele keluaran, juga dilewatkan melalui suatu rangkaian tunda, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.4.
N2 KE PENGGERAK RELE RL1
DARI KELUARAN A1 D3
N1 VR3
Gambar 4.4. Rangkaian tunda D4 DARI KELUARAN A2
R5
C2
N3 KE PENGGERAK RELE RL2
28
Rangkaian tunda ini terdiri dari VR3, C2 dan N1. Jika bernilai tinggi, keluaran penguat A1 dan A2 masing-masing akan meng- enable gerbang N2 dan N3. Selain itu, kedua keluaran ini juga akan mengisi kapasitor C2 melalui dioda D3 dan D4 dan VR3. Kapasitor C2 ini berfungsi untuk menunda pengaktipan ( enable ) gerbang-gerbang N2 dan N3 melalui gerbang N1. Ketiga gerbang ini adalah gerbang AND dari keluarga CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ). Tujuan penggunaan CMOS adalah untuk mendapatkan nilai hambatan masukan yang mendekati tak terhingga agar tidak membebani kapasitor C2.
Lamanya tundaan waktu adalah sama dengan waktu yang
dibutuhkan untuk mengisi kapasitor C2 agar tegangan jepitnya mencapai tegangan ambang (treshold ) logika tinggi dari gerbang N1.
Lamanya tundaan waktu dapat dinyatakan
sebagai : TD 0,7.VR3.C2 detik
(4.5)
Dengan mengatur nilai VR3 maka tundaan waktu ini dapat disesuaikan dengan kebutuhan.
4.3.4. Rangkaian Penggerak Rele Keluaran
Rele tegangan yang dibahas mempunyai dua buah rele keluaran.
Satu untuk
menyatakan tegangan lebih dan satu untuk menyatakan tegangan kurang. Masing-masing rele ini digerakkan oleh suatu transistor bipolar, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.5. +12V
D5
DARI KELUARAN
RL1
N2 R6 Q1 R7
+12V
D6
DARI KELUARAN
RL2
N3 R8 Q2 R9
Gambar 4.5. Rangkaian penggerak rele keluaran 29
Jika keluaran A1 bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini maka keluaran gerbang N2 akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada transistor Q1. Besarnya arus basis ini adalah : IB =
VOH
VBE
R6
VBE R7
(4.6)
dimana VOH : Tegangan keluaran logika tinggi N2 VBE : Tegangan basis-emiter Q1 Hal ini akan menyebabkan Q1 menghantar sehingga pada kolektornya akan mengalir arus sebesar : IC = hFE.IB
(4.7)
dimana hFE adalah faktor penguatan arus searah dari transistor yang digunakan. Arus kolektor ini akan menyebabkan rele RL1 bekerja. Sebaliknya jika keluaran A2 yang bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini maka keluaran gerbang N3 yang akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada transistor Q2. Hal ini akan menyebabkan Q2 menghantar sehingga rele RL2 yang akan bekerja. Dengan demikian maka akan tersedia satu kontak untuk tegangan lebih dan satu kontak untuk tegangan kurang. Untuk mendapatkan sinyal yang menyatakan keduanya maka untuk rele-rele RL1 dan RL2 dapat digunakan rele dengan dua kontak, dimana kedua kontak tersebut dihubungkan paralel atau seri, tergantung pada kebutuhan.
4.3.5. Rangkaian Catu Daya
Opamp umumnya membutuhkan catudaya ganda yang berkisar antara ±6V DC hingga ±18VDC atau catu daya tunggal yang berkisar antara +12V DC hingga +36V DC. Gerbang CMOS membutuhkan catudaya tunggal yang berkisar antara +3V DC hingga +15VDC. Rele arus searah tersedia untuk tegangan-tegangan 6, 12, 24, 110, dan 220V DC. Agar dapat mencatu seluruh komponen yang digunakan pada rangkaian maka catuan yang dipilih adalah +12VDC. Untuk itu maka rele keluaran yang digunakan adalah rele dengan kumparan 12V DC. Tegangan catuan sebesar +12VDC dapat diperoleh dari catudaya yang diperlihatkan pada Gambar 4.6. Pada catudaya ini, tegangan jala-jala diturunkan oleh trafo tegangan T2 ke nilai yang sesuai.
Trafo ini sekaligus berfungsi untuk mengisolasi
rangkaian dari tegangan jala-jala. Selanjutnya tegangan sekunder dari T2 disearahkan oleh 30
pasangan dioda D7 dan D8 yang membentuk penyearah gelombang penuh, untuk selanjutnya ditapis oleh kapasitor C3 untuk menghilangkan kerut. dihasilkan masih dipengaruhi oleh pembebanan.
Tegangan yang
Oleh karena itu untuk menstabilkan
tegangan ini digunakan regulator seri berupa suatu rangkaian terpadu atau IC ( integrated circuit ) tipe LM7812. T2
D7
IC1
D8
+12V
7812
C3
C4
C5
C6
Gambar 4.6. Rangkaian catudaya
IC regulator ini akan mempertahankan tegangan keluarannya sebesar +12VDC untuk tegangan masukan yang berkisar dari +14V DC hingga +35V DC. Daya yang hilang atau disipasi daya pada regulator adalah : PD (VIN – 12V).I L Watt
(4.8)
dimana PD : disipasi daya VIN : tegangan masukan regulator IL : arus beban Disipasi daya ini akan diubah menjadi panas. Agar regulator tidak menjadi terlalu panas maka panas ini harus dibuang dengan menggunakan pendingin atau heatsink . Agar daya yang hilang tidak terlalu banyak maka V IN harus dibuat serendah mungkin, namun dapat mengantisipasi turun naiknya V IN disebabkan oleh perubahan arus beban dan turun naiknya tegangan jala-jala. Keluaran dari regulator ini ditapis lebih lanjut oleh kapasitor C6 untuk menghiangkan kerut sehingga pada keluaran regulator akan diperoleh tegangan searah sebesar +12VDC yang benar-benar stabil dan bebas kerut. Kapasitor C4 dan C5 berfungsi untuk menjamin agar IC regulator tidak berosilasi, sesuai dengan yang dianjurkan oleh pabrik pembuatnya.
31
V. RELE DIFERENSIAL
5.1. Pendahuluan
Rele differensial dirancang untuk melindungi generator, transformator dan motormotor tegangan tinggi dengan daya besar terhadap gangguan fasa ke fasa dan fasa ke tanah. Suatu kelebihan dari rele differensial persentase (percentage differential relay atau biased differential relay ) ini, selain tersedianya setelan arus differensial dasar, juga tersedia setelan untuk tingkat bias (degree of bias) dari rele. Hal ini memberikan suatu kemungkinan untuk mendapatkan kepekaan yang maksimum jika terjadi gangguan di dalam daerah perlindungannya. Sebaliknya rele differensial tetap stabil untuk gangguangangguan yang terjadi di luar daerah perlindungan. 2 Prinsip Kerja
Rele differensial bekerja berdasarkan perbedaan arus pada kedua sisi peralatan yang dilindungi. Dalam kondisi kerja normal atau terjadi gangguan di luar daerah perlindungan, arus sekunder trafo arus di kedua sisi generator adalah : I1 - I2 = 0
(5.1)
Sedangkan untuk gangguan di dalam daerah yang dilindunginya, arus yang mengalir adalah : I1 - I2 = If
(5.2)
dimana If adalah arus gangguan yang terlihat dari sisi sekunder trafo arus tersebut. Perlu disadari bahwa karena kesalahan pada trafo arus, persamaan di atas tidak akan sepenuhnya benar dalam praktek. Untuk memperhitungkan ketidak telitian ini, dapat dipilih nilai arus I p yang rendah, sehingga untuk keadaan sistem yang normal dan untuk
di luar daerah perlindungan: I1 I 2
I p
(5.3)
dan untuk gangguan di dalam daerah perlindungan: I1 I 2
I p
(5.4)
32
P1
GENERATOR
P2
P2
I1
S1
P1
I2
S2
I1
I2
B1
B2
I1 – I2
S2
S1
O
O = Operating Coil B = Bias Coil
Gbr. 5.1 Prinsip kerja rele diferensial
Oleh karena itu, prinsip kerja rele tersebut dapat didefinisikan dengan : I1 I 2
I p
................................ bertahan
(5.5)
I1 I 2
I p
................................ bekerja
(5.6)
Dari Gambar 5.1 dapat kita lihat bahwa arus yang melalui operating coil adalah I 1 – I2, dan rele itu akan melindungi gulungan generator dengan mengoperasikan circuit breaker. Seringkali kesalahan trafo arus akan bertambah dengan meningkatnya nilai I1 dan I2. Untuk hal semacam ini, masih mungkin untuk membuat nilai I p tergantung pada harga rata-rata dari I1 dan I2. Suatu rele dapat dirancang menurut model ini sehingga prinsip kerja untuk rele ini menjadi : I1 I 2
I1 I 2
k I1 I 2 2 k I1 I 2 2
....................... bekerja
(5.7)
....................... bertahan
(5.8)
dimana k adalah konstanta disain rele differensial itu.
33
Rele semacam ini dikenal sebagai rele differensial persentase. Arus (I1 + I2)/2 = Iv dinamakan arus penahan (restraining current), dan arus (I1 – I2) = ID adalah arus kerja (tripping current) dari rele tersebut. Dalam rele diferensial persentase elektromekanis, kumparan B1, B2, dan O digulung pada inti magnetis bersama dengan arah sedemikian rupa sehingga arus yang melalui B1 dan B2 menimbulkan mmf (gaya gerak magnet) yang berlawanan dengan yang dihasilkan oleh arus pada kumparan O. Dalam rele elektronis karakteristik yang dikehendaki diperoleh melalui faktor penguatan pada jalur sinyal yang bersesuaian.
Gbr. 5.2. Diagram proteksi diferensial suatu gulungan generator
34
Disamping untuk proteksi generator, rele diferensial juga digunakan untuk proteksi transformator daya. Transformator daya biasanya dilengkapi dengan setelan cabang
Gbr. 5.3. Diagram proteksi diferensial Transformator Daya
(tap) yang dapat diubah, yang memungkinkan tegangan sekundernya dapat diatur dalan daerah tertentu. Pengaturan ini biasanya dapat diubah dalam beberapa langkah kecil dalam daerah
10 persen dari perbandingan lilitan nimonal N 1/N2. Jika setelan cabang
menghasilkan perbandingan gulungan yang tidak normal, relenya akan melihat arus diferensial pada saat keadaan beban normal. Untuk mencegah kerja yang tidak semestinya, dalam hal ini harus digunakan rele diferensial persentase. Transformator tiga fasa dengan gulungan Y/ (Gambar 5.3) memerlukan pembahasan lebih lanjut. Seperti telah diketahui bahwa arus primer dan sekunder dari transformator semacam itu berbeda dalam magnitude dan sudut fasanya dalam keadaan kerja normal. Oleh karena itu, transformator ini harus dihubungkan dengan cara 35
sedemikian rupa sehingga arus saluran sekunder CT seperti yang terlihat oleh rele adalah sama dalam keadaan normal (tanpa gangguan). Hubungan sudut fasa yang benar dperoleh dengan menyambungkan CT pada sisi wye dari transformator dalam delta, dan yang pada sisi delta dari transformator daya dalam wye. Dengan cara ini, sambungan CT meniadakan pergeseran fasa yang ditimbulkan oleh transformator daya yang dihubungkan Y/ . 5.3.
Karakteristik
Karakteristik bias yang ideal dari rele ditunjukkan pada Gambar 5.4. Terdapat tiga daerah operasi pada karakteristik tersebut : a. Rentangan bagian pertama meliputi I v = 0 sampai dengan I v = 0,5.I N. Besarnya arus differensial yang diperlukan untuk mengoperasikan rele adalah konstan, yaitu sama dengan setelan dasar ‘p’ pada rele. b. Rentangan bagian kedua meliputi I v = 0,5.I N sampai dengan I v = 2,5.I N, derajat stabilisasi dapat diatur melalui pengaturan setelan bias ‘s’ pada rele. Jadi dengan adanya setelan s, besarnya arus diferensial yang dapat mengoperasikan rele ditentukan oleh berbagai harga arus bias I v. c. Rentangan bagian ketiga meliputi I v > 2,5.I N, derajat stabilisasi adalah konstan dan 100%, maksudnya kenaikan tertentu dari arus bias I v menyebabkan arus kerja rele pun naik dengan kenaikan yang sama dengan arus bias I v.
I D
I
ID = DIFFERENCE CURRENT IV = BIAS CURRENT I N = RELAY RATED CURRENT
N
3
I’D
I' D
I'
.100% 100 %
N
I’V IV
1
I
ID
2
. 100%
I
I D
P
D
S
N
100%
I N
1
2
3
Gbr. 5.4. Karakateristik Bias teoritis untuk rele differensial
36
5.4.
Setelan Rele
a. Setelan arus diferensial dasar ‘p%’ p =
ID I N
. 100%
; I N = arus rating rele
setelan ini menyatakan operating level dari rele dalam rentangan bagian pertama dari karakteristik ideal rele. Harga p dapat diatur dari 10 sampai 25 persen dari arus rating rele (I N). b. Setelan tingkat bias (penahan) ‘s%’ s =
ID I N
. 100%
Harga setelan s dapat diatur dari 5 sampai 25 persen.
37
VI. RELE URUTAN FASA NEGATIF
6.1.
Pendahuluan
Rele ini digunakan untuk proteksi generator dan motor-motor besar terhadap kerusakan dan tekanan thermis yang diakibatkan oleh keadaan sistem yang tidak seimbang. Dalam kondisi yang tidak seimbang, besaran-besaran jaringan dapat diuraikan menjadi tiga buah komponen yang simetris, yaitu komponen urutan positif, negatif dan nol. Komponen arus urutan fasa negatif menghasilkan rugi-rugi tambahan pada mesinmesin berputar, karena ia dapat menimbulkan medan putar berlawanan pada mesin-mesin berputar. Medan putar berlawanan (Counter Rotating Field) ini menginduksikan arus frekwensi ganda pada rotor sehingga dapat menimbulkan panas pada bagian rotor tersebut. Disamping itu, arus urutan negatif dapat pula menimbulkan tegangan yang berbahaya dan getaran pada rotor. Kemampuan suatu generator untuk dialiri oleh arus urutan negatif secara kontinu berbeda satu sama lain tergantung kepada konstruksi rotor, ukuran mesin dan sistem pendinginannya. Ganguan-gangguan tidak seimbang yang berbahaya adalah yang disebabkan oleh gangguan-gangguan hubung singkat tidak simetris dan gangguan tanah, dan biasanya gangguan-gangguan ini dapat dengan cepat diatasi oleh peralatan proteksi hubungan singkat dan gangguan tanah. Tetapi keadaan beban yang tidak seimbang yang dapat ditimbulkan oleh adanya kawat penghantar yang terputus atau beban yang terpasang pada jaringan memang tidak seimbang dapat berlangsung dalam waktu yang lama. Oleh sebab itu generator perlu dilengkapi dengan proteksi arus lebih urutan fasa negatif dimana karakteristiknya dapat disesuaikan dengan kapasitas thermis dari mesin tersebut. 6.2.
Prinsip Kerja
Rele arus urutan fasa negatif diberi masukan dari dua buah trafo arus seperti terlihat pada Gambar 6.1. Dengan adanya suatu rangkaian filter pada rele, komponen arus urutan fasa negatif I2 dapat dipisahkan. Arus urutan negatif I 2 dapat dipandang sebagai suatu ukuran untuk tingkat atau derajat ketidakseimbangan sistem.
38
Gbr. 6.1. Block Dan Connection Connection Diagram Rele Urutan Fasa Negatif
Apabila komponen urutan fasa negatif ini melebihi nilai setelan k 2 maka rele akan diaktifkan dan starting output relay, terminal 11-15-19, akan bekerja (picks-up). Pada saat yang sama rele mulai mengisi suatu digital accumulator, dimana kecepatan pengisiannya berbanding langsung dengan harga kwadrat besar arus urutan negatif yang sebenarnya. Apabila isi dari accumulator ini sama atau melebihi suatu harga tertentu, sesuai dengan setelan k 1, maka rele akan bekerja, yaitu output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan bekerja dan indikator T akan menyala. Kemudian apabila besarnya arus urutan fasa negatif menurun di bawah nilai setelan k 2, starting output relay, terminal 11-15-19, dan delayed output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan drops off. Jika rele sudah dalam kondisi reset, accumulator yang menentukan waktu kerja rele akan mulai dikosongkan dengan kecepatan pengosongan yang linier. Waktu pengosongan ini ditentukan oleh setelan t p. jadi accumulator tidak langsung dikosongkan apabila rele telah reset.
39
6.3.
Karakteristik
Waktu kerja (Operating Time) dari rele dinyatakan oleh persamaan berikut ini : t =
dimana :
t
k 1 2
I 2 k 2 2 I 100 N = waktu kerja rele (detik)
I2 = arus urutan negatif jaringan I N = arus rating rele (tergantung (tergantung tipe rele yaitu 1A atau 5A) k 1 = konstanta mesin (konstanta I22t mesin, dinyatakan oleh pembuat mesin) k 2 = ketahanan mesin terhadap arus urutan urutan negatif kontinu, dinyatakan oleh pembuat mesin Seperti dapat dilihat dari persamaan di atas, waktu kerja dari rele adalah fungsi kuadrat I2, kuadrat k 2 dan konstanta k 1, sehingga dengan demikian rele ini mempunyai karakteristik waktu terbalik (Inverse Time Characteristic) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.2. Tetapi karakteristik arus-waktu terbalik itu hanya berlaku untuk tingkat arus urutan negatif I2/I N
0,7 saja. Untuk arus I2 yang lebih besar lagi, waktu kerja rele tidak
lagi ditentukan oleh persamaan di atas, tetapi oleh tundaan waktu yang tertentu yang nilainya tergantung kepada setelan k 1.
40
Gbr. 6.2. Karakteristik Rele Arus Urutan Fasa Negatif Apabila arus urutan negatif hanya sedikit melebihi setelan k 2, waktu kerja rele akan sangat lama. Untuk membatasi waktu kerja rele tersebut, rele dilengkapi dengan suatu rangkaian pembatas waktu, yang akan mengoperasikan rele setelah 1200 detik atau 20 menit terhitung rele mulai diaktifkan. 6.4.
Setelan Rele
a. Setelan t p, waktu pengosongan accumulator, rentangan setelan 5-50 detik. b. Setelan k 2 (%) : arus urutan fasa negatif I2 yang dapat ditahan oleh mesin secara kontinyu tanpa kerusakan, dinyatakan dalam persen terhadap arus rating rele (I N), yaitu : k 2 / % =
I 2 I N
x 100 %
Rentangan setelan = 2 sampai dengan 20 %.
41
Gbr. 6.3. Setelan Rele Arus Urutan Fasa Negatif c. Setelan k 1 : konstanta mesin, adalah kemampuan I22t dari mesin (Tabel 6.1) yaitu menyatakan kemampuan rotor untuk menerima tambahan panas yang ditimbulkan oleh arus urutan negatif. Setelan k 1 ini menentukan waktu kerja rele pada kondisi arus gangguan berbahaya yaitu pada keadaan : I 2 I N
0,7
Rentangan setelan 5 s/d 40 Tabel 6.1 Nilai I 22 t yang diizinkan
Type Mesin Sinkron Generator Berkutub Salient
40
Kondenser Sinkron
30
Generator Berotor Pendingin Langsung Generator Berotor Pendingin Langsung
Silinder
Silinder
Dengan
Tanpa
20
10
42
VII. RELE DAYA BALIK
7.1.
Pendahuluan
Rele Daya Balik digunakan untuk perlindungan generator dan penggerak mulanya terhadap aliran daya balik jika penggerak mulanya mengalami gangguan sehingga dapat dicegah generator berfungsi sebagai motor.
7.2.
Prinsip Kerja
Rele daya balik mengukur tegangan fasa ke netral dan arus pada fasa yang sama. Pengukuran daya dan penentuan arah aliran daya didasarkan pada perkalian arus fasa dan factor daya yaitu I x cos . Rele menganggap tegangan sebagai suatu konstanta dan perubahan pada level tegangan hanya akan mempengaruhi keakuratan dari pengukuran I x cos . Setelan daya rele di set sebagai suatu nilai perbandingan terhadap rating daya rele yaitu P/P N yang dinyatakan dalam persen. Setelan rele akan akurat sepanjang tegangan masukan ke rele sama dengan rating tegangan rele. Jika tegangan masukan rele berbeda dengan rating tegangannya setelan rele harus dikoreksi dengan suatu faktor k. Rele akan mulai start apabila daya melebihi nilai setelannya dan daya mengalir pada arah yang diukur oleh rele, atau
I . cos . U N I N . U N di mana : I
. 100%
P P N
%
(6.1)
= arus fasa
cos = faktor daya U N
= tegangan nominal
I N
= arus nominal
P
= besar daya balik yang akan dibatasi
P N
= daya nominal generator
43
U
sebagai generator
I
I cos
P
% (setting)
P N
daerah operasi
sebagai motor
I'
Gbr. 7.1. Karakteristik kerja rele daya balik
Ketika penggerak mula generator mengalami gangguan, aliran daya generator berbalik, generator mulai beroperasi sebagai motor. Jika daya yang diambil oleh generator melampaui setelan rele maka rele daya balik akan bekerja. 7.3.
Pemasangan
Rele Daya Balik dilengkapi dengan dua masukan, satu untuk arusa fasa yaitu masukan 2-6, satu lagi untuk tegangan fasa ke netral yaitu masukan 1-5 seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7.2. Rating tegangan masukan adalah 100/ 3 Volt dan rating arusnya adalah 1A untuk rele PBSP 1G1 J3 dan 5A untuk rele PBSP 1G5 J3. Tegangan suplai bantu diberikan ke rele melalui terminal 16 dan 20. Rele akan beroperasi (picks up) setelah tundaan waktu yang telah ditentukan dicapai. Sinyal pemutusan dari rele diperoleh dari dua tahap keluaran. Keluaran tahap pertama (terminal 11-15 dan 10-14-18) dipergunakan untuk sinyal pemutusan Circuit Breaker generator dan shut down valve dari penggerak mula, sedangkan tahap kedua (terminal 8-12 dan 9-13) digunakan sebagai cadangan.
44
Gbr. 7.2. Block Dan Connection Diagram Rele Daya Balik 7.4.
Karakteristik
Karakteristik kerja dari rele daya balik diperlihatkan pada Gambar 7.1. Apabila penggerak mula dari generator mengalami gangguan, aliran daya generator berbalik arah, jadi generator mulai bekerja sebagai motor. Kalau daya yang diterima atau diserap oleh generator dalam situasi ini melebihi setelan rele, maka rele daya balik akan bekerja.
45
7.5.
Setelan Rele
a. Setelan tundaan waktu t 1 dari keluaran tahap pertama (first output stage). Rentangan : 1 – 6 detik b. Setelan tundaan waktu t2 dari keluaran tahap kedua (second output stage). Rentangan : 10 – 60 detik c. Setelan batasan daya P/P N (Power Level Setting). Setelan batasan daya disetel dalam persen dari rating daya P N. Terbagi dalam dua rentangan, masingmasing : 1. Untuk posisi selektor P x 1, rentangannya 0,5 – 5 %. 2. Untuk posisi selektor P x 10, rentangannya 5 – 50 % Gbr. 7.3. Setelan Rele Daya Balik Batasan operasi P dalam persen terhadap rating daya P N dapat disamakan dengan “rating daya rele” yang ditetapkan oleh rating tegangan rele U N dan rating arus rele I N. Jadi tegangan masukan dan arus masukan sebenarnya harus dipertimbangkan apabila rele akan disetel. CONTOH PENYETELAN : Suatu generator dengan rating P N = 40 MW dan U N = 10 kV dilengkapi dengan sebuah rele daya balik yang akan bekerja pada daya balik sebesar 3%. Perbandingan transformasi dari trafo instrumen adalah 3000/5 A dan 10000 : 3 / 100 : 3 . Tentukan setelan batas daya rele. Penyelesaian Setelan batas daya rele adalah :
46
P
% P N
P N I N . U N . 3
. 3%
40 . 106 3 . 103 . 104 . 3
. 3% = 2,3 %
Catatan : Jika rele diberi masukan dari trafo tegangan dengan rating sekunder 110/ 3 V atau lainnya, perhitungan untuk penyelesaian diatas harus dikoreksi dengan suatu faktor k yang dinyakan sebagai : k =
U U N
dimana : U = rating sekunder dari tegangan masukan maksimum 110 V U N = rating tegangan rele 100 : 3 V Jadi setelan yang dikoreksi adalah : k
P P N
=
110 : 3 100 : 3
. 2,3 %
2,5 %
47
VIII. TEORI UMUM RELE JARAK
8.1 UMUM Pada umumnya, fungsi daripada rele adalah untuk membedakan antara kondisi normal dan kondisi gangguan sehingga dapat mengirimkan sinyal ketika gangguan tersebut terjadi. Rele bekerja dengan mengukur perbedaan fungsi – fungsi yang ada (contoh : arus dan tegangan) dan membandingkan di antara keduanya atau dari beberapa input yang berbeda, atau juga membandingkan secara sederhana satu fungsi quantitas dengan nilai harga standarnya. Ada beberapa pembanding (komparator) yang berbeda. Dua komparator yang umum digunakan adalah komparator amplitudo dan phasa. Hubungan antara amplitudo dan phasa tergantung pada kondisi sistem dan nilai sebelum gangguan dari hubungan ini, indikasi dari tipe tersebut dan lokasi gangguan. Untuk memperoleh persamaan umum dari komparator, dimisalkan konfigusai logika dari rele diperoleh dari dua besaran dan sebuah komparator seperti pada Gambar 8.1(a), dengan memisalkan S1 dan S2 sebagai sinyal input sehingga diperoleh :
k1A k 2B S1 k 2 A k 3B S1
(8.1) (8.2)
dimana k 1, k 2, k 3, dan k 4 didisain konstan, dalam bentuk bilangan komplek dapat ditulis sebagai berikut :
S1
k1
A cos k 2 B cos j k 1 A sin k 2 B sin
(8.3)
S2
k3
A cos k 4 B cos j k 3 A sin k 4 B sin
(8.4)
pada Gambar 2.1(b) terlihat diagram phasor. S 1 dan S2 adalah input dari komparator yang menghasilkan sinyal pengetripan (operasi) ketika S2 A B
+
S1 pada modus perbandingan amplitudo.
S1
+
Komparator
+ +
Trip Signal
S2
(a)
48
k4B S2 S1
k2B
k1 A
Reference axis
k3 A
(b) Gambar 8.1. Penggambaran umum komparator: (a) Blok Diagram; (b) Diagram Phasor
8.2 Komparator Amplitudo Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator amplitudo pada saat karena itu, modul – modul rele akan mengalami kesetimbangan sehingga S1
S2
S2
S1 . Oleh
pada threshold operation,
atau perbedaan sudut phasa antara kedua besaran tersebut, sehingga threshold
operation dapat dirumuskan sebagai berikut :
k
A cos k 2 B cos
1
k3
2
k1 A sin k 2
A cos k 4 B cos
2
k3
B sin
2
A sin k 4 B sin
2
(8.5)
jika disusun kembali maka diperoleh : 2
k k A 2 k k k k A 2 1
2 3
1
2
k A 2
jika dibagi dengan k 2
B
2
A
2
B A
2 4
3
2
4
B cos k 22 k 24 B
2
0
(8.6)
,
k 1k 2 k 3 k 4 k 12 k 23 k 2 k 2 cos k 2 k 2 0 2 4 2 4
(8.7)
dan dapat dituliskan : 2
2 0
cos 02
r2
(8.8)
dimana :
49
0
B A
j
e
(8.9)
k 1k 2 k 3 k 4
0
k k k k 2k 3 r 1 42 k1 k 32 k
2 2
2 4
e j
(8.10) (8.11)
Persamaan (8.8) memperlihatkan persamaan dari sebuah lingkaran dengan jari – jari r dan titik tengah berlokasi pada pada
0
0 pada kurva , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.1,
berkoordinat
cos dan j 0 sin atau dapat ditulis sebagai p dan jq, sehingga persamaan (8.6) jika
dinyatakan dalam simbol alfa maka : 2
2 0
cos 02
r2
(8.12)
dimana :
0 r
B A
j
e
(8.13)
k1k 2 k 3k 4
(8.14)
k 22 k 24 k1k 4 k 2 k 3
(8.15)
k12 k 32
q plane
r
0
0
Gambar 8.2. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-
50
q plane
r
0
0
Gambar 8.3. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-
Persamaan (8.12) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari – jari r dan titik tengah pada
0 pada
kurva- , seperti pada Gambar 8.3, memiliki koordinat di
dengan sumbu koordinat
0
cos dan j 0 sin
p dan jq.
8.3 Komparator Phasa Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator phasa dari dua sinyal positif yaitu S 1 dan S2, sinyal tersebut ditunjukkan dengan persamaan (8.16) dan (8.17), seperti hal sebelumnya dapat ditunjukkan sebagai :
S1
S1 e 1
(8.16)
S2
S2 e j2
(8.17)
j
S1 dan S2 bernilai maksimum ketika kedua phasor sefasa, sehingga pada threshold operation berlaku :
1 2 90
(8.18)
jika diambil tangensial kedua sisinya diperoleh :
tan 1
2
tan 1 tan 2 1 tan 1 tan 2
(8.19)
(8.20)
persamaan di atas akan menjadi benar jika :
1 tan 1 tan 2
0
(8.21) 51
atau
tan 1
1
(8.22)
tan 2
nilai tan 1 dan tan 2 dapat dihitung dari Persamaan (8.3) dan (8.4) sehingga diperoleh :
tan 1
tan 2
k1 A sin k 2 B sin
(8.23)
k1 A cos k 2 B cos k 3 A sin k 4 B sin
(8.24)
k 3 A cos k 4 B cos
jika disubsitusikan Persamaan (8.23) dan (8.24) ke dalam Persamaan (8.22), diperoleh :
k1 A sin k 2 B sin k1 A cos k 2 B cos
k 3
A cos k 4 B cos
k 3 A sin k 4 B sin
(8.25)
atau
k1k 3 A
2
k 2k 4
B
jika dibagi dengan k 2 k 4 A
B
2
A
B A
2
k1k 4 k 2k 3 A
B cos 0
(8.26)
2
k 1k 4 k 2 k 3 k 1k 3 kk cos k k 0 2 4 2 4
(8.27)
atau dapat dituliskan : 2
2 0
cos 20
r2
(8.28)
dimana :
0 r
k1k 4 k 2k 3
(8.29)
2k 2 k 4
k 1k 4 k 2 k 3
(8.30)
2k 2 k 4
Persamaan (8.28) menunjukkan persamaan sebuah lingkaran dengan jari – jari r dan titik tengah berlokasi di
0 pada
kurva- dan berkoordinat di
0
cos dan j 0 sin atau dapat ditulis
sebagai p dan jq..Jika dinyatakan dalam simbol alfa maka : 52
2
2 0
cos 02
r2
(8.31)
dimana :
0 r
k 1k 4 k 2 k 3
(8.32)
2k1k 3
k1k 4 k 2 k 3
(8.33)
2k1k 3
Persamaan (2.31) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari – jari r dan titik tengah pada
0 pada kurva-, memiliki koordinat di 0 cos dan j 0 sin dengan sumbu koordinat p dan jq. Tabel 2.1 menunjukkan nilai dari r dan
,
0 untuk komparator amplitudo dan phasa untuk kurva-
sama halnya dengan Tabel 2.2 yang menunjukkan nilai dari r dan
0 untuk
komparator
amplitudo dan phasa untuk kurva- . Tabel 8.1. Nilai R dan
Nilai
r
0
Tabel 8.2. Nilai R dan
Nilai
r
0
0 dari
komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva-
Komparator Amplitudo
Komparator Phasa
k 1k 4 k 2 k 3
k 1k 4 k 2 k 3
k
2 2
k
2 4
k 1k 2 k 3 k 4 k
0 dari
2 2
k
2 4
2k 2 k 4
k 1k 4 k 2 k 3 2k 2 k 4
komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva-
Komparator Amplitudo
Komparator Phasa
k 1k 4 k 2 k 3
k 1k 4 k 2 k 3
k12 k 32 k 1k 2 k 3 k 4 k12 k 32
2k1k 3
k 1k 4 k 2 k 3 2k1k 3
53
8.4 Persamaan Umum Rele Rele pada umumnya, sedikitnya satu dari konstanta k 1, k 2, k 3, dan k 4 adalah bernilai nol dan dua daripadanya bernilai sama, sehingga menjadi lebih sederhana. Jika tidak lebih dari dua jumlah konstanta yang dilibatkan, maka dapat dituliskan persamaan torsi umum dari rele :
T ka A dimana :
2
kb
k a, k b , k c
B
2
kc
A B cos k s
(8.33)
= konstanta skalar
k s = konstanta variable per (adjustable spring) yang merupakan torsi pengendali mekanik
A,B
= dua konstanta listrik yang akan dibandingkan
Ф
= sudut phasa antara A dan B
θ
= karakteristik sudut rele
sehingga pada keadaan threshold operation, di bawah kondisi stabil (steady state) :
ka A
2
kb
B
2
kc
A B cos k s
0
(8.34)
persamaan di atas menunjukkan semua karakteristik lingkaran dan garis lurus yang diperoleh dari dua input rele. Jika kedua konstanta yaitu arus I dan tegangan V sehingga diperoleh :
ka I
2
kb
V
2
kc
V I cos k s
0
(8.35) 2
sehingga arus pada belitan menghasilkan torsi sebesar k a I dan belitan tegangan menghasilkan 2
torsi sebesar k b V , dimana torsi yang dihasilkan dari interaksi arus dan belitan potensial akan sebesar VIcos . Pada rele dengan masukan tunggal, k s adalah konstan dan digunakan sebagai tingkat indikasi, sedangkan rele dengan dua masukan memiliki k s = 0 dan jika persamaan 2
(2.35) dibagi dengan k b I maka,
k a k b
V
2
I
V k c cos I
kb
0
(8.36)
jika k c = 1,
V I
2
V cos I
k b
k a kb
2
(8.37)
2
dengan menambahkan 1/2k dari kedua sisi dari persamaan (8.37),
54
V I
2
V cos I
k b
1 2k b
2
k a kb
2
1 2k b
2
(8.38)
Persamaan (8.38) di atas menunjukkan persamaan sebuah lingkaran pada koordinat polar (R-X compleks) yang berkoordinat di V / I cos dan j V / I sin , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.4, lingkaran tersebut memiliki jari – jari sebesar,
r
1 4k a k b
(8.39)
2k b
dan titik tengahnya berlokasi di1/2k b dari titik nol dengan sudut θ dari sumbu referensi. X
r
c
1 4k a k b 2k b
1 2k
0
R
Gambar 8.4. Karakteristik rele dengan dua input
8.5 Jenis – jenis Rele Jarak
Sebuah rele jarak bereaksi terhadap jumlah masukan sebagai fungsi dari jarak antara lokasi rele dengan titik gangguan dari suatu saluran transmisi, karena impedansi dari saluran transmisi berbanding lurus dengan jaraknya, untuk pengukuran jarak sangatlah cocok untuk mempergunakan rele jarak karena rele ini mampu mengukur besar impedansi dari suatu saluran hingga titik tertentu. Rele ini didisain hanya bekerja untuk gangguan yang di dalam daerah jangkauannya atau yang terjadi pada lokasi antara lokasi rele dan titik yang ditentukan. Oleh karenanya, rele ini dapat membedakan jenis gangguan yang mungkin terjadi antar bagian saluran yang berbeda dengan cara membandingkan antara arus dan tegangan dari sistem daya sehingga dapat membedakannya gangguan yang terjadi di dalam atau di luar zona kerja rele tersebut.
55
Rele jarak diklasifikasikan berdasarkan karakteristik polarnya, jumlah dari masukan yang diperlukan,
dan
metode
perbandingan
yang
digunakan.
Untuk
tipe
umumnya
hanya
mempergunakan dua jenis masukan yaitu besar atau fasa untuk memperoleh karakteristik baik untuk saluran lurus (straight line) maupun saluran dengan siklis (circles line) sehingga nantinya dapat digambarkan menggunakan diagram R-X seperti pada Gambar 8.2. Pada dasarnya rele jarak dibedakan atas (1) Rele Impedansi, (2) Rele Reaktansi, (3) Rele Admitansi (Mho), (4) Rele pergeseran Admitansi (Offset Mho / Modified Impedance), dan (5) Rele Ohm.
1. Rele Impedansi Berdasarkan komparator Amplitudo, dan permisalan bahwa hal ini berada pada kondisi Threshold sehingga persamaan (8.6) dapat digunakan, sehingga, 2
k k A 2 k k k k A 2 1
2 3
1
2
3
4
B cos k 22 k 24 B
2
0
jika konstanta juga disetting sehingga sinyal input menjadi
k1V S2 k 4 I S1
(8.40) (8.41)
jika, k 2 = k 3 = 0, A = V, dan B = I, subtitusikan persamaan (8.40) dan (8.41) ke (8.6) sehingga,
k12 V
2
k 24
I
2
atau
V I
k 4 k 1
kons tan
(k)
(8.42)
maka diperoleh,
Z kons tan (k)
(8.43)
Oleh karena itu, rele impedansi tidak memperhitungkan perbedaan sudut phasa antara arus dan tegangan agar dapat bekerja, karena inilah jika karakteristik impedansi rele ini digambarkan pada diagram R-X maka akan berupa suatu lingkaran dimana titik tengahnya berada pada titik (0,0) dan jari – jarinya tergantung dengan setting rele tersebut dalam ohm, seperti terlihat pada Gambar 8.5(b). Operasi kerja rele untuk semua nilai imperdansi yang nilainya kurang dari nilai settingannya, yaitu untuk semua daerah yang berada di dalam karakteristik lingkarannya, dan tidak akan mendeteksi gangguan yang berada diluarnya. Rele impedansi seperti pada Gambar 8.5, ditempatkan pada bus A dan tidak berarah, sehingga rele ini bekerja sepanjang vektor AB dan juga untuk semua gangguan yang terjadi di belakang bus A dengan impedansi AC.
56
(a)
(b)
Gambar. 8.5. Karakteristik Rele Impedansi
2. Rele Reaktansi Berdasarkan komparator phasa, dan dimisalkan bahwa rele tersebut berada dalam kondisi threshold sehingga Persamaan (8.26) dipergunakan,
k 1k 3 A
2
k 2k 4
B
2
k 1k 4 k 2k 3 A
B cos 0
jika sinyal input berupa,
k a V k b I S2 k b I S1
(8.44) (8.45)
maka, k 1 = - k a, k 2 = k 4 = k b , k 3 = 0, A = V, dan B = V, lalu subtitusikan persamaan (8.44) dan (8.45) ke persamaan (8.26),
k b2 I
2
kak b
V I cos 0
(8.46)
atau
Zcos
k k a
(8.47)
57
jika
1
, maka 2
Zsin
k k a
(8.48)
atau
X
k b k a
kons tan (k)
(8.49)
sehingga,
X kons tan (k) dari Persamaan (8.49) di atas nampak jelas bahwa karakteristik rele pada diagram R-X digambarkan sebagai garis lurus yang paralel dengan sumbu-R, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.6(a). Perlu diingat bahwa komponen resistansi dari impedansi tidak berpengaruh pada kerja rele dan rele reaktansi hanya berpengaruh pada komponen reaktansi saja, sehingga bekerja pada semua titik di bawah garis karakteristik kerja rele. Jika Φ ≠ ½ π dalam Persamaan (8.47), kemudian karakteristik garis lurus tidak akan paralel dengan sumbu-R, untuk rele seperti ini sering disebut rele impedansi-sudut. Reactance characteristic
X
X
Protected line Mho starter characteristic
X
k b
X
k a
0
0
R
R
(a)
(b) X C
Protected line Zone 3
X3
Zone 2 X2
X1
B
Zone 1
A
0
R
(c)
Gambar 8.6. Karakteristik rele reaktansi (a) pada Diagram R-X; (b) Karakteristik kombinasi rele mho dan reaktansi; (c) aplikasi dari zona proteksi
58
Rele reaktansi tidak akan terpengaruh dengan kehadiran tahanan busur gangguan karena rele tersebut hanya merespon komponen reaktansi dari sistem impedansi. Walaupun begitu pada saat tahanan busur gangguan mencapai nilai yang besar, hal itu juga terjadi pada besarnya beban dan arus gangguan, jangkauan dari rele akan berubah dikarenakan besar beban dan faktor dayanya dan juga pada karakteristik di luar jangkauan atau di dalam jangkauan. Oleh karena itu, untuk mendapatkan tanggapan berarah dan untuk mencegah rele bekerja dalam kondisi beban normal, sebuah unit pengendali tegangan (contoh : pada rele mho) dipergunakan pada rele tersebut. Seperti halnya rele modifikasi reaktansi ( Modified Reactance Rele) yang dikenal dengan rele starting. Gambar 8.6(b) nampak seperti kombinasi antara
karakteristik rele mho dan reaktansi. Gambar 8.6(c) menampakkan aplikasi zone proteksi dari rele reaktansi. Pada Gambar 8.6(c), 0 adalah lokasi rele, 0A adalah bagian dari garis awal, AB adalah bagian dari garis kedua, BC adalah bagian dari garis ketiga, dan θ adalah sudut impedansi saluran.
3. Rele Admittansi (Mho) Berdasarkan komparator phasa dan memisalkan rele bekerja dalam kondisi threshold sehingga Persamaan (8.26) dapat digunakan, sehingga :
k 1k 3 A
2
k 2k 4
B
2
k 1k 4 k 2k 3 A
B cos 0
(2.26)
jika sinyal input berupa,
k a V k b I S2 k a V S1
(8.50) (8.51)
sehingga diperoleh, k 1 = -k a, k 2 = k b , k 3 = k a, k 4 = 0, A = V, dan B = I, lalu subtitusikan Persamaan (P.50) dan (P.51) ke Persamaan (8.26),
k a2
V
2
kakb
V I cos 0
(8.52)
atau
I V
cos
k a k
(8.53)
(8.54)
atau
Ycos
k a k
Persamaan – persamaan di atas menunjukkan karakteristik rele mho, jika digambarkan pada diagram R-X, lingkarannya akan memotong titik awal, seperti yang ditujukkan pada Gambar 8.7(a). Jika digambarkan pada diagram admitansi (contoh : diagram G-B), karakteristiknya berupa garis lurus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.7(b) 59
Karakteristik lingkaran tersebut memotong titik awal yang membuat rele tidak berubah arahnya, sehingga rele ini mirip dengan karakteristik rele jarak dengan satu arah. Jika terdapat kondisi busur gangguan, maka nilai dari R akan meningkat dengan meningkatnya tahanan daribusur Rarc yang menyebabkan sudut gangguan akan berubah seperti pada Gambar 8.7(c). Nilai pendekatan dari tahanan busur dapat dihitung dari rumus empiris dari Warrington yaitu,
Rarc
8750l 1.4
I
(8.55)
dimana l = panjang dari busur (ft) pada aliran udara yang konstan I = arus busur dalam Ampere B
X
0
G
k a k b
k b
k a
0
R (a)
(b) X
B B’
Rarc
D
ZL
A
R (c)
Gambar 8.7. Karakteristik rele Mho: (a) Pada Diagram R-X; ( b) Pada Diagram G-B; (c) Perubahan dari jangkauan rele akibat tahanan busur
4. Rele Offset Mho (Modifikasi impedansi) Dengan memisalkan sinyal input dari komparator phasa diberikan sebagai berikut :
k a V k 2 I S2 k a V k 4 I S1
(8.56) (8.57)
sehingga diperoleh, k 1 = -k a, k 2 = k 2 , k 3 = k a, k 4 = k 4 , A = V, dan B = I, jika Persamaan (8.56) dan (8.57) disubtitusikan ke Persamaan (8.26) sehingga,
k a2 V 2 k 2 k 4I 2 k a k 2 k 4 VI cos 0
(8.58)
60
jika dibagi dengan I2,
k a2 Z 2 k 2k 4 k a Z k 2 k 4 cos 0 karena Z2 = R 2 + X2 dan dibagi dengan
R2 X2
k2k 4 k a2
(8.59)
k a2 ,
k2 k4 R cos X sin 0 k a
(8.60)
atau 2
2
k 2 k 4 cos k 2 k 4 sin k 2 k 4 R X 2k 2k 2k a a a
2
(8.61)
Line impedance locus
X
X k 2 k a
0
R
R Bus zone
k 4
(a)
(b)
k a
Gambar 8.8. Karakteristik rele mho: (a) Karakteristik umum; (b) Aplikasi back-up zona proteksi
Karakteristik rele ini pada diagram R-X diwujudkan dengan sebuah lingkaran yang berpusat di
dan k 2 k 4 / 2k a
berjari – jari
k 2 k 4 / 2k a ,
seperti yang terlihat pada
Gambar 2.8(a). Rele Offset Mho digunakan bersama dengan unit pengukur Mho yang berfungsi sebagai pendeteksi gangguan dan unit pengukur pada zona 3, dan dengan jangkauan balik yang menjangkau sampai zona bus, rele offset mho menyediakan cadangan ( back-up) untuk proteksi gangguan pada bus, seperti yang nampak pada Gambar 8.8(b).
5. Rele Ohm Karakteristik rele ohm ditunjukkan pada persamaan (8.47), yaitu berupa garis lurus ketika digambarkan pada diagram R-X, oleh karena itu, rele reaktansi merupakan bentuk khusus dari rele ohm. Rele ini juga dikenal sebagai rele impedansi sudut dan rele ini digunakan sebagai “blinder” yang digunakan untuk mencegah rele jarak dari pernge tripan akibat ayunan daya “ power swings ” pada saluran panjang dan untuk menghindari penge tripan secara kaskade. Selama kondisi ayunan daya dari sistem yang tidak dapat dipulihkan, pelayanan daya yang normal hanya dapat diperoleh jika sumber ayunan dapat dihilangkan. 61
Untuk meminimalkan gangguan dari sistem, sebuah sistem pengetripan out-of-step mempergunakan unit – unit ohm. Sistem ini umumnya mempergunakan dua unit ohm, sehingga karakteristik yang dihasilkan nampak seperti garis vektor impedansi yang paralel, seperti pada Gambar 2.9, dengan berubahnya nilai impedansi selama ayunan daya, titik yang merepresentasikan impedansi berpindah sepanjang tempat kedudukan ( locus) ayunan daya, memasuki ke dalam zona antara kedua blinder yang dihasilkan oleh unit ohm O 1 dan O2, setelah unit ohm bekerja.
X
O1
O2
Blinders
Locus of power swing
Line Impedance Mho unit
0
R
Gambar 8.9. Penggunaan unit rele ohm sebagai blinders untuk membatasi cakupan sudut pada saat terjadi ayunan
8.6 Rele Jarak tipe RAZOA Dalam percobaan ini penulis mempergunakan rele jarak dengan jenis rele impedansi dengan tipe RAZOA. Rele jarak tipe RAZOA adalah jenis rele statis dengan kecepatan tinggi yang dapat melindungi keseluruhan daerah fasa banyak dari berbagai jenis gangguan hubung singkat antar fasa atau fasa ke tanah pada saluran hantaran udara maupun kabel bawah tanah yang diproteksi. Rele jarak tipe RAZOA mempunyai kelambatan waktu yang berbeda – beda dan terpasang dengan operasi impedansi kurang (underimpedance start) atau operasi arus lebih (overcurrent start). Waktu operasi minimumnya adalah 20 ms. Rele ini mempunyai tiga daerah impedansi terarah dan satu daerah keempat s esuai dengan elemen start yang setelannya terarah atau tidak terarah. Besar impedansi (Z) saluran dapat dinyatakan sebagai perbandingan V/I. Besarnya impedansi ini merupakan perbandingan tegangan dan arus pada lokasi rele. Untuk rele jarak yang terpasang dengan under impedance start tipe RGZB 030 bekerja berdasarkan impedansi terukur di terminal rele, apabila impedansi yang terukur di terminal rele jatuh di bawah harga setelan yang ditentukan maka rele diaktifkan, sedangkan di luar harga setelan rele tidak diaktifkan. Jadi rele ini
62
akan bereaksi terhadap impedansi di antara lokasi rele dan titik gangguan, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2.10. Impedansi ini sebanding dengan jarak ke gangguan, karenanya rele itu dinamakan rele jarak (distance Rele), dan tidak tergantung pada tingkat arus gangguan. Waktu operasinya akan meningkat dengan meningkatnya perbandingan ini. Pada Gambar 8.10. memperlihatkan prinsip pengukuran jarak dimana rele jarak ditempatkan pada rel A dengan batas setelan impedansi Z b. Untuk gangguan di F (batas pengamanan) tegangan yang terukur di terminal rele adalah
V = I f .Zb , dengan If adalah arus gangguan yang melalui rele. Perbandingan tegangan dan arus di rele A adalah :
V If
I f .Zb If
Z
(8.62)
kondisi rele dalam batas keseimbangan dan rele bekerja.
(a) Diagram satu garis saluran transmisi dengan proteksi jarak
(b) Hubungan antara Waktu operasi dengan Impedansi dari Rele Jarak tipe Impedansi
63
(b) Hubungan antara tegangan dengan jarak gangguan Gambar 8.10. Prinsip Pengukuran jarak
Untuk gangguan di F 1, di dalam daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal rele adalah V1
If
1
.Z1 , dengan I f 1 adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z 1 adalah
impedansi antara rel A ke titik gangguan F 1. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah
V1 If1
If1 .Z1 If 1
Z1
(8.63)
karena V1< V dan I f 1 > I f maka Z1 < Z b, sehingga rele akan bekerja. Untuk gangguan di F 2, di luar daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal adalah V2
If
2
.Z2 , dengan If 2 adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z 2 adalah impedansi
antara tempat rel A ke titik gangguan F 2. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah :
V2 If2
If2 .Z2 If 2
Z2
(8.64)
karena V2< V dan I f 2 > If maka Z2 < Z b, sehingga rele tidak akan bekerja. Rele jarak tipe RAZOA mempunyai tiga daerah pengukuran impedansi terarah, sehingga hanya akan bekerja untuk gangguan yang terjadi pada arah yang telah ditentukan, biasanya arah ke depan atau keluar dari rel (busbar) dan satu daerah empat sesuai dengan elemen startnya yang dapat dibuat terarah atau tidak terarah. Unit impedansi kurang tipe RGZB 030 mempunyai dua karakteristik yang berbeda yang dapat dipilih yaitu karakteristik lingkaran (circular) dan karakteristik oval seperti gambar berikut ini :
64
(a) Karakteristik operasi lingkaran
(b) Karakteristik operasi oval
Gambar 8.11. Karakteristik operasi unit RGZB 030
Pada umumnya rele jarak tipe RAZOA menggunakan karakteristik lingkaran, tetapi kadang – kadang untuk impedansi saluran panjang yang dibebani atau perbandingan X/R yang tinggi karakteristik oval lebih sesuai. Untuk mendapatkan perlindungan yang baik rele jarak tergabung atas unit – unit berikut :
Tabel 8.1. Unit – unit yang tergabung dalam rele jarak tipe RAZOA
No.
Rancangan
Tipe
1
Saklar Test
RTXP 18
2
Konverter DC-DC
RXTUG
3
Unit Input
RGKC 070
4
Unit start impedansi kurang (underimpedance)
RGZB 030
5
Unit pemilih fasa
RGGB 030
6
Unit setelan arus
RGAA 030
7
Unit setelan tegangan
RGAB 030
8
Unit kelambatan waktu
RGTA 030
9
Ruang untuk unit pengukuran tambahan
RGZA 030
10
Unit rangkaian memori
RGLA 030
11
Unit pengukuran dan pengindikasian
RGSB 030
12
Unit pemrograman data dan ruang untuk test board
13
Unit keluaran
RGKD 050
14
Tripping Rele
RXMS 1
65
No.
15
Rancangan
Unit Transformator
Tipe
RTTG
Posisi unit – unit di atas ditunjukkan pada Gambar berikut :
Gambar 8.12. Tampak depan unit pembangun rele jarak tipe RAZOA
8.6.1 UNIT – UNIT YANG TERGABUNG DALAM RELE JARAK TIPE RAZOA Rele jarak tipe RAZOA tersusun dari beberapa unit modul yang kompleks seperti terlihat pada Gambar 8.12, adapun modul – modul tersebut adalah sebagai berikut : a.
Saklar Penguji (Test Switch) tipe RTXP 18 Sebagian besar masukan – masukan dan keluaran – keluaran rele ini dihubungkan ke terminal – terminal pada bagian luar sakelar dengan soket tembaga 20 A. hubungan – hubungan yang lain dapat dibuat dengan soket tembaga 10 A langsung ke terminal – terminal pada terminal dasar, secondary test yang lengkap dapat dilakukan dengan menggunakan Saklar penguji ini.
b. Konverter DC/DC tipe RXTUG Unit ini mengkonversikan suplai tegangan dc menjadi tegangan ac yang nantinya akan ditransformasikan ke level tertentu lalu dengan penyearah setengah gelombang disearahkan sehingga akan menghasilkan 12 V dc yang lebih rata ( smooth), sehingga dengan proses ini, tegangan dc pada terminal baterai dapat disesuaikan dengan unit – unit rele yang berbeda level tegangannya termasuk rele itu sendiri. 66
c.
Unit Masukan Kendali Antarmuka ( Input Control Interface) tipe RGKC 070 Unit ini terdiri dari 7 (tujuh) Dry-Reed Rele dengan waktu operasi yang singkat untuk fungsi – fungsi sinyal input yaitu : CRA, CRB, RESET, BC, Z R , dan Z T seperti yang terlihat pada Gambar 8.13. Saat switch ditutup secara manual, daya disuplai ke masukan BC, kemudian ke rele jarak dengan suatu program dapat dibuat trip seketika, untuk mengopersikan elemen startnya. Saat sinyal telekomunikasi diterima, daya suplai ke masukan CRA, hal ini tergantung dari bagaimana rele jarak diprogram, sehingga diperoleh untuk berbagai skema sistem. Masukan CRB mempunyai dua fungsi, pertama untuk blok eksternal dan juga untuk starting, pengukuran atau fungsi tripping sesuai yang diprogram dan yang kedua untuk skema blok telekomunikasi. Masukan reset akan bekerja saat reset di luar indikasi diberikan, sedang masukan berupa Z R , ZS, dan Z T digunakan ketika rele start oleh impedansi start rele yang lain.
Gambar 8.13. Sinyal masukan dan keluaran 67
d. Unit Starting Impedansi kurang (Underimpedance starting) tipe RGZB 030 Unit Starting Impedansi kurang terdiri dari fungsi – fungsi untuk pengukuran impedansi kurang dan arua urutan nol. Fungsi ini dibangun oleh tiga mikroprosesor, satu untuk masing – masing fasanya. Dua karakteristik operasi yang berbeda dapat dipilih pada unit ini yaitu karakteristik lingkaran dan oval. Nilai operasi disetel dengan saklar geser bertanda Z seperti terlihat pada Gambar 8.14( a). Rentang setelan adalah 4 – 64 ohm/fasa dalam kenaikan 4 ohm atau 8 – 128 ohm/fasa dengan kenaikan 8 ohm. Rentangan setelan ini dipilih dengan sakelar program pada papan rangkaian dalam unit RGZB 030. Pada kondisi normal rele impedansi kurang juga mengukur tegangan dan arus fasa ke fasa. Dan saat terjadi gangguan ke tanah atau arus urutan nol melebihi nilai setelan, sakelar akan bekerja dan rele impedansi kurang akan mengukur tegangan fasa ke netral dan arus fasa. Nilai operasi rele urutan nol dapat disetel pada bagian depan unit ini dengan sakelar geser bertanda I NS. Rentangan setelan adalah 0,2 – 1,6 I N dalam kenaikan 0,2 I N. Pada unit ini juga terdapat sakelar geser bertanda F yang digunakan untuk memilih tipe gangguan ketika melakukan pengetesan terhadap fungsi – fungsi dari rangkaian logika dari rele jarak. Pengetesan dilakukan dengan menekan tombol bertanda “Test”, kemudian rangkaian keluaran akan diblok dan fungsi – fungsi tersebut ditunjukkan pada bagian unit indikasi RGSB 030. e.
Unit pemilihan phasa (phase selector unit) tipe RGGB 030 Unit pemilihan phasa yang dikontrol melalui elemen start, memilih besaran ukur yang dapat dipakai untuk tipe gangguan dan mengkonversikannya ke unit pengukuran untuk mengevaluasi gangguan.
Unit ini mempunyai dua saklar geser pada bagian depannya bertanda K N dan PS seperti terlihat pada Gambar 8.14(b). Dimana sakelar geser K N digunakan untuk menyetel kompensasi urutan nol dan mempunyai rentangan 0 sampai 1,5 dengan kenaikan 0,1. Dan sakelar PS digunakan untuk menyesuaikan rele dengan jaringan, berkenaan dengan sistem pembumian, pemilih phasa dengan tipe starting sakelar ini dapat disetel dengan enam posisi yang berbeda (0 – 5) dan posisi (6 – 15) tidak digunakan. f.
Unit setelan tiruan arus (Current replica setting) tipe RGAA 030 Pada bagian depan unit ini ada empat sakelar geser untuk faktor a dan b, dimana a mempengaruhi jangkauan reaktif dan b untuk jangkauan resistif dari unit pengukuran (measuring unit). Rentangan seteleannya dari 5 ke 99 dengan kenaikan 1, sebagai catatan faktor a dan b ini tidak boleh disetel di bawah 5, meskipun rentangan 0 – 4 tersedia pada sakelar ini, seperti terlihat pada Gambar 8.14(c). 68
g. Unit setelan tiruan tegangan (Voltage replica setting) tipe RGAB 030 Pada bagian depan unit ini ada enam sakelar geser untuk setelan jangkauan dari daerah satu, dua, dan tiga dalam unit pengukuran. Untuk setelan masing – masing daerah bertanda p1, p2, dan p3, kondisi dari dua sakelar geser digunakan untuk memperoleh setelan masing – masing p 1, p2, dan p 3, rentangan setelan dari 5 ke 99 dengan kenaikan 1. sebagai catatan faktor p1, p2, dan p 3 ini tidak boleh disetel di bawah 5, meskipun rentangan 0 – 4 tersedia pada sakelar ini, seperti terlihat pada Gambar 2.14(d ). h. Unit sakelar pemilih aplikasi dan kelambatan waktu (application selector switches and timers unit) tipe RGTA 030 Pada bagian depan unit ini ada sepuluh sakelar untuk program yang sering digunakan dengan setelan D pada posisi ON atau OFF. Dan dibawahnya terdapat tiga sakelar geser untuk setelan pemilih waktu sebagai proteksi cadangan ke rele. T 1 tidak disetel lagi karena telah diprogram beroperasi tanpa tundaan waktu, T 2 dapat disetel antara 50 – 750 ms dengan kenaikan 50 ms, T 3 disetel antara 200 – 300 ms dengan kenaikan 200 ms, T 4 dapat disetel antara 400 – 650 ms dengan kenaikan 400 ms, seperti terlihat pada Gambar 2.14(e) i.
Ruang untuk unit pengukuran tambahan (extra measuring) tipe RGZA 030 Pada versi ini unit ini masih kosong, guna pengembangan pemanfaatan / kerja rele jarak RAZOA pada unit ini tersedia soket yang dapat ditambah / dimasukkan dengan unit pengukuran tambahan tipe RGZA 030.
j.
Unit rangkaian memori (memory circuit unit) tipe RGLA 030 Unit ini digunakan untuk menentukan arah pada kejadian gangguan tiga phasa. Rangkaian memori dihubungkan dengan respon mendekati 65 ms dan sesuai dengan waktu yang digunakan untuk gangguan dalam daerah satu ( instantaneous).
k. Unit pengukuran dan indikasi (measuring and indicating unit) tipe RGSB 030 Unit ini terdiri dari elemen pengukuran dari rele dan pembanding fasa yang pengukurannya didasari atas perbandingan fasa antara besaran – besaran yang diukur. Unit ini juga terdiri dari dioda – dioda pemancar cahaya yang menunjukkan fungsi – fungsi start, tripping , dan tundaan waktu yang berbeda, seperti terlihat pada Gambar 2.14( f ). Tripping ditunjukkan oleh LED merah, yang lainnya berwarna kuning. Indikasi tersebut akan dibatalkan dengan menekan reset yang terdapat pada bagian bawah unit ini.
69
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Gambar 2.14 Unit – unit yang tergabung Rele Jarak tipe RAZOA
l.
Unit pemrograman data dan ruang pengembangan Bagian ini merupakan ruang kosong, sebagai fasilitas peningkatan operasional rele jarak RAZOA. Pada versi ini, unit ini masih berisikan data pemrograman untuk beberapa unit yang diatur dengan sakelar tekan pada posisi ON dan OFF. Data pemrograman pada keadaan standar ditunjukkan pada Tabel 2.2, posisi sakelar tersebut terletak pada papan rangkaian cetak atau printed circuit board (PCB) di dalam unit – unit rele jarak RAZOA.
70
Tabel 8.2 Sakelar pemrograman pada rangkaian unit – unit rele RAZOA Unit
Sakelar
Jumlah Sakelar
ON
OFF
RGZB
S3
4
1,2,3
4
S5
4
1
2,3,4
X1
2
1
2
X2
2
1
2
X7
3
2
1,3
S5
4
-
1,2,3,4
S6
4
3
1,2,4
S1
8
1,2,8
3,4,5,6,7
X1
2
1
0
X1
2
1
2
S1
4
2,4
1,3
X1
2
1
2
RGAA
RGAB
RGTA
RGSB
RGKC
RGKD
m. Unit keluaran (Output unit) tipe RGKD 050 Unit keluaran terdiri dari rele bantu elektromagnetik yang masing – masing terdiri dari satu buah kontak normally open untuk fungsi – fungsi berikut ini : start phasa R, S, T, dan N, GS, V, CSA, BA, T 2, T3, T4, dan TA yang ditunjukkan Gambar 2.13. n. Rele Pengetrip tipe RXMS Unit ini terdiri dari rele – rele bantu yang menghasilkan sebagai output pemutusan CB. 8.6.2 PRINSIP KERJA
Rele jarak tipe RAZOA bekerja dengan memantau ketiga besaran tegangan dan arus yang melalui test switch (1) seperti pada Gambar 4. Besaran tersebut masuk ke input transformator (2) yang berubah ke besaran yang sesuai untuk unit – unit elektronik.
71
Gambar 8.14. Diagram blok prinsip kerja rele jarak tipe RAZOA
Bila terjadi gangguan atau impedansi kurang pada saluran, maka elemen impedansi kurang (3), dengan fasa yang relevan, dan arus urutan nol akan mengoperasikan elemen waktu atau time element (4) dan juga fasa yang terganggu dipilih oleh unit pemilih fasa atau phase selector unit (5) yang selanjutnya melewatkan harga arus yang benar dan juga arah yang digunakan, kemudian indikasi start (10) dan sinyal rele (11) untuk fasa yang sesuai akan bekerja. Untuk menentukan arah, rele jarak menggunakan polarisasi fasa yang sehat dalam kasus gangguan satu dan dua fasa, sedangkan rangkaian memori (6) digunakan untuk gangguan tiga fasa. Jangkauan dari tiga daerah pengukuran ditentukan oleh nilai dari unit setelan arus dan tegangan masing – masing pada blok (7) dan (8). Pada blok (9), dibangkitkan empat sinyal melalui filter terus dikonversikan ke sinyal digital. Sinyal ini kemudian digunakan dalam unit pengukuran (10) untuk menentukan arah dan posisi gangguan. Jika gangguan terjadi di daerah pertama, output unit (11) akan bekerja instantaneous (tanpa tundaan waktu). Jika gangguan berada di luar daerah pertama, jangkauan ditingkatkan berturut – turut berdasarkan pemilihan waktu T 2, T3, dan T4. Jangkauan dapat ditingkatkan melalui rele input (12) oleh kerjasama bagian yang jauh yang melalui programming (13), satu dari daerah pengukuran terbalik (reverse), arus untuk daerah ini akan dibalik oleh invertor pada blok (9) saat waktu aktual tiba.
72
Melalui kerjasama dengan peralatan komunikasi rangkaian tripping akan mengoperasikan CB pada unit output rele (11) untuk mengisolir bagian yang mengalami gangguan. Jika rele jarak difungsikan untuk pemeriksaan / pengujian dilakukan dengan menekan sakelar tekan bertanda “Test” (14), maka elemen start akan menyala, pada saat yang sama keluaran rele (11) akan diblok untuk mencegah pemutusan yang tidak perlu. Jika tombol test terus ditekan untuk periode tertentu sesuai dengan setelan waktu, dioda pemancar cahaya untuk tundaan waktu yang bersesuai an dan untuk tripping akan menyala. Indikasi tersebut akan dibatalkan dengan menekan tombol “Reset” pada input sinyal atau melalui salah satu masukan rele (12). Jika unit pengukuran tambahan (18) dimasukkan, ini akan terhubung paralel, tetapi tidak tergantung dengan unit pengukuran dasar (10). 8.6.3 TEORI PENGUKURAN
Elemen start berpengaruh terhadap unit pemilih phasa, sehingga sangat tergantung terhadap jenis gangguan, elemen tersebut memberikan hasil pengukuran dengan menggunakan loop pengukuran ( measuring loop) kepada unit pengukuran. Tabel 2.3 menunjukkan loop pengukuran yang akan dipilih, tergantung dengan elemen start yang diaktifkan dan posisi dari sakelar – PS. Tabel 8.3 Loop pengukuran yang dipilih PILIHAN LOOP PENGUKURAN (TERGANTUNG DARI POSISI – PS)
ELEMEN START 0
1
2
3
4
5
R
RN
TR
RN
TR
RN
TR
S
SN
SR
SN
SR
SN
SR
RS
SR
SR
SR
SR
SR
SR
T
TN
TS
TN
TS
TN
TS
TR
TR
TR
TR
TR
TR
TR
ST
TS
TS
TS
TS
TS
TS
73
RST
SR
SR
SR
SR
SR
SR
-
-
-
-
-
-
RN
RN
RN
RN
RN
RN
RN
SN
SN
SN
SN
SN
SN
SN
RSN
SN
SN
RN
RN
SR
SR
TN
TN
TN
TN
TN
TN
TN
TRN
RN
RN
RN
RN
TR
TR
STN
TN
TN
TN
TN
TS
TS
RSTN
SR
SR
SR
SR
SR
SR
N
Tabel 8.4 Arus, tegangan, dan tegangan arah untuk masing – masing loop pengukuran Loop Pengukuran
Arus (I)
Tegangan (V)
Tegangan Arah (Vp)
RN
IR + K NI N
VRN
VST
SN
IS + K NI N
VSN
VTR
TN
IT + K NI N
VTN
VRS
RS
IR – IS
VRS
-( VT – U0)
ST
IS – IT
VST
-( VR – U0)
TR
IT – IR
VTR
-( VS – U0)
Karakteristik operasi dari rele jarak tergantung dari setelan batasan jangkauan reaktansi dan resistansi yang terdapat pada unit pengukuran arah, lihat Gambar 2.15 di bawah ini,
74
X
ZK
R
Gambar 8.15 Karakteristik Operasi Rele Jarak Untuk memperoleh tiga batasan – batasan operasi ini, polaritas dari keempat sinyal pengukuran dibandingkan pada setiap setengah siklusnya dan pada waktu yang diberikan oleh komparator phasa. Keempat sinyal yang digunakan untuk pengukuran adalah sebagai berikut : I
= Arus gangguan
IXk
= Drop tegangan reaktif yang memotong model impedansi
VP
= Tegangan Arah untuk menentukan arah
Vk
= Tegangan Kompensasi = V - IZk dimana V = Tegangan yang memotong loop gangguan Zk = Model Impedansi
8.6.4 PENGUKURAN ARAH
Untuk mendapatkan pengukuran arah maka tegangan kompensasi dibandingkan dengan tegangan arah memberikan :
arg Vk arg VP 2
(8.65)
dimana : arg VP = sudut phasor tegangan polarisasi untuk menentukan arah arg Vk = sudut phasor tegangan kompensasi = arg (V – I.Z k ) dengan V = tegangan pada loop gangguan Zk = model impedansi
75
Ini berarti bahwa phasor Vk harus terletak di dalam rentangan π sampai 2π terhadap phasor referensi V p. Kondisi persamaan (2.65) menunjukkan bahwa garis bundaran operas i adalah lingkaran Mho yang lewat melalui setelan titik Z k dari rele jarak dan di atas phasor impedansi sumber ZS, maka lingkaran lewat melalui Z k dan melalui titik asal pada impedansi sumber nol, seperti Gambar 8.16 berikut : X
ZK
ZS
Gambar 816 Kondisi pengukuran arah gangguan ke depan 8.6.5 PENGUKURAN REAKTANSI
Untuk
mendapatkan
pengukuran
reaktansi
maka
tegangan
kompensasi
dibandingkan dengan arus gangguan (I) memberikan :
arg Vk arg I 2
(8.66)
ini menunjukkan bahwa phasor V k harus berada di dalam rentangan π sampai 2π terhadap phasor referensi I. Kondisi persamaan (8.66) menunjukkan bahwa garis operasi dalam bidang impedansi adalah garis lurus yang melalui titik setelan Zk dari rele jarak dan sejajar dengan sumbu R seperti pada Gambar 8.17 berikut : X
Z K
Gambar 8.17. Garis kerja reaktif
76
8.6.6 PENGUKURAN RESISTANSI
Untuk
mendapatkan
pengukuran
resistansi
maka
tegangan
kompensasi
dibandingkan dengan drop tegangan reaktif yang disebabkan arus gangguan : 0 arg Vk
arg IX k
(8.67)
ini menunjukkan bahwa phasor V k harus berada di dalam rentangan 0 sampai π terhadap phasor referensi I.Xk X
Z K
R
Gambar 8.18. Garis kerja resistif Kondisi Persamaan (8.67) menunjukkan bahwa garis operasi dalam bidang impedansi adalah garis lurus yang melalui titik setelan Zk dari rele jarak dan sejajar dengan sumbu X seperti pada Gambar 8.18. 8.6.7 JANGKAUAN DAN WAKTU KERJA
Jangkauan untuk zone 1 umumnya disetel untuk jangkauan impedansi 80 persen dari saluran. Jika data sesungguhnya dari saluran diketahui, dan jika kesalahan yang disebabkan oleh CT dan VT diabaikan, setelan jangkauan dapat dinaikkan menjadi 90 persen dari impedansi keseluruhan saluran, jika rasio jangkauan resistif atau induktif tidak lebih dari satu. Jangkauan untuk zone 2 sebaiknya disetel seminimum mungkin 120 persen dari saluran. Jangkauan tersebut harus melingkupi batasan yang cukup, lebih pendek
dari
jangkauan zone 1 dari saluran terpendek yang diproteksi oleh rele dalam saluran keseluruhan. Batasan tersebut direkomendasikan antara 10 sampai 20 persen dari jangkauan. Dalam sebuah jaringan terikat (tie lines) pada titik tengahnya seperti pada Gambar 8.19, pertimbangan dapat diambil dari peningkatan nilai impedansi dikarenakan power fed
77
yang terjadi di dalam sistem pada titik gangguan. Dalam kondisi gangguan yang terjadi pada titik F, rele pada titik A merasakan impedansi :
IA IB I ZF ZL1 1 B Z F IA IA
Z ZL1
(8.68)
dimana IA dan I B merupakan arus gangguan pada gardu A dan B, Z L1 adalah impedansi pada bagian saluran pertama dan ZF merupakan impedansi pada saluran kedua sampai pada titik gangguan. Dimisalkan jangkauan pada zone 2 dari rele pada titik A di setel 80 persen dari impedansi saluran terlihat dengan kasus dimana rele merasakan gangguan terjadi pada akhir setelan jangkauan zone 1 dari rele yang berlokasi di titik C, kemudian dimisalkan juga jangkauan pada zone pertama pada rele yang berlokasi dititik C adalah 0,8 kali besar ZL1, dimana ZL2 merupakan impedansi saluran pada zone kedua. Impedansi dihitung dari gardu A sampai batasan jangkauan dari zone pertama dari rele yang berlokasi di C yang bersesuaian dengan,
ZL1 0,8 1
ZL2 IA IB
(8.69)
Jangkauan pada zone kedua dari rele yang berlokasi di A umumnya tidak disetel melebihi 80 persen dari impedansi saluran pada batasan untuk zone pertama dari rele yang berlokasi di titik C, sehingga,
Z 0,8 Z L1 0,8 1
Z L2 IA IB
(8.70)
ketika melakukan perhitungan penyetelan, nilai terendah dari I A/IB yang terjadi dapat diterima. Zone ketiga tidak akan terjangkau di luar 90 persen dari zone 2 terpendek dari saluran – saluran yang terhubung dari bus terjauh. Kenaikan pengukuran nilai impedansi tergantung dari power fed yang terjadi pada sistem. 8.6.8 FAKTOR – FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PENGUKURAN JANGKAUAN
Penyetelan jangkauan rele jarak dirancang sedemikian sehingga tidak ada bagian saluran yang tidak terproteksi dan tidak terjadi overlap dengan daerah pengaman rele jarak yang lain. Pengukuran jangkauan rele jarak perlu mempertimbangkan beberapa faktor yang dapat membuat jangkauan yang dilihat rele menjadi jangkauan lebih (over reach) atau jangkauan kurang (under reach). Di antara faktor – faktor tersebut adalah : pengaruh
78
tahanan busur, pengaruh arus infeed akibat adanya pembangkit pada ujung saluran yang diamankan. Pengaruh saluran ganda ke saluran tunggal atau saluran tunggal ke saluran ganda dan pengaruh rele gangguan tanah yang tidak dikompensasi. Faktor – faktor inilah yang menjadi pertimbangan penentuan jangkauan daerah kerja rele jarak terletak pada harga maksimum atau minimum. 8.6.8.A JANGKAUAN KURANG (UNDER REACH)
Rele jarak RAZOA mengalami jangkauan kurang (under reach), bila impedansi yang dirasakan lebih besar dari impedansi gangguan sebenarnya, rele mengalami jangkauan kurang dapat disebabkan oleh : rele tanpa kompensasi gangguan tanah, adanya tahanan busur tanah, dan adanya arus infeed akibat adanya pembangkitan pada ujung saluran yang diamankan. a. Rele tanpa kompensasi gangguan tanah
Dengan menganggap setelan rele adalah ZL1, impedansi yang dilihat rele tanpa kompensasi untuk gangguan tanah pada Z L1 adalah :
ZL0 ZL1 1 ZL1 3Z L1
(8.71)
dimana nilai impedasi pada Persamaan (8.71) di atas adalah lebih besar dari Z L1. Agar rele beroperasi ketika impedansi yang dirasakan adalah Z L1 maka jangkauan harus disetel menjadi : ZL1
ZL0 ZL1 1 3ZL1
(8.72)
Untuk mencegah pengaruh ini rele jarak RAZOA dilengkapi dengan kompensasi urutan nol (K N) pada bagian depan unit RGGB 030. b. Pengaruh tanahan busur
Pengaruh tahanan busur menyebabkan rele melihat titik gangguan lebih jauh dari keadaan sebenarnya, sehingga jangkauan rele menjadi kurang (under reach). Besarnya tahanan busur ini menurut Warrington dapat dihitung dengan rumus : Rarc
8750l 1.4
I
(8.55)
dimana : 79
R arc = tahanan busur ( Ω) l
= panjang busur (feet)
I
= besar arus gangguan (Amp)
Bila kecepatan angin dan waktu pemutusan gangguan diperhitungkan, maka rumus Warrington menjadi : 8750 S 3t
R arc
S
= jarak antara konduktor (feet)
v
= kecepatan angin (mil/jam)
I
= waktu terjadinya busur api (detik)
I1,4
(8.73)
dimana :
Oleh karenanya tahanan busur harus diperhitungkan dalam penyetelan jangkauan kerja dan perlu dilakukan pengaturan sudut karakteristik rele Mho. c. Pengaruh adanya pembangkit pada ujung saluran
Pengaruh pembangkit pada ujung saluran yang diamankan dapat dilihat pada Gambar 8.19 berikut :
Gambar 8.19. Pengaruh pembangkit pada ujung saluran yang diamankan Bila gangguan terjadi pada titik F, tegangan yang dirasakan pada rele A adalah tegangan jatuh sepanjang saluran dari titik gangguan sampai ke lokasi rele di rel A atau dapat dihitung sebagai berikut, VA
I A Z L I A I B ZF
(8.74)
karena rele di rel A hanya merasakan arus IA, maka impedansi yang terukur oleh rele adalah, ZA
VA IA
ZL
IA IB IA
ZF
80
ZL k ZF
(8.75)
dimana k adalah faktor inffed yang sama dengan (I A + IB)/IA, dengan adanya faktor inffed ini, impedansi yang terukur oleh rele di A akan bertambah panjang atau jangkauan rele menjadi kurang (under reach) dari impedansi sebenarnya saat gangguan di F yaitu : ZA
sebenernya
ZL Z F
(8.76)
hal ini dapat mempengaruhi penyetelan zone 2 rele jarak pada rel A, oleh karena itu penyetelan rele jarak RAZOA di rel A untuk zone 2 menjadi maksimum, dihitung dengan persamaan berikut : Z2
ZL1 k Z L2
(8.77)
dimana : k
= infeed faktor = (IA + IB)/IA = IF / IR
IF
= arus pada lokasi gangguan
ZL2 = impedansi saluran terpendek saluran berikutnya (short line) Sedangkan untuk daerah 3, bila adanya pengaruh faktor infeed penyetelan menjadi, Z3
ZL1 k1ZL 2
(8.78)
dimana : ZL2 = impedansi saluran terpanjang saluran berikutnya (long line) Batas atas penyetelan atau penyetelan maksimum menjadi : Z3
ZL1 k1 Z L2 k 2 Z L3
(8.79)
dimana : ZL3 = impedansi urutan positif saluran 3 k 1
= faktor infeed dari saluran 1
k 2
= faktor infeed dari saluran 2
8.6.8.B JANGKAUAN LEBIH (OVER REACH)
Rele jarak RAZOA dikatakan mengalami jangkauan lebih (over reach) bila impedansi yang dirasakan lebih kecil dari impedansi gangguan yang sebenarnya. Pengaruh yang dapat menyebabkan rele mengalami jangkauan lebih antara lain adalah pengaruh adanya perubahan saluran dari saluran ganda ke saluran tunggal atau dari saluran tunggal ke saluran ganda, hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.20, dimana jangkauan yang diterima rele menjadi lebih karena adanya perubahan saluran dari saluran tunggal ke saluran ganda. 81
Gambar 8.20. Pengaruh saluran tunggal ke ganda Impedansi yang terlihat oleh rele bila terjadi gangguan di F adalah : ZRA
I R ZAB IB1ZBF I R
ZAB karena
I B1 I R
2.l x 2.l ZRA
I B1 I R
ZBF
, maka persamaan di atas dapat ditulis,
ZAB
2.l x 2.l
Z BF
ZAB k.ZBF dimana : k
I B1 I R
(8.80)
2.l x 2.l
Untuk gangguan dekat rel B, x = 0 sehingga k = 1 Untuk gangguan di rel C, x = l sehingga k = ½ Jadi rentangan faktor infeed ½ < k < l Jika gangguan terjadi di antara saluran B dan C, impedansi yang dilihat oleh rele pada rel A akan selalu lebih kecil dari yang sebenarnya atau jangkauan rele menjadi jangkauan lebih (over reach). Oleh karena itu penyetelan jangkauan zone 2 untuk rele jarak RAZOA di rel A dilakukan pada batas minimum.
82
IX. PEMUTUS TENAGA
9.1. Pengertian
Pemutus tenaga (PMT) ataui lebih dikenal dengan istilah asingnya circuit breaker merupakan suatu piranti sakelar magnetik yang secara otomatis akan membuka atau memutuskan rangkaian listrik apabila terjadi ketidaknormalan pada sistem tanpa adanya kerusakan. 9.2. Cara Pemadaman Busur
Ada dua metode untuk memadamkan busur yang terjadi pada pemutus tenaga a. Metode Tahanan Tinggi Pada metode ini menggunakan suatu tahanan atau (resistant) yang dimasukkan pada rangkaian dimana busur didinginkan secara simultan. Hal ini dengan cepat akan mengurangi besarnya arus hingga pada suatu nilai tertentu busur akan hilang. b. Metode Arus Nol Metode arus nol memanfaatkan sifat dari arus bolak-balik yang akan mencapai harga nol untuk setiap periode. Pada saat akan mencapai nol, maka
celah antara kontak akan
mengandung banyak ion dan elektron sehingga dengan mudah dapat dibreakdown oleh tegangan pukul sehingga busur akan tetap ada. Prosses ini akan berlangsung berulangulang. Oleh karena itu, jelaslah bahwa dengan adanya busur, maka ruang di antara elektroda akan terionisasi, menjadi ion dan elektron. 9.3. Syarat-Syarat Pemutus Tenaga
Ada beberapa syarat yang harus dipenuhi oleh pemutus tenaga agar bisa bekerja dengan baik, antara lain sebagai berikut. a. Kemampuan menutup dan dialiri Mampu menutup dan mampu dialiri arus beban penuh dalam waktu lama. b. Bekerja Secara Otomatis Membuka secara otomatis untuk membuka beban atau beban lebih. c. Bekerja Cepat Harus dapat memutuskan rangkaian dengan cepat, jika terjadi hubung singkat. d. Tahan pada tegangan rangkaian
83
Celah (gap) yang ada harus tahan terhadap tegangan rangkaian , bila kontak membuka. e. Dapat dialiri arus hubung singkat Mampu dialiri arus hubung singkat sampai gangguan hilang. f. Mampu memutus arus magnetisasi transformator Mampu memutuskan arus magnetisasi transformator atau jaringan dan arus pemuatan (charging current). g. Tahan terhadap situasi dan kondisi Mampu menahan efek busur kontak, gaya elektromagnetik atau kondisi panas yang tinggi akibat hubung singkat. 9.4. Istilah-Istilah Dalam Pemutus Tenaga
1. Waktu Kerja (operating time) Merupakan waktu yang diperlukan pemutus tenaga unutk bekerja, yaitu waktu yang diperlukan untuk membuka kontak (memutuskan rangkaian). 2. Waktu Busur (arcing time) Waktu awal pemutusan kontak pemutus tenaga sampai padamnya busur yang terjadi. 3. Waktu Putus Total ( total breaking time ) Merupakan penjumlahan antara waktu kerja dengan waktu busur. 4. Tegangan Pukul ( restriking voltage ) Merupakan tegangan pada terminal masing-masing kutub dan pada pemutus tenaga , terjadi setelah pemutusan. 5. Tegangan Kembali (recovery Voltage) Merupakan tegangan yang ada pada kontak-kontak pemutus tenaga setelah terjadinya pemadaman busur. Besarnya tegangan kembali biasanya sama dengan tegangan fase netral. 6. Tingkat Kenaikan Tegangan Pukul ( rate of rise restriking voltage ) Merupakan suatu tingkatan yang ditunjukan dalam volt per mikrodetik. Tingkat kenaikannya menunjukkan kenaikan tegangan pukul. 7. Frekuensi asli (natural Frequency) Frekuensi dari suatu rangkaian adalah frekuensi dimana rangkaian akan berosilasi apabila hal tersebut bisa dilakukan.
84
9.5. Kapasitas Pemutus Tenaga
Kapasitas pemutusan dari pemutus tenaga diartikan sebagai arus yang dapat diputuskan oleh pemutus tenaga pada tegangan tertentu. Kapasitas pemutusan biasanya diubah dalam ke dalam besaran daya (MVA) a. Arus pemutusan simetris Arus simetris ini merupakan harga rms komponen AC dari arus yang diputuskan oleh pemutus tenaga . b.
Arus pemutusan asimetris Arus pemutusan asimetris merupakan harga rms dari kombinasi komponen AC dan DC dari arus yang dapat dipuituskan pada tegangan tertentu oleh satu kutub (pole) dari pemutus tenaga.
9.6.
Jenis-Jenis Pemutus Tenaga
Dilihat dari jenis media pemadamannya, pemutus tenaga dapat digolongkan menjadi empat, yaitu pemutus tenaga dengan media pemadaman minyak oil (oil CB), dengan media pemadaman udara (air CB), dengan media pemadaman gas (SF 6 CB). a.
PMT dengan Media Minyak (oil circuit breaker) Ada dua jenis PMT dengan media minyak yaitu 1. PMT dengan menggunakan minyak (bulk Oil Circui Bre aker). PMT dengan menggunakan banyak minyak secara umum digunakan pada sistem tegangan sampai dengan 245 kV. Minyak berfungsi sebagai peredam loncatan bunga api listrik selama pemutusan kontak-kontak dan sebagai bahan isolasi antar bagian-bagian yang bertegangan dengan badan. 2. PMT dengan menggunakan sedikit minyak (Low Oil Content Circuit Breaker) Pada PMT dengan menggunakan sedikit munyak ini, minyak hanya dipergunakan sebagai peredam loncatan bunga api. Sedangkan sebagai bahan isolasi dari bagian bagian yabg bertegangan digunakan porselen atau material isolasi dari jenis organic. Pemutusan arus dilakukan di bagian dalam dari pemutus. Pemutus ini dimasukkan dalam tabung yang terbuat dari bahan is olasi. Diantara bagian pemutus dan tabung diisi minyak yang berfungsi untuk memadamkan busur api waktu pemutusan.
b. PMT dengan media udara ( Air Circuit Breaker ) 1. PMT udara hembus ( Air Blast Circui Breaker )
85
Pada PMT udara hembus ( compresed air circuit breaker ), udara bertekanan tinggi dihembuskan ke busur api melalui nozzle pada kontak pemisah ionisaasi media diantara kontak dipadamkan oleh hembusan udara. 2. PMT dengan hampa udara ( Vacuum Circuit Breaker ) Kontak-kontak pemutus dari PMT ini terdiri atas kontak tetap dan kontak bergerak yang ditempatkan dalam ruang hampa udara yang mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi sehingga merupakan media pemadaman busur api yang baik. c. PMT dengan Media Gas Media gas yang digunakan pada tipe PMT ini adalah gas SF
6
(sulfur hexa fluorid ).
Sifat-sifat gas SF 6 murni adalah tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun, dan tidak mudah terbakar. Pada temperature diatas 150°C gas SF 6 mempunyai sifat tidak merusak metal, plastik, dan bermacam-macam bahan yang umumya digunakan dalam pemutus tenaga tegangan tinggi.
86
X. TRANSFORMATOR ARUS
10.1. Pendahuluan
Arus yang menuju peralatan proteksi biasanya diubah oleh transformator arus (CT) ke tingkat yang lebih rendah untuk pengoperasian Rele. Tingkat-tingkat yang rendah diperlukan karena dua alasan yaitu: 1. Dengan masukan yang lebih rendah ke rele, memungkinkan komponen-komponen yang digunakan untuk konstruksi rele tersebut secara fisik akan lebih kecil dan tentu lebih ekonomis. 2. Dengan arus yang rendah maka menjamin keamanan operator yang bekerja pada lingkungan rele Daya yang diberikan oleh transformator tidak terlalu besar karena beban yang dihubungkan padanya hanya terdiri dari rele-rele dan perangkat ukur saja. Rating arus nominal untuk sekunder CT telah distandarisasikan yaitu 5A dan 1A. arus gangguan dapat lebih dari 10 sampai 20 kali dari arus nominal saat terjadi hubungan singkat pada sistem. 10.2. Prinsip Kerja Transformator Arus
Pada gambar dibawah ini ditunjukkan skema konstruksi suatu transformator arus dan rangkaian ekivalennya dilihat dari sisi skunder. Prinsip kerjanya sama dengan trofo daya satu phasa. Jika pada kumparan primer mengalir arus I 1 , maka pada kumparan primer timbul gaya gerak magnet sebesar N 1 I 1 . Gaya gerak magnet ini memproduksi fluks pada inti. Fluks ini membangkitkan gaya gerak listrik pada kumparan sekunder.
a. Konstruksi transformator arus
b. Rangkaian Ekivalen Transformator arus
Gambar 10.1. Konstruksi dan Rangkaian Ekivalen Transformator Arus. 87
Jika terminal kumparan skunder tertutup, maka kumparan sekunder tertutup, maka pada kumparan sekunder mengalir arus I 2 . Arus ini menimbulkan gaya gerak magnet N 2 I 2 pada kumparan sekunder. Bila transformator tidak mempunyai rugi-rugi
(transformator ideal) maka berlaku persamaan : N 1 I 1 = N 2 I 2
I 1 I 2
N 2 N 1
(3.1)
(3.2)
dimana : N 1 = jumlah belitan kumparan primer.
N 2 = jumlah belitan kumparan sekunder. I 1 = arus pada kumparan primer I 2 = arus pada kumparan sekunder
Tegangan pada terminal sekunder (V 2 ) tergantung pada impedansi peralatan ( Z 2 ) yang terhubung pada terminal sekunder, dan dapat dituliskan sebagai berikut : V 2 I 2 Z 2
(3.3)
Jika tahanan dan reaktansi bocor kumparan transformator dinyatakan dalam impedansi internal Z i , maka gaya gerak listrik pada kumparan sekunder harus lebih besar daripada tegangan sekunder agar rugi-rugi tegangan pada impedansi Z i dapat dikompensasi. Oleh karena itu, persamaan di bawah ini harus dipenuhi: E 2
V 2 E 2 I 2 Z 2 I 2 Z 1
(3.4)
I 2 ( Z 2 Z i )
(3.5)
atau E 2
dalam prakteknya transformator arus selalu mengandung arus beban nol, I 0 . Arus beban nol menimbulkan fluks yang dibutuhkan untuk membangkitkan gaya gerak list rik E 2 : E 2
4,44 fN 2 4,44 fN 2 AB
(3.6)
dimana : f = frekuensi tegangan
= fluks magnetik
A = luas penampamg inti transformator B = rapat medan magnetic 88
Gaya gerak listrik inilah ysng mempertahankan aliran arus I 2 pada impedansi ( Z 2 Z 1 ). Oleh karena itu, ampere belitan yang ditimbulkan arus beban nol harus dapat mengimbangi ampere belitan yang ditimbulkan arus primer dan sekunder. N 1 I 0
N 1 I 1 N 2 I 2
(3.7)
10.3. Spesifikasi Teknik Transformator Arus
Secara umum spesifikasi teknik suatu transformator arus adalah sebagai berikut: a. Burden : Adalah impedansi beban yang terpasang pada terminal sekunder transformator arus, dinyatakan dalam ohm dan faktor daya. Dapat juga dinyatakan dalam daya (VA) yang diserap beban pada suatu harga arus dan faktor daya tertentu. b. Arus Keamanan Instrumen Adalah arus primer yang ditetapkan pembuat transformator sebagai arus efektif terendah yang menimbulkan arus sekunder (I ss ), di mana saat itu arus sekunder dikali rasio transformasi ( k n tidak melebihi 0,9 arus primer tersebut dan burden pengenal transformator. c. Faktor Keselamatan Instrumen (Instrument Security Factor), F s Adalah perbandingan arus keamanan dengan arus pengenal primer d. Galat Komposit adalah galat gabungan karena adanya galat rasio, galat sudut, dan perbedaan bentuk gelombang arus sekunder dengan arus primer. Biasanya dinyatakan dalam persen arus primernya. e. Arus Primer Batas ketelitian ( Rated Accuracy Limit Primary Current ) Adalah arus primer tertinggi ( I pm ) di mana ketelitian belum melebihi bats ketelitiannya. f. Faktor Batas Ketelitian ( Accuracy Limit Factor ) Adalah perbandingan arus primer batas ketelitian dengan arus pengenal primer g. Arus Eksitasi Adalah harga efektif arus sekunder bila sekunder diberi tegangan sinusoidal frekuensi pengenal, sedang terminal primer terbuka.
89
10.4.
Jenis-Jenis Transformator Arus
1. Menurut Jumlah Kumparan Primer Jenis transformator arus ditinjau dari konstruksi belitan primernya terdiri atas jenis kumparan (wound type) dan jenis bar (bar type). Jenis kumparan digunakan untuk arus rendah atau burden yang besar atau pengukuran yang memerlukan ketelitian tinggi. Jumlah belitan primernya tergantung pada arus primer yang akan diukur, biasanya dibatasi tidak lebih dari 5 belitan dan dirancang menghasilkan gaya gerak magnet kira-kira 1200 ampere belitan Jenis Bar digunakan untuk pengukuran arus besar (ribuan ampere). Konstruksinya sangat sederhana dan kokoh sehingga transformator ini mampu menahan arus hubung singkat yang besar, atau dengan perkataan lain mempunyai faktor thermis dan dinamis waktu singkat tinggi. Keburukannya bahwa efisiensi pengukuran yang lebih tinggi, yakni ukuran inti yang ekonomis, didapat hanya pada arus pengenal yang besar, yakni kira-kira 1000A. 2. Jenis Menurut Jumlah Rasio Jenis transformator arus dilihat dari banyaknya rasio yang disediakan terdiri atas transformator arus rasio tunggal dan transformator arus rasio ganda. Pada transformator arus jenis bar, rasio ganda diperoleh dengan membuat sadapan di kumparan sekundernya. Tetapi perlu diperhatikan bahwa daya keluaran sebanding dengan kuadrat ampere-belitan sekundernya, jika rasio dikurangi menjadi setengah maka kapasitas dayanya berkurang menjadi seperempat dari semula. 3. Jenis Menurut jumlah Inti Berdasarkan jumlah intinya, transformator arus dapat juga dibagi atas dua jenis, yaitu transformator arus inti tunggal dan transformator arus inti ganda. Transformator arus inti ganda digunakan jika sistem membutuhkan arus untuk pengukuran dan proteksi. Inti yang digunakan untuk pengukuran terbuat dari bahan yang jenuh pada arus rendah, sehingga besar arus sekunder tetap dalam batas kemampuan ammeter tidak rusak pada saat arus primer sangat besar. Sebaliknya inti yang digunakan untuk rele proteksi harus terbuat dari bahan yang jenuh pada arus tinggi, sehingga arus sekunder tetap sebanding dengan arus primer sampai sepuluh kali atau lima belas kali arus pengenal primer.
90
