27
BAB IV RELAY DIFFERESIAL SEBAGAI PENGAMAN TRAFO GARDU INDUK I NDUK PT SASA INTI GENDING PROBOLINGGO
4.1 Pendahuluan
Sistem kelistrikan merupakan elemen penting untuk menunjang proses produksi pada industri. PT Sasa Inti Gending merupakan salah satu perusahaan pembuat bahan makanan MNG di Indonesia dengan wilayah kerja yang cukup luas. PT Sasa Inti Gending memiliki sistem kelistrikan sendiri untuk memenuhi kebutuhan listrik yang cukup besar. Sistem pembangkitan untuk penyediaan tenaga listrik yang terdiri atas fasilitas-fasilitas pembangkitan, transmisi, dan distribusi diatur agar sistem tidak hanya beroperasi dengan efisiensi yang setinggi mungkin, tetapi seluruh peralatannya juga diamankan dan dilindungi dilindungi terhadap kerusakan. Manfaat sistem proteksi dan relay-relay pengaman adalah agar pemutus pemutus daya yang tepat dioperasikan supaya hanya bagian yang terganggu te rganggu saja yang dipisahkan secepatnya dari sistem, sehingga kerusakan peralatan listrik yang disebabkan oleh gangguan menjadi sekecil mungkin. Salah satu komponen yang sangat penting peranannya dalam sistem tenaga listrik adalah transformator tenaga. Transformator tenaga ini berfungsi untuk mengubah besaran tegangan. Dengan menggunakan transformator tenaga, penyaluran energi dapat luas jangkauannya sehingga penempatan pembangkitan tidak harus berdekatan dengan beban. Untuk menjaga transformator tenaga dari gangguan diperlukan pengaman. Salah satu pengaman transformator tenaga adalah relay differensial. Relay differensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada transformator daya yang berguna untuk mengamankan m engamankan belitan transformator bila terjadi suatu gangguan. Rela y ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat. Prinsip Kerja Dari Relay Differensial Sebagaimana disebutkan diatas, Relay differensial adalah suatu alat proteksi yang sangat cepat bekerjanya dan sangat selektif berdasarkan keseimbangan (balance) yaitu perbandingan arus yang mengalir pada kedua sisi trafo daya melalui suatu perantara yaitu trafo arus (CT).
28
4.2 Relay Differensial
Relay differensial adalah salah satu relay pengaman utama sistem tenaga listrik yang bekerja seketika tanpa koordinasi relay disekitarnya sehingga waktu kerja dapat dibuat secepat mungkin. Daerah pengamanannya dibatasi oleh pasangan trafo arus dimana relay differensial dipasang sehingga relay differensial tidak dapat dijadikan sebagai pengaman cadangan untuk daerah berikutnya. Proteksi relay differensial bekerja dengan prinsip keseimbangan arus (current
balance).
Prinsip
ini
berdasarkan
hukum
kirchhoff
yaitu
membandingkan jumlah arus masuk ke primer ( Ip) sama dengan jumlah arus yang keluar dari sekunder ( I S).
Dimana : Id = Arus Differensial (A) Ip = Arus Sisi Masuk (A) Is = Arus Sisi Keluar (A)
Gambar 3. Relay Differensial dalam keadaan normal
29
Gambar 3. menunjukkan relay differensial dalam keadaan arus normal, dimana I p dan I s sama besar dan berlawanan arah. Maka tidak ada tegangan yang melintasi coil relay dan tidak ada arus yang mengalir pada relay tersebut, se hingga relay differensial tidak bekerja.
4.3 Prinsip Kerja dan Karakteristik Relay Differensial
Relay differensial adalah relay yang bekerja bilamana dua atau lebih besaran listrik yang sama mempunyai hasil jumlah vektor yang lebih besar dari nilai setelan. Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada penggunaan relay differensial, adalah : 1. Trafo arus yang digunakan oleh relay differensial ini harus memiliki rasio perbandingan CT1 dan CT2 sama, contohnya 200:5 dan 1500:5, sehinggga Ip = Is, serta sambungan dan polaritas CT1 dan CT2 sama. Polaritas trafo arus memperlihatkan arah arus yang masuk dan keluar dari trafo arus Jika tidak, akan terjadi kesalahan dalam melihat arus yang masuk dan keluar melalui transformator tenaga. Hal ini, menyebabkan kesalahan dalam menentukan adanya gangguan di transformator tenaga. 2. Adanya pergeseran fasa akibat hubungan trafo tenaga yang terhubung delta (Δ) - (Y) maka untuk mengembalikan sudut phasa arus yang tergeser tersebut, hubungan trafo arus di buat berbeda dan sudut pada CT di sisi primer dan CT di sisi sekunder trafo berbeda 1800. Hubungan CT di primer berbeda dengan CT di sekunder yaitu satu sisi terhubung Y, lainnya Δ. Yang terhubung Δ menghasilkan dan adanya arus magnetisasi dari trafo tenaga di sisi primer menyebabkan pergeseran fasa, Oleh karena itu diperlukan suatu CT tambahan (auxiliary CT – ACT ) yang terhubung Y, karena proteksi differensial harus membandingkan arus pada dua sisi tanpa perbedaan fasa. 3. Karakteristik kejenuhan CT1 dan CT2 harus sama
30
Gambar 4. Polaritas Trafo Arus
Karakteristik differensial dibuat sejalan dengan Unbalances current (Iμ), untuk menghindari terjadinya kesalahan kerja. Kesalahan kerja disebabkan karena CT ratio mismatch, adanya pergeseran fasa akibat belitan transformator tenaga terhubung (Y) – (Δ).
Gambar 5. Prinsip pengoperasian relay differensial
Perubahan
tap
tegangan
(perubahan
posisi
tap
changer )
pada
transformator tenaga oleh On Load Tap Changer (OLTC) yang menyebabkan CT mismatch juga ikut berubah. Kesalahan akurasi CT, Perbedaan kesalahan CT di
31
daerah jenuh (Saturasi CT), dan Inrush current pada saat transformator energize menimbulkan unbalances current (Iμ) yang bersifat transient. Untuk mengatasi masalah unbalance current (Iμ) pada relay differensial caranya dengan menambahkan kumparan yang menahan bekerjanya relay di daerah Iμ. Kumparan ini di sebut Restraining Coil , sedangkan kumparan yang mengerjakan relay tersebut di sebut Operating Coil .
4.4 Gangguan Daerah Proteksi 1. Gangguan di dalam daerah proteksi
Untuk
gangguan
didalam
(internal)
daerah
proteksi
relay
differensial (diantara kedua trafo arus), I p dan I s searah. Id = Ip + Is > 0 Ampere Idif = I P + I S > 0 Ampere Karena arus akan menuju titik gangguan, sehingga relay differensial akan bekerja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar:
Gambar 6. Relay Differensial Saat Gangguan Internal
32
Pada saat ada arus yang mengalir lewat relay, maka relay akan mengirim sinyal pada lock out relay. Sinyal ini akan di teruskan ke C/S dan memerintahkannya untuk lock out sehingga aliran energi listrik terputus, maka transformator tenaga yang diamankan bebas dari pengaruh gangguan yang ada.
2. Gangguan di luar daerah proteksi
Pada gangguan diluar (eksternal) daerah proteksi relay differensial (diluar kedua trafo arus), relay differensial tidak akan bekerja, karena I p dan I s sama besar dan berlawanan arah ( Id = Ip + Is = 0 Ampere, Idif = I P + I S = 0 Ampere), seperti yang ditunjukkan oleh Gambar:
Gambar 7. Relay Differensial Saat Gangguan Eksternal
4.5 Skema Relay Differensial
Gambar 8. mengilustrasikan skema pengaman differensial trafo tiga fasa yang disederhanakan. Sisi tegangan tinggi 150 kV hubung Δ RST yang mendahului sisi tegangan rendah 3,3 kV hubung (Y) XYZ. Untuk
33
pemasangan relay differensial perlu diperhatikan arus urutan nol, agar relay differensial tidak salah kerja atau beroperasi pada saat gangguan luar. Selain itu, Trafo arus pada sisi primer trafo tenaga yang terhubung dengan belitan Delta dihubungkan Y dan trafo arus pada sisi sekunder trafo tenaga yang belitannya terhubung Y dihubungkan Δ sehingga menghilangkan komponen urutan nol yang ada di sisi sekunder tranformer dan menyamakan arus yang keluar dari CT, sehingga arus yang luar dari CT tetap sama fasa yakni iR-iT’, iS-iR’ dan iT-iS’.
Gambar 8. Skema Differensial Trafo tenaga Pada Operasi Normal
Keterangan:
R
: Restraint coil
O
: Operation coil
iR,iS,iT
: arus yang mengalir di sisi primer
34
ix,iy,iz
: arus yang mengalir di sisi sekunder
R, S, T
: line di sisi primer
X, Y, Z
: line di sisi sekunder
(CT1 = CT2 = CT3 = CT4 = CT5 = CT6) : Current Transformer
4.6 Data Jaringan PT Sasa Inti
Sistem transmisi yang akan dianalisa gangguan hubung singkatnya adalah saluran transmisi pada Gardu Induk PLN 1 PT Sasa Inti. Pada gardu ini aliran dayanya berasal dari sumber Gardu Induk Kraksaan 150 kV dan dihubung ke transformator tenaga berkapasitas 20 MVA untuk disalurkan ke sistem transmisi 3,3 kV. Analisa gangguan hubung singkat pada saluran ini adalah untuk menghitung setelan relay differensial dan mengetahui seberapa besar perkiraan error relay differensial yang mungkin dapat terjadi. Bagan gambar jaringan sistem tenaga listrik Gardu Induk PT Sasa Inti sebagai berikut:
Gambar 9. Skema GI PT Sasa Inti PLN 1
35
4.7 Pemilihan CT Ratio
Pemilihan CT disesuaikan dengan alat ukur dan proteksi. Pemilihan CT dengan kualitas baik akan memberikan perlindungan sistem yang baik pula. Relay differensial sangat tergantung terhadap karakteristik CT. Jika karakteristik CT bekerja dengan baik, maka sistem akan terlindungi oleh relay differensial ini secara optimal. CT ditempatkan dikedua sisi peralatan yang akan diamankan (transformator tenaga), seperti yang terlihat pada Gambar 8. CT ratio untuk relay differensial yang dipilih sebaiknya memiliki nilai yang mendekati nilai Irating .
Dimana: In : arus nominal (A) S : Daya yang tersalur (MVA)
Transformator dapat menarik beban lebih hingga 110% dari kapasitasnya,
selama
temperatur
belitan
dibawah
temperatur
maksimumnya. Maka perbandingan ratio trafo arus (CT ratio) dapat dihitung dari nilai arus rating dikedua sisi tegangan transformator tenaga tersebut dan disesuaikan dengan spesifikasi CT ratio yang ada dipasaran sedangkan nilai sekunder CT (5A atau 1A) disesuikan dengan peralatan proteksinya.
4.8 Tap Auxillary
Auxillary CT adalah CT bantu yang berguna untuk menyesuaikan besar arus yang masuk ke relay differensial akibat proses pergeseran fasa oleh transformator tenaga dan beda tegangan primer dan sekunder transformator tenaga.
36
Untuk pemilihan tap auxillary CT sama dengan CT dan penempatan CT auxillary diletakkan pada sisi 3,3 kV yang CT dihubung delta untuk menghilangkan arus urutan nol dan menyamakan fasa. Untuk menghitung nilai tap ratio dari Auxillary CT di mulai dari arus nominal sekunder CT yang tidak dihubungkan Δ, yang untuk transformator ini ada di sisi 150 kV. Relay differensial hanya akan beroperasi saat ada gangguan didalam transformator dan tidak beroperasi saat keadaan gangguan diluar dan keadaan normal.
4.9 Menghitung Nilai Arus Differensial (I d) dan Arus Setting Relay Differensial (Iset)
Diatas telah dijelaskan bagaimana perhitungan nilai CT ratio pada kedua sisi transformator tenaga, setelah ditemukan maka dapat dihitung di hitung nilai arus differensial ( I d ) dan arus restraint ( I r ) kemudian didapat nilai Setting Arus (Iset). Relay differensial hanya akan beroperasi saat ada gangguan didalam transformator dan tidak beroperasi saat keadaan gangguan diluar dan keadaan normal.
1. Untuk menghitung nilai Iprimer dan Isekunder :
I p = CT1 x I Is = CT2 x I Dimana: I p = Arus Primer (A) CT1 = Nilai ratio CT 1 Is = Arus Sekunder (A) I = Arus yang mengalir (A)
2. Untuk menghitung arus differensial:
Id = I p – Is Dimana: Id = Arus differensial (A) I p = Arus primer (A)
37
Is = Arus sekunder (A)
3. Menghitung arus penahan (restrain) ketika terjadi gangguan:
Irestrain =
Dimana: Ir = Arus penahan (A) I p = Arus primer (A) Is = Arus sekunder (A)
4. Menghitung Isetting relay differensial:
Isetting = Slope% x Ir
5. Menghitung Nilai Slope Relay Differensial, untuk menghitung nilai setting slope :
% Slope =
100%
Dimana: Id = Arus differensial (A) I p = Arus penahan (A)
4.10 Error Mismatch
Error mismatch dapat ditentukan dengan membandingkan ratio CT ideal dengan yang ada dipasaran, dengan pertimbangan tidak melebihi 5 % dari besar ratio CT yang dipilih. Error mismatch merupakan kesalahan dalam membaca perbedaan arus dan tegangan di sisi primer dan sekunder transformator serta pergeseran fasa di trafo tersebut. Nilai CT ratio yang dipilih ini adalah sesuai dengan CT yang ada dipasaran. Karena adanya perbedaan ini maka akan terjadi kesalahan dalam membaca perbedaan arus dan tegangan di sisi primer dan sekunder transformator tenaga serta pergeseran fasa di trafo arus, kesalahan ini disebut mismatch error.
38
Pada relay differensial untuk melihat mismatch error didapat dari perbandingan CT dengan tegangan pada persamaan:
Untuk menghitung error mismatch sebelumnya terlebih dahulu menghitung nilai CT yang ideal di salah satu sisi transformator tenaga, misal untuk sisi 3,3 kV (CT2) dengan persamaan:
()
Dimana: CT 1 : current transformer pada sisi primer CT2 : current transformer pada sisi sekunder V 1 : tegangan di sisi primer (KV) V 1 : tegangan di sisi sekunder (KV)
()
Untuk memperbaiki error mismatch pada relay differensial ini dapat dilakukan dengan menaikkan atau menurunkan tap pada CT. Error mismatch diharapkan nilainya sekecil mungkin agar proteksi relay differensial bekerja secara optimal dalam mengamankan transformator tenaga. Dengan syarat kesensitifan relay differensial dalam pengoperasian Mismatch error tidak boleh lebih dari 5%. Syarat ini ditentukan untuk proteksi agar optimal menjaga sistem tenaga listrik dari gangguan.
