MACAM RELAI PROTEKSI Klasifikasi relai proteksi bila ditinjau dari prinsip kerjanya dapat dibagi dalam 5 macam, yakni : 1)
Relai Elektromagnetik
2)
Relai Thermal
3)
Relai Gas
4)
Rele Statik
5)
Relai Numerik
K3_Proteksi STL
1
1. RELAI ELEKTROMAGNETIK Relai ini dapat dibagi dalam 2 jenis, yakni : ¾
Electromagnetic attraction type relay
¾
Electromagnetic induction type relay
1.1 Electromagnetic attraction type relay a. Attracted armature relay Relai ini ada beberapa macam bila dilihat dari konstruksinya, yakni :
Plunger type
Hinged Armature type,
Balanced beam type, dan
Polarized moving iron type.
K3_Proteksi STL
2
(a) Plunger type
(b) Hinged Armature type
Gambar 1 Attracted armature relay K3_Proteksi STL
3
(c) Balanced beam type
(d) Polarized moving iron type
Gambar 1 Attracted armature relay Relai-relai tersebut merupakan type relai yang paling sederhana. K3_Proteksi STL
4
Gaya elektromagnetik yang digunakan oleh elemen gerak (bagian yang bergerak) sebanding dengan pangkat dua dari fluksi diantara celah udara, atau sebanding dengan kwadrat arus.
F = Fe − Fr F = K1 I 2 − K 2 = K 1 (I maks
(
sin ω t )2 − K 2
2 2 = 1 K 1 I maks − I maks cos 2 ω t 2
)− K 2
2 2 = 1 K 1 I maks − 1 K 1 I maks cos 2 ω t − K 2 2 2
Dimana : Fe = Gaya elektromagnetik Fr = Gaya penahan (Pegas) = K2 F = Gaya kerja K1 = konstanta I = Arus kerja K3_Proteksi STL
5
Dari persamaan diatas terlihat bahwa gaya elektromagnetik terdiri dari dua komponen, yang satu tidak tergantung waktu
2 (12 K . I maks )
dan yang lain tergantung pada waktu dan bergetar pada ganda frekuensi besaran bolak-balik yang diterapkan
2 ( 12 K . I maks cos 2 ω t )
Gambar 2 Kurva arus dan gaya elektromagnetik sebagai fungsi waktu. Relai akan pick up pada saat t1 dan drop-off pada saat t2 yaitu apabila arus kerja dan lebih kecil dari : K2 I =
K3_Proteksi STL
K1
6
Kejadian ini akan berulang-ulang (vibrasi) dan dapat menyebabkan rusaknya kontak relay. Untuk menghindari vibrasi tersebut dapat secara mudah dengan memberikan kutub bantu (shaded pole) seperti yang terlihat pada gambar 3.
Gambar 3. Hinged Armature Relay dengan Shaded Pole Fluksi yang melewati kutub dengan shading ketinggalan dibelakang fluksi yang melewati kutub tanpa shading. K3_Proteksi STL
7
Hal yang sama juga dapat dicapai dengan memberikan dua belitan pada elektromgnet yang memiliki sirkit yang mengubah fasa. Satu sirkit sederhana ditunjukkan dalam Gambar 4(a) yang memiliki dua belitan W1 dan W2 pada elektromgnet yang sama. Gambar 4(b) memperlihatkan diagram vektor. Namun metoda belitan shading lebih sederhana dan digunakan secara luas.
Gambar 4 Relai elektromagnetik dengan dua belitan; (a) Diagram skematik; (b) diagram vektor K3_Proteksi STL
8
Balanced Beam Relay Balanced beam relay mempunyai dua buah coil (kumparan).
Arus dalam kumparan 1 (I1) akan memberikan gaya elektromagnetik F1 (gaya kerja), sedangkan yang satunya (I2) akan menghasilkan gaya elektromagnetik F2 (gaya lawan). Apabila F1 > F2 kontak relai akan tertarik, berarti relai bekerja. K3_Proteksi STL
9
Dengan mengabaikan pengaruh pegas, torsi kerja dapat dinyatakan sebagai berikut :
T = K1 I12 − K 2 I 22 Dengan K1 dan K2 adalah konstanta-konstanta. Apabila relai dalam keseimbangan maka, I1
K1 I12 = K2 I22
=
I2
K2 K1
Arus yang memberikan torsi kerja atau torsi positip disebut arus operasi. Dan karakteristik operasinya dapat dilihat seperti gambar 6. K3_Proteksi STL
10
K3_Proteksi STL
11
Permanent Magnet Moving Coil Relay. Relai ini mempunyai kumparan berputar dalam medan magnet permanen. Torsi yang dihasilkan merupakan interaksi antara medan magnet permanen dan medan magnet kumparan karena adanya arus yang melalui kumparan tersebut dan hanya dapat bekerja untuk arus searah.
K3_Proteksi STL
12
Gaya yang dihasilkan oleh kumparan adalah :
F ∝ NHIL Dimana : F = Gaya N = Jumlah lilitan H = Kuat medan magnet I = Arus yang melalui kumparan L = Panjang kumparan. Dan torsi :
T = 2r F
Dengan : r = jari-jari kumparan. Jenis lain dari moving coil relay yang populer dapat dilihat pada gambar 8.
K3_Proteksi STL
13
Kumparan bergerak pada sumbu dan bergerak datar. Relai ini lebih cepat beroperasi dari pada rotating coil type relay karena hanya memerlukan gerakan yang sedikit untuk menutup kontak dan bagian-bagian yang bergerak ringan, dengan order waktu 30 millidetik, dan VA burden yang kecil. Sensitifitas dapat dibuat rendah (0,1 milliwatt) dan harus ditangani dengan berhati-hati. K3_Proteksi STL
14
1.2 Electromagnetic Induction Relay Jenis relai ini dapat dibagi dalam 2 type, yakni : ¾ Induction disc Relay ¾ Induction Cup relay Torsi yang dihasilkan pada rotor (bagian yang bergerak) mempunyai prinsip kerja yang sama seperti pada motor induksi, dan prinsip ini hanya dapat diterapkan untuk arus bolak-balik.
Gambar 9. Prinsip torsi relai induksi. K3_Proteksi STL
15
Ambil
φ1 ∝ I1 sin ωt d φ1 ∝ ω I 1 cos ω t dt i1 ∝ ω I1 cos (ωt − λ ) e1 ∝
φ2 ∝ I 2 sin(ωt + α) e2 ∝
dφ 2 ∝ ω I 2 cos (ω t + α ) dt
i2 ∝ ω I 2 cos (ωt + α − λ )
Oleh karena itu, resultan torsi diberikan oleh.
T ∝ φ 2 i1 − φ1 i2
∝ ω I1 I 2 [sin (ωt + α ) cos (ωt − λ ) − sin ωt cos (ωt + α − λ )]
∝ ω I1 I 2 sin α cos λ
T ∝ ω I 1 I 2 sin α
Dari persamaan ini dapat dikatakan relai induksi merupakan Komparator Sinus di mana torsi maksimum dihasilkan ketika α adalah 90o atau 270o dan torsi nol ketika α adalah 0o dan 180o. K3_Proteksi STL
16
Induction Disc Relay Pada relai ini, metal disc berputar diantara dua kutub electromagnet yang bekerja dengan arus bolak-balik. Medan yang dibangkitkan oleh kedua kutub magnet tersebut berbeda fasa. Torsi yang ditimbulkannya merupakan interaksi antara fluksi dari salah satu kutub magnet dan arus edy yang diinduksikan pada disc oleh kutub magnet lainnya.
Gambar 10. Shaded Pole Induction Disc Relay K3_Proteksi STL
17
Konstruksi yang umum dari relay ini ada dua macam : Shaded Pole Induction Disc Relay (Gambar 10) Wattmetric Induction Disc relay (Gambar 11)
Rotor
Gambar 11. Watthour Meter Induction Disc Relay K3_Proteksi STL
18
b. Induction Cup relay Dalam stator terdapat dua, empat atau lebih kutub-kutub magnet elektris (kutub magnet yang ditimbulkan arus listrik).
Rotor terdiri dari silinder metal berongga (Hollow Metallic Cylindrical Cup) dan dapat berputar bebas diantara inti besi/magnet permanen dan magnet elektris. Arus edy diinduksikan pada metallic cup dan berinteraksi dengan fluksi yang ditimbulkan oleh magnet elektris sehingga dapat menimbulkan torsi. K3_Proteksi STL
19
2. RELAI THERMAL. Relai thermal bekerja / beroperasi berdasarkan pengaruh panas yang ditimbulkan oleh arus listrik, umumnya tidak mengukur suhu secara langsung. Relai thermal merasakan arus dengan kenaikan suhu/temperatur yang dihasilkannya, dan dapat juga beroperasi karena arus gangguan tiga fasa yang tidak seimbang yang menyebabkan kenaikan temperatur, yakni komponen arus urutan negatif. Relai thermal yang sederhana banyak digunakan dalam motor starter peralatan proteksi beban lebih yang menggunakan bimetallic strip yang terpasang dalam kumparan pemanas. Arus listrik yang melalui kumparan pemanas menyebabkan bimetallic strip menyimpang/melengkung dan dapat digunakan untuk menutup/membuka kontak relai. K3_Proteksi STL
20
Gambar 13. Relai Bimetallic
K3_Proteksi STL
21
Bimetallic strip. Terdiri dari dua metal strip dengan koefisien pemuaian yang berbeda, dan disatukan / dilekatkan. Bilamana kombinasi strip tersebut dipanasi, satu strip akan mengembang lebih panjang dari lainnya. Dengan salah satu ujungnya tetap dan dengan adanya pengembangan tersebut, kombinasi strip akan melengkung. Efek ini dapat dimanfaatkan untuk mendapatkan kontak relai tertutup.
K3_Proteksi STL
22
Thermocouple. Banyak digunakan untuk peralatan indikator temperatur (diatas 300o C) dan indikator kontrol, yang dapat juga digunakan untuk relai proteksi. Thermocouple terdiri dari dua bahan material yang dipilih secara khusus dan dihubungkan (junction) secara elektris. Perbedaan temperatur dari titik hubung (junction) akan menghasilkan emf. Emf inilah yang diukur dengan elemen gerak yang sensitif.
K3_Proteksi STL
23
Resistance Temperature Detector Peralatan pengukur suhu dimana menggunakan prinsip bahwa resistans konduktor akan naik dengan bertambahnya suhu/teperatur. Peralatan resistans ini dapat digunakan untuk mengukur temperatur. Pada generator yang besar, detector temperatur digunakan untuk mengukur temperatur dari lilitan / kumparan stator.
K3_Proteksi STL
24
3. Relai Gas Relai gas bekerja berdasarkan adanya gas (sifat-sifat gas), dan banyak dipergunakan pada transformatortransformator yang besar, yang dikenal dengan nama “Buchholz Relay”. Gangguan didalam / dibawah permukaan minyak transformator akan menimbulkan gas karena adanya penguraian minyak trafo akibat adanya busur api. Gas inilah yang memberikan tekanan pada bagian relay sehingga relay bekerja.
K3_Proteksi STL
25
4. Relai Statik. Relai statik menggunakan komponen-komponen semikonduktor (misalnya : Transistor, Dioda, Varistor, Thermistor, dan lainlain.) dan akhir-akhir ini telah banyak digunakan untuk proteksi sistem tenaga listrik. 5. Relai Numerik. Perkembangan dibidang komputer saat ini sudah dimanfaatkan untuk keperluan relai, dimana komponen utama relai numerik ini merupakan chip yang dapat diprogram. Jadi secara fisik relai-relai ini kelihatan sama satu dengan yang lainnya, tetapi bila dilihat dari karakteristik/fungsinya akan jauh berbeda. Hal ini dapat dilakukan dengan mengisikan program yang berbeda pada chipnya. K3_Proteksi STL
26
