PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
AGUS.R.UTOMO
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS INDONESIA JAKARTA
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
1. PRINSIP DASAR • Relai jarak (distance Relay) adalah relai yang mengukur tegangan saluran (line voltage) dan arus saluran (line current) pada lokasi relai dan mengevaluasi perbandingan kedua besaran tersebut. • Contoh :
Gambar 1. Gangguan pada sistem tenaga listrik Dalam contoh ini relai berada pada bus A. • Relai tidak memproteksi seluruh jarak (panjang) saluran (A-B), melainkan bekerja hanya pada jarak tertentu berdasarkan jarak (jangkauan) proteksinya ( k ) yang disebut jarak setting (reach setting), dalam satuan jarak. • Relai Jarak digunakanuntuk memproteksi saluran transmisi AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
1
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
RELAI JARAK
2
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
RELAI JARAK
3
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
2. PERBANDINGAN IMPEDANSI SUMBER DAN IMPEDANSI SALURAN Saluran (Line)
Sumber (Source) ∼
R
ZL
ZS
R IR
Rangkaian ekivalen :
VS V
ZL VL = VR
VR
ZL = Impedansi Saluran ZS = Impedansi Sumber = Besar daya (MVA) gangguan pada titik relai
Gambar 2. Rangkaian sistem sederhana
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
4
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
• Loop impedansi sederhana dengan tegangan V, seperti gambar 2, tergantung dari jenis gangguannya : a. Gangguan fasa. b. Gangguan Tanah. • Khusus gangguan tanah, tergantung dari metode sistem pentanahan dibelakang titik relai. VR = IR . ZL
Persamaan tegangan relai VR.
IR = VR =
VR =
V ZS + ZL ZL V ZS + ZL
1 Z S + 1 Z L
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
V
(4)
5
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
• ZL = Impedansi saluran. • IR = Impedansi relai. • VR = Tegangan Relai = IR. ZL untuk gangguan pada titik jangkauan yang diekpresikan dengan dan tergantung dari rasio (ZS/ZL). Persamaan (1) berlaku untuk segala jenis gangguan, dengan syarat : 1. Gangguan Fasa V merupakan tegangan delta (segitiga) V∆ dan ZS/ZL adalah perbandingan impedansi urutan positip sumber/saluran. VR =
1 Z S + 1 Z L
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
V∆
(5)
6
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
2. Gangguan Tanah V merupakan tegangan Bintang (segitiga) VY dan ZS/ZL adalah perbandingan impedansi urutan positip sumber/saluran. VR =
1 Z S + 1 Z L
VY
(6)
ZS = 2ZS1 + ZS0
ZL = 2ZL1 + ZL0 VY =
V∆ 3
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
7
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Gambar 3. Contoh pengaruh perbandingan impedansi (ZS/ZL) pada posisi relai : a. Ketika (ZS/ZL) = 1 , b. Ketika (ZS/ZL) = 7 , c. Ketika (ZS/ZL) = 0.33 AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
8
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
3. JENIS-JENIS RELAI JARAK Berdasarkan karakteristik trippingnya, relai jarak dibedakan menjadi beberapa jenis, yaitu : a. Relai Impedansi. b. Relai Reaktansi. c. Relai Admitansi (Mho). d. Relai Ohm. e. Relai Offset Mho.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
9
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
3.1. Relai Impedansi Relai Impedansi mengukur jarak dengan membandingkan arus dan tegangan gangguan pada loop gangguan itu sendiri.
Gambar 3. Karakteristik operasi relai Impedansi AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
10
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Berdasarkan persamaan komparator amplitudo : ( K12 − K 32 ) A + 2 A B {K1K 2 cos( θ 2 − φ ) − K1K 2 cos( θ 2 − φ )} + ( K 22 − K 42 ) B 2
2
=0
Bila sinyal inputnya dijaga konstan, maka : S1 = K1V S2 = K 4I K 2 = K 3 = 0( K12 −;K32 )A| a |2=2CV ;
B=I
Substitusikan keaddan ini ke dalam persamaan di atas, maka : K12 V
2
= K 42 I
2
V K = 4 I K1
(7)
Z = Konstanta = K AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
11
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
3.2. Relai Reaktansi Pada umumnya relai ditentukan oleh komparator fasa, namun relai reaktansi justru membandingkan nilai reaktansinya. Dari persamaan komparator fasa tersebut : ( K1 K 3 ) A + {K1 K 4 cos( θ 4 − φ ) − K 2 K 3 cos( θ 2 − φ )} A B + ( K1K 3 ) B cos( θ 2 − θ 4 ) = 0 2
2
Sinyal-sinyal masukan pada komparator : S1 = − KV + K ' I∠ (θ − φ ) S 2 = K ' I∠ (θ − φ )
K1 = − K K 2 = K 4 = K ' ∠θ K3 = 0 A =V ;
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
B=I
12
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
− KK ' cos( θ − φ )}V I + K '2 I Z cos( θ − φ ) =
Z sin φ =
K' K
2
=0
K' K
(8)
X =
K' K
(9)
X
X =
K' K
0
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
R
13
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
3.3. Relai Mho (Admitansi) Bila rangkaian komparator diberi input sinyal S1 dan S2 seperti berikut : S1 = − KV + K ' I∠ (θ − φ ) S 2 = KV K1 = − K K 2 = K ' ∠θ K3 = 0 A =V ;
K4 = 0 B=I
Substitusikan kondisi-kondisi di atas ke dalam persamaan komparator : − K2V
2
+ KK ' cos( θ − φ )}V I = 0 I K cos( θ − φ ) = V K' K Y cos( θ − φ ) = K'
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
( 10 )
( 11 )
14
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Gambar 5. Karakteristik operasi relai Mho (Admitansi) AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
15
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
3.4. Relay Kombinasi (Offset Mho) S1 = − KV + K 2 I∠ (θ − φ ) S 2 = KV + K 4 I∠ (θ − φ ) K1 = − K
K 2 = K 2∠θ A =V ;
K3 = K
K 4 = K 4∠θ
B=I
Substitusikan ke dalam persamaan komparator : − K 2V 2 + {− KK 4 cos( θ − φ ) + KK 2 cos( θ − φ )}VI + K 2 K 4 I 2 = 0
Bila Z =
V , maka : I − K 2 Z 2 + K 2 K 4 + KZ ( K 2 − K 4 ) cos( θ − φ ) = 0
Dan Z 2 = R 2 + X 2 ,
sehingga :
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
16
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
R2 + X 2 −
Atau :
K2K4 K
2
−
K2K4 K
2
2
( R cos θ + X sin θ ) = 0 2
2 ( K 2 − K 4 ) cos θ 2 ( K 2 − K 4 ) sin θ (K 2 + K 4 ) R − + R − ≤ 2K 2K 2K
2
( 12 )
Gambar 6. Karakteristik operasi relai Offset Mho (Admitansi) AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
17
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
3.5. Relai Quadrilateral
.
Gambar 7. Karakteristik operasi relai Mho (Admitansi) AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
18
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
4. ZONA PROTEKSI 4.1. Persyaratan Skema Relai Jarak • Relai jarak harus dapat bekerja dengan baik untuk tugas ganda, yaitu sebagai Proteksi utama (primer) dan Proteksi Back-up. • Proteksi primer harus bekerja cepat dan tanpa waktu tunda. • Proteksi back-up harus bekerja jika dan hanya jika proteksi primer gagal bekerja. Relai jarak harus mampu bekerja pada multi zona proteksi sesuai dengan selektivitas yang ketat dan persyaratan ketelitian.
Gambar 8. Contoh pembagian zona proteksi relay jarak pada sistem tenaga listrik AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
19
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
4.2. Peningkatan Waktu Kerja Relai Jarak Peningkatan waktu kerja relai jarak terdiri dari 2 metoda, yaitu : a. Metoda Waktu – Jarak. Peningkatan waktu kerja relai terjadi sebagai fungsi dari peningkatan jarak antara relai dan lokasi gangguan. b. Metoda Jarak Definite. A. Metoda Waktu – Jarak Koordinasi relai (lihat gambar 9a), • tA-tB = 0.5 det., sehingga gangguan pada seksi BC, relai di B bekerja pertama. • Relai di A berfungsi sebagai backup proteksi. • tB-tC = 0.5 det, bekerja dengan pola yang sama. • Jenis proteksi seperti ini disebut proteksi lambat (berkecepatan rendah). • Tidak tepat untuk proteksi sistem transmisi yang harus segera menghilangkan efek gangguan secara cepat, untuk mencaga stabilitas sistem tenaga listrik.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
20
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Gambar 9a. Peningkatan waktu relai jarak pada penyulang radial Metoda Waktu - Jarak AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
21
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Gambar 9b. Peningkatan waktu relai jarak pada penyulang radial Metoda Jarak Definite AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
22
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
B. Metoda Jarak Definite Koordinasi relai (lihat gambar 9b), Relai bekerja dengan langkah-langkah karakteristik dalam 3 tingkatan. • Zona 1. Jarak gangguan yang mungkin terjadi diperkirakan (ditentukan) sebelumnya- 80 % dari jarak penyulang yang diproteksi, sehingga pada zona tersebut relai akan bekerja dengan cepat untuk sembarang gangguan dan tripping bisa terjadi. • Zona 2. Meliputi sisa jarak zona 1 ditambah backup proteksi untuk penyulang berikutnya sekitar 40 % dari panjang penyulang tersebut, denga penambahan waktu tunda (biasanya 0.5 det.). • Zona 3. Meliputi sisa jarak zona 2 dan seluruh jarak zona 3 yang harus diproteksi, dengan waktu tunda berdasarkan waktu kerja zona 2. • Parameter utama yang membuat relai jarak bekerja adalah : 1. Pengukuran impedansi atau reaktansi. 2. Jarak 3. Waktu AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
23
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Untuk mendapatkan nilai maksimum (puncak) impedansi pada seksi n dapat dicari dengan : • Zona 1 (80% dari seksi proteksi) :
• Zona 2
(n) ( n) Z maks = 0 . 8 Z L (1)
( 13 )
(n) ( n) ( n +1) Z maks = Z + 0 . 4 Z L L ( 2)
( 14 )
t2 = t1 + ∆t
Z(n) maks(1) = Impedansi setting maksimum ( peak ) di zona1 Z(n) maks(2) = Impedansi setting maksimum ( peak ) di zona2
Z L( n ) = Impedansi saluran seksi proteksi
t1 = Waktu setting zona 1,
t2 = Waktu setting zona 2,
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
∆t = 0.5 (waktu tunda) 24
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
5. TAHANAN GANGGUAN Tahanan gangguan terdiri dari 2 komponen utama , yaitu : a. Tahanan Busur b. Tahanan tanah, hanya ada bila terjadi gangguan tanah. Tahanan Busur dihitung denngan pendekatan rumus empiris Warrington : Rarc =
2.9 x 104 L I
1 .4
( 15 )
Rumus empiris yang biasa diaplikasikan di Russia (Uni Sovyet) Rarc = 1050
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
L I
( 16 )
25
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Rarc =
VL I
υ t
50 (VL + 47υt ) I
= Tegangan nominal antar fasa = Arus gangguan = Kecepatan angin = Waktu
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
( 17 )
[ kV ] [A] [ km/jam ] [ detik ]
26
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
6. JANGKAUAN RELAI JARAK • Impedansi saluran sebanding panjang saluran dan merupakan parameter utama
untuk menghitung jarak dari gangguan terhadap lokasi relai. • Relai akan mengukur tegangan ( V ) dan arus ( I ) sistem primer melalui : a.Transformator Tegangan (Voltage Transformer ; VT). b.Transformator Arus (Current Transformer ; CT). • Nilai Impedansi Sekunder ( Zsek) yang digunakan untuk setting relai terbentuk
dari : I pri Z sek =
Rasio CT x Z pri = U Rasio VT
I sek pri
x Z pri
( 18 )
U sek
Iprim /Isek = Rasio Transformator Arus Uprim/Usek = Rasio Transformator Tegangan AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
27
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
• Komponen DC pada gelombang arus gangguan akan menyebabkan jangkauan lebih transien (Transient OverReach; TOR). Jangkauan lebih transien didefinisikan sebagai : TOR =
Zos − Zsy x 1 00 % Zsy
( 19 )
Zos = Impedansi maksimum yang menyebabkan relai bekerja sesuai dengan nilai arus yang diperkirakan. Zsy = Impedansi maksimum yang menyebabkan relai bekerja sesuai dengan nilai arus simetri pada komponen Zos. • Jangkauian Proteksi disebut juga sebagai Zona Proteksi.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
28
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
• Zona 1 Diset untuk memproteksi 80 % - 85 % panjang jarak A-B, tanpa waktu tunda. Setting jangkauan ini sengaja dipilih untuk : 1. Menghindari jangkauan lebih (over reach) ke dalam seksi saluran berikutnya. 2. Menjamin selektivitas berkaitan dengan error dan transien yang muncul pada transformator arus dan transformator tegangan. 3. Desain manufaktur sebagai Batas Toleransi Keakurasian Pengukuran relai. • Zona 2 Diset untuk memproteksi 100 % panjang jarak A-B, ditembah 20 % jarak terpendek BC, dengan waktu tunda t2 (≈ ≈ 0.5 det). • Zona 3 Diset untuk memproteksi 100 % panjang jarak A-B, B-C, ditambah 25 % jarak terpendek CD, dengan waktu tunda t3 (≈ ≈ 1.5 det).
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
29
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
Proteksi Saluran Tipikal AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
30
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
RELAI JARAK
TABEL 1. DAFTAR KODE ANSI/IEEE UNTUK RELAI PROTEKSI YANG BERBEDA JENIS
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA
31