STUDI KONSEP ADAPTIF RELE JARAK TERHADAP KEGAGALAN JARINGAN SALURAN TRANSMISI GANDA MUARA TAWAR-CIBATU (500 KV)

Transkripsi

1 STUDI KONSEP ADAPTIF RELE JARAK TERHADAP KEGAGALAN JARINGAN SALURAN TRANSMISI GANDA MUARA TAWAR-CIBATU (5 KV) CRISTOF NAEK HALOMOAN Electrical Engineering Department, University of Indonesia cristof.naek.halomoan@gmail.com Abstrak: Sistem proteksi adaptif merupakan salah satu alternatif koordinasi rele yang dapat disesuaikan dengan perubahan keadaan sistem transmisi (on-line) memungkinkan pengamanan yang lebih efektif dan efisien. Konsep adaptif dapat mencegah rele dari kegagalan operasi yang disebabkan oleh efek reaktansi. Konsep ini dibuat sebagai pengukuran standar dari saluran ganda, misalnya adanya tegangan dan arus tiga fasa dari saluran yang terganggu dan pertambahan arus urutan nol dari saluran yang baik digunakan sebagai sinyal masukan rele. Konsep ini berdasarkan perubahan posisi dari karakteristik rele jarak sehingga diperlukan kompensasi terhadap efek dari reaktansi. Oleh karena itu diperlukan sebuah vektor geser yang ditetapkan pada perhitungannya. Kata kunci: Saluran transmisi ganda, rele jarak, pola adaptif I. PENDAHULUAN Sistem transmisi memegang peranan yang sangat penting dalam proses penyaluran daya. Oleh karena itu pengamanan pada saluran transmisi perlu mendapat perhatian yang serius dalam perencanaannya. Rele sebagai salah satu bagian penting dalam sistem pengamanan saluran transmisi harus mempunyai kemampuan mendeteksi adanya gangguan pada semua keadaan dan kemudian memisahkan bagian sistem yang terganggu tersebut sehingga dapat meminimalkan kerusakan pada bagian yang terganggu dan mencegah gangguan meluas ke saluran lain yang tidak terganggu. Rele jarak digunakan sebagai pengaman pada saluran transmisi karena kemampuannya dalam menghilangkan gangguan (fault clearing) dengan cepat dan penyetelannya yang relatif mudah. Pada prinsipnya rele jarak adalah mengukur nilai arus dan nilai tegangan pada suatu titik tertentu dan kemudian membandingkannya dengan suatu nilai pengaturan tertentu untuk menentukan apakah rele harus bekerja atau tidak. Supaya rele dapat berfungsi dengan baik, dalam kapasitasnya sebagai pengaman saluran transmisi maka perlu adanya Page 1

2 koordinasi antara satu rele dengan rele di terminal lawannya dan juga dengan rele pada seksi-seksi berikutnya. Koordinasi rele jarak selama ini berdasarkan parameter saluran transmisi dengan kompensasi perkiraan besarnya gangguan yang dihitung secara offline. Tetapi dengan keadaan sistem yang berubah-ubah yang mengakibatkan parameter saluran transmisi juga berubah serta adanya gangguan yang tidak bisa diperkirakan besarnya, maka pengaturan rele menghitung kompensasi dari vektor geser, Z, berdasarkan tegangan dan arus yang terukur. Posisi karakteristik R X rele tidaklah konstan, tetapi bergeser berdasarkan vektor geser tersebut. Dibawah ini adalah skema dari jaringan saluran transmisi ganda. Saluran yang mengalami kegagalan terhubung pada bus AA, BA, sedangkan saluran yang baik terhubung pada AB, BB. Pada kasus ini rele jarak mendapat masukan dari arus tiga fasa yang ada bisa menjadi tidak selektif. Oleh A dan tegangan A dari saluran yang karena itu diperlukan koordinasi rele yang terganggu serta arus urutan nol dari saluran lebih baik yang dapat menyesuaikan dengan baik, AB. keadaan sistem tersebut. Dengan cara ini AB BB dimungkinkan untuk memperbaiki kinerja pengamanan. III. DASAR ALGORITMA KONSEP ADAPTIF E SA Z SA V AP AA I AP dz L R R F Z LB IF (1- d)z L Z SB BA E SB Prinsip dari rele impedansi adalah membandingkan impedansi gangguan saluran yang terukur dengan impedansi yang dengan batas pengaturan relenya. Hal ini dapat menimbulkan masalah pada kasus kegagalan akibat reaktansi yang besar. Terlebih lagi bila kegagalan tersebut dipengaruhi oleh aliran daya sebelum kegagalan yang mengakibatkan rele tidak pada zona yang diproteksinya. Efek ini selanjutnya disebut sebagai efek reaktansi [7]. Untuk mengkompensasi dampak dari efek reaktansi, maka konsep adaptif dapat digunakan. Dasarnya adalah dengan Algoritma adaptif ini adalah berdasarkan model standar dari lup gangguan saluran transmisi [2], yaitu: AP - d 1L AP - R F F =...(3.1) Keterangan: AP = 1 A1 + 2 A2 + A AP = 1 AA1 + 2 AA2 + AA + AB Gambar 3.1 Skema dari saluran transmisi ganda d: jarak gangguan Z L : impedansi saluran Page 2

3 R F : resistansi gangguan F : F1 F1 + F2 F2 + F F m : Impedansi gandeng saluran urutan nol Untuk tulisan di bawah garis I mewakili urutan tipe komponen, yaitu i= untuk urutan nol, i=1 untuk urutan positif dan i=2 untuk urutan negatif. Sedangkan koefisien i menunjukkan tipe-tipe dari kegagalan yang besarnya ditunjukkan pada tabel 3.1. Tipe dari kegagalan ditunjukkan dengan fasa kegagalan (a,b,c) dan hubungan ke tanah (g). Tipe Kegagalan 1 2 a-g b-g 1 2 c-g 1 2 a-b, a-b-g, a-bc, a-b-c-g Tabel 3.1 Koefisien i b-c, b-c-g c-a, c-a-g = exp(j2π/3), j = ( -1) Salah satu langkah untuk menentukan tegangan jatuh pada kegagalan resistansi yaitu dengan menentukan weighting coefficients, Fi. Koefisien ini didapat dengan mempertimbangkan kondisi batas dari masing-masing tipe kegagalan. Ada beberapa alternatif dalam menentukan urutan nilai dari keofisien Fi. Nilai dari weighting coefficients yang digunakan dapat dilihat di tabel 3.2. Dari tabel 3.2, nilai dari Fi = dapat digunakan sebagai parameter yang berguna yaitu diabaikan dari perhitungan [6]. Tabel 3.2 Alternatif Koefisien Fi untuk nilai F = Tipe Kegagalan F F1 F2 a-g 3 b-g 3 2 c-g 3 a-b 1-2 b-c 2 - c-a - 1 a-b-g b-c-g c-a-g a-b-c (a-b-c-g) 1-2 = exp(j2π/3), j = ( -1) Rele jarak yang sering dipakai karena kegunaannya adalah rele jarak tipe Mho. Karakteristik tipe Mho zona 1 yang diatur untuk mengamankan 85% daerah yang diamankan (s=,85 p.u.) ditunjukkan dengan pertidaksamaan berikut: ( R AP,5sR 1L ) 2 + (X AP,5sX 1L ) 2 (,5s Z 1L ) 2..(3.2) Dimana : R AP = resistansi yang terukur oleh rele X AP = reaktansi yang terukur oleh rele R 1L = resistansi urutan positif dari seluruh saluran yang diamankan Page 3

4 X 1L = reaktansi urutan positif dari seluruh saluran yang diamankan Z 1L = impedansi urutan positif dari seluruh saluran yang diamankan Pertidaksamaan (3.2) mendefinisikan daerah bagian dalam dari karakteristik lingkaran, dimana bagian tengahnya terletak pada posisi (,5sR 1L,,5sX 1L ) dan mempunyai radius sebesar,5s Z 1L. Karakteristik standar ini dapat dimodifikasi dengan memperkenalkan komponen vektor geser, Z. Vektor geser ini selanjutnya dapat dimasukkan ke dalam pertidaksamaan (3.2) yang menghasilkan pertidaksamaan baru yaitu pertidaksamaan adaptif karakteristik Mho: [ R AP (.5sR 1L + R)] 2 + [X AP (.5sX 1L + X)] 2 < [.5s Z 1L ] 2 (3.3) Dimana R dan X menunjukkan vektor geser komponen resistif dan reaktif dari karakteristik rele. Hasil ini dapat mengkompensasi efek dari reaktansi yang membuat rele lebih baik bekerja walaupun adanya kegagalan akibat resistansi. Cara untuk menghitung komponen dari vektor geser dari karakteristik rele akan diberikan pada sub-bab Menentukan Vektor Geser Persamaan (3.1) dapat ditulis kembali ke dalam parameter impedansi dengan mengalikannya dengan AP sehingga di dapat: AP - d 1L - R F. Dimana AP = = R AP +jx AP =.(3.4) Tiga komponen di ruas kiri persamaan (3.1) dapat menimbulkan kesalahan dalam mengukur impedansi lup gangguan. Oleh karena itu diperlukan suatu kompensasi untuk kesalahan ini, yaitu dengan menuliskan kembali persamaan (3.1) menjadi: AP = d 1L +.(3.5) dimana = R + j X = R F. adalah kesalahan yang terjadi akibat dari kegagalan resistansi. Berdasarkan persamaan (3.5), impedansi lup gangguan adalah jumlah dari nilai kebenaran d 1L dan nilai kesalahan. Untuk mengkompensasi kesalahan ini maka diperlukan suatu adaptasi dalam membuat algoritma dari rele. Hal ini dapat dilakukan dengan menggeser posisi dari karakteristik rele di bidang impedansi dengan menggunakan vektor geser yaitu untuk R resistansi dan X untuk reaktansi. Dalam menentukan vektor geser,, diperlukan perhitungan total arus kegagalan F. Untuk tujuan ini weighting coefficients dengan F = (sesuai dengan tabel 4.2) diperlukan dalam perhitungan sehingga didapat persamaan: Page 4

5 F : F1 F1 + F2 F2....(3.6) Komponen yang tak diketahui dari total arus F1 dan F2 dapat diperoleh dari diagram rangkaian yang berpadanan untuk urutan positif dan negatif. Untuk jaringan pada gambar 3.1 menghasilkan persamaan : F1. =.(3.7) F2. =...(3.8) dimana : = kenaikan arus urutan positif = arus urutan negatif = Faktor distribusi arus gangguan Pada khususnya, faktor distribusi arus gangguan adalah fungsi dari jarak yang tidak diketahui dengan kegagalan (d, [p.u]) dan nilai yang tidak dapat diukur dari impedansi sumber jauh 1SB. Akan tetapi, akan ditunjukkan bahwa pada perhitungan selanjutnya tidak diperlukan untuk menentukan nilai dari. Dengan memperhatikan persamaan (3.6), (3.7), dan (3.8) maka persamaan (3.1) dapat dituliskan kembali: F I A F I A AP -d 1L AP-R F =..(3.9) Pada umumnya, faktor distribusi arus gangguan adalah fungsi kompleks dan dapat di tuliskan sebagai berikut: = = k F (cos + j sin ) (3.1) dimana adalah besarnya dan adalah sudut faktor distribusi arus gangguan. Subtitusikan persamaan (3.9) ke (3.8) dan kemudian bagi dengan arus lup gangguan, persamaan: AP - d 1L - R F. dimana F I A F I A AP, sehingga didapatkan =..(3.11) 12 = + j = adalah perbandingan dari total arus gangguan (3.5) dan arus lup gangguan, AP. Setelah memecahkan 12 menjadi dua bagian yaitu bagian riil dan imajiner, maka persamaan (3.1) dapat dimodifikasi menjadi: AP - d 1L - R.. F. = AP - d 1L - R F. = AP - d 1L - R F. = AP = d 1L + R F. dimana: = cos + sin = cos - sin.(3.12) Persamaan (3.11) selanjutnya kita bandingkan dengan persamaan (3.5) untuk menghitung vektor geser, : Page 5

6 = R + j X = ( + j sehingga menghasilkan perbandingan dari komponen-komponen dari vektor geser, yaitu: R = = X...(3.13) Angel Karena pada jaringan transmisi yang sebenarnya sudut dari faktor distribusi arus gangguan mendekati nol (gambar 3.8) dan jarang melebihi 1 [2], maka dapat dibenarkan untuk mengambil asumsi =. Sebagai hasilnya, persamaan (3.12) dapat disederhanakan menjadi: R = X...(3.14) Dari persamaan (3.5) dan (3.13) maka dapat diperoleh komponen-komponen dari vektor geser, yaitu: R = 1 Distance to Gambar 3.2 Gambar dari sudut sebagai fungsi dari jarak ke gangguan R AP X L X AP R L X L R L X = RAP X L X AP R L X L R L..(3.15)..(3.16) IV. PERHITUNGAN PROTEKSI SALURAN TRANSMISI GANDA MUARA TAWAR - CIBATU Untuk mengetahui perbedaan antara rele dengan metode standar dan dengan menggunakan metode adaptif dilakukan dengan menggunakan perhitungan manual berdasarkan rumus yang telah dijelaskan di bab sebelumnya dengan menggunakan kelengkapan data-data yang telah dikumpulkan. Pehitungan dilakukan dengan menentukan perkiraan lokasi gangguan yang diuji pada sistem yang diperoleh dari standar IEEE, yaitu untuk saluran ganda, dimana pada kasus ini diambil kasus untuk jaringan saluran transmisi ganda Muara Tawar-Cibatu (5 KV). Sistem ini terdiri dari dua buah pembangkit yang terhubung secara interkoneksi. Dibawah ini adalah diagram skematik dari jaringan saluran transmisi ganda Muara Tawar Cibatu: Muara Tawar Z S V AA AA AB I Rele I AB dz LA EQ Z LB BB (1- d)z LA BA Z SB Gambar 4.1 Skema jaringan saluran transmisi ganda Muara Tawar - Cibatu Pengujian perkiraan lokasi gangguan dilakukan dengan menggunakan program komputer, program hubung singkat untuk menghitung tegangan dan arus serta R F I F V F Cibatu Page 6

7 memperkirakan besar impedansi dari lokasi rele terhadap lokasi gangguan. Data tersebut akan dipakai sebagai input ke program pehitungan selanjutnya yaitu menghitung lamanya waktu rele untuk bekerja (ping time). Dari data sistem dan dari dari gambar 4.1, lokasi gangguan berada di antara saluran AA dan BA pada jaringan saluran transmisi ganda Muara Tawar Cibatu. Gangguan ini selanjutnya dianalisa dengan dua cara yaitu dengan menggunakan karakteristik Mho standar dan dengan karakteristik Mho adaptif. Berikut ini adalah langkah-langkah dalam menganalisa: 1. Menyiapkan data-data yang diperlukan Data impedansi saluran udara tegangan ekstra tinggi yang digunakan untuk perhitungan setelan proteksi rele jarak adalah berdasarkan data yang didapat dari PLN P3B JB. Jaringan saluan transmisi ganda terdiri saluran transmisi 5 kv dan dua sistem yang ekivalen. Parameter dari jaringan transmisi tersebut ditunjukkan oleh tabel (4.2). Tabel 4.1 Data saluran transmisi Data Teknis Tegangan fasa ke fasa Arus Jenis Konduktor Keterangan 5 kv 198 A ACSR-DOVE 4X327.9mm (198A) Tabel 4.2 Parameter dari jaringan transmisi Elemen sistem Saluran Transmi si Ganda Sistem Ekivalen A Parameter (per km) Panjang, l Sudut tegangan 48,158 km (,293 + j,2815) (, j,8445) (,586 + j,563) (, j1,689) 1,345 mh/km mh/km 13 nf/km 8,5 nf/km 5,5 nf/km (,424 + j,816) (1,411 + j13,557) (8,635 + j4,669) - 3 o (1,411 + j13,557) Sistem Ekivalen B Sudut tegangan = exp(j2π/3), j = ( -1) (8,635 + j4,669) 2. Menentukan jenis gangguan yang ingin digunakan Gangguan yang ingin dievaluasi pada simulasi ini adalah gangguan satu fasa ke tanah. Jenis gangguan ini sering Page 7

8 terjadi pada saluran transmisi dan distribusi yaitu minimal sekitar 85% dari total gangguan yang terjadi. tahanan tanah (R g ) dibuat tetap sebesar 5 Ω, untuk tahanan gangguan bervariasi yaitu dari 1 Ω dan 2 Ω. Hal ini untuk menunjukkan efisiensi dari algoritma adaptif yang digunakan. 3. Menentukan jarak gangguan Dalam menentukan jarak gangguan dari Muara Tawar, dipilih lokasi yang masih berada di dalam pengamanan zona 1 dan bervariasi yaitu dari,1 p.u. sampai dengan,95 p.u. 4. Memasukkan data-data yang diperoleh dari langkah 1, 2, dan 3 ke dalam karakteristik Mho standar dan karakteristik Mho adaptif. Berikut contoh dari langkah-langkah perhitungan data yang didapat: a. Menentukan tipe gangguan (a-g, b- g, c-g, dll) Contohnya tipe gangguan satu fasa ke tanah (a-g) maka kita dapat menentukan besar koefisien I, dan koefisien Fi sesuai pada tabel (3.1) dan (3.2). Tentukan juga jarak gangguannya, pada contoh kali ini diambil jarak gangguannya yaitu sebesar 4,9 km (,85 ]p.u.]) dan mempunyai tahanan gangguan sebesar 2 Ω. b. Menentukan AP, AP Masukkan data-data yang telah didapat dimasukkan ke persamaanpersamaan yang telah dijelaskan pada bab 3. Dari contoh tipe gangguan satu fasa ke tanah akan didapatkan besar: AP (V) = 49843,3 + j 2,7141 AP (A) = 159,688 + j 398,97 c. Menghitung komponen urutan positif ( F1) dan negatif ( F2) F1 = 28,862 j 1, F2 = 3537,451 + j 1222,293 d. Menghitung,,, dan total arus gangguan ( F) = 12,256 - j 1,566 x 1-6 (A) = 255,316 - j 22,932 (A) = 43355,19 + j 1498,48 F (A) = 624,259 - j 5,613 e. Menghitung komponen = + j = 5,8742 j 2,25722 f. Menghitung komponen vektor geser R = 1,28721 Ω X = -3,95296 Ω g. Membandingkan antara konsep standar dan adaptif mho Batas pengamanan = 33,555 Ω Metode standar = Ω Metode adaptif = Ω Berdasarkan contoh perhitungan maka didapatkan hasil bila terjadi gangguan satu fasa ke tanah akan didapatkan perbedaan hasil antara Page 8

9 metode standar dan metode adaptif yaitu pada jarak,85 [p.u.] rele dengan metode adaptif akan sementara rele standar tidak. 5. Menghitung waktu rele jarak Pada kasus ini untuk menghitung waktu (ping time) rele jarak maka digunakan rumus waktu normal inverse menurut British Standard yaitu: t = dimana: { }...(4.1) t = waktu rele dalam detik (s) K = Faktor pengali waktu = Arus gangguan yang masuk ke rele I set =.2 x CC =396 A α, β = Konstanta setelan waktu Hasil yang didapat pada langkah 4 dan langkah 5 selanjutnya dibuat tabel ringkasan yang berisi contoh dari beberapa perhitungan yang menunjukkan perbedaan antara rele jarak standar dengan rele jarak adaptif. Pada tabel (4.4) diambil contoh dari tahanan gangguan sebesar 1 Ω dan 2 Ω dengan jenis gangguannya yaitu satu fasa ke tanah (a-g) Tabel 4.3 Kemiringan karakteristik kurva Karakteristik α Β Waktu Normal Inverse,2,14 Very Inverse 1, 13,5 Extremely Inverse 2, 8, Long-time Inverse 1, 12, Pada perhitungan kali ini memakai karakteristik waktu normal inverse sehingga didapatkan hasil : - Rele standar, pada jarak,79 [p.u.] mempunyai waktu 22,7 ms - Rele adaptif, pada jarak,79 [p.u.] mempunyai waktu 14,9 ms 6. Membuat tabel hasil perhitungan R F = d Standar,2,4,6,8 1 Gambar 4.2 Sinyal Muara Tawar Cibatu pada berbagai besar tahanan gangguan dengan perngaturan zona 1 85 % Page 9

10 ,4 (a) R F =1 Ω Mho Standar yaitu ditunjukkan dengan persamaan R F = -85,67 d + 79,7.,3 Dengan memperhitungkan adanya komponen-komponen dari vektor geser Waktu, t[s],2,1 t =.27d -.5 t =.19d -.3 pada proteksi rele jarak untuk saluran udara tegangan ekstra tinggi GITET Muara Tawar Cibatu, maka rele dengan konsep adaptif -,1,2,4,6,8 1 Jangkauan daerah pengamanan, [p.u.] akan didapat hasil yang lebih baik dibandingkan dengan rele dengan metode standar. Untuk R F =2 Metode standar : Batas pengamanan =,3,2 (b) R F =2 Ω Mho Standar,65 p.u; Persamaan waktu, t =.23d -.3 Metode adaptif: Batas pengamanan =,85 p.u; Persamaan waktu ; t =.16d -.2 Waktu, t[s],1 -,1 V. KESIMPULAN t =.23d -.3 t =.16d -.2,2,4,6,8 1 Jangkauan daerah pengamanan, [p.u.] Gambar 4.3 Waktu pada jaringan saluran transmisi ganda Muara Tawar - Cibatu Saluran transmisi mempunyai suatu sistem kompleks. Adanya variasi gangguan di saluran transmisi membuat informasi transmisi menjadi tidak tetap. Hal ini ditunjukkan dengan besarnya arus gangguan yang di zona pengamanan rele jarak. Pada proteksi rele metode standar Muara Tawar Cibatu terjadi penurunan kemampuan daerah pengamanan (d[p.u.]) seiring dengan besar tahanan gangguan (R F ) VI. DAFTAR REFERENSI [1] Chapman, Electric Machinery and Power System Fundamentals (New York: McGraw-Hill., 22), hal [2] Halomoan, Cristof Naek., Analisa Koordinasi Rele Jarak Sebagai Proteksi saluran Transmisi (Depok: Seminar, 28), hal [3], Network Protection and Automation Guide (Paris La Défense: Areva, Inc., 25), hal [4] IEEE Std C , IEEE Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines (New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2), hal. 4 [5] GEC Measurement, Protective Relays Application Guide (London: Balding + Mansell Limited., 1975), hal [6] Saha, MM., Wikstorm, K. Izykowsky, J., and Rosolowsky, E., New Fault location algoritm for parallel lines (Amsterdam: Conf. of Developments in Power System Protection, 21), hal Page 1

11 [7] Moore, P.J., Whittard, R, dan Johns, A.T, A Novel earth fault location technique utilizing single ended measurements (Sweden: Proc. IEEE, 1995), hal [8] Turk J Elec Engin, Vol.16, NO.23-28, Distance Relaying Algorthm for Double- Circuit Transmission Line with Compensation for Reaktance Effect under Standard Availability of Measurements (Poland : Wroclaw University of Technology Institute of Electrical Power Engineering., 28), hal. 2-6 d [p.u.] [.5s Z 1L ] 2 Tabel 4.4 Sinyal dan waktu sinyal untuk variasi tahanan nilai gangguan R F = 1 Ω R F = 2 Ω Rele standar Rele adaptif Rele standar Rele adaptif Sinyal Waktu (ms) Sinyal Waktu (ms) Sinyal Waktu (ms) Sinyal Waktu (ms) , , , , , , , , , ,63 1 2, , ,17 1 2, ,52 1 2, , , ,2 1 3, , , ,51 1 3, ,11 1 2,68 1 5,63 1 2, , ,3 1 5, , , , , , , , , , , ,67 1 8, , ,77 1 8, ,47 1 8, , , , , , , ,9-1 14, Page 11