ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS T E S I S. Oleh: YAKUB GINTING /MTE

Transkripsi

1 ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS T E S I S Oleh: YAKUB GINTING /MTE FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011 i

2 ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS T E S I S Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Oleh: YAKUB GINTING /MTE FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011 ii

3 Judul Penelitian : ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS Nama Mahasiswa : Yakub Ginting Nomor Induk : Program Studi : Magister Teknik Elektro Menyetujui Komisi Pembimbing: (Prof. Dr. Ir. Usman Baafai) Ketua (Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D) Anggota (Ir. Riswan Dinzi, MT) Anggota Ketua Program Studi, Dekan, (Prof.Dr.Ir. Usman Baafai) (Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME) Telah Lulus : 25 Februari 2011 iii

4 Telah Diuji Pada Tanggal : 25 Februari 2011 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua Anggota : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai : 1. Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D 2. Ir. Riswan Dinzi, MT 3. Ir. Ashuri, MT 4. Ir. Suprapto, MT 5. Dr. Eng Ariadi Hazmi iv

5 ABSTRAK Tahun-tahun belakangan ini, terjadi peningkatan penggunaan peralatan elektronika daya atau beban non linier baik sebagai beban maupun sebagai alat kontrol yang mengakibatkan bentuk tegangan dan arus menjadi non siniusoidal di dalam sistem tenaga karena peralatan tersebut memproduksi harmonisa. Arus yang mengalir dalam kumparan trip rele adalah jumlah vektor arus fundamental dan arus harmonisa disebut arus terdistorsi harmonisa atau arus total(i t ). Rele ada dua jenis yaitu rele elektromekanis dan rele statis. Pada penelitian ini, rele yang diteliti jenis statis. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisis dampak harmonisa terhadap keakuratan operasi rele statis dalam memenuhi setelan arus-waktu rele baik dalam karakteristik Inverse, Definite maupun dalam karakteristik Instantaneous. Rele proteksi arus lebih jenis statis banyak digunakan untuk memproteksi transformator daya dan penghantar dari gangguan arus lebih dan ditempatkan di pangkal jaringan distribusi tegangan menengah 20 kv. Rele jenis statis di setting berdasarkan arus fundamental. Penelitian ini bermanfaat untuk mengetahui adanya gangguan operasi rele akibat harmonisa dan selanjutnya untuk melakukan koordinasi proteksi antara karakeristik arus-waktu rele baik terhadap ketahanan alat yang diproteksi mampu dengan alat proteksi lainnya agar dapat melaksanakan fungsi proteksinya dengan tepat. Adapun hasil penelitian ini adalah THDi naik maka arus terdistorsi harmonisa (I t ) bertambah dan arus fundamental menurun sekalipun tidak linier. I t ini mengalir didalam kumparan trip rele sehingga rele trip lebih cepat dari pada waktu trip setting untuk karakteristik arus-waktu inverse (Standard Inverse, Very Inverse dan Extremely Inverse). Untuk karakteristik arus-waktu Definite dan Instantaneous, harmonisa ini tidak mempengaruhi waktu trip rele yaitu sekalipun arus terdistorsi harmonisa (I t ) mengalir dalam kumparan trip rele, waktu trip rele memenuhi waktu setting. Karena itu disarankan supaya semua komponen beban non linier sistem tenaga dilengkapi filter harmonisa sehingga harmonisa dikurangi menjadi THDi 5% dan dilakukan penyetelan ulang semua rele untuk menyesuaikan dengan kondisi beban non linier dan koordinasi proteksi dengan sistem proteksi yang ada. Kata kunci: rele statis, harmonisa, arus lebih. v

6 ABSTRACT In recent years, there has been an increase of using electronical devices. Electric power or non-linear charge not only as a load but also as a control device resulting the form of voltage and currents to become non siniusoidal in the power system because the electronical power tools produce harmonisa.this research is focused on static relay. The objective of the research is to analyze the impact of harmonic on the accuracy of static relay operation in fulfilling the relay current-time settings not only in the characteristic of inverse or definite but also instantaneous. Static type over current protection relay is widely used to protect power transformers and conductor of the over current disturbances and placed at the base of 20 kv medium voltage distribution network. Static type relay is set up based on fundamental current. This research benefits in finding out some interferences of relay operation due to harmonic disturbances. Furthermore, it coordinates protection between relay of time-current characteristics of both the reliability of the protected equipment and other protective equipment in order to conduct appropriate functioning. The results shows that when the THDi increases, harmonic distorts the current (I t ) and the fundamental current decreases eventhough it is not linear. It flows inside the coils so that the relay trip goes faster than time setting for inverse time-current characteristics (Standard Inverse, Very Inverse and Extremely Inverse). For the characteristics of Definite and Instantaneous time setting, these harmonics do not affect the relay trip time even though harmonic distorts the currents (I t ) flow in the coil of relay trip, relay trip time fulfills the time setting. Therefore, it is recommended that all non-linear load components of the power system should be equipped with harmonic filter thus it can reduce harmonic up to THDi 5% and all relays should be reset to cope with non-linear load conditions and protection coordination of other available protection system. Keywords : static relays, harmonics, over current vi

7 KATA PENGANTAR Pertama tama kami panjatkan puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat dan kasihnya kepada kita semua sehingga tesis ini dapat selesai dengan baik sekali dalam judul: ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, selaku ketua komisis pembimbing, Bapak Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D dan Bapak Ir. Riswan Dinzi, MT selaku anggota komisi pembimbing yang dengan penuh sabar, arif dan bijaksana memberikan bimbingan, petunjuk dan arahan serta dorongan kepada penulis. Bapak Ir. Ashuri A Widianto, MT, Bapak Ir. Suprapto, MT dan Bapak Dr. Eng Ariadi Hazmi selaku Pembanding utama tesis ini. Istri dan ketiga putra penulis yang telah banyak memberikan semangat dan perhatian serta toleransi sehingga tesis ini selesai. Terselesaikannya penelitian tesis ini juga melibatkan berbagai pihak yaitu : Ketua Program Studi dan Sekretaris Program Studi Magister Teknik Elektro, serta seluruh staf pengajar dan karyawan Program Studi Magister Teknik Elektro, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih atas kontribusinya dan bantuannya. Penulis menyadari masih ada kekurangan dalam tulisan ini, namun penulis mengharapkan tulisan ini dapat memenuhi persyaratan yang diperlukan untuk suatu vii

8 tesis dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Demikianlah tulisan ini dibuat, kiranya Tuhan memberkati kita. Medan, Maret 2011 Hormat saya, Yakub Ginting viii

9 DAFTAR RIWAYAT HIDUP Saya yang bertanda tangan di bawah ini, Nama : Yakub Ginting Tempat/Tanggal Lahir : Medan, 16 Desember 1956 Jenis Kelamin Agama Bangsa Alamat : Laki - laki : Kristen : Indonesia : Jl. Bunga Ester No. 70 Pasar 6 Padang Bulan, Medan Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa : PENDIDIKAN 1. Tamatan SD Negeri 3, Medan Tahun Tamatan SMP Swasta Masehi, Medan Tahun Tamatan SMA Negeri 3, Medan Tahun Tamatan Teknik Elektro USU Tahun 1982 PEKERJAAN 1. Pegawai PT. PLN ix

10 PENGHARGAAN 1. Pegawai Teladan Tahun Kesetian Kerja 3 windu Tahun 2007 Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya. Medan, 25 Februari 2011 Tertanda, Yakub Ginting x

11 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR. DAFTAR RIWAYAT HIDUP DAFTAR ISI DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR ISTILAH i ii iii v vii x xii xiv xv BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Rumusan Masalah Batasan Masalah Penelitian Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian 1.6. Sistematika Penulisan BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Harmonisa Distorsi Harmonisa Persamaan Harmonisa Dampak Distorsi Harmonisa Standard Distorsi Harmonisa Arus Lebih Rele Proteksi Rele Proteksi Arus Lebih Rele proteksi arus lebih elektromekanis Rele proteksi arus lebih statis xi

12 Rele statis dengan waktu tunda Rele statis yang diteliti Prinsip kerja Kurva arus-waktu Penyetelan rele Alat Ukur Harmonisa (PQA) Beban Beban linier Beban non linier Indikator Harmonisa Trip tepat Trip tidak tepat.... BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Rancangan Penelitian Umum Analisis dampak harmonisa terhadap I t dan I Analisis dampak harmonisa terhadap kinerja operasi rele dalam karakteristik arus-waktu Standard Inverse Analisis dampak harmonisa terhadap kinerja operasi rele dalam karakteristik arus-waktu Very Inverse Analisis dampak harmonisa terhadap kinerja operasi rele dalam karakteristik arus-waktu Extremely Inverse Analisis dampak harmonisa terhadap kinerja operasi rele dalam karakteristik arus-waktu Definite Analisis dampak harmonisa terhadap kinerja operasi rele dalam karakteristik arus-waktu Inst Variabel yang Diamati Populasi dan Sampel Instrumen Penelitian Pengumpulan Data Rangkaian pengukuran Pengukuran I 1 dan I t pada THDi tetap Pengukuran THDi dan I t pada I 1 tetap Pengukuran THDi dan I 1 pada I t tetap Pengukuran THDi dan t trip rele Ketelitian Pengukuran.. BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Umum xii

13 4.2. Dampak Harmonisa Terhadap I 1 dan I t Pendahuluan Data dan analisis Data I 1 dan I t pada THDi tetap Data THDi dan I t pada I 1 tetap Data THDi dan I 1 pada I t tetap Data dan Analisa Dampak Harmonisa Terhadap t trip Rele Pendahuluan Data dan analisis Pada karakteristik Standard Inverse (SI) t trip hitung dan t trip ukur pada SI dan THDi 1,5% t trip hitung dan t trip ukur pada SI dan THDi 80 % Pada Karakteristik Very Inverse (VI) t trip hitung dan t trip ukur pada EI dan THDi 1,5% t trip hitung dan t trip ukur pada EI dan THD Pada karakteristik Extremely Inverse (EI) t trip hitung dan t trip ukur pada EI dan THDi 1,5 % t trip hitung dan t trip ukur pada EI dan THDi Pada karakteristik D dan Inst t trip pada D dan Inst serta THDi 1,5 % t trip pada D dan Inst serta THDi 80% Analisis Dampak Harmonisa Terhadap t trip Rele Dampak harmonisa terhadap karakteristik arus-waktu Inver Dampak harmonisa terhadap karakteristik arus-waktu definite Dampak harmonisa terhadap karakteristik arus-waktu Inst. BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran. DAFTAR PUSTAKA xiii

14 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 1.1. Perbandingan penelitian Burack, dkk dan Tumira, dkk dengan penelitian Rekapitulasi kerusakan transformator daya PLN P3BJB Batas distorsi harmonisa arus menurut standar IEEE Batas distorsi harmonisa arus dalam % arus beban IL menurut standar IEC Perubahan I 1 dan I t sesuai perubahan THDi Perubahan t trip sesuai perubahan THDi Nilai t untuk berbagai derajat kebebasan pada tingkat kepercayaan 99 % Nilai t untuk berbagai derajat kebebasan pada tingkat kepercayaan 95 % Data arus I 1 dan I t pada THDi tetap Data THDi dan I t pada I 1 tetap Data THDi dan I 1 pada I t tetap Data t trip hitung dan t trip ukur pada SI dan THDi 1,5% Data t trip hitung dan t trip ukur pada SI dan THDi 80 % Data t trip hitung dan t trip ukur pada VI dan THDi 1,5% Data t trip hitung dan t trip ukur pada VI dan THDi 80 % xiv

15 4.8. Data t trip hitung dan t trip ukur pada EI dan THDi 1,5% Data t trip hitung dan t trip ukur pada EI dan THDi 80 % Data t trip pada D dan Inst serta THDi 1,5% Data t trip pada D dan Inst serta THDi 80 %. 106 xv

16 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1. Gelombang terdistorsi, fundamental, harmonisa ketiga Arus cacat akibat harmonisa Penyebab gangguan transformator Rele elektromekanis Kurva THDi vs I Kurva THDi vs I t Kurva t trip vs I 1 (Inverse /rele elektromekanis) Rele proteksi arus lebih statis Blog diagram rele arus lebih dengan waktu tunda Rangkaian internal rele arus lebih statis Kurva arus-waktu rele arus lebih statis Persentase (%) distorsi harmonisa hasil pengukuran PQA Signal harmonisa berpengaruh hasil pengukuran PQA Arus efektif (I t ) hasil pengukuran PQA Kurva arus-tegangan beban linier Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier Bentuk gelombang tegangan dan arus beban non linier xvi

17 2.19. Jenis jenis beban non linier Rangkaian pengukuran THDi, I 1,I t dan t trip Distribusi normal.σ = standard deviasi; μ = rata-rata Kurva I t vs I 1 pada THDi tetap Kurva I t vsthdi pada I 1 tetap Kurva THDi vs I 1 pada I t tetap Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada SI dan THDi 1,5 % Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada SI dan THDi 80 % Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada VI dan THDi 1,5 % Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada VI dan THDi 80 % Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada EI dan THDi 1,5 % Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada EI dan THDi 80 % Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada D dan Inst, THDi 1,5 % Kurva t trip vs I=I t /Is pada D dan Inst, THDi 1,5 % Kurva t trip vs I=I 1 /Is pada D dan Inst, THDi 80 % Kurva t trip vs I=I t /Is pada D dan Inst, THDi 80 % xvii

18 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Halaman 1 Dampak harmonisa terhadap I 1 dan I t : I 1 dan I t pada THDi tetap Dampak harmonisa terhadap I 1 dan I t : THDi dan I t pada I 1 tetap Dampak harmonisa terhadap I 1 dan I t : THDi dan I 1 pada I t tetap Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada karakteristik SI dan THDi 1, Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada karakteristik SI dan THDi 80 % Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada karakteristik VI dan THDi 1,5 % Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada karakteristik VI dan THDi 80 % Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada karakteristik EI dan THDi 1,5% Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada karakteristik EI dan THDi 80% Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada D dan Inst serta THDi 1,5% Dampak harmonisa terhadap t trip rele: pada D dan Inst serta THDi 80%. 162 xviii

19 DAFTAR ISTILAH Simbol A AC ac AT av Arus Pick-up Arus Drop-off CB dc D DT EI EM Feeder GI Hz I IEC IEEE Judul Ampere atau satuan arus listrik Air Conditioning atau Pendingin Udara arus bolak balik Autotransformator average = rata-rata Arus minimum yang dibutuhkan rele untuk mulai trip Arus maksimum yang dibutuhkan rele untuk mulai off Circuit Breaker atau Pemutus Tenaga direct current atau arus searah Karakteristik Arus waktu Definite Definite Time atau waktu tertentu Extremely Inverse Electro Mechanics atau elektro mekanis Penyulang Gardu Induk Heinrich Rudolf Hertz atau satuan frekuensi Arus listrik International Electrotechnic Commission Institute of Electrical and Electronics Engineers xix

20 I 1 I h I t Inst IT Is kv LV LHE msc h N/HL OCR Output PCC PLN PMT PQA P3BJB PT Rating Arus fundamental Arus pada harmonisa ke h Arus root means square atau arus efektif yaitu arus fundamental dan arus harmonisa Karakteristik arus waktu Instantaneous (sesaat) Inverse Time atau waktu terbalik Arus setting atau arus setelan kilo Volt atau satuan tegangan Low Voltage atau tegangan rendah Lampu Hemat Energi milli seconds counter atau penghitung mili detik Harmonisa ke h Non Harmonics / Harmonics Load Over Current Relay atau rele arus lebih keluaran Point of Common Coupling atau titik sambung bersama Perusahaan Listrik Negara Pemutus Tenaga Power Quality Analyser atau analiser mutu daya Pusat Penyaluran dan Pengaturan Beban Jawa Bali Perseroan Terbatas pengenal atau julat xx

21 Rms SD SI Switching t t trip THDi Trafo VA VI vs root means square atau akar pangkat dua rata-rata Standard Deviation = Standar Deviasi = σ Standard Inverse pensaklaran Derajat Kebebasan waktu trip Total Harmonics Distortion arus Transformator Volt Ampere atau satuan daya semu Very Inverse versus = terhadap xxi