BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI Pada bab ini akan dijelaskan tentang gangguan pada sistem tenaga listrik, sistem proteksi tenaga listrik, dan metoda proteksi pada transformator daya. 2.1 Gangguan dalam Sistem Tenaga Listrik Dalam penyediaan energi listrik pada konsumen ada tiga unsur utama yang terlibat yaitu, pembangkitan (generation), penyaluran (transmission), dan distribusi (distribution). Ketiga unsur tersebut tidak boleh terpisahkan yang berarti pula bahwa masing-masing unsur tersebut harus bekerja dengan baik dalam rangka menyuplai kebutuhan listrik pada konsumen. Oleh karena itu, diperlukan keadaan sistem yang handal dari segala gangguan yang mungkin terjadi agar penyaluran listrik dapat tetap berlangsung walaupun sistem dalam keadaan yang tidak normal karena gangguan tersebut. Analisis akan adanya gangguan yang mungkin terjadi merupakan hal yang sangat penting untuk dilakukan dalam perancangan jaringan sistem tenaga listrik. Mengingat bahwa gangguan tersebut tidak mungkin untuk dicegah sehingga perlu antisipasi secara maksimal terhadap masing-masing gangguan tersebut. Dalam kenyataannya akan didapat banyak gangguan terjadi, yaitu gangguan hubung singkat serta gangguan lainnya berupa pembebanan berlebih yang dapat merusak peralatan maupun gangguan luar dari alam sebagai contoh ialah petir. Gangguan hubung singkat ialah gangguan yang paling sering terjadi dalam pengoperasian sistem tenaga listrik. Gangguan hubung singkat dalam sistem tenaga listrik berdasarkan jenis timbulnya gangguan dapat dibedakan dalam dua kelompok sebagai berikut : a) Gangguan hubung singkat seimbang (simetris) atau disebut juga gangguan hubung singkat tiga fasa (K K K) 8

2 b) Gangguan hubung singkat tidak seimbang, yaitu : Hubung singkat satu fasa ke tanah (K T) Hubung singkat fasa ke fasa (K K) Hubung singkat dua fasa ke tanah (K K T) Setiap gangguan yang mungkin terjadi memiliki masing-masing cara yang spesifik pada pengantisipasiannya. Oleh karena itu diperlukan pengelompokan dalam skema proteksi yang dijalankan. Pada penelitian ini, yang menitikberatkan proteksi pada transformator daya, akan dibahas gangguan yang terjadi di sekitar komponen penting ini beserta metoda proteksi yang dijalankan. Gangguan hubung singkat berdasarkan daerah lokasi gangguan pada daerah transformator daya dapat dibedakan menjadi : a) Gangguan dalam (internal fault), yaitu gangguan yang dimana lokasi gangguannya terletak didalam zona dari trafo arus pada sistem proteksi transformator daya (Current Trafo/CT) b) Gangguan luar (eksternal fault),yaitu gangguan yang dimana lokasi gangguannya terletak diluar zona dari trafo arus pada sistem proteksi transformator daya (Current Trafo/CT) Pada sistem proteksi untuk sebuah transformator daya, disaat gangguan internal timbul dalam sistem maka relai harus bekerja seakurat dan secepat mungkin untuk melindungi transformator daya dari kerusakan yang parah. Melainkan disaat gangguan eksternal timbul dari sistem maka relai harus tetap mengindikasikan transformator agar tetap bekerja dan sistem transmisi berjalan dengan normal. Pada kejadian magnetizing inrush current yaitu saat kondisi transien dimana transformator pada permulaan diberi tegangan. Pengoperasian transformator harus tetap berjalan dengan stabil pada keadaan transien inrush karena kondisi ini tidak termasuk dalam kategori gangguan. 2.2 Sistem Proteksi Tenaga Listrik Instalasi yang tertanam dalam suatu sistem penyediaan tenaga listrik berupa fasilitas-fasilitas pembangkitan, transmisi, dan distribusi demikian besarnya sehingga 9

3 perlu diatur agar seluruh sistem tidak hanya dioperasikan dengan efisiensi setinggi mungkin, tetapi seluruh peralatannya juga diamankan dan dilindungi terhadap kerusakan. Kerusakan pada instalasi sistem penyediaan tenaga listrik tidak hanya menyebabkan kerugian pada pemasangan instalasi baru, melainkan hasil produksi yang menurun karena terhambat dan waktu yang banyak terbuang. Oleh karena itu diperlukan adanya perencanaan dan perancangan yang akurat pada sistem tenaga listrik Perancangan dari sistem tenaga listrik memiliki banyak alternatif yang dapat digunakan untuk meminimalisasi efek dari kejadian tidak normal yang timbul dari sistem itu sendiri atau peralatan peralatan pendukungnya. Berbagai alternatif untuk perancangan sistem tenaga listrik dianalisis dan disimulasikan untuk mendapatkan keandalan sistem sebaik mungkin. Dari berbagai alternatif tersebut dipilih desain yang layak dari berbagai pertimbangan seperti, memiliki tingkat keandalan yang paling baik, tingkat ekonomis yang tinggi, maupun disesuaikan dengan daerah tempat instalasi akan dipasang. Desain yang akan digunakan pada sistem perancangan sistem tenaga tersebut memiliki banyak aspek tujuan meliputi : 1. Mengisolasi secara cepat bagian sistem yang terganggu dari sistem dan menjaga agar bagian lain dari sistem tetap bekerja dalam keadaan normal. Hal ini juga termasuk meminimalisasi kerusakan pada bagian yang mengalami gangguan tersebut 2. Meminimalisasi besaran (magnitude) dari arus short circuit yang dapat dihasilkan dan sehingga dapat meminimalisasi potensial kerusakan yang dapat terjadi pada sistem, peralatan-paralatan, dan utilisasi pendukungnya. 3. Mempersiapkan rangkaian alternatif, automatic throwovers, atau peralatan recloser otomatis ataupun keduanya untuk peralatan-peralatan pendukung lain. Gangguan listrik terberat yang terjadi dalam suatu sistem tenaga listrik adalah yang mengakibatkan terjadinya peningkatan arus listrik dan penurunan tegangan, frekuensi, dan faktor daya. Relai-relai pengaman tidak dapat menghilangkan 10

4 kemungkinan adanya gangguan pada sistem, melainkan baru dapat bekerja setelah terjadinya gangguan. Dalam pengerjaan sebuah desain dasar dari sistem proteksi maka dibutuhkan skema proteksi dari peralatan-peralatan yang digunakan secara spesifik pada bagian sebuah sistem. Beberapa proteksi khusus tersebut harus dikoordinasikan dengan dasar sistem perancangan sistem proteksi yang akan digunakan serta kendala maupun gangguan yang diprediksi akan muncul dalam sistem tenaga listrik tersebut. Hal-hal tersebut saling berkaitan yaitu meliputi : 1. Proteksi pada konduktor 2. Proteksi pada motor 3. Proteksi pada transformator 4. Proteksi pada generator 5. Proteksi pada bus dan switch gear 6. Proteksi pada transmisi jaringan pendukung (feeder) Proteksi pada transformator daya akan menjadi topik yang dititikberatkan dalam penelitian ini. Transformator daya merupakan salah satu komponen yang paling krusial dalam sistem jaringan tenaga listrik. Beberapa metode konvensional sistem proteksi pada transformator daya masih digunakan hingga saat ini, antara lain : 1. Relai Buchholz 2. Proteksi hubungan tanah 3. Proteksi termal 4. Proteksi diferensial Relai Buchholz merupakan sistem proteksi yang khas untuk transformator, khususnya untuk transformator minyak. Bilamana di dalam bejana transformator terjadi suatu gangguan, maka minyak akan mengalami pemanasan berlebih sehingga terbentuk gas. Pembentukan gas tersebut itu merupakan alat untuk mendeteksi terjadinya gangguan dalam bejana transformator dengan relai Buchholz. Proteksi hubungan tanah dipakai pada transformator yang lebih kecil dari 1 MVA. Pada transformator dengan kapasitas lebih besar dari 1 MVA menggunakan relai diferensial. Pemilihan ini didasarkan pada harga untuk pengaman diferensial 11

5 yang cenderung mahal. Tujuan dari proteksi hubungan tanah adalah untuk mendeteksi arus gangguan hubungan tanah pada transformator daya. Proteksi termal menggunakan relai termal yang dilengkapi dengan elemen suhu. Pada kasus saat sebuah transformator mengalami beban lebih yang tidak begitu besar selama suatu jangka waktu yang agak lama. Disebabkan beban lebih yang tidak terlalu banyak maka proteksi arus lebih tidak akan bekerja. Tetapi karena beban lebih itu berlangsung untuk jangka waktu yang cukup lama maka transformator akan menjadi panas. Kenaikan suhu itu dapat merusak keadaan isolasi transformator, oleh karena itu dipergunakan proteksi termal pada transformator. 2.3 Proteksi Differensial pada Transformator Daya Metode yang telah sering dipakai ialah dengan melakukan pengukuran arus diferensial antara sisi tegangan tinggi dengan sisi tegangan rendah. Jika amplitudo dari arus differensial melebihi batas yang telah ditentukan maka relai akan mendeteksi adanya gangguan serta secepatnya bekerja untuk melindungi transformator dari kerusakan yang parah serta menjaga sistem agar tetap stabil. Sistem proteksi relai diferensial ini menggunakan relai diferensial yang komponen utamanya terdiri dari operating coil dan restraint coil. Pada gambar 2.1, yang merupakan suatu skema prinsip kerja proteksi dengan relai diferensial. Objek yang diamankan adalah protected equipment. Pada sisi kiri dan sisi kanan dari objek terpasang dua trafo arus yaitu TA 1 dan TA 2, yang dihubungkan pada kumparan-kumparan dari relai proteksi seperti tampak pada gambar. Bilamana tidak terdapat suatu gangguan pada objek, maka arus listrik di sebelah kiri maupun kanan dari objek adalah sama, yaitu I (I 1 = I 2 = I). Sedangkan arus yang mengalir di dalam trafo arus adalah sebesar i. Operating Coil (OC) pada relai diferensial yang terletak di tengah-tengah rangkaian sedemikian rupa, sehingga tidak akan dialiri arus bilamana baik TA 1 maupun TA 2 dialiri arus yang besarnya 12

6 sama. Perlu dikemukakan bahwa sistem dibumikan, yaitu sistem yang dihubungkan dengan tanah. Apabila suatu gangguan hubung singkat terjadi pada pada titik didalam zona pengukuran trafo arus, karena sistem dibumikan maka, arus gangguan akan mengalir ke tanah dari titik gangguan. Kemudian melalui tanah dan titik pembumian kembali ke sistem rangkaian listrik. Dapat diketahui bahwa karena terdapat hubungan tanah pada titik A, trafo arus TA 2 tidak dialiri arus listrik. Di lain pihak, pada trafo arus TA 1 akan mengalir arus listrik, yang juga akan melewati kumparan OC pada relai diferensial yang karenanya akan bekerja, dan menyebabkan trip pada saklar dan objek yang dilindungi telah diamankan. Dari prinsip kerja diatas maka diketahui bahwa daerah yang diamankan oleh sistem proteksi ini adalah yang terletak di antara kedua trafo arus TA 1 dan TA 2. Bilamana gangguan terjadi diluar daerah itu, maka relai tidak akan bekerja. Daerah jankauan trafo arus tersebut dinamakan zona proteksi dari transformator daya. Gambar 2.1 Skema Proteksi Differensial Menggunakan Relai Differensial Gambar 2.2 memperlihatkan skema proteksi differensial untuk transformator tiga fasa, hubungan bintang-delta, dan sistem dibumikan. Pada situasi titik bintang dibumikan, trafo-trafo arus dihubungkan delta pada sisi primer dan sekunder. Apabila diumpamakan rasio transformasi sebesar satu. Gangguan berupa hubungan ke tanah terjadi pada titik A, di luar daerah proteksi. Terlihat bahwa kumparan relai tidak dialiri arus listrik sehingga sistem proteksi diferensial tidak akan bekerja. 13

7 Bilamana gangguan terjadi di dalam daerah pengaman, maka dapat dilihat bahwa sistem proteksi akan bekerja. Gambar 2.2 Skema Proteksi Differensial 3 Fasa Metoda proteksi diferensial memiliki beberapa permasalahan umum, permasalahan pertama ialah Ketika adanya penambahan beban maka sisi beban akan mengalami tegangan jatuh (voltage drop) yang lebih besar, sehingga untuk kembali menaikkan tegangan di sisi beban, maka pada transformator daya akan dilakukan perubahan tap (tap changing). Perubahan tap changer pada transformator daya tersebut akan mempengaruhi besaran arus yang terdeteksi pada relai diferensial. Hal tersebut terjadi karena penetapan rasio CT tidak berubah antara sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah transformator daya pada sistem proteksi. Perubahan besaran arus yang mengalir melewati relai diferensial akan menimbulkan sinyal trip yang seharusnya tidak terdeteksi sebagai gangguan. Permasalahan kedua ialah adanya kesalahan rasio trafo arus (CT-ratio mismatch) pada pemasangan trafo arus sistem proteksi diferensial untuk transformator daya. CT-ratio mismatch dapat menimbulkan ketelitian besaran arus 14

8 yang tidak sesuai dengan relai diferensial sehingga mengakibatkan timbulnya sinyal trip. Permasalahan ini didukung karena keterbatasan rasio CT di pasaran untuk memenuhi kebutuhan perbandingan arus yang spesifik. 2.4 Metode-Metode Proteksi Diferensial Transformator Daya dan Permasalahannya Dalam perkembangan ilmu sistem tenaga listrik, telah diajukan beberapa metoda yang menitikberatkan pada masalah proteksi dari gangguan di sekitar trafo daya, diantaranya adalah : 1. Masalah magnetizing inrush current dan saturasi transformator arus (CT) [10,11] 2. Membedakan Magnetizing Inrush Current dengan gangguan internal [12,13] 3. Proteksi Digital Wavelet-Based [2,3] Magnetizing inrush current ialah kejadian pada kondisi transien yang timbul saat permulaan transformator daya diberi tegangan. Selama terjadinya megnetizing inruh current hanya akan ada arus yang masuk ke sisi primer dan tidak ada arus yang keluar dari sisi sekunder transformator, maka pada relai diferensial akan tampak seperti terjadi gangguan internal. Arus inrush memiliki beberapa karakteristik antara lain, amplitudonya akan menjadi kurang lebih 16 kali lebih besar dari arus beban penuh. Kemudian akan menurun secara perlahan-lahan, sekitar 10 siklus untuk unit transformator yang kecil hingga 1 menit untuk unit transformator besar. Komponen harmonisa dari arus inrush berbeda dengan arus pada beban normal maupun arus saat terjadi gangguan. Tipikal bentuk gelombang pada arus inrush memiliki komponen frekuensi fundamental yang besar, komponen DC dan komponen harmonisa kedua dan kelima. Komponen harmonisa kedua tidak akan tampak pada transformator daya pada kondisi lain kecuali pada saat permulaan transformator daya saat mengalami energisasi. Kejadian ini bukanlah termasuk gangguan, oleh karena itu pengoperasian transformator harus tetap stabil berjalan pada kejadian transien tersebut. Permasalahan saturasi trafo arus termasuk permasalahan yang umum terjadi. Trafo arus memperlihatkan bentuk gelombang yang sepadan dengan sisi arus primer 15

9 sampai dengan inti trafo arus tersebut mengalami saturasi. Disaat inti dari trafo arus mengalami saturasi, saturasi ini mempengaruhi bentuk gelombang pada sisi sekunder trafo arus sehingga dapat mempengaruhi besaran arus yang terdeteksi pada kumparan relai. Faktor-faktor yang menyebabkan saturasi pada trafo arus ialah arus primer trafo yang besar, residual flux, burden yang besar dari sisi sekunder trafo arus, ataupun kombinasi dari ketiga faktor ini. Ketiga faktor ini menyebabkan tingginya rapat fluks pada inti trafo arus. Jika kerapatan fluks pada inti trafo arus telah melampaui batasan yang telah ditetapkan maka terjadi saturasi trafo arus. Pada kondisi ini tingkat akurasi dari trafo arus menjadi sangat rendah dan output yang dihasilkan pada kumparan sekunder terdistorsi oleh komponen harmonik. Pada proteksi dengan menggunakan Wavelet-Based, sinyal input yang diperoleh akan diolah menjadi bentuk koefisien wavelet. Metode ini dapat dipakai untuk membedakan kejadian antara gangguan dalam, gangguan luar maupun magnetizing inrush dengan menggunakan kedua sinyal input tersebut. Metoda Wavelet-Based dilakukan dengan menganalisa komponen harmonik. Ide utama dari analisa ini adalah menguraikan harmonik fundamental (pertama), ke-2 dan ke-5 pada suatu sinyal arus differensial kemudian membandingkan rasio harmonik ke-2 dan harmonik fundamental ( M 2 / M1) dengan suatu nilai k 1 dan membandingkan rasio harmonik ke-5 dan harmonik fundamental ( M 5 / M1) dengan suatu nilai k 2. Rele tidak akan memberikan sinyal trip apabila kondisi M / M k dan M / M ) ( k2 terpenuhi. Kekurangan analisa harmonik ini adalah bahwa pada transformator modern, yang memiliki rugi-rugi inti besi yang rendah maka transformator mengandung arus dengan harmonik ke-2 dan ke-5 yang rendah saat terjadinya arus magnetizing inrsuh sehingga rele akan memberikan sinyal trip untuk kondisi ini. Respon rele yang dihasilkan dari pendekatan analisa harmonik adalah ¼ siklus sampai dengan 2 siklus [3]. Berbagai metoda diatas dikembangkan untuk melakukan analisis gangguan secara cepat dan akurat sehingga dapat memberikan gambaran kondisi sistem secara tepat kepada operator dilapangan, dengan demikian dapat dilakukan tindakan untuk 16

10 mencegah terjadinya masalah yang lebih besar pada sistem. Pada penelitian tugas akhir ini, dikembangkan metoda yang bertujuan untuk memperoleh perbaikan kinerja dari sebuah proteksi menggunakan relai diferensial dan metoda-metoda deteksi gangguan yang telah dikembangkan sebelumnya. Adapun analisis kinerja dari metoda yang telah dikembangkan sebelumnya sebagai berikut : 1. Menggunakan arus dan tegangan sebagai data masukan dalam pengukuran (adanya trafo arus dan trafo tegangan) 2. Diperlukan adanya rasio trafo arus yang cocok antara satu fasa dengan yang lain 3. Dapat menimbulkan kesalahan rasio trafo arus (CT-Ratio mismatch) karena adanya tap changer transformator daya Metoda proteksi transformator daya menggunakan transformasi Hilbert akan diajukan untuk memperbaiki kinerja dari metoda sebelumnya yang telah dikembangkan. Pada penelitian tugas akhir ini, metode ini telah diujikan dan bekerja secara realtime atau online pada simulasi yang dilakukan. Pengembangan kinerja dari metoda yang diajukan dibandingkan metoda sebelumnya adalah sebagai berikut : 1. Menggunakan arus sebagai data masukan dalam pengukuran, tidak menggunakan data tegangan sebagai parameter pengukuran. 2. Tidak membutuhkan adanya trafo tegangan (potential transformer) 3. Tidak memerlukan adanya rasio trafo arus yang cocok antara satu dengan yang lain 4. Kesalahan rasio trafo arus (CT-Ratio mismatch) dapat dihindari 17