BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI Gangguan pada sistem tenaga listrik merupakan salah satu faktor yang penting untuk diperhatikan demi kontinuitas berjalannya sistem tenaga listrik. Gangguan yang terjadi bisa diakibatkan baik oleh faktor internal maupun faktor eksternal. Ketika gangguan terjadi maka diperlukan suatu sistem pengaman tenaga listrik yang dapat mengantisipasi kerusakan pada peralatan tenaga listrik demi menjaga kontinuitas pelayanan pada sektor sistem tenaga listrik yang tidak mengalami gangguan. Sistem pengaman tenaga listrik yang bisa mengamankan jaringan sistem kelistrikan industri, harus memiliki pemilihan jenis dan setting yang tepat untuk melindungi peralatan dari kerusakan yang diakibatkan oleh gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik. Peralatan utama pada sistem pengaman tenaga listrik adalah fuse dan circuit beraker. Fuse bisa merasakan arus yang abnormal dan mengamankannya dengan meleleh serta membuka rangkaian listrik. Sedangkan circuit breaker mengamankan sistem tenaga listrik secara otomatis oleh perintah dari rele atau rele pengaman yang dipasang untuk merasakan arus abnormal dan memberikan perintah kepada circuit breaker untuk membuka rangkaian. Sistem pengaman terdiri dari bermacam-macam rele dengan operasi yang berbeda-beda untuk mengantisipasi gangguan yang berbeda-beda pula. Tidak jarang, dua atau lebih rele pengaman yang memiliki prinsip kerja yang berbeda dipasang untuk melindungi sebuah peralatan listrik. Masing-masing rele pengaman dalam sistem kelistrikan perlu dikoordinasikan dengan rele-rele pengaman lainnya untuk melindungi peralatan yang berdekatan. Sehingga dengan koordinasi yang tepat, pada saat terjadi arus abnormal atau arus gangguan bisa menyebabkan rele pengaman yang tepat untuk bekerja dan memberikan perintah kepada circuit breaker sehingga bisa mengisolir gangguan yang terjadi. 6

2 2.1.Penyebab Gangguan pada Sistem Tenaga Listrik Dalam sistem tenaga listrik, gangguan yang dapat memengaruhi kerja sistem disebabkan oleh dua faktor yaitu dari dalam sistem dan dari luar sistem. Penyebab gangguan yang berasal dari dalam sistem antara lain.: 1. Kerusakan mekanis karena faktor usia peralatan. 2. Pemasangan peralatan yang kurang baik. 3. Tegangan dan arus yang tidak normal 4. Beban lebih pada sistem. 5. Kerusakan bagian dari peralatan listrik seperti isolator pecah, kabel putus, atau kabel cacat isolasinya. Sedangkan penyebab gangguan yang berasal dari luar sistem antara lain: 1. Gangguan akibat pengaruh cuaca seperti hujan, salju dan terutama akibat petir, karena gangguan akibat petir bisa mengakibatkan tegangan lebih dan merusak isolasi sehingga terjadi hubung singkat. 2. Gangguan mekanis akibat pemasangan saluran lain seperti jaringan telepon, fiber optik dan sebagainya. 3. Gangguan akibat lingkungan, seperti pertumbuhan pohon yang menyentuh tiang listrik serta akibat kecerobohan manusia. 2.2.Gangguan Gangguan pada Sistem Tenaga Listrik Dalam sistem tenaga listrik tiga fasa, gangguan-gangguan yang mungkin terjadi antara lain 1. Gangguan Tegangan Lebih Gangguan tegangan lebih diakibatkan karena adanya kelainan pada sistem. Gangguan tegangan lebih bisa terjadi pada transformator, motor, kapasitor dan generator. Transformator dan generator didesain untuk bekerja tidak lebih dari 105% tegangan kerjanya sedangkan motor dan kapasitor tidak di desain untuk bekerja lebih dari 110% tegangan kerjanya. Gangguan tegangan lebih dapat terjadi antara lain karena gangguan petir dan gangguan surja hubung, diantaranya adalah penutupan saluran tak serempak pada pemutus tiga fasa, penutupan 7

3 kembali saluran dengan cepat, pelepasan beban akibat gangguan, penutupan saluran yang semula tidak masuk sistem menjadi masuk sistem, dan sebagainya. 2. Gangguan Beban Lebih Gangguan ini sebenarnya bukanlah gangguan murni, melainkan keadaan abnormal yang diakibatkan oleh peningkatan beban yang terus menerus hingga mengakibatkan pemanasan pada peralatan listrik. Biasanya gangguan ini terjadi pada transformator. 3. Gangguan Hubung Singkat Gangguan hubung singkat adalah hubungan abnormal yang terjadi antara dua atau lebih titik yang berbeda energi listrik. Gangguan ini dapat terjadi antara fasa (3 fasa dan dua fasa) atau antara satu fasa ketanah dan dapat bersifat temporari dan permanen. Gangguan yang permanen misalnya hubung singkat yang terjadi pada kabel karena tembusnya isolasi padat. Gangguan yang temporari misalnya hubung singkat akibat flashover sambaran petir. 2.3.Analisis Gangguan Hubung Singkat Gangguan hubung singkat ini sendiri digolongkan menjadi dua kelompok yakni gangguan hubung singkat simetri dan gangguan hubung singkat asimetri (tidak simetri). Yang termasuk dalam gangguan simetri adalah gangguan hubung singkat tiga fasa, sedangkan yang lainnya termasuk dalam gangguan hubung singkat asimetri yakni hubung singkat satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah, dan hubung singkat antar dua fasa. Hampir semua gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik adalah gangguan hubung singkat asimetri, gangguan ini menyebabkan mengalirnya arus tidak seimbang dalam sistem sehingga untuk analisis gangguan digunakan metode komponen simetri baik menentukan arus maupun tegangan disemua bagian sistem setelah terjadi gangguan. Prinsip dasar dari komponen simetris pada rangkaian sistem tiga fasa yang tidak seimbang yaitu bahwa pada setiap fasor yang tidak seimbang pada 8

4 sistem tenaga dapat diuraikan menjadi tiga kelompok fasor yang seimbang, yaitu: 1. Komponen urutan positif yang terdiri dari tiga fasor yang besarnya sama dengan beda fasa sebesar dan mempunyai urutan fasa yang sama seperti fasor sistem. Pada sistem tenaga listrik tidak dipengaruhi oleh hubungan belitan transformator maupun sistem pentanahan titik netral generator. Pada rangkaian urutan positif pada generator maka impedansi urutan positifnya terhubung seri dengan sumber tegangan. 2. Komponen urutan negatif yang terdiri dari tiga fasor yang sama besar berbeda fasa dan mempunyai urutan berlawanan dengan fasor sistem, model rangkaiannya sama seperti hubungan rangkaian urutan positif hanya saja tidak memiliki sumber tegangan. Nilai impedansi urutan negatif sama dengan nilai impedansi urutan positif. 3. Komponen urutan nol yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan mempunyai pergeseran fasa sebesar 0 0 antara satu dengan yang lain. Pada umumnya rangkaian urutan nol berbeda dengan rangkaian urutan positif maupun rangkaian urutan negatif. Rangkaian urutan nol tidak mempunyai sumber tegangan. Nilai impedansi suatu rangkaian urutan nol sangat dipengaruhi oleh hubungan belitan trafo dan pentanahan titik netral generator. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada Gambar 2.1 fasor tegangan seimbang. V a 1 V a 2 V a 0 V b 0 V c V c 1 V b 1 V b 2 V c 2 Gambar 2.1. Fasor Tegangan Tiga Fasa Seimbang 9

5 V a 0, b0 V a 1, b1 V a 2, b2 V, Vc 0 V, Vc 1 V, Vc2 adalah komponen urutan nol adalah komponen urutan positif adalah komponen urutan negatif 2.4. Perhitungan Arus Hubung Singkat Perhitungan untuk menghitung besar arus hubung singkat dalam sistem tenaga listrik dapat dilakukan dengan perumusan antara lain sebagai berikut : Gangguan Hubung Singkat 3 fasa Gangguan tiga fasa secara langsung merupakan hubung singkat yang digolongkan sebagai gangguan simetri. Model saluran gangguan tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.2 model saluran gangguan tiga fasa Gambar 2.2. Model Saluran Gangguan 3 Fasa. Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat 3fasa...(2.1) Dimana merupakan tegangan fasa ke netral Sedangkan merupakan impedansi urutan positif Gangguan Hubung Singkat Antar Dua Fasa Gangguan hubung singkat antar dua fasa digolongkan sebagai gangguan asimetri. Model saluran gangguan antar dua fasa dapat dilihat pada Gambar 2.3 model saluran gangguan antar dua fasa 10

6 Gambar 2.3. Model saluran gangguan antar dua fasa. Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat antar dua fasa...(2.2) merupakan tegangan fasa ke netral. Z1 dan Z 2 masng- masing merupakan impedansi urutan positif dan sama, maka didapatkan negatif yang mempunyai besaran nilai yang...(2.3) Dimana merupakan tegangan fasa ke netral.sedangkan merupakan impedansi urutan positif Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah Gangguan satu fasa ketanah merupakan hubung singkat yang digolongkan sebagai gangguan asimetri. Model saluran gangguan satu fasa ke tanah dapat dilihat pada Gambar 2.4 model saluran gangguan satu fasa ke tanah Gambar 2.4 Model Saluran Gangguan satu fasa ke Tanah. Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah.... (2.4) merupakan tegangan fasa ke netral.z 1 dan Z 2 masing- masing merupakan impedansi urutan positif dan negatif yang mempunyai besaran nilai yang sama.z 0 adalah impedansi urutan nol 11

7 Gangguan Hubung Singkat dua fasa Ketanah Gangguan dua fasa ketanah merupakan hubung singkat yang digolongkan sebagai gangguan asimetri. Model saluran gangguan dua fasa ke tanah dapat dilihat pada Gambar 2.5 model saluran gangguan dua fasa ke tanah Gambar 2.5. Model Saluran Gangguan dua Fasa ke Tanah Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah...(2.5) merupakan tegangan fasa ke netral.z 1 dan Z 2 masing- masing merupakan impedansi urutan positif dan negatif yang mempunyai besaran nilai yang sama.z 0 adalah impedansi urutan nol 2.5.Pengaman Sistem Tenaga Listrik Sistem tenaga listrik harus dirancang, dikonstruksikan, dibangun, dan dioperasikan dengan jalan yang aman, handal, dan ekonomis untuk menyalurkan daya kepada beban-beban tenaga listrik. Dan dalam rancangan awal pembangunan, spesifikasi peralatan sistem tenaga listrik harus dirancang untuk memenuhi beban beban yang diperkirakan akan bertambah. Akan tetapi, walupun sudah dirancang sedemikian rupa pasti gangguan sistem tenaga listrik bisa terjadi dan tidak dapat dihindari. Gangguan yang tidak dapat dihindari adalah gangguan eksternal yang contohnya adalah hubung singkat akibat sambaran petir yang bisa datang sewaktu-waktu. Oleh karena itu, hubung singkat merupakan gangguan yang harus bisa diamankan demi menjaga keandalan sistem. 12

8 Peralatan Pengaman Listrik Pengaman sistem tenaga listrik memiliki macam macam jenis dari peralatan pengaman lisrtik untuk mengatasi akibat-akibat negatif dari berbagai macam gangguan-gangguan. Tujuan utama dari sistem tenaga listrik sendiri adalah untuk menghasilkan dan menyalurkan energi listrik ke konsumen. Sistem tersebut harus dirancang dan dikendalikan untuk pengiriman energinya ke pengguna secara handal dan ekonomis. Keperluan akan sistem tenaga listrik yang handal dan ekonomis tidak dapat dielakkan. Banyak peralatan sistem tenaga listrik yang harganya sangat mahal dan sistem yang begitu rumit menggambarkan betapa banyaknya modal yang harus dikeluarkan. Biaya akan cepat kembali jika sistem tersebut dalam penggunaanya memungkinkan pengaman dan keandalan sistem yang terjamin. Pemilihan peralatan pengaman merupakan hal yang terpenting dalam pengamanan sistem tenaga listrik. Salah satu dari peralatan pengaman yang sering dan handal adalah rele pengaman. Rele merupakan bagian dari peralatan sistem tenaga listrik yang digunakan untuk memberikan sinyal kepada circuit breaker (CB), supaya dapat memutuskan atau menghubungkan pelayanan penyaluran pada elemen sistem tenaga listrik. Rele ini akan memberikan sinyal kepada circuit breaker untuk memutuskan sistem tenaga listrik jika terjadi gangguan, hal ini dapat di jelaskan secara blok alur kerja rele pada Gambar 2.6. Gambar 2.6. Alur Kerja Rele Pengaman Pada dasarnya rele proteksi terdiri dari sebuah elemen operasi dan seperangkat kontak. Elemen operasi menerima masukan arus dari transformator arus ataupun tegangan dari transformator tegangan atau kombinasi dari keduanya. Dalam beberapa kasus rele melakukan pengukuran atau perbandingan operasi dasar input dan mengubahnya dalam bentuk gerakan kontak. Keadaan 13

9 keluaran dari rele adalah menutup (close) dan ditahan (block). Jika keadaan tertutup maka rele akan meberikan sinyal untuk melakukan proses pembukaan dari circuit breaker dimana pada gilirannya akan mengisolasi gangguan dari bagian sistem tenaga listrik lain yang sehat. Didalam pemilihan setting sebuah rele harus dilakukan dengan benar agar tidak terjadi kesalahan operasi pada saat terjadi gangguan. Oleh karena itu halhal yang mempengaruhi dalam pemilihan setting rele harus benar-benar diperhatikan Rele Pengaman Listrik Rele digunakan untuk memberikan sinyal kepada circuit breaker (CB) rele pengaman biasanya dipisahkan menjadi tiga elemen dasar seperti terlihat pada Gambar 2.7 elemen dasar rele. Gambar 2.7. Elemen Dasar Rele Pengaman a) Elemen Pengindera Elemen pengindera merupakan elemen sensing atau elemen untuk merasakan aliran arus, tegangan atau frekeuensi yang mengalir pada suatu jalur untuk selanjutnya dikirimkan kepada elemen pembanding. b) Elemen Pembanding Elemen pembanding merupakan elemen kedua yang menerima masukan dari rele pengindera untuk selanjutnya melakukan perbandingan antara masukan dengan parameter yang telah dipilih besarannya dalam elemen pembanding ini. Dan elemen ini membandingkan antara kondisi normal sistem dengan kondisi sistem terganggu. Dan keluaran dari elemen ini adalah kondisi abnormal sistem, maka elemen pembanding akan memberikan masukan kepada elemen kontrol. 14

10 c) Elemen Kontrol Elemen kontrol merupakan elemen mengadakan perubahan secara cepat pada besaran ukurnya dan akan segera memberikan isyarat untuk membuka circuit breaker atau memberikan sinyal. Komponen yang berfungsi sebagai elemen kontrol adalah kumparan penjatuh (trip-coil) Syarat Syarat Rele Pengaman Rele pengaman merupakan elemen yang penting dalam pengaman sistem tenaga listrik, oleh karena itu untuk menjaga keandalan dari pelayanan energi listrik maka rele pengaman perlu memenuhi syarat keandalan sebagai berikut : a) Kecepatan Bereaksi dan Operasi Pada prinsipnya kecepatan kerja rele adalah hal yang penting untuk mengatasi gangguan karena semakin cepat rele bekerja semakin kecil resikonya untuk merusak sistem. Rele harus cukup peka sehingga dapat mendeteksi gangguan di kawasan pengamanannya meskipun dalam kondisi yang memberikan rangsangan yang minimum. Kepekaan rele diartikan sebagai kemampuan merespon bila kondisi kerja cenderung menyimpang dari kondisi kerja normal. Bila suatu kondisi kerja normal tiba-tiba mengalami gangguan, maka sistem pengaman harus cepat tanggap (peka). Sensitifitas dapat dituliskan dengan persamaan faktor sensitif Ks, yang merupakan perbandingan antara arus hubung singkat minimum dan arus pick up. s I scmin I pp K...(2.6) dimana : Isc min = arus hubung singkat minimum. Ipp = arus pick up (arus kerja) primer dari pengaman. 15

11 Selain kecepatan bereaksi, rele pengaman juga harus benar dalam mengambil keputusan. Keputusan ini maksudnya adalah menentukan apakah sistem memang terjadi gangguan atau tidak terjadi gangguan. b) Selektivitas Selektif maksudnya adalah penentuan peralatan rele pengaman harus bekerja atau tidak. Pengaman harus dapat memisahkan bagian sistem yang terganggu sekecil mungkin yaitu hanya seksi yang terganggu saja yang menjadi kawasan pengamanan utamanya. Jadi rele harus dapat membedakan apakah gangguan terletak di kawasan pengamanan utamanya dimana ia harus bekerja cepat atau terletak di seksi berikutnya dimana ia harus bekerja dengan waktu tunda atau harus tidak bekerja sma sekali karena gangguannya di luar daerah pengamanannya atau sama sekali tidak ada gangguan. Untuk mengkoordinasikan rele agar menjadi selektif adalah melakukan perhitungan hubung singkat dengan cermat dan memperhatikan karakteristik dari rele tersebut. c) Keandalan Pada keandalan rele pengaman ada tiga aspek penting dalam keandalan pengaman sistem tenaga listrik yakni Dependability, security, dan availability. Dependability adalah yaitu tingkat bekerjanya (keandalan kemampuan bekerjanya). Pada prinsipnya rele pengaman harus dapat diandalkan bekerjanya (dapat mendeteksi dan melepaskan bagian yang terganggu) dan tidak boleh gagal bekerja. Sehingga dependabilitynya harus tinggi. Sedangkan sekuritas atau security adalah yaitu tingkat kepastian untuk tidak salah bekerja (keandalan untuk tidak salah kerja). Kondisi salah kerja adalah kondisi dimana rele bekerja pada saat seharusnya rele tidak bekerja, misalnya karena lokasi gangguan di luar kawasan pengamananya atau sama sekali tidak ada gangguan. Salah kerja mengakibatkan pemadaman yang sebenarnya tidak perlu terjadi. Dan availability adalah yaitu perbandingan antara waktu dimana rele pengaman dalam keadaan siap kerja dan waktu total operasinya. Dari 16

12 ketiga aspek tersebut, keandalan rele bisa dihitung juga dari kinerja rele yang bekerja saat terjadi gangguan di bandingkan dengan jumlah gangguan yang terjadi, dan berdasarkan standar teknik rele yang handal memiliki keandalan 94%. d) Ekonomis Sistem pengaman peralatan juga harus mempertimbangkan sisi ekonomis dari pemasangan peralatan pengaman tersebut. Karena itu tidak semua peralatan harus dilengkapi dengan pengamanan yang lengkap karena harga peralatan pengaman juga harus diperhitungkan tanpa menghilangkan efektivitas penyaluran daya listrik. Sisi ekonomis perlu dipertimbangkan setelah aspek teknis telah terpenuhi untuk kelayakan operasi peralatan Tipe Rele Pengaman Pada dasarnya sistem pengaman rele yang digunakan dalam sistem tenaga listrik tidak berdiri sendiri-sendiri, artinya dalam pengoperasiannya dibantu oleh rele. Untuk tujuan sistem pengamanan, rele dapat dibagi kedalam beberapa tipe sesuai dengan fungsinya: a) Rele Arus Lebih(50 / 51) Rele arus lebih adalah rele perlindungan yang bekerja bila arus yang mengalir pada saluran melebihi arus yang dipilih pada rele arus lebih tersebut. Rele arus lebih dibedakan menjadi dua yakni time overcurrent relay(51) dan instantaneous overcurrent relay(50). Yang membedakan kedua jenis rele arus lebih ini adalah dalam hal waktu bekerja tiap rele. time overcurrent relay (51) bekerja dengan waktu tunda atau mempunyai karakteristik inverse time, dimana waktu kerja rele berbanding terbalik dengan besar arus setting. Sedangkan instantaneous overcurrent relay(50) bekerja tanpa menggunakan waktu tunda, saat terjadi gangguan, skeketika itu rele ini bekerja dengan waktu yang singkat. 17

13 b) Rele Arah(67) Rele arah bekerja bila arus gangguan mempunyai arah tertentu dan arah sebaliknya tidak bekerja. Apabila rele arah ini digabungkan sering dikatakan rele arus lebih terarah. c) Rele Jarak(21) Rele jarak bekerja atas dasar perbandingan tegangan (V) dan arus (I) yang terukur pada lokasi dimana rele tersebut ditempatkan pada saat terjadi gangguan. Apabila V/I yang terukur lebih kecil dari V/I yang diamankan atau impedansi (Z) saluran yang diamankan maka rele bekerja. Sedangkan bila V/I yang terukur lebih besar dari impedansi saluran yang diamankan maka rele tidak bekerja. d) Rele Differensial(87) Merupakan rele yang didesain bekerja berdasar perbedaan atau perbandingan antara arus masukan dan keluaran. e) Rele Gangguan Tanah(50G/N / 51G/N) Rele gangguan ketanah bekerja bila terjadi gangguan hubung singkat ke tanah atau antara fasa dengan tanah. f) Rele Turun Tegangan(27) Apabila terjadi gangguan pada saluran yang menyebabkan tegangan sistem turun dibawah harga penyetelan rele ini, maka rele bekerja Konsep Daerah Pengaman Konsep daerah pengamanan akan memberikan suatu pengertian mengenai batas daerah bagi sistem pengaman. Sehingga suatu sistem pengaman akan memberikan respon terhadap gangguan yang terjadi didaerahnya sendiri dan memberikan pengamanan terhadap gangguan tersebut. Adapun daerah-daerah perlindungannya adalah sebagai berikut: 1.Daerah pengamanan generator. 2.Daerah pengamanan transformer. 3.Daerah pengamanan busbar low voltage dan high voltage. 18

14 4.Daerah pengamanan saluran transmisi. 5.Daerah pengamanan motor. Gambar 2.8. Protection Zone Konsep daerah pengamanan dapat dilihat pada Gambar 2.8, dimana dalam Gambar tersebut merupakan suatu sistem tenaga listrik yang terdiri dari dua buah generator, empat buah transformator, dua saluran transmisi dan empat buah bus bar yang digambarkan dalam diagram segaris (single line diagram). Garis yang terputus-putus dan membentuk suatu loop tertutup tersebut menunjukan pembagian sistem tenaga listrik kedalam lima daerah perlindungan, masing-masing daerah mengandung satu atau beberapa komponen sistem tenaga serta pemutus rangkaian. Dengan melihat zona pengaman ini, koordinasi antar peralatan pengaman sangatlah penting untuk meningkatkan keandalan kontinuitas pelayanan energi listrik. 19

15 2.6.Rele Arus Lebih Dalam pengaman sistem tenaga listrik, rele yang sering digunakan adalah rele arus lebih. Rele arus lebih adalah rele perlindungan yang bekerja bila arus yang mengalir pada saluran melebihi arus yang dipilih pada rele arus lebih tersebut Prinsip Kerja Rele Arus Lebih Rele arus lebih merupakan suatu jenis rele yang bekerja berdasarkan besarnya arus masukan, dan apabila besarnya arus masukan melebihi suatu harga tertentu yang dapat diatur maka rele arus lebih bekerja. Hanya satu variabel yang dibutuhkan untuk mengoperasikan rele ini lebih bekerja yaitu arus. Walaupun prinsipnya sederhana, rele ini mempunyai banyak karakterisik yang dapat dikembangkan hanya dengan variabel arus dan waktu Dasar Pemilihan Seting Rele Arus Lebih Pada prinsipnya, rele arus lebih berfungsi sebagai pengaman gangguan hubung singkat, tetapi dalam beberapa hal dapat berfungsi sebagai pengaman beban lebih. Fungsi rele ini disamping sebagai pengaman utama untuk seksi yang diamankan juga berfungsi sebagai pengaman cadangan pada seksi berikutnya. Hal ini apabila rele arus lebih dipakai pada sistem distribusi tegangan menengah. Namun untuk saluran transmisi tegangan tinggi rele arus lebih berfungsi sebagai pengaman cadangan (back up). Mengingat gangguan yang terjadi pada saluran transmisi adalah gangguan hubung singkat phasa ke tanah, maka pemilihan setingnya juga berbeda sehingga akan diuraikan kriteria pemilihan seting untuk gangguan phasa dan gangguan tanah secara terpisah Konstruksi Rele Arus Lebih Gangguan-gangguan yang dapat diamankan pengaman arus lebih (fase fault) ini antara lain, gangguan hubung singkat antar fasa, tiga fasa dan tiga fasa ke tanah. Apabila arus beban melebihi nilai tertentu atau nilai seting pada 20

16 rele maka rele ini akan bekerja. Untuk lebih jelasnya konstruksi rele arus lebih secara sederhana dapat dilihat pada Skema rele arus lebih pada Gambar 2.9 Gambar 2.9. Skema Rele Arus Lebih 2.7.Karakteristik Rele Arus Lebih Berdasarkan karakteristikwaktunya rele arus lebih dibedakan atas 4 jenis karakteristik yaitu[8] : a) Instantaeous Rele b) Definite Rele c) Inverse Rele d) Inverse Definite Minimum Time (IDMT) Rele Arus Lebih Instant Prinsip kerja rele jenis ini adalah tanpa penundaan waktu, tapi masih bekerja dengan waktu cepat sebesar 0.1detik, pada umumnya kurang dari 0.05 detik, seperti terlihat pada Gambar Gambar Karakteristik Rele Arus Lebih Instant Bekerjanya rele ini didasarkan besarnya arus gangguan hubung singkat yang dipilih. Pada seting koordinasi proteksi di sistem distribusi tegangan menengah disebut dengan setting moment/instant. Misal saat terjadi 21

17 gangguan hubung singkat, membukanya CB dalam waktu cepat sekali (50 mili detik), berarti gangguan hubung singkat yang terjadi adalah dengan arus yang sangat besar. Bus CB TC Line If R S CT I Gambar Rangkaian rele arus lebih instant Gambar 2.11 adalah rangkaian rele arus lebih dengan karakteristik instant dimana bila karena adanya suatu hal sehingga arus yang mengalir melebihi harga yang diijinkan, maka harga Ir yang keluar dari sisi sekunder transformator arus juga akan naik melebihi dari arus seting rele sehingga rele bekerja. Kerja rele ini ditandai dengan menutupnya rangkaian rele. Karena merupakan rangkaian tertutup maka dengan adanya sumber tegangan dc maka tripping coil akan menarik kontak CB, sehingga CB terbuka. Untuk mengetahui bekerjanya rele, maka sering digunakan lampu indikator atau sinyal S yang dipasang antara rele dan tripping coil Rele Arus Lebih Definite Peralatan rele proteksi dengan menggunakan karakteristik definite time yang di seting pada rele, hanya didasarkan pada waktu kerjanya proteksi dengan tidak melihat besarnya arus gangguan. Kurva rele OCR dengan karakterisitik definite dapat dilihat pada Gambar berikut: 22

18 Gambar 2.12 Karakteristik Arus Lebih Definite Gambar 2.12 menunjukkan karakteristik waktu dan arus rele definite, dengan ts merupakan seting waktu sesuai setelan. Keuntungan dari karakteristik definite adalah koordinasinya mudah dan waktu kerjanya tidak tergantung pada perubahan kapasitas pembangkit. Disamping keuntungan adapula kerugiannya, yaitu terjadi akumulasi waktu pada rele dihulu. Untuk sistem yang besar, arus gangguan besar dalam hal ini kumulatif waktu tidak digunakan. Dengan memasang rele kelambatan waktu, maka beroperasinya rangkaian akan tergantung pada seting waktu Rele Arus Lebih Inverse Peralatan rele proteksi dengan menggunakan karakteristik inverse time relay, karakteristik grafiknya terbalik antara arus dan waktu, dimana semakin besar arus gangguan hubung singkat maka semakin kecil waktu yang dibutuhkan untuk membuka pemutus (PMT) sehingga dalam setingnya nanti rele jenis ini perlu mengetahui besarnya arus hubung singkat untuk tiap seksi di samping arus nominalnya serta kurva karakteristik rele. Karakteristik kerja rele arus lebih waktu invers di gambarkan dalam kurva arus-waktu atau yang biasa disebut time-current characteristic (TCC). TCC adalah kurva dengan skala dalam time dial. Semakin besar time dial, maka semakin lama waktu operasi dari rele tersebut. Keuntungan inverse time overcurrent rele, untuk kurva arus curam dengan pengamanan banyak seksi, rele dapat menekan akumulasi waktu di sisi hulu. Disamping itu kerugiannya sensitif terhadap perubahan pembangkit yang 23

19 cukup besar.adapun karakteristik operasi rele invers berdasarkan Standart IEC adalah sebagai berikut a. Standart inverse: b. Very inverse: c. Extremely Inverse: d. Long Inverse: 0,14 D t = x 0,02 10 I D t = x 10 I 1 T = I x 2 1 D...(2.7)...(2.8)...(2.9) Dimana: t = waktu tripnya rele 120 D t = x 10 I 1 I = arus pengali untuk seting arus input = If Iset D = arus gangguan = arus seting actual pada rele = time seting = time dial...(2.10) If (ampere) Iset Karakteristik-karakteristik dari rele inverse dapat digambarkan grafik seperti terlihat di Gambar 2.13 karakteristik operasi invers time rele : 24

20 Gambar 2.13 Karakterisrik Operasi Invers Time Rele 2.8.Pemilihan Setting Rele Arus Lebih Setting Arus Rele Penyetelan arus untuk rele arus lebih mempunyai batasan besarnya arus.pada dasarnya batas penyetelan rele arus lebih adalah rele tidak boleh bekerja pada saat beban maksimum. Arus setingnya harus lebih besar dari arus beban maksimum. Gambar 2.14 Batas Ketelitian Seting Arus Berdasarkan BS Berdasarkan Gambar 2.14 batas penyetelan harus memperhatikan kesalahan pick up, menurut Standart British BS batas penyetelan antara nominal Iset. Mengacu pada standart tersebut, pada tugas 25

21 akhir ini lebih amannya menggunakan konstanta 1.05 Iset. Jadi untuk setingnya dapat dilihat sebagai berikut: I set = 1,05 x I nominal...(2.13) I I s = set rasio_ct...(2.14) dimana : I s = arus seting Pemilihan tap yang digunakan = I s / I n Seting arus actual I set = tap x I n x CT Dicari nilai dibawahnya yang terdekat. Pada penyetelan rele arus lebih juga harus memperhatikan batas maksimum seting, untuk alasan keamanan dan back up hingga ke sisi muara (downstream) estimasi seting ditetapkan : I set 0.8 I sc2,min...(2.15) I sc2,min adalah arus hubung singkat dua fase dengan pembangkitan minimum yang terjadi diujung saluran seksi berikutnya. Besar arus ini diperoleh dari arus hubung singkat tiga fase pada pembangkitan minimum dikalikan 0,866. Mengacu pada konsep diatas persyaratan setelan arus dapat dirumuskan sebagai berikut : 1,05 I maks < I set 0,8 I sc 2, min... (2.16) Untuk operasi yang selektif, apabila terdapat beberapa rele arus lebih pada suatu jaringan radial. Maka rele pada ujung yang terjauh dari sumber harus disetel untuk dapat bekerja pada waktu yang sesingkat mungkin. Untuk jenis rele arus yang lebih karakteristik inverse, setelan waktunya ditentukan pada saat arus gangguan maksimum Setting Waktu Rele Dengan mengacu pada konsep daerah pengamanan, maka penyetelan rele arus lebih memiliki peranan yang penting dalam koordinasi seting rele 26

22 pengaman. Penyetelan rele arus lebih dapat dilakukan berdasarkan setelan waktu, setelan arus maupun kombinasi keduanya. Berdasarkan Standard IEEE 242 waktu yang dibutuhkan untuk kerja rele sampai circuit breaker membuka adalah s, dengan asumsi: Waktu terbuka circuit breaker 5 cycle : 0.08 detik Overtravel dari rele : 0.1 detik Faktor keamanan : 0.22 detik Untuk rele static dan rele digital berbasis mikroprosesor, over travel dari rele dapat diabaikan. Dari Standard tersebut ditentukan koordinasi antara dua rele yang bekerja sebagai rele utama dan rele backup adalah 0.3s. Misalnya pada koordinasi rele yang mempergunakan karakteristik definite time secara bertingkat seperti terlihat pada Gambar. Untuk waktunya dipilih seting dari sisi hulu sampai dengan sisi hilir, dengan tunda waktu 0.3 s. T set = Δt + t...(2.17) dimana : Δt =0.3 detik t = seting waktu pada feeder Gambar 2.15 Contoh Setting Koordinasi Dengan Kelembatan Waktu Jadi dari Gambar 2.15 bila pemilihan t (waktu) di rele bus C = 0.4 detik, waktu tunda (Δt) 0.3 detik, maka : Setelan waktu di rele pada bus B = = 0.7 detik Setelan waktu di penyulang keluar (rele bus A) = = 1 detik Setelah waktu di penyulang masuk = = 1.3 detik Dari contoh di atas bahwa setelan waktu semakin ke sumber/hulu semakin besar. 27

23 2.9.Koordinasi Pengaman Sistem Tenaga Pengertian koordinasi pengaman yaitu terdapat 2 jenis atau lebih peralatan proteksi diantara titik kesalahan/ gangguan. Peralatan ini harus dikoordinasikan untuk memastikan bahwa peralatan yang berada di titik terdekat dengan gangguan harus dioperasikan terlebih dahulu. Kegagalan pada proteksi utama harus dapat diatasi, yaitu dengan proteksi cadangan (back up protection). Proteksi cadangan ini umumnya mempunyai perlambatan waktu (time delay), hal ini untuk memberikan kesempatan kepada poteksi utama beroperasi terlebih dahulu, dan jika proteksi utama gagal baru proteksi cadangan yang akan beroperasi. Berdasarkan syarat dari rele pengaman yakni selektivitas, dimana merupakan kemampuan untuk menentukan pada titik mana terjadinya gangguan, sehingga dapat ditentukan dengan tepat pemutus daya yang harus dibuka. Dengan demikian hanya bagian yang mengalami gangguan saja yang dipisahkan atau diisolir dari sistem tersebut. Rele pengaman dengan kemampuan selektif yang baik dibutuhkan untuk mencapai keandalan sistem yang tinggi karena tindakan pengaman yang cepat dan tepat akan dapat memperkecil gangguan menjadi sekecil mungkin. Syarat yang diperlukan pada peralatan proteksi harus menilai atau menentukan pada saat beroperasi harus melihat pada nilai minimal overcurrent, nilai minimal waktu dan tetap pada kondisi selektif dari peralatan lain dalam suatu sistem sehingga seting arus dan seting waktu yang digunakan rele pengaman sangat diperlukan untuk menentukan respon bekerja dengan cepat apabila terjadi gangguan agar gangguan tersebut tidak menyebar merusak peralatan yang lain dari sistem Softaware ETAP ETAP (Electric Transient and Analysis Program) merupakan suatu perangkat lunak yang mendukung sistem tenaga listrik. Perangkat ini mampu bekerja dalam keadaan offline untuk simulasi tenaga listrik, online untuk pengelolaan data real-time atau digunakan untuk mengendalikan sistem secara real-time. Fitur yang terdapat di dalamnya pun bermacam-macam antara lain fitur yang digunakan untuk menganalisa pembangkitan tenaga listrik, sistem transmisi maupun sistem distribusi tenaga listrik. 28

24 ETAP ini awalnya dibuat dan dikembangkan untuk meningkatkan kualitas kearnanan fasiitas nuklir di Arnerika Serikat yang selanjutnya dikembangkan menjadi sistem monitor manajemen energi secara real time, simulasi, kontrol, dan optimasi sistem tenaga listrik, (Awaluddin, 2007). ETAP dapat digunakan untuk membuat proyek sistem tenaga listrik dalam bentuk diagram satu garis (one line diagram) dan jalur sistem pentanahan untuk berbagai bentuk analisis, antara lain: aiiran daya, hubung singkat, starting motor, trancient stability, koordinasi relay proteksi dan sistem harmonisasi. Proyek sistem tenaga listrik memiliki masingmasing elemen rangkaian yang dapat diedit langsung dari diagram satu garis dan atau jalur sistem pentanahan. Untuk kemudahan hasil perhitungan analisis dapat ditampilkan pada diagram satu garis. Etap Power Station memungkinkan kita untuk bekerja secara langsung dengan tampilan gambar single line diagram/diagram satu garis. Program ini dirancang sesuai dengan tiga konsep utama: 1. Virtual Reality Operasi Sistem operational yang ada pada program sangat mirip dengan sistem operasi pada kondisi real nya. Misalnya, ketika Anda membuka atau menutup sebuah sirkuit breaker, menempatkan suatu elemen pada sistem, mengubah status operasi suatu motor, dan utnuk kondisi de-energized pada suatu elemen dan sub-elemen sistem ditunjukkan pada gambar single line diagram dengan warna abu-abu. 2. Total Integration Data Etap Power Station menggabungkan informasi sistem elektrikal, sistem logika, sistem mekanik, dan data fisik dari suatu elemen yang dimasukkan dalam sistem database yang sama. Misalnya, untuk elemen subuah kabel, tidak hanya berisikan data kelistrikan dan tentang dimensi fisik nya, tapi juga memberikan informasi melalui raceways yang di lewati oleh kabel tersebut. Dengan demikian, data untuk satu kabel dapat digunakan untuk dalam menganalisa aliran beban (load flow analysis) dan analisa hubung singkat (short-circuit analysis) -yang membutuhkan parameter listrik dan parameter koneksi- serta perhitungan ampacity derating suatu kabel -yang memerlukan data fisik routing. 29

25 3. Simplicity in Data Entry Etap Power Station memiliki data yang detail untuk setiap elemen yang digunakan. Dengan menggunakan editor data, dapat mempercepat proses entri data suatu elemen. Data-data yang ada pada program ini telah di masukkan sesuai dengan data-data yang ada di lapangan untuk berbagai jenis analisa atau desain. Gambar 2.16 Tampilan ETAP ETAP PowerStation dapat melakukan penggambaran single line diagram secara grafis dan mengadakan beberapa analisa/studi yakni Load Flow (aliran daya), Short Circuit (hubung singkat), motor starting, harmonisa, transient stability, protective device coordination, dan cable derating. ETAP PowerStation juga menyediakan fasilitas Library yang akan mempermudah desain suatu sistem kelistrikan. Library ini dapat diedit atau dapat ditambahkan dengan informasi peralatan bila perlu. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam bekerja dengan ETAP PowerStation adalah : One Line Diagram, menunjukkan hubungan antar komponen/peralatan listrik sehingga membentuk suatu sistem kelistrikan. Library, informasi mengenai semua peralatan yang akan dipakai dalam sistem kelistrikan. Data elektris maupun mekanis dari peralatan yang detail/lengkap dapat mempermudah dan memperbaiki hasil simulasi/analisa. 30

26 Standar yang dipakai, biasanya mengacu pada standar IEC dan ANSI. Perbedaan antara standar IEC dan ANSI terletak pada standar frekuensi yang digunakan yang mengakibatkan perbedaan spesifikasi peralatan yang digunakan. Jika pada standar IEC nilai frekuensi yang digunakan adalah 50 Hz, sedangkan pada standar ANSI nilai frekuensi yang digunakan adalah 60 HZ Protective Device Coordination Fitur yang digunakan untuk koordinasi relay proteksi pada ETAP adalah mode star protective device coordination. Mode star protective device coordination menyediakan pendekatan intuitif dan logis dalam menganalisa kurva TCC dengan fitur dan kemampuan yang mudah dipahami secara grafis dan pemodelan peralatan proteksi yang akurat.tools ini bisa mengetahui kinerja dari sistem proteksi seperti OCR (Over Current Relay),OCGR(Over Current Ground Relay),Volt Relay,Differential Relay,Reverse power Relay dan Motor Relay. Dengan one line diagram, library peralatan proteksi yang komprehensif dan database dimensi,mode star protective device coordination memberikan pemahaman yang baik tentang penyelesaian berbagai masalah trouble shooting seperti relay salah operasi dan salah koordinasi. Dibawah ini merupakan gambaran umum untuk menggunakan mode star protective device coordination. Gambar 2.17 Toolbar mode Pada toolbar ini,menu Edit digunakan untuk mengeluarkan toolbar OCR, kemudian pilih toolbar OCR dan drag ke layar kerja utama.double klik pada gambar OCR untuk mengedit berbagai informasi yang di perlukan. 31

27 Gambar 2.18 Toolbar Library pada OCR Tipe relay dipilih pada menu OCR library,terdapat berbagai manufactur dan jenis model relay serta fungsi yang digunakan. Gambar 2.19 Setting Input CT Pada menu Input kita bisa mesetting data dari ratio CT dan pada menu input informasi tagging dan nama bisa di edit.untuk melihat hasil dari settingan yang telah diinput yaitu berupa kurva bisa dilihat dati Mode toolbar dengan mengklik Star Protective Device Coordination. 32

28 Gambar 2.20 Tombol Star Protective Device Coordination Untuk mengeluarkan hasil atau kurva koordinasi pilih relay yang akan dilihat kemudian tombol Create Star View dipilih sampai hasil kurva keluar. Gambar 2.21 Tombol Create Star View Gambar 2.22 Kurva Hasil Dari ETAP Protective Device Coordination 33