BAB III GANGGUAN PADA JARINGAN LISTRIK TEGANGAN MENENGAH

Transkripsi

1 BAB III GANGGUAN PADA JARINGAN LISTRIK TEGANGAN MENENGAH 3.1 KOMPONEN KOMPONEN SIMETRIS Tiga fasor tak seimbang dari sistem fasa tiga dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang. Himpunan seimbang komponen tersebut adalah[5]: a. Komponen urutan-positif (positive sequence components) yang terdiri atas tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 120, dan mempunyai urutan fasa yang sama seperti fasor aslinya. b. Komponen urutan-negatif yang terdiri atas tiga fasor yang sama besarnya terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 120, dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya. c. Komponen urutan nol yang terdiri atas tiga fasor yang sama besarnya dan dengan penggeseran fasa nol antara fasor yang satu dengan yang lain. Dalam memecahkan permasalahan dengan menggunakan komponen simetris ketiga fasa dari sistem dinyatakan sebagai,, dengan cara yang demikian sehingga urutan fasa tegangan dan arus adalah dalam. Jadi, urutan fasa komponen urutan positif dari fasor tak seimbang itu adalah abc sedangkan urutan fasa dari komponen urutan negatif adalah. Jika fasor aslinya adalah tegangan, maka tegangan tersebut dapat dinyatakan dengan,,. Ketiga himpunan komponen simetris dinyatakan dengan subskrip tambahan 1 untuk komponen urutanpositif, 2 untuk komponen urutan-negatif, dan 0 untuk komponen urutan nol. Komponen urutan positif dari,, adalah,,. Demikian pula komponen urutan negatif adalah,,, sedangkan komponen urutan nol adalah,,. Karena setiap fasor tak seimbang, yang asli adalah jumlah komponen, fasor asli yang dinyatakan dalam suku-suku komponen adalah: 12

2 V = V + V + V (3.1) a b a1 a2 a0 V = V + V + V (3.2) c b1 b2 b0 V = V + V + V (3.3) c1 c2 c0 Sintesis himpunan tiga fasor tak seimbang dari ketiga himpunan komponen simetris ditunjukan pada gambar 3.1, diperlihatkan pada gambar 3.2 Gambar 3.1 Tiga himpunan fasor seimbang yang merupakan komponen simetris dari tiga fasor tak-seimbang Gambar.3.2 Penjumlahan secara grafis komponen-komponen pada Gambar 3.1 untuk mendapatkan tiga fasor tak seimbang. 13

3 Ketiga sistem simetris yang merupakan hasil uraian komponen simetris dikenal dengan nama: a. Komponen urutan positif b. Komponen urutan negatif c. Komponen urutan nol Dari komponen-komponen vektor yang tidak seimbang dapat diuraikan menjadi komponen-komponen simetris. 3.2 JENIS JENIS GANGGUAN JARINGAN TEGANGAN MENENGAH Gangguan Fasa Tiga (Three phase faults) Gangguan fasa tiga merupakan gangguan yang seimbang pada fasa-fasanya, dimana tidak terdapat arus-arus urutan nol dan negatif. Bila impedansi titik gangguan adalah Zf = 0, maka arus gangguan fasa tiga adalah[1]: Igg.3= Igg. R= Igg.S = Igg.T (3.4) I = Igg.3φ = / (3.5) Dan bila impedansi titik gangguan gangguan fasa tiga menjadi: tidak sama dengan nol, maka besar arus I = Igg.3φ = / + (3.6) dimana: Igg.3 = arus fasa tiga [ A ] = jumlah impedansi urutan positif = impedansi titik gangguan = tegangan fasa netral [ V ] Igg.R, Igg.S, Igg.T= arus gangguan pada fasa R,S, T 14

4 3.2.2 Gangguan Fasa Ke Fasa (Line To Line Fault) Misalkan bahwa gangguan fasa ke fasa terjadi antara fasa R dan fasa S dan impedansi titik gangguannya = 0 ; maka besar arus gangguannya adalah sebagai berikut: Igg.R = 0 I = Igg. = (3.7) adalah: Jika impedansi titik tidak sama dengan nol, maka besarnya arus gangguan I = Igg. = (3.8) dimana: = jumlah impedansi urutan negatif Gangguan Simpatetik Gangguan Simpatetik adalah terbukanya PMT dari penyulang-penyulang yang tidak terganggu oleh relai gangguan tanah akibat gangguan tanah yang dialami oleh penyulang lain. Umumnya gangguan simpatetik ini terjadi pada penggunaan relai gangguan tanah dari jenis definite time. Karena adanya kapasitansi antara konduktor fasa dan tanah pada jaringan itu, arus kapasitif yang tidak seimbang sewaktu terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah akan mengalir kembali ke sumber melalui konduktor fasa yang terganggu tersebut di titik gangguan, tetapi karena ada beberapa penyulang yang terhubung pada bus yang sama di Gardu Induk, maka ketidakseimbangan arus kapasitif dari penyulang yang lain juga akan kembali ke sumber melalui konduktor fasa di penyulang yang terganggu, sehingga arus kapasitif di penyulang terganggu ini menjadi lebih besar lagi menuju ke sumber, yang kemudian mentripkan PMT penyulang yang terganggu oleh relai gangguan tanah[3]. Jika arus kapasitif di penyulang lain (yang sehat) lebih besar dari setelan arus relai gangguan tanah (GFR) dan relai yang dipakai dari jenis definite time, maka arus kapasitif di penyulang yang sehat ini dapat membuat GFR bekerja (pick up) yang 15

5 kemudian juga mentripkan PMT penyulang yang tidak terganggu. Diperlihatkan pada gambar 3.3 penyulang 20 kv. Keterangan : C, C, C = kapasitansi ketanah masing-masing fasa penyulang 1 C, C, C = kapasitansi ketanah masing-masing fasa penyulang 2 ZCT = zero Sequence CT = tanda polaritas yang sefasa antara belitan primer dan sekunder Gambar 3.3 Penyulang 20 kv Pada gambar 3.3 ditunjukkan bahwa antara konduktor fasa dan tanah akan mempunyai nilai kapasitansi yang dianggap sama pada masing-masing fasanya, walaupun jarak antara konduktor fasa tersebut ke tanah belum tentu sama. Jika terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah pada salah satu penyulang (misalkan terjadi di fasa T), maka kapasitansi konduktor fasa yang terganggu menjadi terhubung singkat oleh gangguan tanah tersebut, sedangkan fasa yang tidak terganggu (fasa R dan fasa S) tegangannya naik kali sehingga arus kapasitif hanya mengalir di fasa yang sehat saja mengalir kembali ke sumber melalui titik yang terganggu di fasa T (karena 16

6 fasa T sedang terhubung ke tanah yang sementara gangguan tanah berfungsi sebagai hal yang lazim (common) dari sumber fasa R dan fasa S dengan beban kapasitansi fasa R dan fasa S ke tanah). Arus kapasitif ini di ZCT menghasilkan resultante = 0 (nol). Jika penyulang di GI lebih lebih dari satu, maka arus kapasitif di penyulang yang terganggu, pada penyulang lainnya (penyulang yang sehat) juga akan mengalirkan arus kapasitif ke tanah dan akan kembali ke sumber melalui titik gangguan di penyulang yang terganggu. Arus kapasitif dari penyulang yang sehat ini yang dideteksi oleh relai gangguan tanah penyulang yang terganggu melalui ZCT, selanjutnya diilustrasikan pada gambar 3.4. i Gambar 3.4 Penyulang 20 kv pada kondisi gangguan fasa tunggal ke tanah 17

7 3.2.4 Hubungan Antara Gangguan Fasa Tunggal Tanah Dan Simpatetik Trip Simpatetik sangat berkaitan dengan gangguan fasa tunggal ke tanah karena gangguan tersebut sering kali mengakibatkan terjadinya gangguan simpatetik. Sebagai contoh bila terdapat gangguan tanah yang terjadi pada fasa T di penyulang 1 akan mengakibatkan kapasitansi C terhubung singkat oleh gangguan tanah, sehingga tegangan fasa R dan fasa S ke tanah diseluruh sistem distribusi naik sebesar kali. Tegangan pada kumparan primer PT fasa R dan fasa S naik kali dengan vektor tegangan. Titik netral trafo tenaga naik sebesar terhadap tanah. Pada penyulang yang terganggu dalam kasus ini, arus di titik gangguan adalah arus komponen resistif (+ arus induktif jaringan) dan arus kapasitif yang kembali ke sumber yang besarnya: 3 = (3.9) Ice Peny.1 Ice Peny.2 dimana: = Amp (3.10) maksimum di dapat bila gangguan tanah terjadi di bus (20kV), arus penyulang yang terganggu yang masuk ke relai gangguan tanah (GFR) akan sama dengan nol karena saling terkompensir di ZCT. 18

8 Arus Kapasitif Dari Fasa Yang Sehat Secara Vektoris Yang Masuk Ke Relai Gangguan Tanah Penyulang Terganggu Pada gambar 3.5 terlihat bahwa Arus mengalir dari Netral, fasa T menjadi berpotensial tanah karena sedang terganggu ke tanah. Arus kapasitif fasa R ( dan di penyulang sehat) leading dengan tegangan. Arus kapasitif fasa S ( dan di penyulang sehat) leading 90º dengan tegangan ( =,, = ). Arus kapasitif kembali ke sumbernya lewat titik gangguan di penyulang 1 fasa T dan melalui ZCT, khusus dan di fasa T ini didalam ZCT arahnya berlawanan dengan vektor arus dan di fasa R dan S. Arus residu yang dihasilkan oleh ZCT pada penyulang 1 yang masuk ke relai adalah: a. dengan arah kembali ke sumber (terminal fasa T trafo) melalui titik gangguan b. dan (arus kapasitif penyulang 2) kembali ke sumber juga melalui fasa T (penyulang 1) yang sedang terganggu tanah. Gambar 3.5 Vektor arus gangguan fasa tunggal ke tanah untuk penyulang yang terganggu 19

9 Uraian vektor arus yang masuk ke relai gangguan tanah penyulang 1 terganggu dapat dilihat pada gambar 3.6 I F yang dominan I sefasa dengan V ( I + I ) leading 90 0 terhadap. R ( I + I 2 ) CR2 CS NT, CR2 CS 2 dan ( yang mengerjakan relai gangguan tanah. V NT Resultantel R, Gambar 3.6 Vektor arus I R dan I CE pada penyulang 1 yang terganggu fasa tunggal ke tanah. Sementara di penyulang 2 (penyulang sehat), arus kapasitif I dan I ) ( CR2 CS 2 juga mengalir masuk ke relai gangguan tanah penyulang 2, dan setelan relai gangguan tanah ini di set rendah (sensitif) untuk menampung R ABC (tahanan gangguan), sehingga jika relai gangguan tanah dari jenis definite, arus kapasitif ini dapat mentripkan PMT penyulang yang tidak terganggu fasa tunggal ke tanah. Diperlihatkan pada gambar

10 Gambar 3.7 Vektor Ice pada penyulang 2 pada gangguan fasa tunggal ke tanah di penyulang 1 Fasa T berpotensial tanah, kumparan primer dari potensial transformer (PT) fasa T terhubung singkat oleh gangguan, sehingga tidak menginduksikan tegangan ke tersier fasa T dalam rangkaian open delta, tetapi kumparan PT fasa Rdan fasa S menjadi terkena tegangan 3 kalinya dan sudut tegangan antara V R dan V S tidak lagi 120º tetapi menjadi 60º. 3.3 SISTEM PROTEKSI Sistem proteksi terdiri atas peralatan CT, PT, relai proteksi, yang diintegrasikan dalam satu kesatuan. Relai proteksi merupakan elemen peralatan proteksi yang sangat penting pada sistem proteksi. Fungsi peralatan proteksi yaitu mengidentifikasi gangguan dan memisahkan bagian jaringan yang terganggu dari bagian jaringan yang normal serta mengamankan bagian yang normal dari kerusakan atau kerugian yang lebih besar[2]. 21

11 Sistem operasi suatu relai proteksi bekerja dalam mendeteksi adanya gangguan adalah: a. Kecepatan bereaksi yaitu saat mulai ada gangguan sampai pelepasan pemutus (CB), dimana kadang-kadang diperlukan kelambatan waktu : top = tp + tcb top = waktu total tp = waktu bereaksi tcb = waktu pelepasan CB Kecepatan pemutus arus gangguan dapat mengurangi kerusakan serta menjaga stabilitas operasi peralatan. b. Kepekaan operasi (sensitivity) yaitu kemampuan rele pengaman untuk memberikan respon bila merasakan gangguan. c. Selektif (selectivity) yaitu kemampuan rele pengaman untuk menentukan titik dimana gangguan muncul dan memutuskan rangkaian dengan membuka CB terdekat. d. Keandalan (reliability) yaitu jumlah rele yang bekerja atau mengamankan terhadap jumlah gangguan yang terjadi. Keandalan rele yang baik adalah %. e. Ekonomis yaitu penggunaan rele selain memenuhi syarat diatas, juga harus disesuaikan dengan harga peralatan yang diamankan. 3.4 RELAI PROTEKSI Relai proteksi merupakan suatu peralatan listrik yang dirancang untuk mulai pemisahan bagian sistem tenaga listrik atau untuk mengoperasikan signal bila terjadi gangguan. Pada gambar 3.8 dan gambar 3.9 diperlihatkan suatu relai inverse dan karakteristik inverse. Relai inverse akan memberi perintah kepada PMT pada saat terjadi gangguan, bila besar arus gangguannya melampaui penyetelan (Is) dan jangka waktu relai mulai pick-up sampai kerja relai waktunya berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan. 22

12 Gambar 3.8 relai inverse Gambar 3.9 karakteristik inverse 3.5. NILAI IMPEDANSI SUMBER DAN REAKTANSI TRANSFORMATOR Tegangan, arus, dan impedansi mempunyai hubungan sedemikian rupa sehingga dengan nilai dasar arus dan tegangan yang sudah dipilih, maka nilai dasar dari impedansi dapat ditentukan. Jadi nilai dasar dari impedansi adalah: TeganganDasar, V Impedansi dasar = ArusDasar, A Impedansi dasar = ( sar, kv ) LN TeganganDa LN 1000 dasar _ kva 1φ 2 (3.11) (3.12) Impedansi dasar = ( asar, kv ) 1φ 2 TeganaganD LN (3.13) dasarmva Daya dasar, MW1 φ = dasar MVA1 φ (3.14) 23

13 Maka dengan rumus di atas di dapat: P =, disini: (Z = Xs) (3.15) Xs = (3.16) Impedansi sumber dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: Xs = V² / S (3.17) dimana: S = daya hubung singkat (MVA) V = basis tegangan (KV) Reaktansi transformator dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: Xt = Zt x V² / S (3.18) dimana: Zt = impedansi trafo (%) S = daya nominal trafo (MVA) 3.6. IMPEDANSI PENYULANG DAN IMPEDANSI EQUIVALEN JARINGAN Impedansi suatu penyulang tergantung tergantung pada besarnya impedansi per km dari penyulang yang bersangkutan, dimana besar nilainya ditentukan seperti pada gambar 3.10 berupa konfigurasi tiang untuk jaringan SUTM atau dari jenis kabel tanah untuk jaringan SKTM. Dalam kasus ini diambil nilai Z = (R + jx) ohm/km. Dengan demikian nilai impedansi penyulang dapat dihitung untuk lokasi gangguan sejarak 1%, 25%, 50%, 75%, 100% panjang saluran penyulang. 24

14 Gambar 3.10 Panjang Saluran Penyulang Perhitungan nilai impedansi equivalen jaringan dilakukan untuk mengetahui besarnya nilai impedansi positif ( ), negatif ( ) dan nol ( ) dari titik gangguan sampai ke sumber. Karena itu, impedansi positif ( ) dan impedansi negatif ( ) dapat dihitung sebagai berikut: = = + + penyulang (3.19) dimana dihitung dari: a. Impedansi urutan nol trafo b. Tahanan Netral ground trafo (RN) c. Impedansi penyulang Karena itu, = penyulang (3.20) 3.7. ARUS GANGGUAN HUBUNG SINGKAT DAN ARUS KAPASITANSI Setelah mendapatkan impedansi ekivalen sesuai dengan lokasi gangguan, selanjutnya perhitungan arus gangguan hubung singkat dapat dilakukan dengan menggunakan rumus dasar, hanya saja impedansi ekivalen mana yang dimasukkan ke dalam rumus dasar tersebut adalah tergantung pada jenis gangguan hubung singkatnya, dimana jenis gangguan hubung singkat yang akan dibahas dalam materi ini adalah hubung singkat fasa tunggal ke tanah sebagai berikut[6]: = = (3.21) 25

15 Setelah rumus arus gangguan hubung singkat fasa tunggal ke tanah diterapkan, maka arus kapasitansi dihitung sebagai berikut: = (3.22) 3.8. INVERSE TIME MULTIPLE SETTING (TMS) Kelima penyulang GI Dukuh Atas menggunakan relai berkarakteristik inverse. Karena itu, rumus yang dapat digunakan adalah[7]: t = (3.23) Relay inverse biasa diset sebesar 1,05 s/d 1,1 x, sedangkan relay definite time diset sebesar 1,2 s/d 1,3 x, t di set 0,3 detik untuk masing masing penyulang. 26