BAB III PEMBAHASAN RELAY DEFERENSIAL DAN RELEY DEFERENSIAL GRL 150

Transkripsi

1 BAB III PEMBAHASAN RELAY DEFERENSIAL DAN RELEY DEFERENSIAL GRL 150 Secara garis besar bagian dari relay proteksi terdiri dari tiga bagian utama, seperti pada blok diagram berikut, Gambar 3.1 Blok diagram utama rele proteksi 3.1 Relei Deferensial Relai diferensial adalah salah satu relai pengaman utama sistem tenaga listrik yang bekerja seketika tanpa koordinasi relai disekitarnya sehingga waktu kerja dapat dibuat secepat mungkin. Daerah pengamanannya dibatasi oleh pasangan trafo arus dimana relai diferensial dipasang sehingga relai diferensial tidak dapat dijadikan sebagai pengaman cadangan untuk daerah berikutnya. Dimana relay differensial merupakan suatu relay yang prinsip kerjanya berdasarkan kesimbangan (balance), yang membandingkan 50

2 arus-arus sekunder transformator arus (CT) terpasang pada terminal-terminal peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Penggunaan relay differensial sebagai relay pengaman, antara lain pada generator, transformator daya, bus bar, dan saluran transmisi. Relay differensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada saluran transmisi jaringan teknik utara di Bandara Soekarno-Hatta yang berguna untuk mengamankan peralatan listrik agar tidak ikut padam semua bila terjadi suatu gangguan pada saluran transmisi. Relay ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat Prinsip Kerja dari Rele Deferensial Sebagaimana disebutkan diatas, Relay differensial adalah suatu alat proteksi yang sangat cepat bekerjanya dan sangat selektif berdasarkan keseimbangan (balance) yaitu perbandingan arus yang mengalir pada kedua sisi trafo daya melalui suatu perantara yaitu trafo arus (CT). Dalam kondisi normal, arus mengalir melalui peralatan listrik yang diamankan (generator, transformator dan lain-lainnya). Arus-arus sekunder transformator arus, yaitu I 1 dan I 2 bersikulasi melalui jalur I A. Jika relay pengaman dipasang antara terminal 1 dan 2, maka dalam kondisi normal tidak akan ada arus yang mengalir melaluinya. Dapat dilihat pada gambar 3.2. dibawah ini : 51

3 Gambar 3.2. Pengawatan Dasar Relay Differensial Jika terjadi gangguan diluar peralatan listrik peralatan listrik yang diamankan (external fault), maka arus yang mengalir akan bertambah besar, akan tetapi sirkulasinya akan tetap sama dengan pada kondisi normal, sehingga relay pengaman tidak akan bekerja untuk gangguan luar tersebut. Jika gangguan terjadi didalam (internal fault), maka arah sirkulasi arus disalah satu sisi akan terbalik, menyebabkan keseimbangan pada kondisi normal terganggu, akibatnya arus ID akan mengalir melalui relay pengaman dari terminal 1 menuju ke terminal 2. Selama arus-arus sekunder transformator arus sama besar, maka tidak akan ada arus yang mengalir melalui kumparan kerja (operating coil) relay p engaman, tetapi setiap gangguan (antar fasa atau ke tanah) yang mengakibatkan sistem keseimbangan terganggu, akan menyebabkan arus mengalir melalui Operating Coil relay pengaman, maka relai pengaman akan bekerja dan memberikan perintah putus (tripping) kepada circuit breaker (CB) sehingga 52

4 peralatan atau instalasi listrik yang terganggu dapat diisolir dari sistem tenaga listrik. Seperti gambar 3.3 dibawah ini : Gambar 3.3. Sistem Pengaman Relay Differensial Prinsip ini berdasarkan hukum kirchhoff yaitu membandingkan jumlah arus masuk ke primer (I P ) sama dengan jumlah arus yang keluar dari sekunder (I S ). = = + (3.1) Dimana : I d = Arus Deferensial (A) I p = Arus sisi masuk (A) I s = Arus sisi keluar (A) 53

5 3.1.2 Beberapa Masalah Terhadap Reley Deferensial 1. Karakteristik CT Relay differensial dalam operasinya bahwa dalam keadaan normal atau terjadi gangguan diluar daerah pengamanannya arus pada relay sama dengan nol. Karena itu kemungkinan salah kerja dari relay differnsial dapat terjadi, arus yang dapat menyebabkan relay salah kerja tersebut dinamakan arus ketidakseimbangan. Bila suatu arus yang besar mengalir melalui suatu trafo arus maka arus pada terminal sekunder tidak lagi linear terhadap arus primer. Hal ini disebabkan kejenuhan pada intinya. Pada relay differensial trafo arusnya harus identik, namun kejenuhan intinya tidak dapat sama betul. Hal ini disebabkan perbedaan beban dari masingmasing trafo arus tersebut. Karakteristik Trafo Arus pada relay differensial, seperti gambar 3.9. berikut ini : Gambar 3.4. Karakteristik Trafo Arus (CT) Pada Relay Differensial 54

6 a. Perubahan sadapan berbeban Pada saat ini umumnya transformator sudah dilengkapi dengan pengubah sadapan berbeban dimana tap input dapat dirubah untuk mendapatkan output yang dikehendaki. Penyetelan dari trafo-trafo arus pada transformator daya telah diset pada tegangan nominal dari transformator daya tersebut. Dengan demikian bila terjadi gangguan pada waktu operasi transformator tersebut, maka tegangan pada sisi primernya harus dirubah agar tegangan pada sisi sekundernya tetap. Oleh karena itu harga-harga tap trafo yang telah diset pada tegangan nominalnya tadi tidak akan tepat lagi. Hal tersebutlah yang menyebabkan terjadinya arus ketidakseimbangan yang dapat membuat relay salah kerja b. Adanya Arus Serbu Magnetisasi (Magnetising Inrush Current) Pada Trafo Jika trafo daya dihubungkan kesuatu sumber tenaga (jaringan) maka pada sisi primernya akan terjadi proses transient yaitu menaiknya arus yang dinamakan arus serbu magnetisasi (Magnetising Inrush Current) yang besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali dari arus beban penuh yang terjadi dalam waktu relatif cepat. Peristiwa ini dapat membawa pengaruh terhadap kerja suatu relay kendatipun pada daerah pengamanan tidak terjadi kesalahan. 55

7 3.1.3 Relay Differensial Persentase (Relay Differensial Bias). Untuk mengatasi masalah (a) dan (b) diatas, maka relay differensial dilengkapi dengan kumparan kerja dan restraining coil (kumparan penahan) atau lebih dikenal dengan Relay Differensial Persentase (Relay Differensial Bias). Dengan melakukan pembaharuan relay defferensial yang berdasarkan Prinsip Sirkulasi arusnya adalah untuk mengatasi gangguan yang timbul diluar dari pada perbedaan dalam hal ratio terhadap nilai arus hubung singkat External yang tinggi. Relay differensial dengan persentase memiliki Coil ( belitan) peredam tambahan yang dihubungkan dengan pilot wire seperti gambar 3.5 berikut ini : Gambar 3.5. Relay Differensial Persentase (Relay Differensial Bias). 56

8 Didalam relay ini kumparan kerjanya dihubungkan dengan titik tengah kumparan penahan (peredam), total jumlah impe dansi belitan didalam kumparan peredam sama dengan jumlah ampere belitan yang ada pada kedua ½ bagian kumparan yaitu , yang memberikan ratarata arus peredam sebesar didalam belitan N. Untuk gangguan luar dan semakin besar dan karenanya kopel peredam bertambah besar yang bisa mencegah kesalahan operasi. Karakteristik operasi dari relay yang demikian diberikan pada gambar dibawah ini : Gambar 3.6. Karakteristik Operasi Dari Sebuah Relay Differensial 57

9 Ratio arus perendaman rata-rata dari arus operasi differensial persentasenya bisa ditetapkan, maka relay tersebut dinamakan relay differensial dengan persentase. Relay tersebut juga disebut relay differensial bias, sebab relay ini dilengkapi dengan flux tambahan. Persentase relay differensial bias memiliki karakteristik pick-up yang semakin tinggi. Karena besarnya arus yang lewat semakin bertambah, maka arus peredamannya semakin bertambah Karakteristik Rele Deferensial Karakteristik diferensial dibuat sejalan dengan Unbalances current, untuk menghindari terjadinya kesalahan kerja. Kesalahan kerja disebabkan karena CT ratio mismatch, adanya pergeseran fasa akibat belitan transformator tenaga terhubung (Y) (Δ). Gambar 3.7. Prinsip Pengoperasian Relai Diferensial 58

10 Perubahan tap tegangan (perubahan posisi tap cha nger) pada transformator tenaga oleh On Load Tap Changer (OLTC) yang menyebabkan CT mismatch juga ikut berubah. Kesalahan akurasi CT, Perbedaan kesalahan CT di daerah jenuh (Saturasi CT), dan Inrush current pada saat transformator energize menimbulkan unbalances current (Iμ Operating Coil) yang bersifat transient. 3.2 Rele Deferensial Tipe GRL 150 GRL150 menyediakan sepenuhnya numerik, multi-fungsi fase-garis terpisah perlindungan diferensial untuk digunakan dengan kawat (pilot wire) atau komunikasi fibber optik. GRL150 memiliki dua seri model yang berbeda sesuai dengan antar muka komunikasi, lihat Tabel Table 3.1 GRL150 Models GRL150 diterapkan sebagai perlindungan diferensial terpisah-fase saat ini untuk digunakan dengan kawat pilot atau komunikasi dengan fibber optic seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.8. Untuk komunikasi percontohan kawat, GRL150 dapat diterapkan untuk sirkuit hingga 8 km panjang untuk 0.91 mmφ dan menyediakan built-in 5 kv dan isolasi 20 kv opsional. Untuk 59

11 serat optik langsung komunikasi, GRL150 dapat diterapkan untuk sirkuit sampai 20 km panjang. Kabel serat optic single-mode (SM) 10/125 μm jenis. (a) Fibre optic(sm) (b) Pilot wire Gambar 3.8. Current Differential Protection Cara kerja Current Differential Protection GRL 150 Proteksi diferensial GRL 150 yaitu dengan cara membandingkan arus yang mengalir masuk dan keluar dari garis yang dilindungi. Perbedaan arus akan terjadi apabila arus deferensial mempunyai nilai hampir mendekati nol jika terjadi gangguan eksternal atau tidak ada gangguan, dan sama dengan arus gangguan saat kesalahan bersifat 60

12 internal. Sistem Proteksi diferensial beroperasi ketika perbedaan arus melebihi nilai yang ditetapkan. Relay GRL150 dipasang pada setiap sampel line terminal arus lokal dan mentransmisikan Data saat ini ke terminal remote melalui pilot wire atau komunikasi fiber optic. GRL150 melakukan master / induk jenis system proteksi diferensial saat ini menggunakan data dari semua terminal. GRL150 ini menggunakan setiap arus dalam tiga fasa untuk melakukan kerja proteksi diferensial. Proteksi diferensial terpisah-fase mentransmisikan ketiga fase arus ke remote terminal, untuk menghitung arus diferensial individu dan mendeteksi baik fase-ke-fase dan fase-toearth kesalahan pada basis per fase. Karakteristik Current Differential Element DIF Elemen diferensial DIF memiliki karakteristik persentase penahanan dengan menahan diri lemah daerah saat ini kecil dan menahan diri yang kuat di wilayah arus besar, untuk mengatasi kejenuhan CT. Unsur-unsur DIF memiliki karakteristik persentase menahan diri ganda. Gambar 3.9 menunjukkan karakteristik pada arus diferensial (Id) dan menahan arus (Ir) pesawat. Id adalah vector penjumlahan dari fase saat ini dari semua terminal dan Ir adalah penjumlahan skalar dari fase saat dari semua terminal. 61

13 Gambar 3.9 DIF Element ( I r I d ) Gambar 3.9 menunjukkan karakteristik pada arus diferensial (Id) dan menahan arus (Ir) pesawat Proteksi diferensial GRL 150 mempunyai fitur kemiringan karakteristik Bias ganda dengan setting yaitu DIFI1 dan DIFI2, seperti yang digambarkan di bawah ini. Gambar 3.10 karakteristik setting arus diferensial 62

14 DIFI1 dapat didefinisikan wilayah saat kecil karakteristik dan menentukan sensitivitas dari perlindungan terhadap gangguan internal. DIFI2 dapat didefinisikan yaitu daerah saat ini besar dan digunakan untuk memastikan stabilitas perlindungan selama gangguan eksternal besar di mana kejenuhan transformator arus mungkin dialami. 1. DIFI1 setting Daerah terkecil dari karakteristik proteksi diferensial GRL 150 (DIF) didefinisikan sebagai berikut: + 1 (3.2) Dimana: I d = Arus diferensial, dihitung dari penjumlahan vektor arus terminal ( A ) I r = Arus Hambatan, dihitung dari penjumlahan scala arus terminal ( A ) Pengaturan DIFI1 didefinisikan sensitivitas daerah yang terkecil, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.11 pengaturan DIFI1 ditentukan oleh dua kondisi berikut: 1). Arus gangguan minimum internal yang diperlukan untuk relay untuk beroperasi. 2). Garis internal yang maksimum untuk arus pengisian. 63

15 Gambar 3.11 Arus diferensial dan arus hambatan (arus tahanan) Gambar di atas menunjukkan arus diferensial saat ini (I d ) dan arus hambatan saat (Ir), yang diukur dengan GRL 150 untuk kondisi arus gangguan minimum dikombinasikan dengan beban maksimum saat ini. seperti dapat dilihat, sensitivitas elemen diferensial saat ini dipengaruhi oleh arus beban. dalam rangka untuk memastikan bahwa kondisi ini termasuk dalam zona operasi, persamaan berikutnya harus puas, subsitituting untuk I d dan I r (3.3) Dimana: I f min = Minimum kesalahan internal (sekunder) ( A ) I L max = Maksimum arus beban (sekunder) ( A ) 64

16 Karena itu: = (3.4) Batas pengaturan yang lebih rendah dari DIFI1 ditentukan oleh garis maksimum arus pengisian I C1 saat ini dan karena itu DIFI1 harus ditetapkan seperti dalam persamaan berikut:. < 1 < (3.5) Dimana: K = Batas seting (Tipical, K = 1.2 sampai 1.5) I c = Arus Pengisian ( A ) Di samping itu, dianjurkan (lihat catatan penjelasan di bawah) yang DIFI1 harus lebih besar dari nilai arus gangguan maksimum dibagi dengan 32, karena GRL 150 memiliki dynamic range yang skala relatif terhadap pengaturan DIFI1. Oleh karena itu: < 1. (3.6) 65

17 Dimana: I fmax adalah arus gangguan maksimum yang lewat dalam arus sekunder. ( A ) 2. DIFI2 setting karakteristik dari elemen DIF di wilayah yang lebih besar dinyatakan oleh persamaan (3.7) 2 2. (3.7) Pengaturan wilayah yang lebih besar saat ini didefinisikan oleh DIFI2. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.12, zona operasi memperluas sebagai nilai DIFI2 akan meningkat. Gambar 3.12 Definisi dari DIFI2 66

18 Nilai pengaturan DIFI2 ditentukan sesuai dengan kriteria sebagai berikut: 1). Arus maksimum yang keliru yang dihasilkan oleh kejenuhan CT dalam kasus kesalahan eksternal. 2). Arus beban Maximum. DIFI2 harus ditetapkan cukup kecil untuk mencegah operasi yang salah dari GRL 150 karena arus yang keliru yang dihasilkan oleh saturasi CT selama kesalahan eksternal seperti yang ditunjukkan pada gambar Gambar 3.13 Setting DIFI2 terhadap Akomodasi saturasi CT 2.1. Metode Penyetingan DIFI2 Pengaturan DIFI2 ditentukan sesuai dengan melalui arus gangguan maksimal (I f_th_max ), untuk mencegah operasi yang salah 67

19 karena saturasi CT. Dalam kasus yang ekstrim di mana CT hanya pada satu garis akhir jenuh, arus menahan cenderung menurun sedangkan peningkatan arus diferensial seperti yang ditunjukkan pada gambar Gambar 3.14 Kesalahan Eksternal Dengan Satu Saturasi CT Untuk mencegah operasi yang salah karena ini diferensial yang salah saat ini selama saturasi CT, maka perlu untuk mengatur DIFI2 sehingga mencegah titik A (ditunjukkan dalam gambar 3.14) dari menyeberang ke zona operasi. Berdasarkan hasil simulasi, DIFI2 harus diatur untuk memenuhi persamaan berikut: 2.. (3.8) 68

20 Dimana: I f_th_max = Melalui arus gangguan maksimal ( A ) N = Ratio CT Sebaliknya, Juga harus dipastikan ketika menetapkan DIFI2 bahwa relay dapat beroperasi dengan handal untuk kesalahan internal dikombinasikan dengan arus maksimum mengalir saat ini. Karena GRL 150 diterapkan pada dua pengumpan, arus maksimum yang mengalir kini ditentukan oleh beban maksimum saat ini seperti yang ditunjukkan pada gambar Gambar 3.15 Kesalahan Internal Pada Arus Beban 69

21 Untuk memenuhi kondisi ini, DIFI2 diatur untuk memenuhi persamaan sebagai berikut: < 2. (3.9) Dimana: I Lmax = Arus beban masimum ( A ) 3.3 Sistem Koordinasi Rele Proteksi Arus lebih dan Hubungan Singkat Di Bandara Soekarno-Hatta pada Jaringan Listrik Teknik Loop Utara Dalam menentukkan system koordinasi rele proteksi arus lebih dan hubung singkat pada ujung loop jaringan listrik utara, terlebih dahulu mengetahui besarnya Impedansi sumber, Impedansi saluran, dan Impedansi kabel loop. Rumus untuk menentukan besarnya Impedansi sumber yaitu: = ( )... (3.10) Dimana: Z s = Impedansi sumber ( Ω ) E line = Tegangan pada jaringan ( V ) P semu = Daya Semu ( VA ) 70

22 Besarnya impedansi saluran dipengaruhi oleh beberapa factor, antara lain panjang saluran penghantar ( panjangnya kabel ), besarnya resistans pada saluran listrik ( Rab ), dan besarnya reaktans saluran kabel listrik ( Xab ). Rumus untuk menentukan besarnya Impedansi sumber yaitu: = ( ) (3.11) Dimana: Z ab = Impedansi saluran ( Ω ) = Resistans saluran ( Ω ) = Reaktans saluran ( Ω ) Rumus untuk mencari impedansi pada kabel loop, yaitu: = Zab..... (3.12) Dimana: Z is = Impedansi kabel loop ( Ω ) Z ab = Impedansi saluran ( Ω ) l Kabel loop = Panjang kabel loop ( m ) 71

23 a). Hubung Singkat 3 Fase di Ujung Loop =.. (3.13) Dimana: E line = Tegangan pada jaringan ( V) Zs = Impedansi Sumber ( Ω/km ) Zab = Impedansi Saluran ( Ω ) Zis = Impedansi Kabel Loop ( Ω ) b). Arus Lebih di Ujung Loop Beban tertinggi yang dapat dihitung adalah berdasarkan kepada kapasitas trafo distribusi dan kemampuan hantaran arus (KHA) kabel. Loop Utara melayani 3 buah trafo masing-masing 250 KVA, 20 KV / 380 V dan 2 buah trafo masing-masing 630 KVA, 20 KV / 380 V. Jika semua trafo hanya dilayani dari satu ujung dan semuanya terbebani penuh secara bersamaan maka besar arusnya adalah: =. (3.14) Dimana: I Ls = Arus Lebih ( A) 72