RANCANG BANGUN SISTEM PROTEKSI JARINGAN TEGANGAN RENDAH DIRECT CURRENT

Transkripsi

1 Vit Fauzan, Hadi Suyn, Eka maulana Abstract prtectin system is ne f the factr that make a system has a realibility. This research discuss abut built and design f lw vltage direct current prtectin system, the realibility f the system can be figure ut by give sme abnrmal cnditin t the system such as vervltage cnditin, undervltage cnditn, verlad cnditin, and shr circuit cnditin. Based n the test result, The time respnd f relay t clear ut r islate the abnrmal cnditin is apprximately 10 ms. All f the abnrmal cnditin that give t the system can be clear ut by relay very well. Keywrds: DC prtectin, DC netwrk, abnrmal cnditin in dc netwrk,lvdc, direct current. Abstrak Salah satu faktr yang akan membuat suatu sistem handal yaitu sistem prteksi dari sistem itu sendiri. Pada penelitian ini dibuat dan dibahas mengenai kehandalan pada sistem prteksi jaringan tegangan rendah direct current dengan cara memberikan beberapa gangguan pada sistem antara lain gangguan vervltage, gangguan undervltage, gangguan beban lebih, dan gangguan hubung singkat. Berdasarkan pengujian didapatkan respn rele dalam menghilangkan gangguan dengan rata-rata waktu 10 ms. Semua gangguan yang diberikan juga dapat dihilangkan dengan baik leh sistem prteksi yang dirancang. Kata kunci Prteksi DC, jaringan dc, gangguan pada sistem dc, LVDC, Direct current. I. PENDAHULUAN Kebutuhan listrik yang selalu meningkat dari tahun ketahun merupakan sebuah masalah yang terus terjadi setiap tahunnya. Selama ini sebagian besar paskan listrik di indnesia menggunakan bahan bakar yang berasal dari fsil dan cepat atau lambat hal tersebut semakin menipis dan akan habis. Dengan semakin berkembangnya teknlgi elektrnika daya dalam bidang energi maka hal tersebut seiring juga dengan semakin berkembangnya teknlgi jaringan dc. Untuk sekarang sistem dc jaraknya lebih dari 400 km jika jaraknya yang terlalu dekat akan timbul rugi-rugi yang banyak akibat knversi dc ke ac, akan berbeda jika jaringan tegangan rendah juga RANCANG BANGUN SISTEM PROTEKSI JARINGAN TEGANGAN RENDAH DIRECT CURRENT Vit Fauzan, mahasiswa Prgram Sarjana Jurusan Teknik Elektr, Fakultas Teknik Universitas Brawijaya, Malang, Indnesia ( vitfaz.23@gmail.cm). Hadi Suyn, dsen Teknik Elektr, Universitas Brawijaya, Malang, Indnesia (Telp ; hadis@ub.ac.id). Eka Maulana, dsen Teknik Elektr, Universita Brawijaya, Malang, Indnesia (Telp ; ekamaulana@ub.ac.id). masih kurang mengtungkan dikarenakan transmisi dc hantar udara akan efektif dan lebih eknmis jika dc sehingga knversi energi tidak akan menghasilkan rugi-rugi yang terlalu banyak. Sebenarnya penggunaan sistem dc sudah banyak digunakan pada beban rumah tangga seperti charger, tv, laptp, kipas, heater, blender dan masih banyak lagi. Oleh karena itu studi tentang jaringan tegangan rendah dc terus meningkat dari tiap tahunnya.. Energi terbarukan sebagian besar manghasilkan tegangan dan arus berupa DC sehingga metde smart grid ini sangat membantu dalam pengkrdinasian antar energi terbarukan dalam suatu wilayah. Namun dalam setiap sistem diperlukan suatu peralatan pengaman atau prteksi dari sistem tersubut guna mengantisipasi hal-hal yang tidak diinginkan yang bisa mengganggu stabilitas dari sistem tersebut. Selain itu juga diperlukan krdinasi antar sub sistem agar apabila terjadi gangguan yang terjadi pada ssalah satu sub sistem tidak mengganggu keseluruhan sistem. Selain itu respn alat prteksi terhadap gangguan juga harus cepat agar gangguan tidak merambat ke sub sistem yang lain. Tujuan akhir dari yang diharapkan dari penelitian adalah merancang alat prteksi pada sistem jaringan tegangan rendah dc sehingga dapat terciptanya suatu sistem yang aman. II. TINJAUAN PUSTAKA Tinjauan pustaka meliputi dasar teri jaringan tegangan rendah direct current, tujuan dasar sistem prteksi, jenis gangguan pada sistem dc, sistem prteksi dc, perhitungan arus hubung singkat. A. Jaringan Tegangan Rendah Direct Current Sistem jaringan tegangan rendah direct current mempunyai beberapa keuntungan sebegai berikut: 1 Efisiensi sistem, dikarenakan pengurangan energi yang hilang karena knversi energi menggunakan inverter. 2 Kmpnen yang lebih sedikit, tidak butuh pertimbangan tentang skin effect, sinkrnisasi, dan daya reaktif 3 Energi terbarukan, hampir semua energi terbarukan menghsailkan keluaran dc maka tidak perlu knversi karena sistem bus menggunakan dc, hal ini dapat menghilangkan rugi-rugi daya 2.5% sampai 10% 4 Mengurangi rugi-rugi yang tidak penting, pada

2 sistem dc dengan banyaknya langkah knversi yang dihindari dan pada setiap langkah mengakibatkan rugi-rugi dan mengurangi keandalan sistem[1]. (a) (b) Gambar 1 : Jenis kneksi LVDC. (a) kneksi uniplar;(b) kneksi biplar[2]. Gambar 1 merupakan sistem distribusi jaringan tegangan rendah dc dapat dibuat dengan 2 tipe jenis kneksi yaiut sistem uniplar dan sistem biplar. Perbedaan dari kedua sistem tersebut adalah level tegangannya. Pada sistem uniplar hanya mempunyai satu level tegangan, sehingga beban akan terkneksi dengan satu level tegangan tersebut. Sedangkan tipe biplar terdiri dari 2 sistem uniplar yang terhubung seri. Pada sistem biplar beban dapat terhubung diantara kedua level tegangan tersebut dengan beberapa cara antara lain diantara kutub psitif, diantara kutub negatif, diantara kutub psitif dan negatif, dan diantara kutub psitif dan negatif dengan netral[2]. B. Tujuan Dasar Sistem Prteksi Tujuan mendasar dari sistem prteksi adalah untuk menyediakan islasi dari masalah yang ada dengan cepat. Lima aspek dasar dari sistem ptrteksi adalah 1 Kehandalan: kehandalan dari alat prteksi dalam mengatasi gangguan. 2 Selektif: kemampuan prteksi dalam memaksimalkan kntunuitas sistem dengan pemutusan sistem yang minimum. 3 Kecepatan: Meminimalkan durasi gangguan, kerusakan alat, dan ketidakstabila sistem. 4 Sederhana: meminimalkan alat prteksi. 5 Eknmis: memaksimalkan prteksi dengan biaya seminimal mungkin[3]. C. Jenis Gangguan Pada Sistem Direct Current Untuk sistem dc terdapat beberapa gangguan yang dapat menyebabkan keadaan abnrmal pada sistem, jenis gangguannya antara lain, hubung singkat, beban lebih, tegangan lebih, dan tegangan kurang[4]. Gambar 2 : gangguan hubung singkat[4]. Gambar 2 merupakan salah satu jenis gangguan hubung singkat line t line yang dapat terjadi pada sistem dc. D. Sistem Prteksi Direct Current. Sebuah IGBT (IGBT-CB)circuit breaker memanfaatkan kemampuan blcking dari slid state drives. Sama seperti IGBT lainnya dalam knverter, IGBT-CB di knfigurasikan dengan dida anti paralel. Satu-satunya kekurangan dari IGBT-CB adalah sebuah alat uni-directinal. Ilustrasi IGBT-CB ditunjukkan dalam Gambar 3. Gambar 3: Rangkaian IGBT-CB[4]. Untuk sistem dua terminal, IGBT-CB dapat ditempatkan pada masing-masing knverter, satu pada sisi psitif dan satunya lagi pada sisi negatif seperti yang terlihat pada Gambar 3 saklar dc yang cepat digunakan pada IGBT-CB, dimana itu digunakan untuk mengislasi saluran setelah arus gangguan telah dihilangkan[4]. E. Rele Arus Lebih Berdasarkan karakteristik rele arus lebih dibagi menjadi tiga yaitu, rele definite current, rele definite time, rele inverse time. Gambar 4: Karakteristik rele arus lebih. (a) Definite current; (b) Definite time;(c) Inverse time;[3]. Gambar 4(a) current bekerja dengan cepat ketika arus mencapai batas nilai yang telah di tentukan. Pada gambar 4 (b) rele definite time berprasi pada waktu tertentu. Pada gambar 4 (c) rele invers time berprasi sesuai dengan waktu yang ditentukan, dimana rele berbanding terbalik dengan arus gangguan. F. Perhitungan Arus Hubung Singkat Perhitungan arus hubung singkat pada dc telah ditetapkan sesuai dengan IEC Pada prinsipnya arus hubung singkat dapat didefinisikan dalam fungsi waktu, i 1(t) menggambarkan rentang waktu t p dari awal mula hubung singkat sampai arus maksimal hubung

3 singkat i p(arus puncak hubung singkat) dan fungsi waktu i 2(t), menggambarkan waktu penurunan arus hubung singkat sampai keadaan hampir steady state[5]. Gambar 5: Grafik standard arus hubung singkat( IEC :1997) [5]. Pada gambar 5 fungsi waktu grafik dapat di hitung dengan persamaan[5]: i 1 (t )= i p 1 e t / τ 1 1 e t p /τ 1 untuk 0 t t p (1) t t ( p)/τ 1 + i k i ( p i 1 k i p ) e i 2 (t ) i p untuk t p t T k (2) Fungsi waktu tersebut dijelaskan leh fungsi standar berdasarkan Gambar 5. III. METODE PENELITIAN Kajian yang dilakukan dalam skripsi adalah perancangan sistem prteksi untuk pada sistem jaringan tegangan rendah direct current. Metde yang digunakan untuk mewujudkan perancangan alat prteksi tersebut seperti pada diagram alir di bawah ini. IV. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT Perancangan sistem krdinasi prteksi pada jaringan tegangan rendah direct current ini dilakukan secara bertahap dalam bentuk blk sehingga akan memudahkan dalam analisis pada setiap blknya maupun secara keseluruhan. Perancangan ini terdiri dari: Perancangan sistem Perancangan perangkat keras meliputi jenis kabel, perancangan sensr arus, perancangan sensr tegangan, perancangan rele. Perancangan perangkat lunak A. Perancangan Sistem Secara garis besar, diagram blk perancangan sistem prteksi jaringan tegangan rendah direct current dapat dilihat pada gambar 7 Pada gambar menunjukkan bagaimana sistem prteksi akan bekerja. Pada sistem nantinya terdapat beban dc yang akan digunakan bjek yang akan di prteksi, dimana sumber utamanya menggunakan lead acid 48 V. Gambar 7 : Diagram Blk Sistem Secara Keseluruhan Diagram blk pada gambar 7 menampilkan secara keselurah pengerjaan penelitian tahap demi tahap, dimana setiap blk mempunyai fungsinya masing-masing. B. Perancangan Perangkat keras Untuk membuat suatu sistem maka akan di perlukan perangkat keras/kmpnen-kmpnen atau peralatan yang dapat menunjang dan mewujudkan terciptanya suatu sistem yang terpadu dan juga terkrdinasi dengan baik. C. Perancangan Multiplekser Perancangan multiplekser digunakan karena terbatasnya prt input pada Atmega328 yang hanya mempunya 6 prt input, sedangkan pada pembuatan alat ini diperlukan 12 input sehingga multiplekser yang berfungsi sebagai alat elektrnika yang dapat memperkecil jumlah utput sehingga dapat menyesuaikan dengan jumlah prt input pada. Multiplekser yang akan digunakan ic cd4051. Gambar 6 : Diagram alir metde penelitian Gambar 8 : Knfigurasi pin Shield ic cd4051 Pada Gambar 8 menampilkan kegunaan dari masingmasing pin. pemilihan ic cd4051 karena hanya memiliki

4 satu utput yang akan dihubungkan dengan prt ADC pada mikrkntrler. Pada ic cd4051 dapat merubah jumlah utput yang seharusnya bisa mencapai 7 prt utput D. Perancangan Sistem Mikrkntrler Pada perancangan mikrkntrler menggunakan mdul arduinun sebagai penglah utama untuk pemrsesan algritma pada sistem krdinasi prteksi. Knfigurasi kaki I/O dari mdul arduin un dapat dilihat tabel 1. Tabel 1: Penggunaan pin atmega328 Perancangan time current curve seperti pada Gambar 9 yang di buat juga telah disesuaikan dengan karakteristik beban rumah tangga, time current curve inilah yang akan dijadikan leh rele sebagai acuan untuk bekerja. F. Perancangan Single Line Diagram Dengan perancangan perangkat keras yang telah di jelaskan di atas, maka setelah perancangan perangkat keras selesai akan dibuat perancangan single line diagram sistem. E. Perancangan Time Current Curve Perancangan time current curve berfungsi untuk rele arus lebih dimana rele akan dapat diatur sitem kerjanya Keterangan Fungsi ADC0 Sensr tegangan zna 1 ADC1 Sensr tegangan zna 2 ADC3 Sensr arus zna 1 ADC4 Sensr arus zna 2 ADC5 Output multiplekser L1 Kntrl rele zna 1 L2 Kntrl rele zna 2 L3 Kntrl rele zna 3 L4 Kntrl rele zna 4 L5 Kntrl rele zna 5 L6 Kntrl rele zna 6 M1 Selektr C M2 Selektr B M3 Selektr A berdasarkan arus dan waktu. Untuk membuat time current curve aplikasi yang digunakan adalah PwerPlt v2.5, sedangkan acuan yang digunakan adalah kurva IEC(BS142) Gambar 10 : Single Line Diagram Sistem Gambar 10 merupakan perancangan dari single line diagram dari sistem yang akan di buat. V. PENGUJIAN DAN ANALISIS A. Pengujian Respn Rele Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui seberapa cepat waktu rele memutus rangkaian pada saat terjadi gangguan. Zna Rele Tabel 2 : Hasil pengujian respn rele Uji Uji respn respn ke-2 ke-3 Uji respn ke-1 Rata-rata uji respn rele Zna Zna Zna Zna Zna Zna Berdasarkan tabel 2 dapat di analisis kemampuan rele dalam mengatasi gangguan berkisarar 10 ms sampai 1 ms. B. Pengujian Gangguan undervltage Pengujian ini bertujuan memberikan gangguan undervltage. Gambar 9 : Time current curve untuk rele pada sistem

5 Gambar 11 : Gelmbang tegangan pada sumber Pada Gambar 11 dapat dianalisis gelmbang tegangan turun dari nilai 48 vlt sampai dengan 32 vlt, setelah nilai tegangan mencapai nilai setpint yang ditetapkan rele dengan segera memutus rangkaian sehingga terlihat nilai tegangan menjadi 0 vlt dikarenakan rangkaian yang telah terputus. C. Pengujian Gangguan vervltage Pengujian ini bertujuan untuk memprteksi sistem dari gangguan vervltage. Langkah-langkah untuk melakukan pengujian ini hampir menyerupai gangguan undervltage, alat yang digunakan untuk menaikkan tegangan juga menggunakan ptensimeter. Gambar 13 : Hasil pengujian beban lebih 5.4 A Arus 6.2 A Perhitungan IEC T = A D V P Q +B D+K T = ( ) 1 T =6.8 Hasil Pengujian Gambar 12 : Gelmbang tegangan pada sistem Gambar 12 dapat dianalisis bahwa nilai tegangan semula sistem berada pada nilai 48 vlt, lalu secara perlahan nilai tegangan dinaikkan, setelah terjadi gangguan vervltage akan seketika memutus rangkaian sehingga terlihat tegangan langsung turun drastis sampai 0 vlt. D. Pengujian Gangguan Beban Lebih Pengujian ini dilakukan dengan menmberikan variasi beban sehinga akan menimbulkan variasi arus juga, karena rele yang di gunakan menggunakan mde inverse sehingga Hasil perhitungan dan pengujian dapat dilihat pada perhitungan di bawah ini. Arus 5.4 A Perhitungan IEC T = A D V P Q +B D+K T = ( ) 1 Gambar 14 : Hasil pengujian beban lebih 6.2 A Arus 7.3 Perhitungan IEC T = A D V P Q +B D+K T = ( ) 1 T =5.37 Hasil pengujian T =8.81 Hasil Pengujian Gambar 15 : Hasil pengujian beban lebih 7.3A Arus 8.5 Perhitungan IEC

6 T = A D V P Q +B D+K T = ( ) 1 T =4.4 Hasil Pengujian Gambar 18 : Hasil pengujian hubung singkat zna 2 Gambar 16 : Hasil pengujian beban lebih 8.4 A Berdasarkan dari hasil pengujian beban lebih maka didapatkan rincian dalam tabel 3. Tabel 3 : Hasil perbandingan teri dan praktek waktu trip rele N. Arus (A) T teri (s) T praktek (s) Err (%) Berdasarkan gambar 16 sampai gambar 19 dan data dari tabel 5.5 hasil pengujian yang telah dilakukan dapat di analisis bahwa setiap arus yang berbeda maka waktu rele untuk bekerja akan berbeda beda juga. E. Pengujian Gangguan Hubung Singkat Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kemampuan sistem prteksi yang telah di bangun terhadap jenis gangguan hubung singkat. Pengujian in dilakukan dengan cara menyambungkan plaritas psitif dan negatif pada sisi beban sehingga terjadi gangguan hubung singkat seperti yang diinginkan. Gambar 19 : Hasil pengujian hubung singkat zna 3 Gambar 20: Hasil pengujian hubung singkat zna 4 Gambar 21 : Hasil pengujian hubung singkat zna 5 Gambar 17 : Hasil pengujian hubung singkat zna 1 Gambar 22 : Hasil pengujian hubung singkat zna 6 Berdasarkan Gambar 17 sampai gambar 22 dapat di analisis bahwa rele dapat memutus gangguan hubung singkat dengan kecepatan waktu respn rata-rata 10 ms.

7 Pengujian ini membuktikan bahwa sistem prteksi yang di buat dapat mengislasi gangguan hubung singkat dengan baik. VI. A. KESIMPULAN KESIMPULAN DAN SARAN Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa: 1 Jenis gangguan yang ada pada sistem jaringan tegangan rendah dc adalah gangguan undervltage, gangguan vervltage, gangguan beban lebih, dan gangguan hubung singkat. Pada setiap gangguan memiliki pengaruh dan efek yang berbeda-beebeda dan juga penanganan yang juga berbeda 2 Perancangan sistem prteksi pada penelitian ini di bagi menjadi 6 zna, dimana zna 1 merupakan daerah sumber yang langsung di catu leh aki 48 vlt sedangkan zna 2 sampai zna 6 merupakan daerah beban, dimana pada masing-masing zna terdapat rele yang berfungsi untuk memutus rangkaian. Pusat kntrler dalam sistem ini menggunakan mdul arduin, setiap data pada sistem akan dilah di mikrkntrler yang ada pada arduin. Rele akan bekerja memutus rangkaian setelah mendapat perintah dari mikrktrler dimana perintah mikrkntrler akan berdasarkan nilai setpint yang ditentukan dengan nilai aktual dari arus dan tegangan. 3 Kecepatan dalam mengislasi berbagai jenis gangguan agar sistem terus berada dalam kndisi kntinyuitas merupakan hal yang penting dalam sistem prteksi, karena jika respn rele kurang cepat akan dikhawatirkan akan merusak beban dan kmpnen yang lainnya. Respn waktu dari jenis rele yang digunakan pada sistem ini mempunyai respn waktu dengan rata-rata 10 ms. B. SARAN Sensr tegangan untuk penggunan jaringan yang lebih besar bisa menggunakan mdul tegangan sehingga bisa menggunakan range tegangan yang lebih besar dan tingkat presisi yang lebih bagus. Sensr arus dapat menggunakan mdul acs sebagai sensr arus sehingga dapat mengukur arus dengan lebih presisi dan juga tidak menimbulkan jatuh tegangan seperti halnya menggunakan resistr shunt. DAFTAR PUSTAKA [1] Nilssn D.(2005). DC Distributin Systems. A thesis submitted t the University f Technlgy. Gtenbrg:tidak diterbitkan [2] Salnen dkk.an LVDC Distributin System Cncept. (diakses 15 Mei 2015) [3] Blackburn, J.L. & Dmin T.J. (2006). Prtective Relaying Principles and Aplicatins Third Editin, Flrida: CRC Press [4] Candelaria, Jared M.(2012). FAULT DETECTION AND ISOLATION IN LOW-VOLTAGE DC-BUS MICROGRID SYSTEM. A thesis submitted t the University f Clrad Denver. Clrad:tidak diterbitkan. [5] Schlabbach, Jurgen Shrt-Circuit Currents, Lndn: The Institutin an Technlgy RANCANG BANGUN SISTEM PROTEKSI JARINGAN TEGANGAN RENDAH DIRECT CURRENT PUBLIKASI JURNAL SKRIPSI Disusun Oleh: VITO FAUZAN NIM

8 KEMENTERIAN RISET TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS BRAWIJAYA FAKULTAS TEKNIK MALANG 2015 PENGESAHAN PUBLIKASI HASIL PENELITIAN SKRIPSI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA NAMA : VITO FAUZAN NIM : PROGRAM STUDI : TEKNIK ENERGI ELEKTRIK JUDUL SKRIPSI : RANCANG BANGUN SISTEM PROTEKSI JARINGAN TEGANGAN RENDAH DIRECT CURRENT TELAH DI-REVIEW DAN DISETUJUI OLEH : Pembimbing 1 Pembimbing 2 HADI SUYONO, S.T., M.T.,Ph.D. Eka Maulana, ST., M.T., M.Eng.

9 NIP NIK