BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Harmonisa Harmonisa adalah distorsi periodik dari gelombang sinus tegangan, arus atau daya dengan bentuk gelombang yang frekuensinya merupakan kelipatan diluar bilangan satu terhadap frekuensi fundamental pada mana sistem suplai dirancang beroperasi (frekuensi 50 Hz) [2]. Bentuk gelombang yang terdistorsi merupakan penjumlahan dari gelombang fundamental dan gelombang harmonisa (h 1, h 2, dan seterusnya) [5]. Pada Gambar 2.1 di bawah ini dapat dilihat bentuk gelombang terdistorsi, gelombang fundamental dan komponen harmonisanya (harmonisa ketiga). Gel Fundamental Gel Harmonisa ke 3 Gel Fundamental + Gel Harmonisa ke 3 = Gel Terdistorsi Gambar 2.1. Gelombang terdistorsi, fundamental, harmonisa ketiga [5] Makin banyak harmonisa diikut sertakan, kurva makin mendekati bentuk persegi atau bentuk gelombang makin menyimpang dari bentuk sinusoidal [3].
2.2. Distorsi Harmonisa Distorsi harmonisa adalah setiap perubahan dalam bentuk sinyal yang tidak disengaja dan secara umum tidak diinginkan [6]. Harmonisa menyebabkan distorsi pada bentuk gelombang fundamental tegangan dan arus. Distorsi harmonisa timbul akibat karakteristik nonlinier alat dan beban pada sistem tenaga. Peralatan ini dimodelkan sebagai sumber arus yang menginjeksikan arus harmonisa kedalam sistem tenaga. Distorsi harmonisa timbul sebagaimana arus ini menyebabkan tegangan non linier pada impedansi sistem. Distorsi harmonisa timbul akibat banyaknya pelanggan beban non linier [7]. Berikut ini diperlihatkan bagaimana gelombang arus menjadi cacat karena harmonisa seperti terlihat pada Gambar 2.2 berikut ini : ARUS CACAT AKIBAT HARMONISA Gambar 2.2 Arus cacat akibat harmonisa [5] 2.3. Persamaan Harmonisa Gelombang harmonisa dan terdistorsi merupakan gelombang kontinu dan periodik sehingga sesuai dengan deret Fourier seperti Persamaan berikut.
Gelombang periodik yang memiliki bentuk gelombang f(t) = f(t + 2L) dapat dinyatakan dengan sebuah deret Fourier dimana (- L, L) interval dari f(t) atau f(t) mempunyai periode 2L; L adalah bilangan periodic [8]. Deret Fourier dapat dinyatakan dalam bentuk : F(t) = a 0 + h=1 (a h cos hωt + b h sin hωt ) [8].......(2.1) Secara umum arus sesaat dapat direpresentasikan dalam deret Fourier sebagai: i(t) = h=1 i h (t) = h=1 2 I h sin (hω 0 t + δ h ) [8]......(2.2) dengan bagian arus searah biasanya diabaikan untuk kesederhanaan. I h adalah arus rms untuk harmonisa orde ke-h. Arus harmonisa total (Total Harmonics Current) = [8]...(2.3) Rumus menghitung I t, I 1 dan THDi : I t = [2].......(2.4) dimana : h=2 = I 2 2 + I 3 2 + I 4 + I 5 2 + I 6 2 + I 7 2 + ---- + I 2 THDi = [9]........(2.5)
[1]......(2.6) dimana : I t = Arus total = Arus terdistorsi efektif(rms) THDi = Total Harmonics Distortion arus h I 1 I h = Orde harmonisa = Arus komponen fundamental = Arus harmonisa orde ke h 2.4. Dampak Distorsi Harmonisa Distorsi harmonisa dapat berdampak pada kerugian teknis dan ekonomis yaitu : a. Pada transformator berupa susut listrik bertambah, daya mampu menurun dan umur ekonomis menurun. b. Pada motor listrik berupa pemanasan berlebih, adanya tambahan stress termal, terjadi pulsasi pada putaran dan umur ekonomis menurun. c. Pada Capacitor Bank berupa terjadinya resonansi (seri dan paralel) harmonisa dengan Capacitor Bank sehingga dapat menyebabkan beban lebih dan gagal bekerja, distorsi tegangan menambah rugi dielektrik, menambah stress termal pada isolasi dan mengurangi umur ekonomis.
d. Pada penghantar jaringan berupa susut listrik bertambah, kenaikan jatuh tegangan, stress dielektrik meningkat dan mengurangi umur ekonomis. e. Pada alat ukur berupa terjadinya kesalahan pengukuran pada kwh meter elektromekanis. f. Pada sistem tenaga berupa arus netral naik (harmonisa orde kelipatan ke 3), tegangan sentuh peralatan bertambah sehingga membahayakan bagi operator [8]. Berikut ditampilkan rekapitulasi kerusakan transformator daya di PT PLN (Persero) P3BJB selama tahun 2000 s/d 2009 yang kemungkinan besar karena rele tidak tepat trip secara efektif akibat distorsi harmonisa[10], lihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Rekapitulasi kerusakan tranformator daya di PLN P3B JB [10] Rasio Tegangan (kv) Tahun 70/20 150/20 150/70 500/150 Total 2000 1 2 1 4 2001 4 2 1 7 2002 1 4 1 6 2003 4 9 1 2 16 2004 1 8 9 2005 1 4 5 2006 2 4 6 2007 6 2 8 2008 2 13 2 1 18
2009 3 7 8 5 23 Jumlah 15 61 15 11 102 Sedangkan data penyebab gangguan pada transformator daya tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.3 berikut : Gambar 2.3. Penyebab gangguan transformator [10] Dari Gambar 2.3. diatas beberapa hal dapat diketahui : a. 40 % gangguan pada sisi tegangan menengah transformator 150/ 20 kv, karena Feeder 20 kv gagal trip, sehingga menyebabkan PMT outgoing 20 kv transformator trip, gangguan bus-bar 20 kv, karena binatang (ular, tikus, burung, dsb), kesalahan manusia, seperti salah manuver dan sebagainya. b. 19 % karena malfungsi sistem proteksi c. 10 % belum diketahui penyebabnya
Dari data diatas dapat diketahui bahwa rele beroperasi tidak sesuai nilai sebenarnya dari setelan arus-waktu rele; maksudnya adalah rele tidak beroperasi sesuai dengan setting; ini bisa saja disebabkan oleh adanya harmonisa yang mempengaruhi keakuratan kinerja operasi rele. 2.5. Standard Distorsi Harmonisa Karena begitu besar dan bervariasi dampak distorsi harmonisa pada peralatan dan sistem secara teknis dan ekonomis maka diperlukan standarisasi harmonisa. Standar yang mengatur distorsi harmonisa ini adalah standar IEEE 512-1992 dan IEC 6100-2005. Kedua standar ini mengatur batasan harmonisa yang diijinkan seperti terlihat dalam Tabel 2.2 dan 2.3 berikut ini. Tabel 2.2 Batas distorsi harmonisa arus menurut IEEE 519 1992 [10,11] Maksimum Distorsi Arus Harmonisa Dalam % Arus Beban (I L ) Harmonisa Orde Ganjil Pada : 120 V V 69 kv I sc /I L n < 11 11 n < 17 17 n < 23 23 n < 35 n 35 THDi < 20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 20-50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0
50-100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 100-1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 > 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Harmonisa orde genap dibatasi 25% dari batasan harmonisa orde ganjil diatas Tabel 2.3 Batas distorsi harmonisa arus dalam % arus beban I L : IEC 61000-2005 [10,11] I sc /I L n < 20 11 n <17 17 n <23 23 n <35 n > 35 THDi < 20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 20-50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 50-100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 100-1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 >1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 dimana : I sc = Arus hubung singkat maksimum di PCC atau pada Alat Pengukur dan Pembatas (APP) I L = Arus beban demand maksimum (komponen frekuensi fundamental) di
PCC (Point of Common Coupling = Titik sambung bersama). 2.6. Arus Lebih Arus lebih adalah arus yang melampaui arus beban maksimum yang dibolehkan (arus pengenal alat yang diproteksi).[12] Arus lebih ini dapat berupa beban lebih dimana arus 1,05 I n dan arus karena gangguan hubung singkat 4 I n ( arus nominal) [13]. 2.7. Rele Proteksi Rele proteksi adalah suatu rele yang didisain untuk menginisiasi diskoneksi sebagian dari instalasi listrik dan atau mengoperasikan sinyal peringatan jika terjadi gangguan atau kondisi abnormal pada instalasi [2]. Rele proteksi mempunyai sarana pengukuran besaran sistem tenaga (arus dan tegangan) dan memprosesnya lewat sistem elektromekanis atau analog elektronik atau internal logik, dan mempunyai kapasitas untuk mengkontrol operasi Pemutus Tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB). Analog elektronik atau Logik internal memperkenankan rele menginisiasi urutan tripping jika kondisi abnormal terjadi dalam sistem tenaga. Berdasarkan konstruksinya ada dua tipe rele yaitu: elektromekanis dan statis. Rele Elektromekanis, gaya yang bekerja dihasilkan oleh interaksi gaya-gaya elektro mekanis, sedangkan Rele Statis didasarkan pada aplikasi komponen elektronika seperti dioda, transistor, kapasitor dll sehingga beroperasi sama seperti sistem elektromekanis
namun tidak ada bagian yang bergerak dalam operasinya [14]. 2.8. Rele Proteksi Arus Lebih Rele Proteksi arus lebih berfungsi menginisiasi diskoneksi sebagian dari instalasi listrik atau mengoperasikan sinyal peringatan jika terjadi gangguan arus lebih baik karena gangguan beban lebih maupun karena gangguan arus hubung singkat sehingga alat yang diproteksi terhindar dari kerusakan dan lingkungan juga aman untuk manusia maupun untuk alam sekitar. Rele arus lebih ada dua tipe yaitu tipe elektromekanis dan tipe statis sebagaimana diuraikan berikut ini [15]. 2.8.1. Rele proteksi arus lebih elektromekanis Keeper Piringan Koil kutub tengah Plug Magnet Elektromagnet Gambar 2.4 Rele elektromekanis [1,2]
Komponen utama rele ini adalah unit piringan induksi dan 3 kutub electromagnet seperti terlihat pada Gambar 2.4. Piringan ini dipegang oleh suatu pegas penahan. Seluruh energi operasi diberikan ke kumparan kutub tengah. Satu kutub luar dilengkapi dengan kumparan lag. Kutub lainnya tidak ada kumparan nya. Arus I pada kumparan utama menghasilkan fluksi yang lewat celah udara menuju piringan, akhirnya tiba di Keeper. Fluksi kembali sebagai L lewat lengan kiri dan sebagai R lewat lengan kanan dimana Φ = L + R. Kumparan lag terhubung
singkatkan di lengan kiri menyebabkan L terbelakang dari R dan Φ. Dengan adanya arus pick-up fundamental maka timbul Torsi yang cukup kuat untuk mengatasi Torsi pegas penahan piringan dan menyebabkan piringan mulai bergerak. Torsi ini di hasilkan dari interaksi antara arus di piringan yang diproduksi oleh tiap kutub dan fluksi-fluksi dua kutub lainnya. Kenaikan frekuensi arus input menyebabkan perubahan kecil pada arus yang diproduksi di sirkit kumparan lag. Akan tetapi, fluksi pada kutub ini akan turun berlawanan dengan proporsi kenaikan frekuensi, menjaga sifat elektromagnet sebagai ekivalent dari transformator arus. Dengan cara yang sama, fluksi pada kutub luar lainnya menurun karena gaya gerak magnet (mmf) rendah padanya. Jadi fluksi pada kutub tengah adalah jumlah fluksi-fluksi dua kutub luar lainnya, yang juga diturunkan. arus sirkit kumparan lag tetap. Penurunan rotasi piringan ini, menyebabkan arus pickup bertambah, dan akhirnya menyebabkan efisiensi elektromagnet dirusak pada point non operasi. Harmonisa dikombinasikan dengan fundamental menimbulkan efek serius pada nilai arus pick-up dan waktu operasi dari kurva arus-waktu inverse rele arus lebih elektromekanis [1,2]. Setiap penghantar yang dilalui arus meghasilkan fluksi yaitu :
Arus I menghasilkan fluksi 1 dan arus I s menghasilkan fluksi s sehingga interaksi kedua fluksi ini menghasilkan torsi elektromekanis yaitu : T em = k n 1 s Sin [1,2,12,16]... (2.7) dimana : k n = konstanta torsi elektromekanis Sin = sinus sudut yang dibentuk kedua fluksi Torsi yang bekerja pada piringan merupakan resultanta torsi elektromekanis dan torsi pegas yaitu:
T g = T em - k 2 ; T g = k n 1 s Sin k 2 [1,2,12]... ( 2.8) dimana : I = arus efektif yang mengalir dalam kumparan utama Is = arus pada kumparan lag k 2 = torsi pegas penahan T g = torsi gerak Fluksi pada kutub tengah adalah jumlah fluksi-fluksi dari 2 kutub luar lainnya, juga dikurangi dengan penurunan arus pemagnetan untuk pengurangan frekuensi dan arus sirkit kumparan-lag tetap, efeknya adalah untuk kutub tengah dan fluksi-fluksi kutub non-lag menarik mendekati sefasa. Ini menurunkan rotasi piringan, menyebabkan arus pick-up naik, dan akhirnya menyebabkan efisiensi elektromagnet menjadi semakin turun sehingga tak beroperasi [1, 2, 12, 16]. Kurva arus-waktu Inverse didisain bekerja dengan arus sinusoidal, tidak dapat bekerja secara efektif dengan arus non sinusoidal yang mengandung komponen harmonisa. Arus pick-up baik arus fundamental maupun arus rms terdistorsi naik sesuai kenaikan THDi; hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.4, Gambar 2.5 dan Gambar 2.6 berikut ini:
Tabel 2.4 Perubahan I 1 dan I t sesuai perubahan THDi [1] THDi(%) 6,00 35,31 46,08 68,99 70,65 85,86 I 1 (A) 1,10 1,14 1,22 1,34 1,40 1,46 I t (A) 1,10 1,20 1,30 1,60 1,68 1,90 Gambar 2.5 THDi vs I 1 [1]
Gambar 2.6 Kurva THDi vs I t [1] Demikian juga waktu operasi rele (t trip ) semakin lambat sesuai kenaikan THDi sekalipun I t tetap sebesar 2,00 A seperti diperlihatkan pada Tabel 2.5.dan Gambar 2.7 berikut ini : Tabel 2.5 Perubahan t trip sesuai perubahan THDi [1] THDi(%) 6,43 27,45 35,12 59,50 65,23 85,20 t trip (s) 4,63 5,27 5,98 8,68 9,58 14,96
Dari data pada Tabel 2.5 diatas dibentuk kurva Gambar 2.7. Gambar 2.7 Kurva Karakteristik arus-waktu [1] Karakteristik Arus-Waktu Inverse Rele Arus Lebih Elektromekanis Untuk Arus Sinusoidal t trip (detik) vs I 1 (A). Distorsi harmonisa menyebabkan kenaikan waktu trip rele sehingga komponen sistem tenaga yang diproteksi oleh rele ini akan berpeluang menjadi panas dan akhirnya rusak demikian juga koordinasi rele ini tidak dapat terealisasi secara sempurna.
2.8.2. Rele proteksi arus lebih statis Sudah sejak beberapa tahun lalu rele statis ini digunakan menggantikan rele elektromekanis dan banyak digunakan pada sisi tegangan menengah 20 kv Gardu Induk 150 kv/20 kv. Rele statis ini mirip dengan rele elektromekanis dalam fungsinya dan dapat langsung menggantikan rele elektromekanis yang ada. Adapun bentuk fisik dari rele statis ini dapat dilihat pada Gambar 2.8. berikut ini : Gambar 2.8 Rele proteksi arus lebih statis Kuantitas input sistem tenaga yang diukur oleh rele ini, berupa kuantitas analog yaitu arus, tegangan, sudut fasa, dan daya. Ini dibandingkan secara tunggal atau kombinasi dengan suatu referensi setelan level dan suatu keputusan digital (yes/no) dihasilkan dalam pengukuran ini. Jika rele ini tanpa rele tunda (time delay) maka rele ini adalah rele dengan karakteristik Inst [12]. 2.8.2.1.Rele statis dengan waktu tunda (time delayed) Sirkit yang biasa dipakai adalah: a. Sirkit konverter ac ke dc untuk mengkonversikan kuantitas input ac ke dc untuk pengukuran subsikuent dan komparasi. b. Detektor Level membandingkan kuantitas analog input dengan suatu level dan memberikan perintah output digital ketika set level dilampaui.
c. Timers yang memberikan perintah waktu tunda apakah konstan atau proporsional dengan kuantitas input analog. Tiap sirkit ini membentuk suatu bagian dari waktu tunda rele arus lebih seperti diperlihatkan dalam blok diagram Gambar 2.9. Gambar 2.9 Blog diagram rele arus lebih dengan waktu tunda [12]
Arus ac di konversikan ke tegangan dc dengan suatu transformator arus yang sesuai rasionya, jembatan penyearah (bridge rectifier) dan beban shunt resistif. Tegangan ini dibandingkan dengan suatu set level oleh detektor level 1 yang memberikan perintah start kepada timer ketika level di lampaui. Timer ini dilengkapi waktutetap (fixed time) untuk rele karakteristik arus-waktu definite atau waktu inverse (terbalik) proporsional terhadap besar arus input untuk rele dengan karakteristik arus-waktu inverse (terbalik). Timer memuati kapasitor sedemikian rupa sehingga ketika muatan mencapai level set pada detektor level 2 kemudian memberikan sinyal kepada sirkit switching output untuk selanjutnya trip. Untuk karateristik arus waktu Inst tidak melalui proses Timer. Jadi pada rele statis untuk mentripkan kontak rele tidak memerlukan Torsi tapi proses kerja secara elektronik saja [12]. 2.8.2.2.Rele statis yang diteliti Ada pun spesifikasi teknis rele proteksi arus lebih statis yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Pengenal: 1 A atau 5 A; 50 Hz; Kelas 10P Sumber tegangan: 220 volt /satu fasa/50hz Kurva operasi (lihat Gambar kurva berikut): Inverse time: Standard Inverse (SI); Very Inverse (VI) dan Extremely Inverse (EI). Definite Time 2 detik (D2); 4 detik (D4) dan 8 detik (D8)
Inst : < 1 detik tanpa time delay Julat setting : 0,05 x I n s/d 2,4 x I n dalam step 0,05 x I n Rangkaian internal dari rele arus lebih statis ini diperlihatkan pada Gambar 2.10
Gambar 2.10 Rangkaian internal rele arus lebih statis [17] 2.8.2.3 Prinsip kerja
Perhatikan rangkaian internal arus lebih statis pada Gambar 2.10 : Jika terjadi gangguan misalnya gangguan hubung singkat di depan titik P1 maka tentu arus dari P2 ke P1 menjadi besar lebih besar dari arus nominalnya. Akibatnya arus di sekunder CT (transformator arus) atau dari titik S1 ke titik S2 menjadi lebih besar dari arus nominalnya dimana arus ini melebihi Arus setting (Is) rele. Arus ini masuk ke transformator IA lalu diproses di input circuit Ph. Karena melebihi Is lalu diproses di µc PhA (I >Is) disesuaikan dengan setting arus-waktu dan kurva yang dipilih apakah SI, VI atau EI atau DT atau Inst sehingga mengoperasikan output circuit Ph (sirkit keluaran Ph) dan mengenerjais kumparan trip rele RL1/2 dan kumparan trip rele RL2/2; dengan demikian saklar RL1-1 dan RL1-2 menjadi ON demikian juga saklar RL2-1 dan RL2-2. Saklar RL1-1 dan RL1-2 adalah saklar untuk gangguan fasa dengan waktu tunda yaitu untuk kurva SI, VI dan EI serta DT sedangkan saklar RL2-1 dan RL2-2 untuk kurva gangguan fasa Inst. Demikian juga untuk IC dan E/F. Pada Rele ini dapat disetel atau di setting arus, waktu trip, kurva (SI, VI dan EI) dan kurva DT serta kurva Inst. Didalam proses kerja rele ini tidak ada bagian yang bergerak secara mekanis [17]. 2.8.2.4.Kurva arus-waktu Kurva arus-waktu merupakan kurva tempat kedudukan waktu trip rele sesuai besar arus yang masuk ke kumparan trip rele. Kurva arus-waktu ini terdiri dari :
a. Kurva arus-waktu inverse, kurva arus-waktu Definite dan kurva arus-waktu Inst b. Kurva arus-waktu Inverse: Kurva ini menyatakan bahwa semakin besar arus gangguan (arus ke kumparan trip rele = I) maka semakin cepat rele trip (t trip ) dan sebaliknya atau jika I naik maka t trip turun dan jika I turun maka t trip naik. c. Kurva ini terdiri dari 3 jenis yaitu Kurva arus-waktu Standard Inverse (SI): kurva ini paling landai dibandingkan dengan kurva lainnya dimana untuk arus ke kumparan trip 30xI s (I s = arus setting) waktu trip rele sudah tetap yaitu 2 detik. d. Kurva arus-waktu Very Inverse (V I): kurva ini lebih landai dari pada kurva EI dimana untuk arus ke kumparan trip rele > 30 I s, waktu tripnya sudak tetap yaitu 0,46 detik. e. Kurva arus-waktu Extremely Inverse (EI): kurva ini paling curam dibandingkan kurva lainnya dimana untuk arus ke kumparan trip rele 20I s, waktu tripnya sudah tetap yaitu 0,2 detik. Rumus menghitung waktu trip (t trip, detik) [17]: SI : t trip = detik.. (2. 9) VI : t trip = detik.. (2.10) EI : t trip = detik.. (2.11)
dimana : t trip = waktu operasi rele atau waktu yang dibutuhkan rele mulai dari arus gangguan masuk sampai dengan rele trip dalam satuan detik. I =.. (2.12) I s = arus setting = arus dimana rele harus trip dalam waktu trip yang ditentukan dalam perkalian arus nominal rele sehingga dapat dituliskan : I s = x I n.... (2.13) dimana : x = konstanta pengali yaitu 0,05 s/d 2,4 dalam step 0,05. Kurva arus-waktu dari rele ini diperlihatkan pada Gambar 2.11. berikut ini:
Gambar 2.11 Kurva arus waktu rele arus lebih statis [17] Kurva Definite: berapa pun arus gangguan, waktu trip rele tetap sesuai setting apakah 2 detik; 4 detik atau 8 detik. Untuk kurva Inst waktu trip < 1 detik tanpa waktu tunda. 2.8.2.5.Penyetelan rele Penyetelan (setting) ditentukan oleh posisi saklar mini pada bagian depan rele. Ada dua grup saklar pada tiap-tiap kutub rele; grup atas untuk penyetelan elemen waktu tunda dan grup bawah untuk penyetelan elemen Inst. Saklar grup atas dibagi dalam 3 sub grup untuk penyetelan elemen waktu tunda, yaitu: a. Saklar penyetelan arus waktu tunda, I=ΣxI n ; Σ = jumlah scalar
Ketujuh saklar biru atas digunakan untuk menyetel sensitivitas arus yang diperlukan. Tiap saklar dapat digeser ke kiri atau ke kanan, level penyetelan ditunjukkan oleh angka di sebelah kiri atau kanan saklar. Total penyetelan diperoleh dengan menjumlahkan nilai (angka) yang ditunjukkan tiap-tiap saklar penyetelan dan mampu disetel pada langkah 5% dari 0,05 s/d 2,4 x In. b. Saklar Pilih Kurva Ketiga saklar hitam grup atas digunakan untuk memilih kurva waktu yang dibutuhkan dari 3 pilihan kurva waktu inverse dan 3 kurva waktu definit dan 1 kurva waktu Inst. c. Saklar Penyetelan Pengganda Waktu (Setting Time Multiplier) = x t trip = Σ Enam saklar biru yang berada dibagian bawah dari grup saklar atas digunakan untuk menyetel pengganda waktu yang dibutuhkan. Waktu yang disediakan tiap karakteristik operasi waktu tunda harus dikalikan dengan pengganda waktu agar diperoleh waktu operasi aktual dari kutub rele. Penyetelan diperoleh dengan penjumlahan angka yang ditunjukkan tiap saklar setel yaitu x t trip = Σ. Walaupun memungkinkan menyetel saklar untuk mendapatkan TMS (Time Multiplier Setting) 0,025 x t trip, penyetelan ini tidak dapat jadi jaminan akan ketelitiannya, karena hanya setelan dalam julat 0,05 s/d 1,0 x t yang harus digunakan.
d. Penyetelan Elemen Inst I inst = Σ x I s Grup terpisah sebelah bawah dari 6 saklar luncur biru digunakan untuk memilih setelan arus Inst yang dibutuhkan antara 1 x I s dan 31 x I s. Penyetelan terpilih = jumlah angka yang ditunjukkan tiap saklar setelan. Arus operasi dari elemen Inst = Setelan terpilih x Arus setelan waktu tunda. Jika elemen Inst pada kutub rele tidak dibutuhkan, maka semua saklar harus digeser ke kiri (menunjuk angka nol), atau saklar terbawah digeser ke kanan (menunjuk angka tak terhingga; ) [12,16,17] Adapun petunjuk penyetelan rele ini adalah seperti berikut ini: Jenis Karakteristik Posisi Saklar 0 SI Standard Inverse 0 0 1 VI Very Inverse 0 0 0 1 0 EI Extremely Inverse 1 0 D2 Definite Time 2 s 0 0 1 D4 Definite Time 4 s 1
D8 Definite Time 8 s 0 1 1 0 1 dimana: t trip = waktu operasi rele ( detik = s) ; I = e. Contoh Penyetelan Rele arus ke kumparan trip arus setting Saklar (0.1) 0,05 I s = (0,1 + 0,1 + 0,2 + 0,8) x I n = Setelan (0.1) 0 = 1,2 I n Arus (0.2) 0 (0.4) 0 I s = Σ x I n (0.4) 0 (0.4) 0 (0.8) 0 Saklar (0) 1 Kurva Standard Inverse Pilih (0) 1 Kurva (0) 1 Saklar TMS (0.025) 0,05 TMS = ( 0,05 + 0,05 + 0,4 ) x (0) 0,05 = 0,5 x (0) 0,1 (0) 0,2 x t trip = Σ (0) 0,2 (0) 0,4 Saklar (0) 1 I inst = (8 + 2) x I s = 10 x 1,2 x I n Setelan (0) 2 Arus (0) 4 = 12 x I n Instantaneous (0) 8 (0) 16 (0)
Jika pada setelan diatas, digunakan pada rele 1A, maka : Arus setelan Kurva = I s = 1,2 x 1 = 1,2 A = Inverse Standard ; TMS = 0,5 x Arus Setelan Inst = 12 x I n = 12 x 1 = 12 A ( arus dalam nilai skunder) 2.9. Alat Ukur Harmonisa (Power Quality Analyzer = PQA) Harmonisa merupakan distorsi periodik arus atau tegangan. Sinyal dapat merupakan suatu kombinasi berbagai gelombang sinus dengan frekuensi berbeda. Pengukuran Harmonisa Arus (THDi, It, Orde Harmonisa) dengan menggunakan peralatan Power Quality Analyser (PQA), dimana hasil dari pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2.12, 2.13 dan 2.14. Kontribusi tiap komponen ini terhadap sinyal penuh (full sinyal) seperti pada Gambar 2.12 berikut ini. Gambar 2.13. memperlihatkan sinyal harmonisa yang berisi THDi dan Harmonisa ke berapa saja yang berpengaruh. Sinyal tertinggi (100%) adalah sinusoidal murni fundamental dan lainnya adalah harmonisa ke 3; 5; 7; 9 dst s/d harmonisa ke 49. Pada Gambar 2.14 dapat diketahui besar arus efektif (I t ) yang mengalir dalam beban dan rele [18].
Gambar 2.12 Persentase (%) distorsi harmonisa hasil pengukuran PQA Gambar 2.13 Sinyal harmonisa yang berpengaruh hasil pengukuran PQA
Gambar 2.14 Arus efektif (I t ) hasil pengukuran PQA 2.10. Beban Ada dua jenis beban listrik ditinjau dari sisi harmonisa yaitu beban linier dan non linier. 2.10.1. Beban linier Beban linier adalah beban yang menghasilkan bentuk gelombang linier artinya beban ini tidak menarik gelombang arus yang non sinusoidal pada saat beban dienerjais oleh sumber sinusoidal sehingga arus yang mengalir berbanding lurus dengan rasio tegangan dengan impedansi. Contoh beban linier adalah lampu pijar, pemanas niklin dan resistor. Gambar 2.15. memperlihatkan perubahan tegangan sebanding dengan perubahan arus atau keduanya berubah secara linier, hal ini terjadi pada beban linier. Gambar 2.16. memperlihatkan bentuk gelombang arus dan
tegangan pada beban linier. Secara rangkaian listrik, misalnya : suatu rangkaian 3 fasa 4 kawat yang memasok beban linier dimana tegangan beban adalah fasa ke netral dengan besar tegangan yang sama dan berbeda sudut fasa 120 o antar fasanya, seperti terlihat pada Gambar 2.17. Arus (I) Tegangan(V) Gambar 2.15 Kurva arus-tegangan beban linier [5] Gambar 2.16 Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier cosφ =1 [5]
V R = V 0 o ; V S = V 120 o ; V T = V 240 o Gambar 2.17. Diagram fasor sistem 3 fasa 4 kawat beban linier setimbang [5] Pada saat beban setimbang, maka nilai arus pada setiap fasa sama dan beda sudut fasa satu sama lain 120 o. Pada keadaan beban setimbang seperti ini dapat dikatakan bahwa beban merupakan beban linier, sehingga arus di kawat netral sama dengan nol, seperti Persamaan arus berikut ini: I R + I S + I T = I N = 0.. (2.14) 2.10.2. Beban non linier Beban non linier adalah beban yang menyerap gelombang arus non sinusoidal pada saat dienerjais oleh sumber tegangan sinusoidal sehingga mengakibatkan bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluaran tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi) [5,9].
Gambar 2.18 ini merupakan contoh bentuk gelombang arus dan tegangan dengan beban non linier. V, I Tegangan t Arus beban non linier Gambar 2.18 Bentuk gelombang tegangan dan arus beban non linier Apabila beban bersifat non linier maka arus fasa mengandung komponen harmonisa, sehingga arus di kawat netral tidak nol meskipun dalam keadaan beban seimbang. I R + I S + I T 0... (2.15) Berikut ini beberapa contoh beban non linier yang banyak dipergunakan baik untuk keperluan rumah tangga maupun industri.
Gambar 2.19 Jenis-jenis beban non linier [5] Beban non linier dibagi menjadi 3 kelompok (seperti yang di tunjukkan pada Gambar 2.19 yaitu; 1. Peralatan ferromagnetik, contohnya; transformator, ballast, motor induksi dan peralatan sejenis lainnya.
2. Peralatan yang menggunakan busur api listrik (arcing devices), contohnya; tanur listrik (arc furnace) 3. Peralatan konverter elektronik (electronic converters), contohnya; penyearah (rectifier), inverter, charger, ballast elektronik, speed driver dan peralatan sejenis lainnya. 2.11. Indikator Harmonisa Pengaruh Harmonisa terhadap rele arus lebih kenaikan distorsi harmonisa menyebabkan kenaikan arus total. Spektra harmonisa arus berubah meskipun nilai rms arus non sinusoidal tetap konstan dan waktu operasi rele berkurang sesuai kenaikan nilai THD arus [20]. Kenaikan distorsi harmonisa memandu kenaikan arus total. Jadi komponen sistem tenaga memungkinkan menjadi panas dan akhirnya bisa rusak. Selanjutnya koordinasi rele ini tidak dapat direalisasikan secara sempurna untuk arus non-sinusoidal [1]. Distorsi bentuk gelombang mempengaruhi penampilan rele proteksi dan dapat menyebabkan rele beroperasi tidak sesuai setelan. Rele harus berfungsi secara tepat sekalipun ada distorsi harmonisa dalam arus beban. 2.11.1. Trip tepat Penting untuk di tetapkan dalam pikiran bahwa tidak semua mutu daya berkaitan dengan kesalahan operasi sistem proteksi. Beberapa rele proteksi dengan
disainnya dipersiapkan untuk beroperasi dalam kondisi tidak normal tertentu termasuk mutu daya rendah. Misalnya operasi suatu rele tegangan rendah yang dapat menginisiasi urutan tripping selama tegangan sag atau intrupsi singkat. Tegangan tak seimbang panjang dapat juga membuat unit proteksi trip. Dalam kasus demikian, walaupun tripping disebabkan atau dipengaruhi oleh mutu daya, operasi sistem proteksi ini tetap sesuai setting. Secara singkat dapat dinyatakan bahwa tipe distorsi ini mempengaruhi performans rele tapi tidak menyebabkan kesalahan operasi [3]. 2.11.2. Trip tidak tepat Distorsi harmonisa dapat menyebabkan operasi sistem proteksi tidak tepat. Ini karena kondisi mutu daya rendah dalam hal ini harmonisa menyebabkan rele menerima nilai input salah. Situasi sebaliknya juga memungkinkan ketika rele trip padahal seharusnya belum trip akibat distorsi harmonisa[3].