Simulasi Over Current Relay (OCR) Menggunakan Karateristik Standar Invers. Selamat Meliala SIMULASI OVER CURRENT RELAY (OCR) MENGGUNAKAN KARATERISTIK STANDAR INVERSE SEBAGAI PROTEKSI TRAFO DAYA 30 MVA Selamat Meliala 1 1 Dosen Teknik Elektro Universitas Malikussaleh Lhokseumawe ABSTRAK Penelitian ini merupakan simulasi kerjanya OCR pada sistem penyulang distribusi tegangan 20 kv, dengan gangguan hubung singkat tiga fasa yang merupakan salah satu permasalahan yang timbul pada transformator daya 30 MVA dalam sebuah Gardu Induk. Relay arus lebih (OCR) merupakan relay proteksi yang bekerja dengan Pemutus Tenaga (CB) yang berfungsi sebagai pengaman untuk melindungi peralatan apabila terjadi arus lebih yang permanen. Saat gangguan hubung singkat terjadi yang besarnya melebihi nilai setting arus pada relay arus lebih (OCR), sehingga relay arus lebih bekarja dengan sistem penundaan waktu standar inverse yang akan menunda waktu bekerja selama waktu tertentu untuk memberi sinyal trip pada Pemutus Tenaga (CB) dimana bekerja sesuai dengan setting waktu yang ditentukan. Simulasi dijalankan menggunakan Simulink Power System Blokset (PSB), bahwa relay bekerja lebih cepat saat gangguan tiga fasa pada jarak yang lebih dekat dengan trafo yaitu pada jarak 20% arus gangguan sebesar 5068,92 Amper dengan waktu kerja relay adalah 0,6 detik. sedangkan pada jarak 100% arus gangguan sebesar 2378,87 Amper dengan waktu kerja relay adalah 1,34 detik, dimana relay bekerja berdasarkan basar arus gangguan yang terjadi, semakin besar arus gangguan yang terjadi pada penyulang maka semakin cepat relay bekerja untuk memberi sinyal trip ke CB. Kata Kunci: OCR, CT, Transformator Daya I. PENDAHULUAN Listrik merupakan bentuk energi yang paling cocok dan nyaman bagi manusia, tanpa listrik masyarakat sekarang tidak akan menyenangkan. Makin bertambahnya konsumsi listrik di seluruh dunia menunjukkan kenaikan standar kehidupan manusia. Energi listrik pada umumnya dibangkitkan oleh pusat pembangkit energi listrik biasanya jauh dari tempat pelanggan berada. Untuk itu di butuhkan sistem transmisi dan distribusi untuk menyalurkan energi listrik ke konsumen. Penggunaan proteksi pada sistem tenaga listrik merupakan bagian yang penting di bidang kelistrikan, gardu induk bayu merupakan tempat pusat pengaturan kebutuhan pembebanan di wilayah aceh utara dan sekitarnya, Selain itu gardu induk bayu berfungsi sebagai pusat proteksi peralatan sistem tenaga listrik dan sebagai pusat proses penormalan terhadap gangguan-gangguan pada jaringan distribusi. Salah satu masalah yang dapat menyebabkan kendala dalam menjaga kehandalan sistem distribusi adalah gangguan hubung singkat tiga fasa, Gangguan ini dapat mengakibatkan kenaikan arus yang drastis pada sistem tenaga listrik, dan jika gangguan tersebut tidak dihilangkan (diputuskan), maka dapat merusak peralatan-peralatan listrik dan dapat menyebabkan kerusakan pada trafo yang disebabkan oleh terjadinya gangguan hubung singkat tiga fasa pada sistem distribusi. Apabila nantinya terjadi gangguan seperti hubung singkat tiga fasa, maka sistem proteksi relay OCR akan bekerja sesuai fungsinya sebagai pengaman, sehingga stabilitas tenaga listrik akan berlangsung. Misalkan terjadi gangguan pada incoming 20 kv yang mengakibatkan tripnya PMT (Pemutus Tenaga), sehingga mengakibatkan usia atau kinerja trafo menurun dan pemadaman yang luas. Untuk menghindari kejadian gangguan tersebut dan juga untuk mencegah kerusakan pada transformator maka diperlukan proteksi yang handal, pada disisi incoming 20 kv. Dalam hal ini proteksi yang digunakan pada transformator adalah relay OCR untuk menjaga apabila terjadi gangguan yang tidak diduga pada jaringan distribusi yang dapat menyebabkan kerusakan terhadap trafo daya, seperti gangguan hubung singkat 3 phasa. Dari sini dapat dikaji sebagai bahan penelitian yang dapat dilakukan dengan cara menghitung dan menganalisis arus gangguan 3 fasa dengan menggunakan Simulink Power System Blokset yang akan menyebabkan Over Current Relay (OCR) akan bekerja yang terpasang pada incoming 20 kv transformator 30 MVA di Gardu Induk Bayu. II. TINJAUAN PUSTAKA a. Setting Relay Arus Lebih Relay ini bekerja dengan membaca input berupa besaran arus kemudian membandingankan dengan nilai setting, apabila nilai arus yang terbaca oleh relay melebihi nilai setting, maka relay akan mengirim perintah trip (lepas) kepada Pemutus Tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB) setelah memberi tunda waktu yang diterapkan pada setting. Untuk menentukan waktu kerja relay menggunakan standar inverse dapat digunakan rumus sebagai berikut[1]: 87
Jurnal Litek (ISSN: 1693-8097) Volume 9 Nomor 2, September 2012: hal. 87-92 0,14 x tms t. (1) 0,02 I FAULT -1 ISET Dimana: tms = Time multiple setting (detik) t = Waktu kerja relay (detik) I FAULT = Arus gangguan (Amper) I SET = Arus setelan 4. Relay IDMT ( inverse- definite- Minimum-Time Relay ) Relay waktu inverse mempunyai beberapa tipe modifikasi antara lain: - Moderately Inverse Time Relay - Very Inverse Time Relay - Extremely Inverse Time Relay Gambar 3. di bawah ini merupakan karateristik kurva kerjanya relay. Gambar 1. Diagram satu garis sistem proteksi[4][6][7] b. Garis besar diagram OCR dan jenis karateristik kurva Relay Arus Lebih (OCR) adalah suatu relay yang bekerja bedarsarkan adanya kenaikan arus yang melebihi suatu nilai pengaman tertentu dan dalam jangka tertentu apabila terjadi gangguan hubung singkat antara fasa. Relay ini juga digunakan untuk pengaman terhadap bebah lebih. Pada jaringan listrik relay yang banyak digunakan adalah relay arus lebih dengan pembatasan waktu (Definite Time Current Relay). I r I p (2) Gambar 2. Diagram Rangkaian OCR[1][2] Keterangan: I r = Arus yang melalui rangkaian relay I p = Arus kerja relay R = Relay Arus Lebih CB = Pemutus Tenaga T = Relay Waktu CT = Trafo Arus S = Relay Sinyal TC = Rangkaian Trip A = Relay Pembantu Relay arus lebih menurut karakteristik kerjanya dibagi atas dua bagian yaitu: 1. Relay cepat sesaat (Instantaneous Relay). 2. Relay kelambatan waktu ( Time-delay relay ) 3. Relay waktu tertentu ( Definite-Time Relay ) Gambar 3. Kurva Karateristik Relay Keterangan kurva: a. Relay cepat/sesaat b. Relay waktu tertentu c. Relay waktu inverse d. Relay IDMT Untuk penelitian OCR menggunakan kurva inverse huruf (c) atau disebut juga kurva standar inverse. c. Arus Gangguan Hubung Singkat 3 fasa Untuk menghitung besar arus gangguan digunakan pada kondisi beban seimbang dalam hal ini arus urutan nol di abaikan. Pada gangguan tersebut terdapat hubungan berikut[3]: Va= Vb = Vc; Ia = Ib = -Ic Persamaan Ia 1 untuk gangguan 3 fasa adalah: Eph I f 3 =....(3) Zek Dimana: I f 3 = Arus Gangguan 3 fasa Eph = Tegangan Fasa Zek = Impedansi Ekivalen Untuk Zek Xt Xsc Zpenyulang Dimana: X 1 = Impedansi urutan positif Trafo Xsc= Impedansi hubung singkat Trafo III. METODE PENELITIAN Setelah data primer didapat dari pengumpulan data maka dibentuk suatu diagram satu garis penyulang 20 kv Gardu Induk Bayu seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Gambar 4. Diagram segaris penelitian untuk sistem distribusi yang ditinjau Untuk jenis gangguan yang digunakan adalah gangguan hubung singkat 3 fasa. Pada 88
Simulasi Over Current Relay (OCR) Menggunakan Karateristik Standar Invers. Selamat Meliala metodelogi penelitian OCR ini, besarnya impedansi penyulang diatur dengan mengatur jarak gangguan mulai dari 20% sampai 100% ke penyulang. Hal ini untuk mendapatkan besar arus gangguan yang bervariasi. Data gardu induk Bayu untuk Transformator daya 30 MVA 150 / 20 kv diambil hanya satu Transformator daya yaitu TD I seperti diperlihatkan pada Tabel 1. Tabel 1 Data Transformator Daya Gardu Induk Bayu Jenis konduktor saluran = AAAC - Penampang konduktor = 150 mm 2 Set OCR pada Penyulang - Iset = 2,08 Ampere - Td = 0,15 detik - Z F = 2,9 Diagram Alir Metode Penelitian Tahap-tahap metode penelitian OCR dijalankan dengan simulasi berbantuan komputer seperti Gambar 5. Gambar 6. Rangkaian Kontrol OCR b. Script untuk menggerakkan OCR Pada Gambar 6. untuk menggerakkan blok OCR menggunakan script kareteristik standar inverse yang diisi ke dalam blok Simulink User Defined sebagai berikut: Parameter Simulasi Parameter simulasi di dapat berdasarkan data lapangan dan pengolahan data yang disusun seperti pada Tabel 2. sebagai berikut: Tabel 2. Parameter penyulang dan CT Gambar 5. Diagram Alir Penelitian a. Blok Rangkaian Perintah Trip Pada Pemutus Tenaga (CB). Adapun rangkaian pembentuk perintah trip menggunakan model Simulink seperti pada Gambar 3 sebagai berikut. Menghitung impedansi penyulang yang di variasikan terhadap letak gangguan di sepanjang penyulang sebagai berikut Z penyulang = 20 % x 8.5 x (0,2162 +j0. 3305) 0 = (0.3675 + j0.5618) = 0,671 56,8 Ω 89
Jurnal Litek (ISSN: 1693-8097) Volume 9 Nomor 2, September 2012: hal. 87-92 Dan impedansi ekivalennya sebagai berikut: Zek = j0,0588+j1,628 + (0.3675 + j0.5618) 0 = 0.367 + j2.246 =2,278 80,7 Ω Sehingga arus gangguan 3 fasa (I f 3 ) : 20.000 I f 3 = 3 2,278 80,7 0 I f 3 = 5068,92 80,7 Amper Nilai setting relay incoming pada sisi 20 kv: Ratio CT 1000:5: Setting arus Primer = 1,2 x 866,05 = 1039,26 Amper 1 Setting Arus Sekunder 1039,26 atau RatioCT 5 Is 1039,26 9,093 Amper 1000 Rumus inverse relay diperoleh: Dimana tms incoming di set 0,16 detik sehingga t penyulang: 0,14 x 0,16 t 5068,92 1039,26 t = 0,0224 0,0321 t = 0,6 detik 0,02-1 Simulasi OCR pada sistem distribusi Setelah didapatkan parameter pada Tabel 2. maka dapat dibentuk blok untuk menjalankan simulasi seperti diperlihatkan pada Gambar 7. dibawah ini yang merupakan blok simulasi untuk menguji OCR pada sistem penyulang 20 kv. Gambar 8. Model Simulink CT tiga fasa IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 7. merupakan sistem penyulang setelah pemasangan OCR. Untuk memudahkan kita mengetahui apakah simulasi sistem penyulang 20 kv sudah berjalan, maka pertama kali simulasi dijalankan tanpa menggunakan blok OCR yaitu untuk mengetahui kondisi arus sebelum terjadi arus gangguan, tujuan untuk melihat OCR bekerja bila terjadi gangguan 3 fasa pada penyulang. Gambar 9. dibawah ini merupakan gelombang tegangan dan arus pada sisi penyulang 20 kv sebelum terjadi gangguan. Gambar 9. Simulasi sebelum terjadi gangguan dan sebelum pemasangan OCR pada Bus 1 Gambar 10. dibawah ini memperlihatkan hasil simulasi sebelum pemasangan OCR dan di saat terjadinya gangguan 3 fasa. Gambar 7. Model simulasi kerja OCR pada sistem Penyulang 20 kv Rangkaian CT Gambar 8. dibawah ini merupakan rangkaian transformator arus atau CT tiga fasa sebagai pembanding arus yang tinggi pada penyulang sisi primer CT untuk digunakan sebagai konversi ke arus yang lebih rendah dengan ratio CT 1000 : 5. Gambar 10. Saat terjadi gangguan 3 fasa pada penyulang 20 kv sebelum di pasang OCR. Saat terjadi gangguan 3 fasa terlihat seperti pada Gambar 10. memperlihatkan arus pada waktu 0,06 90
Simulasi Over Current Relay (OCR) Menggunakan Karateristik Standar Invers. Selamat Meliala detik terlihat lonjakan arus yang begitu tinggi sehingga menyebabkan tegangan 20 kv turun sekitar 40%. diproses untuk penundaan waktu berdasarkan kurva standar inverse yang kemudian sinyal keluar dari bok OCR masuk ke CB untuk mentripkan rangkaian penyulang. Hasil simulasi Arus lebih disaat mengalami gangguan pada penyulang 20 kv dengan jarak gangguan ke penyulang yang berbeda didapatkan hasil Arus lebih sebesar 5068,92 A, 3976,23 A, 3255,42 A, 2750,29 A dan 2378,37 A, yang disusun ke dalam Tabel 3. Tabel 3. Hasil simulasi OCR dengan jarak penyulang ke gangguan yang berbeda Gambar 11. OCR bekerja menggerakan CB saat arus lebih melonjat tinggi pada Bus 1 Gambar 12. OCR bekerja menggerakkan CB saat arus lebih melonjat tinggi pada Bus 2 Gambar 11. dan Gambar 12. diatas menunjukan bekerjanya OCR dimana arus lebih melonjat lebih tinggi sehingga menyebabkan gangguan 3 fasa ini dikatakan permanen sehingga relay bekerja memberi waktu berdasarkan karakteristik standar inverse yang memberi sinyal ke CB untuk membuka dan memutuskan hubungan rangkaian sehingga arus gangguan 3 fasa permanen tersebut tidak merusak Transformator daya 30 MVA. Pada Bus 2 atau penyulang yang ditinjau memperlihatkan tegangan dan arus menjadi nol dikarenakan CB memutuskan hubungan rangkaian dari transformator daya. Gambar 13. Sinyal dari CT masuk ke OCR dan sinyal keluar (Trip) untuk menggerakkab CB Gambar 13. merupakan sinyal keluar berasal dari CT kemudian masuk ke dalam blok OCR sehingga Dari hasil simulasi OCR dengan jarak gangguan yang berbeda menghasilkan besaran arus gangguan yang berbeda pula seperti terlihat pada Tabel 3, maka dapat diplot hasilnya membentuk kurva kareteristik standar inverse seperti diperlihatkan pada Gambar 14. Gambar 14. Kurva hasil analisis OCR menggunakan kareteristik standar inverse V. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisis penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Waktu kerja Over Current Relay (OCR) untuk gangguan tiga fasa pada jarak penyulang 20% adalah 0,6 detik, jarak penyulang 40% adalah 0,8 detik, penyulang 60% adalah 0,9 detik, penyulang 80% adalah 1,14 detik penyulang 100% adalah 1,34 detik. 2. Relay bekerja lebih cepat saat gangguan tiga fasa pada jarak yang lebih dekat dengan transformator daya dikarenakan jenis relay yang digunakan adalah jenis standar inverse, dimana relay bekerja bedarsarkan basar arus gangguan yang terjadi 91
Jurnal Litek (ISSN: 1693-8097) Volume 9 Nomor 2, September 2012: hal. 87-92 yaitu semakin besar arus gangguan yang terjadi maka semakin cepat relay tesebut bekerja. DAFTAR PUSTAKA [1] Zuhal, 1990, Dasar Teknik Listrik Dan Elektronika Daya, Penerbit PT. Gramedia, Jakarta. [2] http://www.scribd.com/doc/10204237/koordinasi- Relay-OCR [3] Sumanto, Teori Transformator, Yogyakarta, 1991. [4] Ravindranath, B. and Chander,1986, M. Power System Protection, Erlangga, Jakarta. [5] Stevenson William. D Jr, 1984, Analisa Sistem Tenaga Listrik, Earlangga, Jakarta. [6] Hazairin Samaullah, Dasar-Dasar Sistem Proteksi Tenaga Listrik. Palembang, Unsri, 2000. [7] Komari, Proteksi Sistem Tenaga Listrik Filosofi, Strategi dan Analisa Untuk Keandalan. Jakarta, PT. PLN (persero) Jasa Pendidikan dan Pelatihan. 2003. [8] http://budi54n.blogspot.com/2009/08/rele-aruslebih-over-current-relay-ocr.html. 92