Embed Size (px)
Citation preview
I. PENDAHULUAN
1.1. Pengertian Proteksi (Pengaman)
Sistem proteksi tenaga listrik merupakan sistem pengamanan pada peralatan-
peralatan yang terpasang pada sistem tenaga listrik, seperti generator, busbar,
transformator, saluran udara tegangan tinggi, saluran kabel bawah tanah, dan lain
sebagainya terhadap kondisi abnormal operasi sistem tenaga listrik tersebut.
1.2. Fungsi Proteksi
Kegunaan sistem proteksi antara lain untuk :
1. Mencegah kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya
gangguan atau kondisi operasi tidak normal
2. Mengurangi kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya
gangguan atau kondisi operasi sistem yang tidak normal
3. Mempersempit daerah yang terganggu sehinggga gangguan tidak melebar pada sistem
yang lebih luas
4. Memberikan pelayanan tenaga listrik dengan keandalan dan mutu tinggi kepada
konsumen
5. Mengamankan manusia dari bahaya yang ditimbulkan oleh tenaga listrik
1.3. Gangguan Pada Sistem Tenaga Listrik
1.3.1. Faktor-Faktor Penyebab Gangguan
Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang melibatkan banyak komponen
dan sangat kompleks. Oleh karena itu, ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya
gangguan pada sistem tenaga listrik, antara lain sebagai berikut.
1
a. Faktor Manusia
Faktor ini terutama menyangkut kesalahan atau kelalaian dalam memberikan
perlakuan pada sistem. Misalnya salah menyambung rangkaian, keliru dalam
mengkalibrasi suatu piranti pengaman, dan sebagainya.
b. Faktor Internal
Faktor ini menyangkut gangguan-gangguan yang berasal dari sistem itu sendiri.
Misalnya usia pakai (ketuaan), keausan dan sebagainya. Hal ini bisa mengurangi
sensitivitas rele proteksi, juga mengurangi daya isolasi peralatan listrik lainnya.
c. Faktor Eksternal
Faktor ini meliputi gangguan-gangguan yang berasal dari lingkungan sekitar
sistem. Misalnya cuaca, gempa bumi, banjir, dan sambaran petir.
1.3.2. Jenis Gangguan
Jika ditinjau dari sifat dan penyebabnya, jenis gangguan dapat dikelompokkan
sebagai berikut :
1. Hubung singkat
Hubung singkat adalah terjadinya hubungan penghantar bertegangan atau penghantar
tidak bertegangan secara langsung tidak melalui media (resistor/beban) yang semestinya
sehingga terjadi aliran arus yang tidak normal (sangat besar). Hubung singkat merupakan
jenis gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik, terutama pada saluran udara
3 fasa. Semua komponen peralatan listrik selalu diisolasi dengan isolasi padat, cair
(minyak), udara gas, dan sebagainya. Namun karena usia pemakaian, keausan, tekanan
mekanis, dan sebab lainnya, maka kekuatan isolasi pada peralatan listrik bisa berkurang
atau bahkan hilang sama sekali. Hal ini akan mudah menimbulkan hubung singkat.
Pada bahan isolasi padat atau cair, gangguan hubung singkat biasanya mengakibatkan
busur api sehingga menimbulkan kerusakan yang tetap dan gangguan ini disebut gangguan
permanen. Pada isolasi udara yang biasanya terjadi pada saluran udara tegangan menengah
atau tinggi, jika terjadi busur api dan setelah padam tidak menimbulkan kerusakan, maka
gangguan ini disebut gangguan temporer . Arus hubung singkat yang begitu besar sangat
membahayakan peralatan.
2
Gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi pada sistem tenaga listrik 3 fasa
adalah sebagai berikut,
1) Hubung singkat tiga fasa,
2) Tiga fasa ke tanah,
3) Fasa ke fasa,
4) Satu fasa ke tanah,
5) Dua fasa ke tanah
6) Fasa ke fasa dan pada waktu bersamaan dari fasa ke tiga dengan tanah,
Dua jenis gangguan yang pertama menimbulkan arus gangguan hubung singkat
simetris sedangkan empat jenis gangguan terakhir menimbulkan arus gangguan tidak
simetris.
2. Beban lebih (OverLoad)
Beban lebih merupakan gangguan yang terjadi akibat konsumsi energi listrik melebihi
energi listrik yang dihasilkan pada pembangkit. Gangguan beban lebih sering terjadi
terutama pada generator dan transformator daya. Arus lebih ini dapat menimbulkan
pemanasan yang berlebihan sehingga bisa menimbulkan kerusakan pada isolasi.
3. Tegangan Lebih (OverVoltage)
Tegangan lebih merupakan suatu gangguan akibat tegangan pada sistem tenaga listrik
lebih besar dari yang seharusnya. Gangguan tegangan lebih dapat terjadi karena kondisi
eksternal dan internal
a) Kondisi Internal: Hal ini terutamakarena osilasi akibat perubahan yang
mendadak dari kondisi rangkaian atau karena resonansi. Misalnya operasi
hubung pada saluran tanpabeban.perubahan yang mendadak, operasi pelepasan
pemutus tenaga yang mendadak akibat hubung singkat pada jaringan,
kegagalan isolassi, dan sebagainya.
b) Kondidi Eksternal: Kondisi eksternal terutama akibat adanya sambaran petir.
3
3. Daya Balik (ReversePower)
Daya balik merupakan suatu gangguan yang terjadi pada generator-generator yang
bekerja paralel. Pada kondisi normal generator-generator tersebut secara paralel akan
bekerja secara serentak dalam membangkitkan tenaga listrik. Namun karena sesuatu sebab
misalnya terjadi gangguan pada penggerak mula maka generator dapat berubah fungsi
menjadi motor.
1.4. Pencegahan Gangguan
Sebagaimana telah dijelaskan di muka, ada beberapa jenis gangguan pada sistem
tenaga listrik yang memang tidak semuanya bisa dihindarkan. Untuk itu perlu dicari upaya
pencegahan agar bisa memperkecil kerusakan pada peralatan listrik, terutama pada
manusia akibat adanya gangguan.
Usaha memperkecil terjadinya gangguan ditempuh antara lain,
1) Membuat isolasi yang baik untuk semua peralatan;
2) Membuat koordinasi isolasi yang baik antara kekuatan isolasi peralatan dan
penangkal petir;
3) Menggunakan kawat tanah dan membuat tahanan pentanahan pada kaki menara
sekecil mungkin, serta selalu mengadakan pengecekan;
4) Membuat perencanaan yang baik untuk mengurangi pengaruh luar mekanis dan
mengurangi atau menghindarkan sebab-sebab gangguan karena binatang, polusi,
kontaminasi, dan lainnya;
5) Pemasangan yang baik, artinya pada saat pemasangan harus mengikuti peraturan-
peraturan yangberlaku;
6) Menghindari kemungkinan kesalahan operasi, yaitu dengan membuat prosedur tata
cara operasional dan membuat jadwal pemeliharaan yang rutin;
7) Memasang lightning arrester untuk mencegah kerusakan pada peralatan akibat
sambaran petir.
4
1.5. Komponen-komponen Sistem Proteksi
Sistem proteksi terdiri dari :
1. Transformator instrument (CT dan PT)
2. Rele proteksi
3. Pemutus tenaga (CB, PMT)
Gambar 1.1.
Transformator instrument berfungsi untuk memonitor arus atau tegangan
dan menurunkan besar kedua besaran tersebut ke suatu nilai yang sesuai
untuk keperluan rele,
Rele berfungsi untuk membandingkan besar arus atau tegangan yang
diterimanya dari trafo instrument dengan nilai setelannya. Jika sinyal input
melebihi nilai setelan rele, maka rele akan trip dan memberikan sinyal ke
suatu pemutus tenaga
Pemutus Tenaga berfungsi untuk mengisolasi bagian yang terganggu dari
sistem yang sehat.
5
Gambar 1.2. Trafo arus
Gambar 1.3. Air Circuit Breaker
6
Gbr 14. Oil Circuit Breaker 138 kV
7
Gambar 1.5. Rele proteksi berbasis mikroprosessor
Gambar 1.6. Tipikal rele mekanikal
8
Gambar 1.7. Diagram skematik dari rele pada Gambar 1.5.
9
10
11
II. RELE PROTEKSI
2.1. Pengertian Umum
Pada saat terjadi gangguan pada sistem tenaga listrik, misalnya adanya arus lebih,
tegangan lebih, dan sebagainya, maka perlu diambil suatu tindakan untuk mengatasi
kondisi gangguan tersebut. Jika dibiarkan, gangguan itu akan meluas ke seluruh sistem
sehingga bisa merusak semua peralatan sistem tenaga listrik yang ada. Untuk mengatasi
hal tersebut, mutlak diperlukan suatu sistem pengaman yang andal. Salah satu komponen
yang penting untuk pengaman tenaga listrik adalah rele proteksi.
Rele proteksi adalah susunan piranti, baik elektronik maupun magnetik yang
direncanakan untuk mendeteksi suatu kondisi ketidaknormalan pada peralatan listrik yang
bisa membahayakan atau tidak diinginkan. Jika bahaya itu muncul maka rele proteksi akan
segera otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga (circuit
breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem yang normal. Rele
proteksi dapat mengetahui adanya gangguan pada peralatan yang perlu diamankan dengan
mengukur atau membandingkan besaran-besaran yang diterimanya, misalnya arus
tegangan, daya, sudut fase frekuensi impedansi dan sebagainya sesuai dengan besaran
yang telah ditentukan. Alat tersebut kemudian akan mengambil keputusan seketika atau
dengan perlambatan waktu untuk membuka pemutus tenaga atau hanya memberikan tanda
tanpa membuka pemutus tenaga. Pemutus tenaga dalam hal ini harus mempunyai
kemampuan untuk memutus arus hubung singkat maksimum yang melewatinya dan harus
mampu menutup rangkaian dalam keadaan hubungan singkat yang kemudian membuka
kembali. Disamping itu rele juga berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam
gangguannya. Berdasarkan data dari rele maka akan memudahkan kita dalam menganalisis
gangguannya.
2.2. Fungsi Rele
Pada prinsipnya rele proteksi yang dipasang pada sistem tenaga listrik mempunyai
3 macam fungsi, yaitu
12
1. Merasakan, mengukur, dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta
memisahkan secepatnya;
2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu;
3. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang tidak
terganggu didalam sistem tersebut serta dapat beroperasi normal
Rele proteksi tidak mengantisipasi atau mencegah terjadinya gangguan yang pertama,
tetapi untuk gangguan berikutnya. Sebab rele proteksi bekerja hanya setelah terjadi
gangguan. Suatu pengecualian untuk rele Bucholf yang digunakan untuk proteksi trafo
daya. Rele ini bekerja karena terjadinya akumulasi gas yang terjadi di dalam minyak
transformator akibat panas yaang dibangkitkan dan dekomposisi isolasi minyak trafo atau
isolasi padat lainnya.
2.3. Persyaratan Rele Proteksi
Pada sistem tenaga listrik, rele memegang peran yang sangat vital. Pengaman
berkualitas yang baik memerlukan rele proteksi yang baik juga. Untuk itu ada beberapa
persyaratan yang harus dipenuhi oleh rele pengaman, seperti tersebut berikut ini.
1. Kepekaan (Sensitivity)
Rele harus mempunyai mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap besaran minimal
(kritis) sebagaimana direncanakan. Rele harus dapat bekerja pada awal terjadinya
gangguan. Oleh karena itu, gangguan lebih mudah diatasi pada awal kejadian. Hal ini
memberi keuntungan dimana kerusakan peralatan yang harus diamankan menjadi kecil.
Namun demikian, rele juga harus stabil, artinya
a. Rele harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum
b. Pada saat transformator daya dihubungkan ke sistem, rele tidak boleh bekerja
karena adanya arus inrush, yang besarnya seperti arus gangguan, yaitu 3-5 kali arus
beban maksimum;
c. Rele harus dapat membedakan adanya gangguan atau ayunan beban.
2. Keandalan (Reliability)
Pada kondisi normal atau tidak ada gangguan, mungkin selama berbulan-bulan atau
lebih rele tidak bekerja. Seandainya suatu saat terjadi gangguan maka rele tidak boleh
13
gagal bekerja dalam mengatasi gangguan tersebut. Kegagalan kerja rele dapat
mengakibatkan alat yang diamankan rusak berat atau gangguannya meluas sehingga
daerah yang mengalami pemadaman semakin luas.
Rele tidak boleh salah kerja, artinya rele yang seharusnya tidak bekerja, tetapi
bekerja. Hal ini menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya dan menyulitkan analisa
gangguan yang terjadi. Keandalan rele proteksi ditentukan dari rancangan, pengerjaaan,
beban yang digunakan dan perawatannya.
Gbr. Keandalan dari suatu sistem proteksi
3. Selektivitas (Selectivity)
Selektivitas berarti rele harus mempunyai daya beda terhadap bagian yang
terganggu, sehingga mampu dengan tepat memilih bagian dari sistem tenaga listrik yang
terkena gangguan. Kemudian rele bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem
dalam jangkauan pengamanannya. Tugas rele untuk mendeteksi adanya gangguan yang
terjadi pada daerah pengamanannya dan memberikan perintah untuk membuka pemutus
tenaga dan memisahkan bagian yang terganggu. Letak pemutus tenaga sedemikian rupa
sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisahkan. Dengan demikian bagian dari sistem
lainnya yang tidak terganggu jangan sampai dilepas dan masih beroperasi secara normal,
sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan. Jika terjadi pemutusan atau pemadaman
14
hanya terbatas pada daerah yang terganggu. Contoh zona proteksi rele ditunjukkan pada
gambar berikut.
Gbr. Diagram satu garis suatu sistem yang menunjukkan zona proteksi
4. Kecepatan Kerja
Rele proteksi harus dapat bekerja dengan cepat. Namun demikian, rele tidak boleh
bekerja terlalu cepat (kurang dari 10 ms). Disamping itu, waktu kerja rele tidak boleh
melampaui waktu penyelesaian kritis (critical clearing time). Pada sistem yang besar atau
luas, kecepatan kerja rele proteksi mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan
sistem agar tidak terganggu.
5. Ekonomis
Satu hal penting yang harus diperhatikan sebagai persyaratan rele proteksi adalah
masalah harga atau biaya. Rele tidak akan diaplikasikan didalam sistem tenaga listrik, jika
15
harganya sangat mahal. Persyaratan reliabilitas, sensitivitas, selektivitas, dan kecepatan
kerja rele tidak menyebabkan harga rele tersebut menjadi mahal.
2.4. Terminologi
Ada beberapa istilah (terminologi) yang perlu diketahui diantaranya adalah:
a. Rele adalah sebuah alat yang bekerja membuka dan menutup secara automatis
karena beroperasinya peralatan lain dibawah pengaruh besaran listrik,
b. Rele proteksi adalah sebuah alat listrik yang bekerja secara automatis mendeteksi
keadaan abnormal dalam rangkaian listrik dan memberikan sinyal ke PMT untuk
mengisolasi bagian yang terganggu. Dalam beberapa hal rele proteksi hanya cukup
memberikan alarm atau nyala lampu,
c. Waktu kerja rele (operating time) adalah waktu yang dibutuhkan oleh sebuah rele
proteksi sesaat setelah terjadi gangguan sampai output rele menutup kontaknya,
d. Setting adalah suatu nilai besaran yang ditetapkan sebelumnya agar rele bekerja
pada nilai tersebut,
e. Pick-up, suatu rele dikatakan pick-up apabila kontak output rele bergerak dari
posisi off ke posisi on. Nilai dari besaran perubahan minimum pada karakteristik
ini disebut nilai pick-up,
f. Dropout atau reset, sebuah rele dikatakan dropout apabila kontak outputnya
bergerak dari posisi on ke posisi off,
g. Proteksi utama (main protection) adalah suatu proteksi yang pertama kali
mengamankan begitu ada gangguan di daerah proteksinya,
h. Rele cadangan (Backup relay) adalah sebuah rele yang bekerja setelah beberapa
saat rele utama gagal bekerja,
i. Burden adalah daya yang diperlukan untuk mengoperasikan rele, dinyatakan dalam
volt amper (VA)
16
III. RELE ARUS LEBIH
Rele arus lebih merupakan suatu rele yang bekerjanya berdasarkan adanya
kenaikan arus yang melebihi suatu nilai pengaman tertentu dan dalam jangka waktu
tertentu. Rele arus lebih dikategorikan menjadi 3, yaitu
1) Rele arus lebih seketika (instantaneous over-current relay),
2) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu yang tidak tergantung
pada besarnya arus gangguan (definite time over current relay), dan
3) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu terbalik (inverse time
over current relay).
3.1. Rele Arus Lebih Seketika
Rele arus lebih seketika adalah rele arus lebih yang bekerja tanpa penundaan waktu
(jangka waktu rele) mulai saat arusnya pick-up sampai selesai sangat singkat (sekitar 20 –
100 ms). Salah satu contoh rangkaian sederhana dari rele arus lebih seketika dapat dilihat
pada Gambar 3.1. Sedangkan sistem kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut.
Gbr. 3.1. Rele arus lebih seketika
Arus masukan dari CT (trafo arus) diumpankan ke suatu CT bantu (biasanya
berupa transactor yang merubah arus ke suatu tegangan) dengan beberapa sadapan pada
belitan sekundernya. Arus sekunder kemudian diumpankan ke suatu penyearah jembatan
17
gelombang penuh yang dilindungi terhadap tegangan lebih transient oleh filter R1-C1 .
Keluaran penyearah kemudian mengalir ke basis transistor T1. Keluaran tadi yang terdapat
pada resistor R2 diratakan oleh kapasitor C2. Transistor T1 (npn) dan transistor T2 (pnp)
dalam keadaan off. Apabila tegangan basis T1 melebihi nilai pickup yang telah diset
melalui potensiometer Pe, maka T1 akan bekerja sehingga menyebabkan T2 dan rele output
AR akan bekerja pula. Thermistor Th pada kolektor T1 dimaksudkan sebagai kompensasi
suhu, sedangkan diode D sebagai pengaman rele output Tr. Besarnya arus pickup dapat
diatur melalui tap-tap transformator bantu dan potensiometer Pe.
Pada rele diatas ada kemungkinan terjadi sensitivitas yang berlebihan
(oversensitivity) pada saat terjadi arus gangguan transient dengan komponen-komponen
arus searah. Hal ini dapat dicegah dengan membuat transformator bantu (auxiliary
transformer) menjadi jenuh diatas nilai pick-up. Juga filter transient R1C1 diatas akan
mengurangi terjadinya oversensitivity.
3.2. Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu
Ada beberapa jenis rele arus lebih dengan tundaan waktu, hal ini tergantung pada
karakteristik waktu tundanya. Berdasarkan tundaan waktu kerjanya rele arus lebih dapat
dibedakan menjadi :
a. Waktu tertentu (definite time)
b. Waktu minimal tertentu terbalik (inverse definite minimum time/IDMT)
c. Sangat berbanding terbalik (very inverse)
d. Sangat berbanding terbalik sekali ( extremely inverse).
Gambar 3.2 merupakan diagram karakteristik rele arus lebih dengan tundaan waktu.
Gambar 3.2. Karakteristik Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu
18
Perbedaan mendasar antara rele arus lebih dengan tundaan waktu tertentu terhadap
rele arus lebih jenis inverse adalah pada pengisian kapasitor yang digunakan. Waktu
operasi dari rele arus lebih jenis definite time adalah tetap dan tidak tergantung pada
besanya arus gangguan. Fungsi dari arus input hanya untuk mengisi muatan kapasitor,
sesudah itu rangkaian akan bekerja untuk membuka pemutus tenaga. Dengan kata lain arus
masukan pada rele jenis definite time hanya mengontrol atau membandingkan dengan
besarnya arus pickup-nya, sedangkan pada rele jenis inverse arus masukan mengendalikan
tidak hanya arus pickup, tetapi juga tingkat tegangan pengisian kapasitor sehingga waktu
kerjanya tergantung pada besarnya arus masukan.
3.2.1 Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Tertentu
Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu tertentu adalah suatu rele yang
jangka waktu mulai rele pickup sampai rele trip, diperpanjang dalam waktu tertentu. Blok
diagram dan rangkaian lengkap rele jenis ini bisa dilihat pada Gambar 3.3. dan Gambar
3.4, sedangkan alur kerjanya secara garis besar adalah sebagai berikut.
Gambar 3.3. Blok Diagram Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu
Gambar 3.4. Rangkaian Lengkap Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu
Arus masukan bolak-balik diubah menjadi tegangan searah melalui suatu CT bantu
(auxiliary CT) atau transactor dan penyearah jembatan. Tegangan ini kemudian
diumpankan ke transistor T1 melalui resistor R2. Pada kondisi normal, transistor T1 (npn)
19
dalam keadaan konduksi (konduksi) karena adanya bias dari catu tegangan melalui resistor
R4 – ini akan menghubungsingkatkan kapasitor C. Pada saat arus masukan melebihi nilai
setelan yang telah ditentukan oleh potensiometer P1 maka sambungan base- emitter T1
reverse biased sehingga T1 menjadi OFF. Pada kondisi ini kapasitor C mulai mengisi
muatan dari tegangan suplai melalui resistor R3. Pada saat tegangan kapasitor melebihi
tegangan emitter T2, sebagaimana telah ditentukan atau diatur oleh potensiometer P2, maka
transistor T2 konduksi dan akan menggerakkan T3 untuk konduksi pula dan selanjutnya
akan membuat rele output AR akan bekerja.
Pada saat arus masukan menurun maka dengan segera T1 konduksi dan melepaskan
muatan kapasitor C sehingga rangkaian direset dengan cepat. Dioda reverse-biased D
berfungsi untuk mengamankan transistor dari tegangan induksi yang cukup tinggi akibat
induktansi kumparan rele output. Disini potensiometer P1 berperan sebagai Plug setting
multipier (PMS) dan potensiometer P2 berperan sebagai Time multiplier setting (TMS).
Dari uraian diatas dapat dilihat bahwa pengisian kapasitor dilakukan oleh tegangan
suplai bantu, sedangkan arus masukan hanya menentukan/mengendalikan kondisi pickup
dari rele.
3.2.2 Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Terbalik
Rele arus lebih jenis inverse pada dasarnya hampir sama dengan rele arus lebih
jenis definite. Perbedaannya hanya pada waktu kerjanya. Gambar 3.5 merupakan contoh
rangkaian dasar rele arus lebih jenis inverse.
Gambar 3.5. Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Terbalik
Pada saat besar arus masukan bolak-balik rendah, transistor T1 dalam keadaan
konduksi sehingga menghubungsingkatkan kapasitor C. Apabila arus masukan melebihi
nilai settingnya yang diatur melalui potensiometer P2 dan taping pada sekunder
transformator, maka transistor T1 terbuka (off) sehingga kapasitor C terisi muatannya dari
20
arus masukan (melalui tegangan yang dibangkitkan pada resistor R2 ) melalui resistor R1
dan potensiometer P1. Pada saat tegangan kapasitor tersebut melebihi besarnya tegangan
yang disetting melalui potensiometer P3, maka transistor T2 konduksi sehingga transistor T3
juga konduksi, yang selanjutnya menyebabkan rele output AR bekerja.
Pada rele ini Plug setting multiplier dilakukan melalui taping pada sekunder
transformator dan potensiometer P2. Time multiplier setting (TMS) ditentukan oleh
potensiometer P1 dan P3.
Rele diatas merupakan rangkaian dasar untuk rele arus lebih dengan tundaan waktu
terbalik. Untuk rele arus lebih jenis very inverse dan extremely inverse bisa diperoleh
dengan memodifikasi rangkaian pengisian kapasitor, yakni dengan menghubungkan suatu
dioda zener atau resistor peka tegangan (voltage sensitive resistor) pada R1 yang akan
memodifikasi karakteristik penundaan waktu.
Meskipun teknologi dibidang rele static telah mengalami kemajuan yang begitu
pesat, namun pemakaian rele arus lebih jenis magnetic atau mekanik masih banyak
digunakan, terutama di Indonesia.
3.3. Karakteristik Rele Arus Lebih Waktu Terbalik (inverse)
Waktu kerja (operating time) dari rele ini adalah berbanding terbalik dengan besarnya
arus masukan atau arus gangguan seperti yang terlihat pada Gambar 3.6. Karakteristik
waktu vs arusnya adalah sesuai dengan BS 142 : 1966 dan IEC 255-4. Secara matematis
hubungan antara tundaan waktu kerja rele dengan besarnya arus masukan atau arus
gangguan dinyatakan oleh persamaan :
t = detik (3.1)
di mana : t = tundaan waktu kerja rele (detik)
k = setelan skala pengali waktu (time multiplier setting)
If = arus masukan ke rele
Iset = nilai setelan arus lebih
Konstanta-konstanta dan menentukan tingkat atau derajat inversitas dari
tundaan waktu rele dan menurut standar di atas nilainya adalah sebagai berikut :
21
t10
Normal Inverse (N) 0,02 0,14 3,0 sVery Inverse (V) 1,0 13,5 1,5 sExtremely Inverse (E) 2,0 80,0 0,8 s
Dimana t10 menyatakan tundaan waktu kerja rele untuk besarnya arus masukan
sama dengan 10 kali nilai setelan arus rele (I>) dan dengan setelan skala pengali waktu
k = 1.
Gambar 3.6.a Karakteristik Normal Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi
22…23 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.
22
Gambar 3.6.b Karakteristik Very Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi
22…23 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.
23
Gambar 3.6.c Karakteristik Extremely Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi 22…23 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu
independent.
24
3.4. Pemasangan Rele Arus Lebih
Rele arus lebih merupakan rele yang banyak digunakan pada komponen-komponen
sistem tenaga listrik, yaitu mulai dari generator, transformator tenaga pada transmisi, bus
bar, saluran transmisi sampai pada saluran distribusi. Untuk pengamanan terhadap hubung
singkat pada generator, transformator, atau jaringan dengan pentanahan melalui
impedansi, rele dipasang pada dua fasa. Sedangkan untuk pentanahan langsung diperlukan
rele arus lebih untuk ketiga fase.
Gambar 3.8. Block dan Connection Diagram Rele Arus Lebih
Rele arus lebih berfungsi untuk merasakan adanya arus lebih karena gangguan
hubung singkat dan kemudian memberi perintah kepada PMT untuk membuka. Rele arus
lebih ini pada umumnya digunakan pada sistem tegangan rendah sampai tegangan tinggi.
25
IV. RELE TEGANGAN
4.1. PendahuluanSalah satu hal yang harus dihindari pada pengoperasian peralatan listrik ialah
kelebihan tegangan (overvoltage) ataupun kekurangan tegangan (undervoltage).
Kelebihan tegangan hampir dapat dipastikan akan merusak setiap peralatan listrik. Hal ini
umumnya akan menyebabkan timbulnya panas yang belebihan sehingga dapat
menyebabkan terbakarnya peralatan listrik tersebut. Sebaliknya, kekurangan tegangan
belum tentu merusak peralatan listrik. Pada beberapa peralatan listrik seperti lampu pijar
ataupun peralatan lain yang bersifat resistip, kekurangan tegangan tidak akan
membahayakan peralatan tersebut. Tetapi bagi beberapa peralatan lain seperti motor
induksi, kekurangan tegangan dapat menyebabkan faktor daya (cos-) yang terlalu rendah.
Hal ini akan menyebabkan arus peralatan tersebut terlalu besar, sehingga menimbulkan
panas yang berlebihan dan pada akhirnya akan merusak peralatan tersebut. Untuk
menghindari hal-hal yang tidak diinginkan ini maka suatu panel distribusi tegangan rendah
umumnya dilengkapi dengan rele tegangan yang berfungsi untuk memantau tegangan
busbar. Jika nilai tegangan ini keluar dari batas-batas aman maka rele ini akan membuka
CB utama sehingga catuan daya ke panel tersebut akan diputus.
4.2. Prinsip Kerja Dasar
Rele tegangan elektronik ( Gambar 4.1) mendeteksi besarnya tegangan melalui
trafo tegangan atau yang lebih dikenal sebagai PT (potensial transformer). PT berfungsi
untuk menurunkan tegangan yang masuk ke rele dan sekaligus mengisolasi rele dari
tegangan rangkaian yang diukur. Masukan PT umumnya adalah 110V atau 220V
sedangkan keluarannya adalah tegangan yang berkisar antara 12V hingga 24V, tergantung
dari rangkaian yang digunakan. Tegangan keluaran PT ini terlebih dahulu disearahkan,
selanjutnya dibandingkan dengan dua tegangan acuan, sebut saja VA untuk tegangan acuan
atas dan VB untuk tegangan acuan bawah. Jika tegangan keluaran PT lebih besar dari VA
maka rele keluaran pertama akan diaktipkan. Sebaliknya jika tegangan keluaran PT lebih
kecil dari VB maka rele keluaran kedua yang akan diaktipkan
26
C1 R2
T1D1
D2
R1
INPUT220V
V S
Gambar 4.1 Rangkaian lengkap rele tegangan elektronik
Agar dapat mengabaikan kelebihan atau kekurangan tegangan yang berlangsung
sesaat (transient), maka rele tegangan biasanya dilengkapi dengan rangkaian tunda (delay)
yang dapat menunda kerja kontak keluaran. Lamanya tundaan waktu dapat diatur,
umumnya berkisar antara 0 hingga 10 detik.
4.3. Rangkaian Rele Tegangan
Rele tegangan terdiri dari beberapa rangkaian dasar yaitu:
1. Rangkaian masukan,
2. Rangkaian pembanding tegangan
3. Rangkaian tunda
4. Rangkaian penggerak rele keluaran
5. Rangkaian catu daya
4.3.1. Rangkaian masukan
Tegangan masukan diturunkan sekaligus diisolasi oleh trafo T1 dan disearahkan
oleh dioda D1 dan D2, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.2.
27
+
-A1
+
-A2
V A
V S
VR1
R4
R3
VR2V B
+12V
KERANGKAIAN
TUNDA
Gambar 4.2. Rangkaian masukan
Selanjutnya tegangan ini ditapis oleh kapasitor C1 untuk menghilangkan kerut (ripple).
Besarnya tegangan jepit dari C1 adalah :
VC1 Vm – (4.1)
dan Vm x VSEK (4.2)
dimana
VSEK : tegangan sekunder trafo
IDC : arus beban
f : frekuensi jala-jala
C : kapasitansi C1
Sebelum diteruskan ke rangkaian pembanding, tegangan ini disesuaikan oleh tahanan R1
dan R2 yang membentuk rangkaian pembagi tegangan resisitip. Besarnya tegangan yang
diterima pembanding adalah :
VS = . VC1 (4.3)
4.3.2. Rangkaian Pembanding Tegangan
Sebagai pembanding tegangan digunakan opamp yang mempunyai faktor
penguatan tegangan loop terbuka (AV) yang mendekati tak terhingga. Oleh karena itu jika
tegangan pada masukan tak-membalik sedikit lebih tinggi dari tegangan pada masukan
membaliknya maka keluaran pembanding akan jenuh tinggi dan bernilai mendekati nilai
VCC (tegangan catuan). Sebaliknya jika tegangan pada masukan membalik sedikit lebih
tinggi dari tegangan pada masukan tak-membaliknya maka keluaran pembanding akan
jenuh rendah sehingga tegangannya mendekati nol. Rangkaian dari pembanding tegangan
ini diperlihatkan pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3. Rangkaian
pembanding tegangan
28
VR3
C2
D3
D4
N2
N3
N1
R5
DARIKELUARAN
A1
DARIKELUARAN
A2
KEPENGGERAK
RELE RL1
KEPENGGERAK
RELE RL2
Penguat A1 membandingkan tegangan VS yang dihubungkan ke masukan tak
membaliknya (non-inverting input) dengan tegangan acuan VA yang dihubungkan ke
masukan membaliknya (inverting input). Tegangan acuan VA adalah ambang tegangan
maksimum yang diperkenankan. Tegangan ini diperoleh dari kontak geser (wiper)
potensiometer VR1. Jika VS > VA maka keluaran A1 akan jenuh positip sehingga tegangan
keluaran A1 akan mendekati tegangan catu, yaitu 12VDC. Sebaliknya jika VS < VA maka
keluaran A1 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan mendekati nol.
Penguat A2 membandingkan tegangan VS yang dihubungkan ke masukan
membaliknya dengan tegangan acuan VB yang dihubungkan ke masukan tak membaliknya.
Tegangan acuan VB adalah ambang tegangan minimum yang diperkenankan. Tegangan
ini diperoleh dari kontak geser potensiometer VR2. Jika VS < VB maka keluaran A1 akan
jenuh positip sehingga tegangan keluaran A2 akan mendekati tegangan catu. Sebaliknya
jika VS > VB maka keluaran A2 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan
mendekati nol. Oleh karena itu agar tegangan keluaran dari penguat A1 dan A2 mendekati
nol maka besarnya tegangan VS haruslah :
VB < VS < VA (4.4)
Nilai tahanan R3, R4, VR1 dan VR2 ditentukan sedemikian rupa agar kisar
pengaturan VA memungkinkan kisar tegangan masukan dari 220V hingga 240V dan kisar
pengaturan VA memungkinkan kisar tegangan masukan dari 200V hingga 220V.
4.3.3. Rangkaian Tunda
Agar dapat mengabaikan kenaikan atau penurunan tegangan yang berlaku sesaat
(transien), maka rele tegangan ini dilengkapi dengan rangkaian tunda. Untuk itu maka
keluaran dari rangkaian pembanding selain diteruskan ke rangkaian penggerak rele
keluaran, juga dilewatkan melalui suatu rangkaian tunda, seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Rangkaian tunda
29
R8
Q2
R9
D6 RL2
R6
Q1
R7
D5 RL1
+12V
+12V
DARIKELUARAN
N2
DARIKELUARAN
N3
Rangkaian tunda ini terdiri dari VR3, C2 dan N1. Jika bernilai tinggi, keluaran penguat
A1 dan A2 masing-masing akan meng-enable gerbang N2 dan N3. Selain itu, kedua
keluaran ini juga akan mengisi kapasitor C2 melalui dioda D3 dan D4 dan VR3.
Kapasitor C2 ini berfungsi untuk menunda pengaktipan (enable) gerbang-gerbang
N2 dan N3 melalui gerbang N1. Ketiga gerbang ini adalah gerbang AND dari keluarga
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Tujuan penggunaan CMOS adalah
untuk mendapatkan nilai hambatan masukan yang mendekati tak terhingga agar tidak
membebani kapasitor C2. Lamanya tundaan waktu adalah sama dengan waktu yang
dibutuhkan untuk mengisi kapasitor C2 agar tegangan jepitnya mencapai tegangan ambang
(treshold) logika tinggi dari gerbang N1. Lamanya tundaan waktu dapat dinyatakan
sebagai :
TD 0,7.VR3.C2 detik (4.5)
Dengan mengatur nilai VR3 maka tundaan waktu ini dapat disesuaikan dengan kebutuhan.
4.3.4. Rangkaian Penggerak Rele Keluaran
Rele tegangan yang dibahas mempunyai dua buah rele keluaran. Satu untuk
menyatakan tegangan lebih dan satu untuk menyatakan tegangan kurang. Masing-masing
rele ini digerakkan oleh suatu transistor bipolar, seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 4.5.
Gambar 4.5. Rangkaian penggerak rele keluaran
30
T2D7
D8
C3
7812
C5 C6C4
+12VIC1
Jika keluaran A1 bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini maka keluaran gerbang N2
akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada transistor Q1. Besarnya arus basis ini
adalah :
IB = (4.6)
dimana
VOH : Tegangan keluaran logika tinggi N2
VBE : Tegangan basis-emiter Q1
Hal ini akan menyebabkan Q1 menghantar sehingga pada kolektornya akan mengalir arus
sebesar :
IC = hFE.IB (4.7)
dimana hFE adalah faktor penguatan arus searah dari transistor yang digunakan. Arus
kolektor ini akan menyebabkan rele RL1 bekerja.
Sebaliknya jika keluaran A2 yang bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini
maka keluaran gerbang N3 yang akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada
transistor Q2. Hal ini akan menyebabkan Q2 menghantar sehingga rele RL2 yang akan
bekerja.
Dengan demikian maka akan tersedia satu kontak untuk tegangan lebih dan satu
kontak untuk tegangan kurang. Untuk mendapatkan sinyal yang menyatakan keduanya
maka untuk rele-rele RL1 dan RL2 dapat digunakan rele dengan dua kontak, dimana kedua
kontak tersebut dihubungkan paralel atau seri, tergantung pada kebutuhan.
4.3.5. Rangkaian Catu Daya
Opamp umumnya membutuhkan catudaya ganda yang berkisar antara ±6VDC
hingga ±18VDC atau catu daya tunggal yang berkisar antara +12VDC hingga +36VDC.
Gerbang CMOS membutuhkan catudaya tunggal yang berkisar antara +3VDC hingga
+15VDC. Rele arus searah tersedia untuk tegangan-tegangan 6, 12, 24, 110, dan 220VDC.
Agar dapat mencatu seluruh komponen yang digunakan pada rangkaian maka catuan yang
dipilih adalah +12VDC. Untuk itu maka rele keluaran yang digunakan adalah rele dengan
kumparan 12VDC. Tegangan catuan sebesar +12VDC dapat diperoleh dari catudaya yang
diperlihatkan pada Gambar 4.6. Pada catudaya ini, tegangan jala-jala diturunkan oleh trafo
tegangan T2 ke nilai yang sesuai. Trafo ini sekaligus berfungsi untuk mengisolasi
rangkaian dari tegangan jala-jala. Selanjutnya tegangan sekunder dari T2 disearahkan oleh
31
T2D7
D8
C3
7812
C5 C6C4
+12VIC1
pasangan dioda D7 dan D8 yang membentuk penyearah gelombang penuh, untuk
selanjutnya ditapis oleh kapasitor C3 untuk menghilangkan kerut. Tegangan yang
dihasilkan masih dipengaruhi oleh pembebanan. Oleh karena itu untuk menstabilkan
tegangan ini digunakan regulator seri berupa suatu rangkaian terpadu atau IC (integrated
circuit) tipe LM7812.
Gambar 4.6. Rangkaian catudaya
IC regulator ini akan mempertahankan tegangan keluarannya sebesar +12VDC untuk
tegangan masukan yang berkisar dari +14VDC hingga +35VDC.
Daya yang hilang atau disipasi daya pada regulator adalah :
PD (VIN – 12V).IL Watt (4.8)
dimana
PD : disipasi daya
VIN : tegangan masukan regulator
IL : arus beban
Disipasi daya ini akan diubah menjadi panas. Agar regulator tidak menjadi terlalu panas
maka panas ini harus dibuang dengan menggunakan pendingin atau heatsink. Agar daya
yang hilang tidak terlalu banyak maka VIN harus dibuat serendah mungkin, namun dapat
mengantisipasi turun naiknya VIN disebabkan oleh perubahan arus beban dan turun naiknya
tegangan jala-jala.
Keluaran dari regulator ini ditapis lebih lanjut oleh kapasitor C6 untuk
menghiangkan kerut sehingga pada keluaran regulator akan diperoleh tegangan searah
sebesar +12VDC yang benar-benar stabil dan bebas kerut.
Kapasitor C4 dan C5 berfungsi untuk menjamin agar IC regulator tidak berosilasi,
sesuai dengan yang dianjurkan oleh pabrik pembuatnya.
32
V. RELE DIFERENSIAL
5.1. Pendahuluan
Rele differensial dirancang untuk melindungi generator, transformator dan motor-
motor tegangan tinggi dengan daya besar terhadap gangguan fasa ke fasa dan fasa ke
tanah. Suatu kelebihan dari rele differensial persentase (percentage differential relay atau
biased differential relay ) ini, selain tersedianya setelan arus differensial dasar, juga
tersedia setelan untuk tingkat bias (degree of bias) dari rele. Hal ini memberikan suatu
kemungkinan untuk mendapatkan kepekaan yang maksimum jika terjadi gangguan di
dalam daerah perlindungannya. Sebaliknya rele differensial tetap stabil untuk gangguan-
gangguan yang terjadi di luar daerah perlindungan.
5.2 Prinsip Kerja
Rele differensial bekerja berdasarkan perbedaan arus pada kedua sisi peralatan
yang dilindungi. Dalam kondisi kerja normal atau terjadi gangguan di luar daerah
perlindungan, arus sekunder trafo arus di kedua sisi generator adalah :
I1 - I2 = 0 (5.1)
Sedangkan untuk gangguan di dalam daerah yang dilindunginya, arus yang
mengalir adalah :
I1 - I2 = If (5.2)
dimana If adalah arus gangguan yang terlihat dari sisi sekunder trafo arus tersebut.
Perlu disadari bahwa karena kesalahan pada trafo arus, persamaan di atas tidak akan
sepenuhnya benar dalam praktek. Untuk memperhitungkan ketidak telitian ini, dapat
dipilih nilai arus yang rendah, sehingga untuk keadaan sistem yang normal dan untuk
di luar daerah perlindungan:
(5.3) dan untuk gangguan di dalam daerah perlindungan:
(5.4)
33
Gbr. 5.1 Prinsip kerja rele diferensial
Oleh karena itu, prinsip kerja rele tersebut dapat didefinisikan dengan :
.............................bertahan (5.5)
.............................bekerja (5.6)
Dari Gambar 5.1 dapat kita lihat bahwa arus yang melalui operating coil adalah I1 – I2, dan
rele itu akan melindungi gulungan generator dengan mengoperasikan circuit breaker.
Seringkali kesalahan trafo arus akan bertambah dengan meningkatnya nilai I1 dan I2. Untuk
hal semacam ini, masih mungkin untuk membuat nilai tergantung pada harga rata-rata
dari I1 dan I2. Suatu rele dapat dirancang menurut model ini sehingga prinsip kerja untuk
rele ini menjadi :
....................bekerja (5.7)
....................bertahan (5.8)
dimana k adalah konstanta disain rele differensial itu.
34
Rele semacam ini dikenal sebagai rele differensial persentase. Arus (I1 + I2)/2 = Iv
dinamakan arus penahan (restraining current), dan arus (I1 – I2) = ID adalah arus kerja
(tripping current) dari rele tersebut.
Dalam rele diferensial persentase elektromekanis, kumparan B1, B2, dan O
digulung pada inti magnetis bersama dengan arah sedemikian rupa sehingga arus yang
melalui B1 dan B2 menimbulkan mmf (gaya gerak magnet) yang berlawanan dengan yang
dihasilkan oleh arus pada kumparan O. Dalam rele elektronis karakteristik yang
dikehendaki diperoleh melalui faktor penguatan pada jalur sinyal yang bersesuaian.
Gbr. 5.2. Diagram proteksi diferensial
suatu gulungan generator
35
Disamping untuk proteksi generator, rele diferensial juga digunakan untuk proteksi
transformator daya. Transformator daya biasanya dilengkapi dengan setelan cabang
Gbr. 5.3. Diagram proteksi diferensial Transformator Daya
(tap) yang dapat diubah, yang memungkinkan tegangan sekundernya dapat diatur dalan
daerah tertentu. Pengaturan ini biasanya dapat diubah dalam beberapa langkah kecil dalam
daerah 10 persen dari perbandingan lilitan nimonal N1/N2. Jika setelan cabang
menghasilkan perbandingan gulungan yang tidak normal, relenya akan melihat arus
diferensial pada saat keadaan beban normal. Untuk mencegah kerja yang tidak semestinya,
dalam hal ini harus digunakan rele diferensial persentase.
Transformator tiga fasa dengan gulungan Y/ (Gambar 5.3) memerlukan
pembahasan lebih lanjut. Seperti telah diketahui bahwa arus primer dan sekunder dari
transformator semacam itu berbeda dalam magnitude dan sudut fasanya dalam keadaan
kerja normal. Oleh karena itu, transformator ini harus dihubungkan dengan cara
36
sedemikian rupa sehingga arus saluran sekunder CT seperti yang terlihat oleh rele adalah
sama dalam keadaan normal (tanpa gangguan). Hubungan sudut fasa yang benar dperoleh
dengan menyambungkan CT pada sisi wye dari transformator dalam delta, dan yang pada
sisi delta dari transformator daya dalam wye. Dengan cara ini, sambungan CT meniadakan
pergeseran fasa yang ditimbulkan oleh transformator daya yang dihubungkan Y/ .
5.3. Karakteristik
Karakteristik bias yang ideal dari rele ditunjukkan pada Gambar 5.4. Terdapat tiga
daerah operasi pada karakteristik tersebut :
a. Rentangan bagian pertama meliputi Iv = 0 sampai dengan Iv = 0,5.IN. Besarnya arus
differensial yang diperlukan untuk mengoperasikan rele adalah konstan, yaitu sama
dengan setelan dasar ‘p’ pada rele.
b. Rentangan bagian kedua meliputi Iv = 0,5.IN sampai dengan Iv = 2,5.IN, derajat
stabilisasi dapat diatur melalui pengaturan setelan bias ‘s’ pada rele. Jadi dengan
adanya setelan s, besarnya arus diferensial yang dapat mengoperasikan rele ditentukan
oleh berbagai harga arus bias Iv.
c. Rentangan bagian ketiga meliputi Iv > 2,5.IN, derajat stabilisasi adalah konstan dan
100%, maksudnya kenaikan tertentu dari arus bias Iv menyebabkan arus kerja rele pun
naik dengan kenaikan yang sama dengan arus bias Iv.
Gbr. 5.4. Karakateristik Bias teoritis untuk rele differensial
37
5.4. Setelan Rele
a. Setelan arus diferensial dasar ‘p%’
p = ; IN = arus rating rele
setelan ini menyatakan operating level dari rele dalam rentangan bagian pertama dari
karakteristik ideal rele. Harga p dapat diatur dari 10 sampai 25 persen dari arus rating
rele (IN).
b. Setelan tingkat bias (penahan) ‘s%’
s =
Harga setelan s dapat diatur dari 5 sampai 25 persen.
VI. RELE URUTAN FASA NEGATIF
38
6.1. Pendahuluan
Rele ini digunakan untuk proteksi generator dan motor-motor besar terhadap kerusakan
dan tekanan thermis yang diakibatkan oleh keadaan sistem yang tidak seimbang.
Dalam kondisi yang tidak seimbang, besaran-besaran jaringan dapat diuraikan
menjadi tiga buah komponen yang simetris, yaitu komponen urutan positif, negatif dan
nol. Komponen arus urutan fasa negatif menghasilkan rugi-rugi tambahan pada mesin-
mesin berputar, karena ia dapat menimbulkan medan putar berlawanan pada mesin-mesin
berputar. Medan putar berlawanan (Counter Rotating Field) ini menginduksikan arus
frekwensi ganda pada rotor sehingga dapat menimbulkan panas pada bagian rotor tersebut.
Disamping itu, arus urutan negatif dapat pula menimbulkan tegangan yang berbahaya dan
getaran pada rotor.
Kemampuan suatu generator untuk dialiri oleh arus urutan negatif secara kontinu
berbeda satu sama lain tergantung kepada konstruksi rotor, ukuran mesin dan sistem
pendinginannya.
Ganguan-gangguan tidak seimbang yang berbahaya adalah yang disebabkan oleh
gangguan-gangguan hubung singkat tidak simetris dan gangguan tanah, dan biasanya
gangguan-gangguan ini dapat dengan cepat diatasi oleh peralatan proteksi hubungan
singkat dan gangguan tanah. Tetapi keadaan beban yang tidak seimbang yang dapat
ditimbulkan oleh adanya kawat penghantar yang terputus atau beban yang terpasang pada
jaringan memang tidak seimbang dapat berlangsung dalam waktu yang lama. Oleh sebab
itu generator perlu dilengkapi dengan proteksi arus lebih urutan fasa negatif dimana
karakteristiknya dapat disesuaikan dengan kapasitas thermis dari mesin tersebut.
6.2. Prinsip Kerja
Rele arus urutan fasa negatif diberi masukan dari dua buah trafo arus seperti terlihat pada
Gambar 6.1. Dengan adanya suatu rangkaian filter pada rele, komponen arus urutan fasa
negatif I2 dapat dipisahkan. Arus urutan negatif I2 dapat dipandang sebagai suatu ukuran
untuk tingkat atau derajat ketidakseimbangan sistem.
39
Gbr. 6.1. Block Dan Connection Diagram Rele Urutan Fasa Negatif
Apabila komponen urutan fasa negatif ini melebihi nilai setelan k2 maka rele akan
diaktifkan dan starting output relay, terminal 11-15-19, akan bekerja (picks-up). Pada saat
yang sama rele mulai mengisi suatu digital accumulator, dimana kecepatan pengisiannya
berbanding langsung dengan harga kwadrat besar arus urutan negatif yang sebenarnya.
Apabila isi dari accumulator ini sama atau melebihi suatu harga tertentu, sesuai dengan
setelan k1, maka rele akan bekerja, yaitu output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan
bekerja dan indikator T akan menyala. Kemudian apabila besarnya arus urutan fasa negatif
menurun di bawah nilai setelan k2, starting output relay, terminal 11-15-19, dan delayed
output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan drops off. Jika rele sudah dalam kondisi
reset, accumulator yang menentukan waktu kerja rele akan mulai dikosongkan dengan
kecepatan pengosongan yang linier. Waktu pengosongan ini ditentukan oleh setelan tp. jadi
accumulator tidak langsung dikosongkan apabila rele telah reset.
40
6.3. Karakteristik
Waktu kerja (Operating Time) dari rele dinyatakan oleh persamaan berikut ini :
t =
dimana : t = waktu kerja rele (detik)
I2 = arus urutan negatif jaringan
IN = arus rating rele (tergantung tipe rele yaitu 1A atau 5A)
k1 = konstanta mesin (konstanta I22t mesin, dinyatakan oleh pembuat
mesin)
k2 = ketahanan mesin terhadap arus urutan negatif kontinu, dinyatakan
oleh pembuat mesin
Seperti dapat dilihat dari persamaan di atas, waktu kerja dari rele adalah fungsi
kuadrat I2, kuadrat k2 dan konstanta k1, sehingga dengan demikian rele ini mempunyai
karakteristik waktu terbalik (Inverse Time Characteristic) seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 6.2. Tetapi karakteristik arus-waktu terbalik itu hanya berlaku untuk tingkat arus
urutan negatif I2/IN 0,7 saja. Untuk arus I2 yang lebih besar lagi, waktu kerja rele tidak
lagi ditentukan oleh persamaan di atas, tetapi oleh tundaan waktu yang tertentu yang
nilainya tergantung kepada setelan k1.
41
Gbr. 6.2. Karakteristik Rele Arus Urutan Fasa Negatif
Apabila arus urutan negatif hanya sedikit melebihi setelan k2, waktu kerja rele
akan sangat lama. Untuk membatasi waktu kerja rele tersebut, rele dilengkapi dengan
suatu rangkaian pembatas waktu, yang akan mengoperasikan rele setelah 1200 detik atau
20 menit terhitung rele mulai diaktifkan.
6.4. Setelan Rele
a. Setelan tp, waktu pengosongan accumulator, rentangan setelan 5-50 detik.
b. Setelan k2 (%) : arus urutan fasa negatif I2 yang dapat ditahan oleh mesin secara
kontinyu tanpa kerusakan, dinyatakan dalam persen terhadap arus rating rele (IN),
yaitu :
k2 / % = x 100 %
Rentangan setelan = 2 sampai dengan 20 %.
42
Gbr. 6.3. Setelan Rele Arus Urutan Fasa Negatif
c. Setelan k1 : konstanta mesin, adalah kemampuan I22t dari mesin (Tabel 6.1) yaitu
menyatakan kemampuan rotor untuk menerima tambahan panas yang ditimbulkan
oleh arus urutan negatif. Setelan k1 ini menentukan waktu kerja rele pada kondisi arus
gangguan berbahaya yaitu pada keadaan :
0,7
Rentangan setelan 5 s/d 40
Tabel 6.1
Type Mesin Sinkron Nilai yang diizinkan
Generator Berkutub Salient
Kondenser Sinkron
Generator Berotor Silinder Dengan Pendingin Langsung
Generator Berotor Silinder Tanpa Pendingin Langsung
40
30
20
10
43
VII. RELE DAYA BALIK
7.1. Pendahuluan
Rele Daya Balik digunakan untuk perlindungan generator dan penggerak mulanya
terhadap aliran daya balik jika penggerak mulanya mengalami gangguan sehingga dapat
dicegah generator berfungsi sebagai motor.
7.2. Prinsip Kerja
Rele daya balik mengukur tegangan fasa ke netral dan arus pada fasa yang sama.
Pengukuran daya dan penentuan arah aliran daya didasarkan pada perkalian arus fasa dan
factor daya yaitu I x cos . Rele menganggap tegangan sebagai suatu konstanta dan
perubahan pada level tegangan hanya akan mempengaruhi keakuratan dari pengukuran
I x cos .
Setelan daya rele di set sebagai suatu nilai perbandingan terhadap rating daya rele
yaitu P/PN yang dinyatakan dalam persen. Setelan rele akan akurat sepanjang tegangan
masukan ke rele sama dengan rating tegangan rele. Jika tegangan masukan rele berbeda
dengan rating tegangannya setelan rele harus dikoreksi dengan suatu faktor k.
Rele akan mulai start apabila daya melebihi nilai setelannya dan daya mengalir
pada arah yang diukur oleh rele, atau
di mana : I = arus fasa
cos = faktor daya
UN = tegangan nominal
IN = arus nominal
P = besar daya balik yang akan dibatasi
PN = daya nominal generator
44
Gbr. 7.1. Karakteristik kerja rele daya balik
Ketika penggerak mula generator mengalami gangguan, aliran daya generator
berbalik, generator mulai beroperasi sebagai motor. Jika daya yang diambil oleh generator
melampaui setelan rele maka rele daya balik akan bekerja.
7.3. Pemasangan
Rele Daya Balik dilengkapi dengan dua masukan, satu untuk arusa fasa yaitu masukan 2-6,
satu lagi untuk tegangan fasa ke netral yaitu masukan 1-5 seperti yang ditunjukkan dalam
Gambar 7.2. Rating tegangan masukan adalah 100/ Volt dan rating arusnya adalah 1A
untuk rele PBSP 1G1 J3 dan 5A untuk rele PBSP 1G5 J3. Tegangan suplai bantu diberikan
ke rele melalui terminal 16 dan 20.
Rele akan beroperasi (picks up) setelah tundaan waktu yang telah ditentukan
dicapai. Sinyal pemutusan dari rele diperoleh dari dua tahap keluaran. Keluaran tahap
pertama (terminal 11-15 dan 10-14-18) dipergunakan untuk sinyal pemutusan Circuit
Breaker generator dan shut down valve dari penggerak mula, sedangkan tahap kedua
(terminal 8-12 dan 9-13) digunakan sebagai cadangan.
45
Gbr. 7.2. Block Dan Connection Diagram Rele Daya Balik
7.4. Karakteristik
Karakteristik kerja dari rele daya balik diperlihatkan pada Gambar 7.1. Apabila penggerak
mula dari generator mengalami gangguan, aliran daya generator berbalik arah, jadi
generator mulai bekerja sebagai motor. Kalau daya yang diterima atau diserap oleh
generator dalam situasi ini melebihi setelan rele, maka rele daya balik akan bekerja.
46
7.5. Setelan Rele
a. Setelan tundaan waktu t1 dari keluaran tahap pertama
(first output stage).
Rentangan : 1 – 6 detik
b. Setelan tundaan waktu t2 dari keluaran tahap kedua
(second output stage).
Rentangan : 10 – 60 detik
c. Setelan batasan daya P/PN (Power Level Setting).
Setelan batasan daya disetel dalam persen dari rating
daya PN. Terbagi dalam dua rentangan, masing-
masing :
1. Untuk posisi selektor P x 1, rentangannya
0,5 – 5 %.
2. Untuk posisi selektor P x 10, rentangannya
5 – 50 %
Gbr. 7.3. Setelan Rele Daya Balik
Batasan operasi P dalam persen terhadap rating daya PN dapat disamakan dengan
“rating daya rele” yang ditetapkan oleh rating tegangan rele UN dan rating arus rele IN. Jadi
tegangan masukan dan arus masukan sebenarnya harus dipertimbangkan apabila rele akan
disetel.
CONTOH PENYETELAN :
Suatu generator dengan rating PN = 40 MW dan UN = 10 kV dilengkapi dengan sebuah rele
daya balik yang akan bekerja pada daya balik sebesar 3%. Perbandingan transformasi dari
trafo instrumen adalah 3000/5 A dan 10000 : / 100 : . Tentukan setelan batas daya
rele.
Penyelesaian
47
Setelan batas daya rele adalah :
= 2,3 %
Catatan :
Jika rele diberi masukan dari trafo tegangan dengan rating sekunder 110/ V atau
lainnya, perhitungan untuk penyelesaian diatas harus dikoreksi dengan suatu faktor k yang
dinyakan sebagai :
k =
dimana :
U = rating sekunder dari tegangan masukan maksimum 110 V
UN = rating tegangan rele 100 : V
Jadi setelan yang dikoreksi adalah :
k = . 2,3 % 2,5 %
VIII. TEORI UMUM RELE JARAK
48
8.1 UMUM
Pada umumnya, fungsi daripada rele adalah untuk membedakan antara kondisi normal dan
kondisi gangguan sehingga dapat mengirimkan sinyal ketika gangguan tersebut terjadi. Rele
bekerja dengan mengukur perbedaan fungsi – fungsi yang ada (contoh : arus dan tegangan) dan
membandingkan di antara keduanya atau dari beberapa input yang berbeda, atau juga
membandingkan secara sederhana satu fungsi quantitas dengan nilai harga standarnya. Ada
beberapa pembanding (komparator) yang berbeda. Dua komparator yang umum digunakan adalah
komparator amplitudo dan phasa. Hubungan antara amplitudo dan phasa tergantung pada kondisi
sistem dan nilai sebelum gangguan dari hubungan ini, indikasi dari tipe tersebut dan lokasi
gangguan.
Untuk memperoleh persamaan umum dari komparator, dimisalkan konfigusai logika dari
rele diperoleh dari dua besaran dan sebuah komparator seperti pada Gambar 8.1(a), dengan
memisalkan S1 dan S2 sebagai sinyal input sehingga diperoleh :
dimana k1, k2, k3, dan k4 didisain konstan, dalam bentuk bilangan komplek dapat ditulis sebagai
berikut :
pada Gambar 2.1(b) terlihat diagram phasor. S1 dan S2 adalah input dari komparator yang
menghasilkan sinyal pengetripan (operasi) ketika pada modus perbandingan amplitudo.
(a)
49
(b)
Gambar 8.1. Penggambaran umum komparator: (a) Blok Diagram; (b) Diagram Phasor
8.2 Komparator Amplitudo
Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator amplitudo pada saat . Oleh
karena itu, modul – modul rele akan mengalami kesetimbangan pada threshold operation,
sehingga atau perbedaan sudut phasa antara kedua besaran tersebut, sehingga threshold
operation dapat dirumuskan sebagai berikut :
jika disusun kembali maka diperoleh :
jika dibagi dengan
dan dapat dituliskan :
50
dimana :
Persamaan (8.8) memperlihatkan persamaan dari sebuah lingkaran dengan jari – jari r dan titik
tengah berlokasi pada 0 pada kurva , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.1, berkoordinat
pada dan atau dapat ditulis sebagai p dan jq, sehingga persamaan (8.6) jika
dinyatakan dalam simbol alfa maka :
dimana :
Gambar 8.2. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-
51
Gambar 8.3. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-
Persamaan (8.12) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari – jari r dan titik tengah pada
0 pada kurva-, seperti pada Gambar 8.3, memiliki koordinat di dan
dengan sumbu koordinat p dan jq.
8.3 Komparator Phasa
Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator phasa dari dua sinyal positif yaitu S1 dan
S2, sinyal tersebut ditunjukkan dengan persamaan (8.16) dan (8.17), seperti hal sebelumnya dapat
ditunjukkan sebagai :
S1 dan S2 bernilai maksimum ketika kedua phasor sefasa, sehingga pada threshold operation
berlaku :
jika diambil tangensial kedua sisinya diperoleh :
persamaan di atas akan menjadi benar jika :
52
atau
nilai dan dapat dihitung dari Persamaan (8.3) dan (8.4) sehingga diperoleh :
jika disubsitusikan Persamaan (8.23) dan (8.24) ke dalam Persamaan (8.22), diperoleh :
atau
jika dibagi dengan
atau dapat dituliskan :
dimana :
53
Persamaan (8.28) menunjukkan persamaan sebuah lingkaran dengan jari – jari r dan titik tengah
berlokasi di 0 pada kurva- dan berkoordinat di dan atau dapat ditulis
sebagai p dan jq..Jika dinyatakan dalam simbol alfa maka :
dimana :
Persamaan (2.31) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari – jari r dan titik tengah pada
0 pada kurva-, memiliki koordinat di dan dengan sumbu koordinat p dan
jq. Tabel 2.1 menunjukkan nilai dari r dan 0 untuk komparator amplitudo dan phasa untuk kurva-
, sama halnya dengan Tabel 2.2 yang menunjukkan nilai dari r dan 0 untuk komparator
amplitudo dan phasa untuk kurva-.
Tabel 8.1. Nilai R dan b0 dari komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva-b
Nilai Komparator Amplitudo Komparator Phasa
r
0
Tabel 8.2. Nilai R dan b0 dari komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva-a
Nilai Komparator Amplitudo Komparator Phasa
r
0
8.4 Persamaan Umum Rele
54
Rele pada umumnya, sedikitnya satu dari konstanta k1, k2, k3, dan k4 adalah bernilai nol
dan dua daripadanya bernilai sama, sehingga menjadi lebih sederhana. Jika tidak lebih dari dua
jumlah konstanta yang dilibatkan, maka dapat dituliskan persamaan torsi umum dari rele :
dimana : ka, kb , kc = konstanta skalar
ks = konstanta variable per (adjustable spring) yang
merupakan torsi pengendali mekanik
= dua konstanta listrik yang akan dibandingkan
Ф = sudut phasa antara A dan B
θ = karakteristik sudut rele
sehingga pada keadaan threshold operation, di bawah kondisi stabil (steady state) :
persamaan di atas menunjukkan semua karakteristik lingkaran dan garis lurus yang diperoleh dari
dua input rele. Jika kedua konstanta yaitu arus I dan tegangan V sehingga diperoleh :
sehingga arus pada belitan menghasilkan torsi sebesar dan belitan tegangan menghasilkan
torsi sebesar , dimana torsi yang dihasilkan dari interaksi arus dan belitan potensial akan
sebesar . Pada rele dengan masukan tunggal, ks adalah konstan dan digunakan
sebagai tingkat indikasi, sedangkan rele dengan dua masukan memiliki ks = 0 dan jika persamaan
(2.35) dibagi dengan maka,
jika kc = 1,
55
dengan menambahkan dari kedua sisi dari persamaan (8.37),
Persamaan (8.38) di atas menunjukkan persamaan sebuah lingkaran pada koordinat polar (R-X
compleks) yang berkoordinat di dan , seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 8.4, lingkaran tersebut memiliki jari – jari sebesar,
dan titik tengahnya berlokasi di1/2kb dari titik nol dengan sudut θ dari sumbu referensi.
Gambar 8.4. Karakteristik rele dengan dua input
8.5 Jenis – jenis Rele Jarak
Sebuah rele jarak bereaksi terhadap jumlah masukan sebagai fungsi dari jarak
antara lokasi rele dengan titik gangguan dari suatu saluran transmisi, karena impedansi dari
saluran transmisi berbanding lurus dengan jaraknya, untuk pengukuran jarak sangatlah
cocok untuk mempergunakan rele jarak karena rele ini mampu mengukur besar impedansi
dari suatu saluran hingga titik tertentu. Rele ini didisain hanya bekerja untuk gangguan
56
yang di dalam daerah jangkauannya atau yang terjadi pada lokasi antara lokasi rele dan
titik yang ditentukan. Oleh karenanya, rele ini dapat membedakan jenis gangguan yang
mungkin terjadi antar bagian saluran yang berbeda dengan cara membandingkan antara
arus dan tegangan dari sistem daya sehingga dapat membedakannya gangguan yang terjadi
di dalam atau di luar zona kerja rele tersebut.
Rele jarak diklasifikasikan berdasarkan karakteristik polarnya, jumlah dari masukan yang
diperlukan, dan metode perbandingan yang digunakan. Untuk tipe umumnya hanya
mempergunakan dua jenis masukan yaitu besar atau fasa untuk memperoleh karakteristik baik
untuk saluran lurus (straight line) maupun saluran dengan siklis (circles line) sehingga nantinya
dapat digambarkan menggunakan diagram R-X seperti pada Gambar 8.2. Pada dasarnya rele jarak
dibedakan atas (1) Rele Impedansi, (2) Rele Reaktansi, (3) Rele Admitansi (Mho), (4) Rele
pergeseran Admitansi (Offset Mho / Modified Impedance), dan (5) Rele Ohm.
1. Rele Impedansi
Berdasarkan komparator Amplitudo, dan permisalan bahwa hal ini berada pada kondisi
Threshold sehingga persamaan (8.6) dapat digunakan, sehingga,
jika konstanta juga disetting sehingga sinyal input menjadi
jika, k2 = k3 = 0, A = V, dan B = I, subtitusikan persamaan (8.40) dan (8.41) ke (8.6) sehingga,
atau
maka diperoleh,
Oleh karena itu, rele impedansi tidak memperhitungkan perbedaan sudut phasa antara arus
dan tegangan agar dapat bekerja, karena inilah jika karakteristik impedansi rele ini digambarkan
pada diagram R-X maka akan berupa suatu lingkaran dimana titik tengahnya berada pada titik (0,0)
57
dan jari – jarinya tergantung dengan setting rele tersebut dalam ohm, seperti terlihat pada Gambar
8.5(b).
Operasi kerja rele untuk semua nilai imperdansi yang nilainya kurang dari nilai
settingannya, yaitu untuk semua daerah yang berada di dalam karakteristik lingkarannya, dan tidak
akan mendeteksi gangguan yang berada diluarnya. Rele impedansi seperti pada Gambar 8.5,
ditempatkan pada bus A dan tidak berarah, sehingga rele ini bekerja sepanjang vektor AB dan juga
untuk semua gangguan yang terjadi di belakang bus A dengan impedansi AC.
(a)
(b)
Gambar. 8.5. Karakteristik Rele Impedansi
2. Rele Reaktansi
Berdasarkan komparator phasa, dan dimisalkan bahwa rele tersebut berada dalam kondisi
threshold sehingga Persamaan (8.26) dipergunakan,
jika sinyal input berupa,
58
maka, k1 = - ka, k2 = k4 = kb , k3 = 0, A = V, dan B = V, lalu subtitusikan persamaan (8.44) dan
(8.45) ke persamaan (8.26),
(8.46)
atau
(8.47)
jika , maka
(8.48)
atau
(8.49)
sehingga,
dari Persamaan (8.49) di atas nampak jelas bahwa karakteristik rele pada diagram R-X
digambarkan sebagai garis lurus yang paralel dengan sumbu-R, seperti yang ditunjukkan oleh
Gambar 2.6(a). Perlu diingat bahwa komponen resistansi dari impedansi tidak berpengaruh pada
kerja rele dan rele reaktansi hanya berpengaruh pada komponen reaktansi saja, sehingga bekerja
pada semua titik di bawah garis karakteristik kerja rele.
Jika Φ ≠ ½ π dalam Persamaan (8.47), kemudian karakteristik garis lurus tidak akan
paralel dengan sumbu-R, untuk rele seperti ini sering disebut rele impedansi-sudut.
59
Gambar 8.6. Karakteristik rele reaktansi (a) pada Diagram R-X; (b) Karakteristik kombinasi rele mho dan reaktansi; (c) aplikasi dari zona proteksi
Rele reaktansi tidak akan terpengaruh dengan kehadiran tahanan busur gangguan karena
rele tersebut hanya merespon komponen reaktansi dari sistem impedansi. Walaupun begitu pada
saat tahanan busur gangguan mencapai nilai yang besar, hal itu juga terjadi pada besarnya beban
dan arus gangguan, jangkauan dari rele akan berubah dikarenakan besar beban dan faktor dayanya
dan juga pada karakteristik di luar jangkauan atau di dalam jangkauan.
Oleh karena itu, untuk mendapatkan tanggapan berarah dan untuk mencegah rele bekerja
dalam kondisi beban normal, sebuah unit pengendali tegangan (contoh : pada rele mho)
dipergunakan pada rele tersebut. Seperti halnya rele modifikasi reaktansi (Modified Reactance
Rele) yang dikenal dengan rele starting. Gambar 8.6(b) nampak seperti kombinasi antara
karakteristik rele mho dan reaktansi. Gambar 8.6(c) menampakkan aplikasi zone proteksi dari rele
reaktansi.
Pada Gambar 8.6(c), 0 adalah lokasi rele, 0A adalah bagian dari garis awal, AB adalah
bagian dari garis kedua, BC adalah bagian dari garis ketiga, dan θ adalah sudut impedansi saluran.
60
3. Rele Admittansi (Mho)
Berdasarkan komparator phasa dan memisalkan rele bekerja dalam kondisi threshold
sehingga Persamaan (8.26) dapat digunakan, sehingga :
jika sinyal input berupa,
sehingga diperoleh, k1 = -ka, k2 = kb , k3 = ka, k4 = 0, A = V, dan B = I, lalu subtitusikan
Persamaan (P.50) dan (P.51) ke Persamaan (8.26),
(8.52)
atau
(8.53)
atau
(8.54)
Persamaan – persamaan di atas menunjukkan karakteristik rele mho, jika digambarkan pada
diagram R-X, lingkarannya akan memotong titik awal, seperti yang ditujukkan pada Gambar
8.7(a). Jika digambarkan pada diagram admitansi (contoh : diagram G-B), karakteristiknya berupa
garis lurus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.7(b)
Karakteristik lingkaran tersebut memotong titik awal yang membuat rele tidak berubah
arahnya, sehingga rele ini mirip dengan karakteristik rele jarak dengan satu arah. Jika terdapat
kondisi busur gangguan, maka nilai dari R akan meningkat dengan meningkatnya tahanan
daribusur Rarc yang menyebabkan sudut gangguan akan berubah seperti pada Gambar 8.7(c). Nilai
pendekatan dari tahanan busur dapat dihitung dari rumus empiris dari Warrington yaitu,
(8.55)
dimana l = panjang dari busur (ft) pada aliran udara yang konstan
61
I = arus busur dalam Ampere
Gambar 8.7. Karakteristik rele Mho: (a) Pada Diagram R-X; (b) Pada Diagram G-B;
(c) Perubahan dari jangkauan rele akibat tahanan busur
4. Rele Offset Mho (Modifikasi impedansi)
Dengan memisalkan sinyal input dari komparator phasa diberikan sebagai berikut :
(8.56)
(8.57)
sehingga diperoleh, k1 = -ka, k2 = k2 , k3 = ka, k4 = k4 , A = V, dan B = I, jika Persamaan
(8.56) dan (8.57) disubtitusikan ke Persamaan (8.26) sehingga,
(8.58)
jika dibagi dengan I2,
62
(8.59)
karena Z2 = R2 + X2 dan dibagi dengan ,
(8.60)
atau
(8.61)
Gambar 8.8. Karakteristik rele mho: (a) Karakteristik umum; (b) Aplikasi back-up zona proteksi
Karakteristik rele ini pada diagram R-X diwujudkan dengan sebuah lingkaran yang
berpusat di dan berjari – jari , seperti yang terlihat pada
Gambar 2.8(a). Rele Offset Mho digunakan bersama dengan unit pengukur Mho yang berfungsi
sebagai pendeteksi gangguan dan unit pengukur pada zona 3, dan dengan jangkauan balik yang
menjangkau sampai zona bus, rele offset mho menyediakan cadangan (back-up) untuk proteksi
gangguan pada bus, seperti yang nampak pada Gambar 8.8(b).
5. Rele Ohm
Karakteristik rele ohm ditunjukkan pada persamaan (8.47), yaitu berupa garis lurus ketika
digambarkan pada diagram R-X, oleh karena itu, rele reaktansi merupakan bentuk khusus dari rele
ohm. Rele ini juga dikenal sebagai rele impedansi sudut dan rele ini digunakan sebagai “blinder”
yang digunakan untuk mencegah rele jarak dari perngetripan akibat ayunan daya “power swings”
63
pada saluran panjang dan untuk menghindari pengetripan secara kaskade. Selama kondisi ayunan
daya dari sistem yang tidak dapat dipulihkan, pelayanan daya yang normal hanya dapat diperoleh
jika sumber ayunan dapat dihilangkan.
Untuk meminimalkan gangguan dari sistem, sebuah sistem pengetripan out-of-step
mempergunakan unit – unit ohm. Sistem ini umumnya mempergunakan dua unit ohm, sehingga
karakteristik yang dihasilkan nampak seperti garis vektor impedansi yang paralel, seperti pada
Gambar 2.9, dengan berubahnya nilai impedansi selama ayunan daya, titik yang merepresentasikan
impedansi berpindah sepanjang tempat kedudukan (locus) ayunan daya, memasuki ke dalam zona
antara kedua blinder yang dihasilkan oleh unit ohm O1 dan O2, setelah unit ohm bekerja.
Gambar 8.9. Penggunaan unit rele ohm sebagai blinders untuk membatasi cakupan sudut pada saat terjadi ayunan
8.6 Rele Jarak tipe RAZOA
Dalam percobaan ini penulis mempergunakan rele jarak dengan jenis rele impedansi
dengan tipe RAZOA. Rele jarak tipe RAZOA adalah jenis rele statis dengan kecepatan tinggi yang
dapat melindungi keseluruhan daerah fasa banyak dari berbagai jenis gangguan hubung singkat
antar fasa atau fasa ke tanah pada saluran hantaran udara maupun kabel bawah tanah yang
diproteksi. Rele jarak tipe RAZOA mempunyai kelambatan waktu yang berbeda – beda dan
terpasang dengan operasi impedansi kurang (underimpedance start) atau operasi arus lebih
(overcurrent start). Waktu operasi minimumnya adalah 20 ms. Rele ini mempunyai tiga daerah
64
impedansi terarah dan satu daerah keempat sesuai dengan elemen start yang setelannya terarah atau
tidak terarah.
Besar impedansi (Z) saluran dapat dinyatakan sebagai perbandingan V/I. Besarnya
impedansi ini merupakan perbandingan tegangan dan arus pada lokasi rele. Untuk rele jarak yang
terpasang dengan under impedance start tipe RGZB 030 bekerja berdasarkan impedansi terukur di
terminal rele, apabila impedansi yang terukur di terminal rele jatuh di bawah harga setelan yang
ditentukan maka rele diaktifkan, sedangkan di luar harga setelan rele tidak diaktifkan. Jadi rele ini
akan bereaksi terhadap impedansi di antara lokasi rele dan titik gangguan, seperti yang
diperlihatkan dalam Gambar 2.10. Impedansi ini sebanding dengan jarak ke gangguan, karenanya
rele itu dinamakan rele jarak (distance Rele), dan tidak tergantung pada tingkat arus gangguan.
Waktu operasinya akan meningkat dengan meningkatnya perbandingan ini.
Pada Gambar 8.10. memperlihatkan prinsip pengukuran jarak dimana rele jarak
ditempatkan pada rel A dengan batas setelan impedansi Zb.
Untuk gangguan di F (batas pengamanan) tegangan yang terukur di terminal rele adalah
, dengan If adalah arus gangguan yang melalui rele. Perbandingan tegangan dan arus di
rele A adalah :
(8.62)
kondisi rele dalam batas keseimbangan dan rele bekerja.
(a) Diagram satu garis saluran transmisi dengan proteksi jarak
65
(b) Hubungan antara Waktu operasi dengan Impedansi dari Rele Jarak tipe Impedansi
(b) Hubungan antara tegangan dengan jarak gangguan
Gambar 8.10. Prinsip Pengukuran jarak
Untuk gangguan di F1, di dalam daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal
rele adalah , dengan adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z1 adalah
impedansi antara rel A ke titik gangguan F1. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah
(8.63)
karena V1< V dan > maka Z1 < Zb, sehingga rele akan bekerja.
Untuk gangguan di F2, di luar daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal
adalah , dengan adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z2 adalah impedansi
antara tempat rel A ke titik gangguan F2. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah :
66
(8.64)
karena V2< V dan > maka Z2 < Zb, sehingga rele tidak akan bekerja.
Rele jarak tipe RAZOA mempunyai tiga daerah pengukuran impedansi terarah, sehingga
hanya akan bekerja untuk gangguan yang terjadi pada arah yang telah ditentukan, biasanya arah ke
depan atau keluar dari rel (busbar) dan satu daerah empat sesuai dengan elemen startnya yang
dapat dibuat terarah atau tidak terarah.
Unit impedansi kurang tipe RGZB 030 mempunyai dua karakteristik yang berbeda yang
dapat dipilih yaitu karakteristik lingkaran (circular) dan karakteristik oval seperti gambar berikut
ini :
(a) Karakteristik operasi lingkaran (b) Karakteristik operasi oval
Gambar 8.11. Karakteristik operasi unit RGZB 030
Pada umumnya rele jarak tipe RAZOA menggunakan karakteristik lingkaran, tetapi
kadang – kadang untuk impedansi saluran panjang yang dibebani atau perbandingan X/R
yang tinggi karakteristik oval lebih sesuai.
Untuk mendapatkan perlindungan yang baik rele jarak tergabung atas unit – unit
berikut :
67
Tabel 8.1. Unit – unit yang tergabung dalam rele jarak tipe RAZOA
No. Rancangan Tipe
1 Saklar Test RTXP 18
2 Konverter DC-DC RXTUG
3 Unit Input RGKC 070
4 Unit start impedansi kurang (underimpedance) RGZB 030
5 Unit pemilih fasa RGGB 030
6 Unit setelan arus RGAA 030
7 Unit setelan tegangan RGAB 030
8 Unit kelambatan waktu RGTA 030
9 Ruang untuk unit pengukuran tambahan RGZA 030
10 Unit rangkaian memori RGLA 030
11 Unit pengukuran dan pengindikasian RGSB 030
12 Unit pemrograman data dan ruang untuk test board
13 Unit keluaran RGKD 050
14 Tripping Rele RXMS 1
15 Unit Transformator RTTG
68
Posisi unit – unit di atas ditunjukkan pada Gambar berikut :
Gambar 8.12. Tampak depan unit pembangun rele jarak tipe RAZOA
8.6.1 UNIT – UNIT YANG TERGABUNG DALAM RELE JARAK TIPE RAZOA
Rele jarak tipe RAZOA tersusun dari beberapa unit modul yang kompleks seperti terlihat
pada Gambar 8.12, adapun modul – modul tersebut adalah sebagai berikut :
a. Saklar Penguji (Test Switch) tipe RTXP 18
Sebagian besar masukan – masukan dan keluaran – keluaran rele ini dihubungkan ke
terminal – terminal pada bagian luar sakelar dengan soket tembaga 20 A. hubungan –
hubungan yang lain dapat dibuat dengan soket tembaga 10 A langsung ke terminal – terminal
pada terminal dasar, secondary test yang lengkap dapat dilakukan dengan menggunakan Saklar
penguji ini.
b. Konverter DC/DC tipe RXTUG
Unit ini mengkonversikan suplai tegangan dc menjadi tegangan ac yang nantinya akan
ditransformasikan ke level tertentu lalu dengan penyearah setengah gelombang disearahkan
sehingga akan menghasilkan 12 V dc yang lebih rata (smooth), sehingga dengan proses ini,
69
tegangan dc pada terminal baterai dapat disesuaikan dengan unit – unit rele yang berbeda level
tegangannya termasuk rele itu sendiri.
c. Unit Masukan Kendali Antarmuka (Input Control Interface) tipe RGKC 070
Unit ini terdiri dari 7 (tujuh) Dry-Reed Rele dengan waktu operasi yang singkat
untuk fungsi – fungsi sinyal input yaitu : CRA, CRB, RESET, BC, ZR , dan ZT seperti yang
terlihat pada Gambar 8.13. Saat switch ditutup secara manual, daya disuplai ke masukan BC,
kemudian ke rele jarak dengan suatu program dapat dibuat trip seketika, untuk mengopersikan
elemen startnya. Saat sinyal telekomunikasi diterima, daya suplai ke masukan CRA, hal ini
tergantung dari bagaimana rele jarak diprogram, sehingga diperoleh untuk berbagai skema
sistem.
Masukan CRB mempunyai dua fungsi, pertama untuk blok eksternal dan juga untuk
starting, pengukuran atau fungsi tripping sesuai yang diprogram dan yang kedua untuk skema
blok telekomunikasi. Masukan reset akan bekerja saat reset di luar indikasi diberikan, sedang
masukan berupa ZR, ZS, dan ZT digunakan ketika rele start oleh impedansi start rele yang lain..
70
Gambar 8.13. Sinyal masukan dan keluaran
d. Unit Starting Impedansi kurang (Underimpedance starting) tipe RGZB 030
Unit Starting Impedansi kurang terdiri dari fungsi – fungsi untuk pengukuran impedansi
kurang dan arua urutan nol. Fungsi ini dibangun oleh tiga mikroprosesor, satu untuk masing –
masing fasanya. Dua karakteristik operasi yang berbeda dapat dipilih pada unit ini yaitu
karakteristik lingkaran dan oval. Nilai operasi disetel dengan saklar geser bertanda Z seperti
terlihat pada Gambar 8.14(a). Rentang setelan adalah 4 – 64 ohm/fasa dalam kenaikan 4 ohm
atau 8 – 128 ohm/fasa dengan kenaikan 8 ohm. Rentangan setelan ini dipilih dengan sakelar
program pada papan rangkaian dalam unit RGZB 030.
Pada kondisi normal rele impedansi kurang juga mengukur tegangan dan arus fasa ke fasa.
Dan saat terjadi gangguan ke tanah atau arus urutan nol melebihi nilai setelan, sakelar akan
71
bekerja dan rele impedansi kurang akan mengukur tegangan fasa ke netral dan arus fasa. Nilai
operasi rele urutan nol dapat disetel pada bagian depan unit ini dengan sakelar geser bertanda
INS. Rentangan setelan adalah 0,2 – 1,6 IN dalam kenaikan 0,2 IN.
Pada unit ini juga terdapat sakelar geser bertanda F yang digunakan untuk memilih tipe
gangguan ketika melakukan pengetesan terhadap fungsi – fungsi dari rangkaian logika dari
rele jarak. Pengetesan dilakukan dengan menekan tombol bertanda “Test”, kemudian
rangkaian keluaran akan diblok dan fungsi – fungsi tersebut ditunjukkan pada bagian unit
indikasi RGSB 030.
e. Unit pemilihan phasa (phase selector unit) tipe RGGB 030
Unit pemilihan phasa yang dikontrol melalui elemen start, memilih besaran ukur yang
dapat dipakai untuk tipe gangguan dan mengkonversikannya ke unit pengukuran untuk
mengevaluasi gangguan.
Unit ini mempunyai dua saklar geser pada bagian depannya bertanda KN dan PS
seperti terlihat pada Gambar 8.14(b). Dimana sakelar geser KN digunakan untuk
menyetel kompensasi urutan nol dan mempunyai rentangan 0 sampai 1,5 dengan
kenaikan 0,1. Dan sakelar PS digunakan untuk menyesuaikan rele dengan jaringan,
berkenaan dengan sistem pembumian, pemilih phasa dengan tipe starting sakelar ini
dapat disetel dengan enam posisi yang berbeda (0 – 5) dan posisi (6 – 15) tidak
digunakan.
f. Unit setelan tiruan arus (Current replica setting) tipe RGAA 030
Pada bagian depan unit ini ada empat sakelar geser untuk faktor a dan b, dimana a
mempengaruhi jangkauan reaktif dan b untuk jangkauan resistif dari unit pengukuran
(measuring unit). Rentangan seteleannya dari 5 ke 99 dengan kenaikan 1, sebagai
catatan faktor a dan b ini tidak boleh disetel di bawah 5, meskipun rentangan 0 – 4
tersedia pada sakelar ini, seperti terlihat pada Gambar 8.14(c).
g. Unit setelan tiruan tegangan (Voltage replica setting) tipe RGAB 030
Pada bagian depan unit ini ada enam sakelar geser untuk setelan jangkauan dari
daerah satu, dua, dan tiga dalam unit pengukuran. Untuk setelan masing – masing
daerah bertanda p1, p2, dan p3, kondisi dari dua sakelar geser digunakan untuk
72
memperoleh setelan masing – masing p1, p2, dan p3, rentangan setelan dari 5 ke 99
dengan kenaikan 1. sebagai catatan faktor p1, p2, dan p3 ini tidak boleh disetel di bawah
5, meskipun rentangan 0 – 4 tersedia pada sakelar ini, seperti terlihat pada Gambar
2.14(d).
h. Unit sakelar pemilih aplikasi dan kelambatan waktu (application selector switches and
timers unit) tipe RGTA 030
Pada bagian depan unit ini ada sepuluh sakelar untuk program yang sering
digunakan dengan setelan D pada posisi ON atau OFF. Dan dibawahnya terdapat tiga
sakelar geser untuk setelan pemilih waktu sebagai proteksi cadangan ke rele. T1 tidak
disetel lagi karena telah diprogram beroperasi tanpa tundaan waktu, T2 dapat disetel
antara 50 – 750 ms dengan kenaikan 50 ms, T3 disetel antara 200 – 300 ms dengan
kenaikan 200 ms, T4 dapat disetel antara 400 – 650 ms dengan kenaikan 400 ms,
seperti terlihat pada Gambar 2.14(e)
i. Ruang untuk unit pengukuran tambahan (extra measuring) tipe RGZA 030
Pada versi ini unit ini masih kosong, guna pengembangan pemanfaatan / kerja rele
jarak RAZOA pada unit ini tersedia soket yang dapat ditambah / dimasukkan dengan
unit pengukuran tambahan tipe RGZA 030.
j. Unit rangkaian memori (memory circuit unit) tipe RGLA 030
Unit ini digunakan untuk menentukan arah pada kejadian gangguan tiga phasa.
Rangkaian memori dihubungkan dengan respon mendekati 65 ms dan sesuai dengan
waktu yang digunakan untuk gangguan dalam daerah satu (instantaneous).
k. Unit pengukuran dan indikasi (measuring and indicating unit) tipe RGSB 030
Unit ini terdiri dari elemen pengukuran dari rele dan pembanding fasa yang
pengukurannya didasari atas perbandingan fasa antara besaran – besaran yang diukur.
Unit ini juga terdiri dari dioda – dioda pemancar cahaya yang menunjukkan fungsi –
fungsi start, tripping , dan tundaan waktu yang berbeda, seperti terlihat pada Gambar
73
2.14(f). Tripping ditunjukkan oleh LED merah, yang lainnya berwarna kuning. Indikasi
tersebut akan dibatalkan dengan menekan reset yang terdapat pada bagian bawah unit
ini.
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Gambar 2.14 Unit – unit yang tergabung Rele Jarak tipe RAZOA
74
l. Unit pemrograman data dan ruang pengembangan
Bagian ini merupakan ruang kosong, sebagai fasilitas peningkatan operasional rele
jarak RAZOA. Pada versi ini, unit ini masih berisikan data pemrograman untuk
beberapa unit yang diatur dengan sakelar tekan pada posisi ON dan OFF. Data
pemrograman pada keadaan standar ditunjukkan pada Tabel 2.2, posisi sakelar tersebut
terletak pada papan rangkaian cetak atau printed circuit board (PCB) di dalam unit –
unit rele jarak RAZOA.
Tabel 8.2 Sakelar pemrograman pada rangkaian unit – unit rele RAZOA
Unit Sakelar Jumlah Sakelar ON OFF
RGZB S3 4 1,2,3 4
RGAA
S5 4 1 2,3,4
X1 2 1 2
X2 2 1 2
RGAB X7 3 2 1,3
RGTAS5 4 - 1,2,3,4
S6 4 3 1,2,4
RGSBS1 8 1,2,8 3,4,5,6,7
X1 2 1 0
RGKC X1 2 1 2
RGKDS1 4 2,4 1,3
X1 2 1 2
m. Unit keluaran (Output unit) tipe RGKD 050
Unit keluaran terdiri dari rele bantu elektromagnetik yang masing – masing terdiri
dari satu buah kontak normally open untuk fungsi – fungsi berikut ini : start phasa R,
S, T, dan N, GS, V, CSA, BA, T2, T3, T4, dan TA yang ditunjukkan Gambar 2.13.
75
n. Rele Pengetrip tipe RXMS
Unit ini terdiri dari rele – rele bantu yang menghasilkan sebagai output pemutusan
CB.
8.6.2 PRINSIP KERJA
Rele jarak tipe RAZOA bekerja dengan memantau ketiga besaran tegangan dan
arus yang melalui test switch (1) seperti pada Gambar 4. Besaran tersebut masuk ke input
transformator (2) yang berubah ke besaran yang sesuai untuk unit – unit elektronik.
Gambar 8.14. Diagram blok prinsip kerja rele jarak tipe RAZOA
Bila terjadi gangguan atau impedansi kurang pada saluran, maka elemen impedansi
kurang (3), dengan fasa yang relevan, dan arus urutan nol akan mengoperasikan elemen
waktu atau time element (4) dan juga fasa yang terganggu dipilih oleh unit pemilih fasa
atau phase selector unit (5) yang selanjutnya melewatkan harga arus yang benar dan juga
arah yang digunakan, kemudian indikasi start (10) dan sinyal rele (11) untuk fasa yang
sesuai akan bekerja. Untuk menentukan arah, rele jarak menggunakan polarisasi fasa yang
sehat dalam kasus gangguan satu dan dua fasa, sedangkan rangkaian memori (6)
digunakan untuk gangguan tiga fasa.
76
Jangkauan dari tiga daerah pengukuran ditentukan oleh nilai dari unit setelan arus
dan tegangan masing – masing pada blok (7) dan (8).
Pada blok (9), dibangkitkan empat sinyal melalui filter terus dikonversikan ke
sinyal digital. Sinyal ini kemudian digunakan dalam unit pengukuran (10) untuk
menentukan arah dan posisi gangguan. Jika gangguan terjadi di daerah pertama, output
unit (11) akan bekerja instantaneous (tanpa tundaan waktu). Jika gangguan berada di luar
daerah pertama, jangkauan ditingkatkan berturut – turut berdasarkan pemilihan waktu T2,
T3, dan T4.
Jangkauan dapat ditingkatkan melalui rele input (12) oleh kerjasama bagian yang
jauh yang melalui programming (13), satu dari daerah pengukuran terbalik (reverse), arus
untuk daerah ini akan dibalik oleh invertor pada blok (9) saat waktu aktual tiba.
Melalui kerjasama dengan peralatan komunikasi rangkaian tripping akan
mengoperasikan CB pada unit output rele (11) untuk mengisolir bagian yang mengalami
gangguan.
Jika rele jarak difungsikan untuk pemeriksaan / pengujian dilakukan dengan
menekan sakelar tekan bertanda “Test” (14), maka elemen start akan menyala, pada saat
yang sama keluaran rele (11) akan diblok untuk mencegah pemutusan yang tidak perlu.
Jika tombol test terus ditekan untuk periode tertentu sesuai dengan setelan waktu, dioda
pemancar cahaya untuk tundaan waktu yang bersesuaian dan untuk tripping akan menyala.
Indikasi tersebut akan dibatalkan dengan menekan tombol “Reset” pada input sinyal atau
melalui salah satu masukan rele (12).
Jika unit pengukuran tambahan (18) dimasukkan, ini akan terhubung paralel, tetapi
tidak tergantung dengan unit pengukuran dasar (10).
8.6.3 TEORI PENGUKURAN
Elemen start berpengaruh terhadap unit pemilih phasa, sehingga sangat tergantung
terhadap jenis gangguan, elemen tersebut memberikan hasil pengukuran dengan
menggunakan loop pengukuran (measuring loop) kepada unit pengukuran. Tabel 2.3
menunjukkan loop pengukuran yang akan dipilih, tergantung dengan elemen start yang
diaktifkan dan posisi dari sakelar – PS.
77
Tabel 8.3 Loop pengukuran yang dipilih
ELEMEN START
PILIHAN LOOP PENGUKURAN
(TERGANTUNG DARI POSISI – PS)
0 1 2 3 4 5
R RN TR RN TR RN TR
S SN SR SN SR SN SR
RS SR SR SR SR SR SR
T TN TS TN TS TN TS
TR TR TR TR TR TR TR
ST TS TS TS TS TS TS
RST SR SR SR SR SR SR
N - - - - - -
RN RN RN RN RN RN RN
SN SN SN SN SN SN SN
RSN SN SN RN RN SR SR
TN TN TN TN TN TN TN
TRN RN RN RN RN TR TR
STN TN TN TN TN TS TS
RSTN SR SR SR SR SR SR
78
Tabel 8.4 Arus, tegangan, dan tegangan arah untuk masing – masing loop pengukuran
Loop Pengukuran Arus (I) Tegangan (V) Tegangan Arah (Vp)
RN IR + KNIN VRN VST
SN IS + KNIN VSN VTR
TN IT + KNIN VTN VRS
RS IR – IS VRS -( VT – U0)
ST IS – IT VST -( VR – U0)
TR IT – IR VTR -( VS – U0)
Karakteristik operasi dari rele jarak tergantung dari setelan batasan jangkauan
reaktansi dan resistansi yang terdapat pada unit pengukuran arah, lihat Gambar 2.15 di
bawah ini,
Gambar 8.15 Karakteristik Operasi Rele Jarak
Untuk memperoleh tiga batasan – batasan operasi ini, polaritas dari keempat sinyal
pengukuran dibandingkan pada setiap setengah siklusnya dan pada waktu yang diberikan
oleh komparator phasa. Keempat sinyal yang digunakan untuk pengukuran adalah sebagai
berikut :
79
I = Arus gangguan
IXk = Drop tegangan reaktif yang memotong model impedansi
VP = Tegangan Arah untuk menentukan arah
Vk = Tegangan Kompensasi = V - IZk
dimana V = Tegangan yang memotong loop gangguan
Zk = Model Impedansi
8.6.4 PENGUKURAN ARAH
Untuk mendapatkan pengukuran arah maka tegangan kompensasi dibandingkan
dengan tegangan arah memberikan :
(8.65)
dimana :
arg VP = sudut phasor tegangan polarisasi untuk menentukan arah
arg Vk = sudut phasor tegangan kompensasi = arg (V – I.Zk)
dengan V = tegangan pada loop gangguan
Zk = model impedansi
Ini berarti bahwa phasor Vk harus terletak di dalam rentangan π sampai 2π terhadap
phasor referensi Vp. Kondisi persamaan (2.65) menunjukkan bahwa garis bundaran operasi
adalah lingkaran Mho yang lewat melalui setelan titik Zk dari rele jarak dan di atas phasor
impedansi sumber ZS, maka lingkaran lewat melalui Zk dan melalui titik asal pada
impedansi sumber nol, seperti Gambar 8.16 berikut :
80
Gambar 816 Kondisi pengukuran arah gangguan ke depan
8.6.5 PENGUKURAN REAKTANSI
Untuk mendapatkan pengukuran reaktansi maka tegangan kompensasi
dibandingkan dengan arus gangguan (I) memberikan :
(8.66)
ini menunjukkan bahwa phasor Vk harus berada di dalam rentangan π sampai 2π terhadap
phasor referensi I. Kondisi persamaan (8.66) menunjukkan bahwa garis operasi dalam
bidang impedansi adalah garis lurus yang melalui titik setelan Zk dari rele jarak dan sejajar
dengan sumbu R seperti pada Gambar 8.17 berikut :
Gambar 8.17. Garis kerja reaktif
81
8.6.6 PENGUKURAN RESISTANSI
Untuk mendapatkan pengukuran resistansi maka tegangan kompensasi
dibandingkan dengan drop tegangan reaktif yang disebabkan arus gangguan :
(8.67)
ini menunjukkan bahwa phasor Vk harus berada di dalam rentangan 0 sampai π terhadap
phasor referensi I.Xk
Gambar 8.18. Garis kerja resistif
Kondisi Persamaan (8.67) menunjukkan bahwa garis operasi dalam bidang impedansi
adalah garis lurus yang melalui titik setelan Zk dari rele jarak dan sejajar dengan sumbu X
seperti pada Gambar 8.18.
8.6.7 JANGKAUAN DAN WAKTU KERJA
Jangkauan untuk zone 1 umumnya disetel untuk jangkauan impedansi 80 persen
dari saluran. Jika data sesungguhnya dari saluran diketahui, dan jika kesalahan yang
disebabkan oleh CT dan VT diabaikan, setelan jangkauan dapat dinaikkan menjadi 90
persen dari impedansi keseluruhan saluran, jika rasio jangkauan resistif atau induktif tidak
lebih dari satu.
Jangkauan untuk zone 2 sebaiknya disetel seminimum mungkin 120 persen dari
saluran. Jangkauan tersebut harus melingkupi batasan yang cukup, lebih pendek dari
jangkauan zone 1 dari saluran terpendek yang diproteksi oleh rele dalam saluran
82
keseluruhan. Batasan tersebut direkomendasikan antara 10 sampai 20 persen dari
jangkauan.
Dalam sebuah jaringan terikat (tie lines) pada titik tengahnya seperti pada Gambar
8.19, pertimbangan dapat diambil dari peningkatan nilai impedansi dikarenakan power fed
yang terjadi di dalam sistem pada titik gangguan. Dalam kondisi gangguan yang terjadi
pada titik F, rele pada titik A merasakan impedansi :
(8.68)
dimana IA dan IB merupakan arus gangguan pada gardu A dan B, ZL1 adalah impedansi
pada bagian saluran pertama dan ZF merupakan impedansi pada saluran kedua sampai pada
titik gangguan.
Dimisalkan jangkauan pada zone 2 dari rele pada titik A di setel 80 persen dari
impedansi saluran terlihat dengan kasus dimana rele merasakan gangguan terjadi pada
akhir setelan jangkauan zone 1 dari rele yang berlokasi di titik C, kemudian dimisalkan
juga jangkauan pada zone pertama pada rele yang berlokasi dititik C adalah 0,8 kali besar
ZL1, dimana ZL2 merupakan impedansi saluran pada zone kedua. Impedansi dihitung dari
gardu A sampai batasan jangkauan dari zone pertama dari rele yang berlokasi di C yang
bersesuaian dengan,
(8.69)
Jangkauan pada zone kedua dari rele yang berlokasi di A umumnya tidak disetel
melebihi 80 persen dari impedansi saluran pada batasan untuk zone pertama dari rele yang
berlokasi di titik C, sehingga,
(8.70)
ketika melakukan perhitungan penyetelan, nilai terendah dari IA/IB yang terjadi dapat
diterima. Zone ketiga tidak akan terjangkau di luar 90 persen dari zone 2 terpendek dari
saluran – saluran yang terhubung dari bus terjauh. Kenaikan pengukuran nilai impedansi
tergantung dari power fed yang terjadi pada sistem.
83
8.6.8 FAKTOR – FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PENGUKURAN
JANGKAUAN
Penyetelan jangkauan rele jarak dirancang sedemikian sehingga tidak ada bagian
saluran yang tidak terproteksi dan tidak terjadi overlap dengan daerah pengaman rele jarak
yang lain. Pengukuran jangkauan rele jarak perlu mempertimbangkan beberapa faktor
yang dapat membuat jangkauan yang dilihat rele menjadi jangkauan lebih (over reach)
atau jangkauan kurang (under reach). Di antara faktor – faktor tersebut adalah : pengaruh
tahanan busur, pengaruh arus infeed akibat adanya pembangkit pada ujung saluran yang
diamankan.
Pengaruh saluran ganda ke saluran tunggal atau saluran tunggal ke saluran ganda
dan pengaruh rele gangguan tanah yang tidak dikompensasi. Faktor – faktor inilah yang
menjadi pertimbangan penentuan jangkauan daerah kerja rele jarak terletak pada harga
maksimum atau minimum.
8.6.8.A JANGKAUAN KURANG (UNDER REACH)
Rele jarak RAZOA mengalami jangkauan kurang (under reach), bila impedansi
yang dirasakan lebih besar dari impedansi gangguan sebenarnya, rele mengalami
jangkauan kurang dapat disebabkan oleh : rele tanpa kompensasi gangguan tanah, adanya
tahanan busur tanah, dan adanya arus infeed akibat adanya pembangkitan pada ujung
saluran yang diamankan.
a. Rele tanpa kompensasi gangguan tanah
Dengan menganggap setelan rele adalah ZL1, impedansi yang dilihat rele tanpa
kompensasi untuk gangguan tanah pada ZL1 adalah :
(8.71)
84
dimana nilai impedasi pada Persamaan (8.71) di atas adalah lebih besar dari ZL1.
Agar rele beroperasi ketika impedansi yang dirasakan adalah ZL1 maka jangkauan
harus disetel menjadi :
(8.72)
Untuk mencegah pengaruh ini rele jarak RAZOA dilengkapi dengan kompensasi
urutan nol (KN) pada bagian depan unit RGGB 030.
b. Pengaruh tanahan busur
Pengaruh tahanan busur menyebabkan rele melihat titik gangguan lebih jauh dari
keadaan sebenarnya, sehingga jangkauan rele menjadi kurang (under reach). Besarnya
tahanan busur ini menurut Warrington dapat dihitung dengan rumus :
(8.55)
dimana :
Rarc = tahanan busur (Ω)
l = panjang busur (feet)
I = besar arus gangguan (Amp)
Bila kecepatan angin dan waktu pemutusan gangguan diperhitungkan, maka rumus
Warrington menjadi :
(8.73)
dimana :
S = jarak antara konduktor (feet)
v = kecepatan angin (mil/jam)
I = waktu terjadinya busur api (detik)
85
Oleh karenanya tahanan busur harus diperhitungkan dalam penyetelan jangkauan
kerja dan perlu dilakukan pengaturan sudut karakteristik rele Mho.
c. Pengaruh adanya pembangkit pada ujung saluran
Pengaruh pembangkit pada ujung saluran yang diamankan dapat dilihat pada
Gambar 2.19 berikut :
Gambar 8.19. Pengaruh pembangkit pada ujung saluran yang diamankan
Bila gangguan terjadi pada titik F, tegangan yang dirasakan pada rele A adalah
tegangan jatuh sepanjang saluran dari titik gangguan sampai ke lokasi rele di rel A atau
dapat dihitung sebagai berikut,
(8.74)
karena rele di rel A hanya merasakan arus IA, maka impedansi yang terukur oleh rele
adalah,
(8.75)
dimana k adalah faktor inffed yang sama dengan (IA + IB)/IA, dengan adanya faktor
inffed ini, impedansi yang terukur oleh rele di A akan bertambah panjang atau
jangkauan rele menjadi kurang (under reach) dari impedansi sebenarnya saat gangguan
di F yaitu :
(8.76)
86
hal ini dapat mempengaruhi penyetelan zone 2 rele jarak pada rel A, oleh karena itu
penyetelan rele jarak RAZOA di rel A untuk zone 2 menjadi maksimum, dihitung
dengan persamaan berikut :
(8.77)
dimana :
k = infeed faktor = (IA + IB)/IA = IF / IR
IF = arus pada lokasi gangguan
ZL2 = impedansi saluran terpendek saluran berikutnya (short line)
Sedangkan untuk daerah 3, bila adanya pengaruh faktor infeed penyetelan menjadi,
(8.78)
dimana :
ZL2 = impedansi saluran terpanjang saluran berikutnya (long line)
Batas atas penyetelan atau penyetelan maksimum menjadi :
(8.79)
dimana :
ZL3 = impedansi urutan positif saluran 3
k1 = faktor infeed dari saluran 1
k2 = faktor infeed dari saluran 2
8.6.8.B JANGKAUAN LEBIH (OVER REACH)
Rele jarak RAZOA dikatakan mengalami jangkauan lebih (over reach) bila
impedansi yang dirasakan lebih kecil dari impedansi gangguan yang sebenarnya. Pengaruh
yang dapat menyebabkan rele mengalami jangkauan lebih antara lain adalah pengaruh
adanya perubahan saluran dari saluran ganda ke saluran tunggal atau dari saluran tunggal
87
ke saluran ganda, hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.20, dimana jangkauan yang diterima
rele menjadi lebih karena adanya perubahan saluran dari saluran tunggal ke saluran ganda.
Gambar 8.20. Pengaruh saluran tunggal ke ganda
Impedansi yang terlihat oleh rele bila terjadi gangguan di F adalah :
karena , maka persamaan di atas dapat ditulis,
(8.80)
dimana :
Untuk gangguan dekat rel B, x = 0 sehingga k = 1
Untuk gangguan di rel C, x = l sehingga k = ½
Jadi rentangan faktor infeed ½ < k < l
88
Jika gangguan terjadi di antara saluran B dan C, impedansi yang dilihat oleh rele
pada rel A akan selalu lebih kecil dari yang sebenarnya atau jangkauan rele menjadi
jangkauan lebih (over reach). Oleh karena itu penyetelan jangkauan zone 2 untuk rele jarak
RAZOA di rel A dilakukan pada batas minimum.
89
IX. PEMUTUS TENAGA
9.1. Pengertian
Pemutus tenaga (PMT) ataui lebih dikenal dengan istilah asingnya circuit breaker
merupakan suatu piranti sakelar magnetik yang secara otomatis akan membuka atau
memutuskan rangkaian listrik apabila terjadi ketidaknormalan pada sistem tanpa adanya
kerusakan.
9.2. Cara Pemadaman Busur
Ada dua metode untuk memadamkan busur yang terjadi pada pemutus tenaga
a. Metode Tahanan Tinggi
Pada metode ini menggunakan suatu tahanan atau (resistant) yang dimasukkan pada
rangkaian dimana busur didinginkan secara simultan. Hal ini dengan cepat akan
mengurangi besarnya arus hingga pada suatu nilai tertentu busur akan hilang.
b. Metode Arus Nol
Metode arus nol memanfaatkan sifat dari arus bolak-balik yang akan mencapai harga nol
untuk setiap periode. Pada saat akan mencapai nol, maka celah antara kontak akan
mengandung banyak ion dan elektron sehingga dengan mudah dapat dibreakdown oleh
tegangan pukul sehingga busur akan tetap ada. Prosses ini akan berlangsung berulang-
ulang. Oleh karena itu, jelaslah bahwa dengan adanya busur, maka ruang di antara
elektroda akan terionisasi, menjadi ion dan elektron.
9.3. Syarat-Syarat Pemutus Tenaga
Ada beberapa syarat yang harus dipenuhi oleh pemutus tenaga agar bisa bekerja
dengan baik, antara lain sebagai berikut.
a. Kemampuan menutup dan dialiri
Mampu menutup dan mampu dialiri arus beban penuh dalam waktu lama.
90
b. Bekerja Secara Otomatis
Membuka secara otomatis untuk membuka beban atau beban lebih.
c. Bekerja Cepat
Harus dapat memutuskan rangkaian dengan cepat, jika terjadi hubung singkat.
d. Tahan pada tegangan rangkaian
Celah (gap) yang ada harus tahan terhadap tegangan rangkaian , bila kontak
membuka.
e. Dapat dialiri arus hubung singkat
Mampu dialiri arus hubung singkat sampai gangguan hilang.
f. Mampu memutus arus magnetisasi transformator
Mampu memutuskan arus magnetisasi transformator atau jaringan dan arus
pemuatan (charging current).
g. Tahan terhadap situasi dan kondisi
Mampu menahan efek busur kontak, gaya elektromagnetik atau kondisi panas yang
tinggi akibat hubung singkat.
9.4. Istilah-Istilah Dalam Pemutus Tenaga
1. Waktu Kerja (operating time)
Merupakan waktu yang diperlukan pemutus tenaga unutk bekerja, yaitu waktu yang
diperlukan untuk membuka kontak (memutuskan rangkaian).
2. Waktu Busur (arcing time)
Waktu awal pemutusan kontak pemutus tenaga sampai padamnya busur yang terjadi.
3. Waktu Putus Total (total breaking time)
Merupakan penjumlahan antara waktu kerja dengan waktu busur.
4. Tegangan Pukul (restriking voltage)
91
Merupakan tegangan pada terminal masing-masing kutub dan pada pemutus tenaga ,
terjadi setelah pemutusan.
5. Tegangan Kembali (recovery Voltage)
Merupakan tegangan yang ada pada kontak-kontak pemutus tenaga setelah terjadinya
pemadaman busur. Besarnya tegangan kembali biasanya sama dengan tegangan fase
netral.
6. Tingkat Kenaikan Tegangan Pukul (rate of rise restriking voltage)
Merupakan suatu tingkatan yang ditunjukan dalam volt per mikrodetik. Tingkat
kenaikannya menunjukkan kenaikan tegangan pukul.
7. Frekuensi asli (natural Frequency)
Frekuensi dari suatu rangkaian adalah frekuensi dimana rangkaian akan berosilasi
apabila hal tersebut bisa dilakukan.
9.5. Kapasitas Pemutus Tenaga
Kapasitas pemutusan dari pemutus tenaga diartikan sebagai arus yang dapat
diputuskan oleh pemutus tenaga pada tegangan tertentu. Kapasitas pemutusan biasanya
diubah dalam ke dalam besaran daya (MVA)
a. Arus pemutusan simetris
Arus simetris ini merupakan harga rms komponen AC dari arus yang diputuskan
oleh pemutus tenaga .
b. Arus pemutusan asimetris
Arus pemutusan asimetris merupakan harga rms dari kombinasi komponen AC dan
DC dari arus yang dapat dipuituskan pada tegangan tertentu oleh satu kutub (pole)
dari pemutus tenaga.
92
9.6. Jenis-Jenis Pemutus Tenaga
Dilihat dari jenis media pemadamannya, pemutus tenaga dapat digolongkan
menjadi empat, yaitu pemutus tenaga dengan media pemadaman minyak oil (oil CB),
dengan media pemadaman udara (air CB), dengan media pemadaman gas (SF CB).
a. PMT dengan Media Minyak (oil circuit breaker)
Ada dua jenis PMT dengan media minyak yaitu
1. PMT dengan menggunakan minyak (bulk Oil Circui Breaker).
PMT dengan menggunakan banyak minyak secara umum digunakan pada sistem
tegangan sampai dengan 245 kV. Minyak berfungsi sebagai peredam loncatan
bunga api listrik selama pemutusan kontak-kontak dan sebagai bahan isolasi antar
bagian-bagian yang bertegangan dengan badan.
2. PMT dengan menggunakan sedikit minyak (Low Oil Content Circuit Breaker)
Pada PMT dengan menggunakan sedikit munyak ini, minyak hanya dipergunakan
sebagai peredam loncatan bunga api. Sedangkan sebagai bahan isolasi dari bagian-
bagian yabg bertegangan digunakan porselen atau material isolasi dari jenis
organic. Pemutusan arus dilakukan di bagian dalam dari pemutus. Pemutus ini
dimasukkan dalam tabung yang terbuat dari bahan isolasi. Diantara bagian pemutus
dan tabung diisi minyak yang berfungsi untuk memadamkan busur api waktu
pemutusan.
b. PMT dengan media udara (Air Circuit Breaker)
1. PMT udara hembus (Air Blast Circui Breaker)
Pada PMT udara hembus (compresed air circuit breaker ), udara bertekanan tinggi
dihembuskan ke busur api melalui nozzle pada kontak pemisah ionisaasi media
diantara kontak dipadamkan oleh hembusan udara.
2. PMT dengan hampa udara (Vacuum Circuit Breaker)
Kontak-kontak pemutus dari PMT ini terdiri atas kontak tetap dan kontak bergerak
yang ditempatkan dalam ruang hampa udara yang mempunyai kekuatan dielektrik
yang tinggi sehingga merupakan media pemadaman busur api yang baik.
93
c. PMT dengan Media Gas
Media gas yang digunakan pada tipe PMT ini adalah gas SF (sulfur hexa fluorid).
Sifat-sifat gas SF murni adalah tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun, dan tidak
mudah terbakar.
Pada temperature diatas 150°C gas SF mempunyai sifat tidak merusak metal, plastik,
dan bermacam-macam bahan yang umumya digunakan dalam pemutus tenaga tegangan
tinggi.
94
X. TRANSFORMATOR ARUS
10.1. Pendahuluan
Arus yang menuju peralatan proteksi biasanya diubah oleh transformator arus (CT)
ke tingkat yang lebih rendah untuk pengoperasian Rele. Tingkat-tingkat yang rendah
diperlukan karena dua alasan yaitu:
1. Dengan masukan yang lebih rendah ke rele, memungkinkan komponen-komponen
yang digunakan untuk konstruksi rele tersebut secara fisik akan lebih kecil dan tentu
lebih ekonomis.
2. Dengan arus yang rendah maka menjamin keamanan operator yang bekerja pada
lingkungan rele
Daya yang diberikan oleh transformator tidak terlalu besar karena beban yang
dihubungkan padanya hanya terdiri dari rele-rele dan perangkat ukur saja.
Rating arus nominal untuk sekunder CT telah distandarisasikan yaitu 5A dan 1A. arus
gangguan dapat lebih dari 10 sampai 20 kali dari arus nominal saat terjadi hubungan
singkat pada sistem.
10.2. Prinsip Kerja Transformator Arus
Pada gambar dibawah ini ditunjukkan skema konstruksi suatu transformator arus
dan rangkaian ekivalennya dilihat dari sisi skunder. Prinsip kerjanya sama dengan trofo
daya satu phasa. Jika pada kumparan primer mengalir arus I , maka pada kumparan primer
timbul gaya gerak magnet sebesar . Gaya gerak magnet ini memproduksi fluks pada
inti. Fluks ini membangkitkan gaya gerak listrik pada kumparan sekunder.
95
a. Konstruksi transformator arus b. Rangkaian Ekivalen Transformator
arus
Gambar 10.1. Konstruksi dan Rangkaian Ekivalen Transformator Arus.
Jika terminal kumparan skunder tertutup, maka kumparan sekunder tertutup, maka
pada kumparan sekunder mengalir arus I . Arus ini menimbulkan gaya gerak magnet
pada kumparan sekunder. Bila transformator tidak mempunyai rugi-rugi (transformator
ideal) maka berlaku persamaan :
=
(3.2)
dimana :
= jumlah belitan kumparan primer.
= jumlah belitan kumparan sekunder.
I = arus pada kumparan primer
I = arus pada kumparan sekunder
Tegangan pada terminal sekunder (V ) tergantung pada impedansi peralatan ( )
yang terhubung pada terminal sekunder, dan dapat dituliskan sebagai berikut :
(3.3)
Jika tahanan dan reaktansi bocor kumparan transformator dinyatakan dalam
impedansi internal , maka gaya gerak listrik pada kumparan sekunder harus lebih besar
96
daripada tegangan sekunder agar rugi-rugi tegangan pada impedansi dapat
dikompensasi. Oleh karena itu, persamaan di bawah ini harus dipenuhi:
(3.4)
atau
(3.5)
dalam prakteknya transformator arus selalu mengandung arus beban nol, . Arus beban
nol menimbulkan fluks yang dibutuhkan untuk membangkitkan gaya gerak listrik :
(3.6)
dimana :
f = frekuensi tegangan
= fluks magnetik
A = luas penampamg inti transformator
B = rapat medan magnetic
Gaya gerak listrik inilah ysng mempertahankan aliran arus pada impedansi (
). Oleh karena itu, ampere belitan yang ditimbulkan arus beban nol harus dapat
mengimbangi ampere belitan yang ditimbulkan arus primer dan sekunder.
(3.7)
10.3. Spesifikasi Teknik Transformator Arus
Secara umum spesifikasi teknik suatu transformator arus adalah sebagai berikut:
a. Burden :
Adalah impedansi beban yang terpasang pada terminal sekunder transformator arus,
dinyatakan dalam ohm dan faktor daya. Dapat juga dinyatakan dalam daya (VA) yang
diserap beban pada suatu harga arus dan faktor daya tertentu.
97
b. Arus Keamanan Instrumen
Adalah arus primer yang ditetapkan pembuat transformator sebagai arus efektif terendah
yang menimbulkan arus sekunder (I ), di mana saat itu arus sekunder dikali rasio
transformasi ( tidak melebihi 0,9 arus primer tersebut dan burden pengenal
transformator.
c. Faktor Keselamatan Instrumen (Instrument Security Factor), F
Adalah perbandingan arus keamanan dengan arus pengenal primer
d. Galat Komposit adalah galat gabungan karena adanya galat rasio, galat sudut, dan
perbedaan bentuk gelombang arus sekunder dengan arus primer. Biasanya dinyatakan
dalam persen arus primernya.
e. Arus Primer Batas ketelitian (Rated Accuracy Limit Primary Current)
Adalah arus primer tertinggi ( ) di mana ketelitian belum melebihi bats ketelitiannya.
f. Faktor Batas Ketelitian (Accuracy Limit Factor)
Adalah perbandingan arus primer batas ketelitian dengan arus pengenal primer
g. Arus Eksitasi
Adalah harga efektif arus sekunder bila sekunder diberi tegangan sinusoidal frekuensi
pengenal, sedang terminal primer terbuka.
10.4. Jenis-Jenis Transformator Arus
1. Menurut Jumlah Kumparan Primer
Jenis transformator arus ditinjau dari konstruksi belitan primernya terdiri atas jenis
kumparan (wound type) dan jenis bar (bar type).
Jenis kumparan digunakan untuk arus rendah atau burden yang besar atau pengukuran
yang memerlukan ketelitian tinggi. Jumlah belitan primernya tergantung pada arus primer
yang akan diukur, biasanya dibatasi tidak lebih dari 5 belitan dan dirancang menghasilkan
gaya gerak magnet kira-kira 1200 ampere belitan
98
Jenis Bar digunakan untuk pengukuran arus besar (ribuan ampere). Konstruksinya
sangat sederhana dan kokoh sehingga transformator ini mampu menahan arus hubung
singkat yang besar, atau dengan perkataan lain mempunyai faktor thermis dan dinamis
waktu singkat tinggi. Keburukannya bahwa efisiensi pengukuran yang lebih tinggi, yakni
ukuran inti yang ekonomis, didapat hanya pada arus pengenal yang besar, yakni kira-kira
1000A.
2. Jenis Menurut Jumlah Rasio
Jenis transformator arus dilihat dari banyaknya rasio yang disediakan terdiri atas
transformator arus rasio tunggal dan transformator arus rasio ganda. Pada transformator
arus jenis bar, rasio ganda diperoleh dengan membuat sadapan di kumparan sekundernya.
Tetapi perlu diperhatikan bahwa daya keluaran sebanding dengan kuadrat ampere-belitan
sekundernya, jika rasio dikurangi menjadi setengah maka kapasitas dayanya berkurang
menjadi seperempat dari semula.
3. Jenis Menurut jumlah Inti
Berdasarkan jumlah intinya, transformator arus dapat juga dibagi atas dua jenis, yaitu
transformator arus inti tunggal dan transformator arus inti ganda. Transformator arus inti
ganda digunakan jika sistem membutuhkan arus untuk pengukuran dan proteksi.
Inti yang digunakan untuk pengukuran terbuat dari bahan yang jenuh pada arus rendah,
sehingga besar arus sekunder tetap dalam batas kemampuan ammeter tidak rusak pada saat
arus primer sangat besar. Sebaliknya inti yang digunakan untuk rele proteksi harus terbuat
dari bahan yang jenuh pada arus tinggi, sehingga arus sekunder tetap sebanding dengan
arus primer sampai sepuluh kali atau lima belas kali arus pengenal primer.
4. Jenis Menurut Konstruksi Isolasi
Konstruksi transformator arus dengan isolasi epoksi-resin sering dipakai untuk
pasangan luar sampai tegangan 110 kV. Pada tegangan menengah, umumnya digunakan
transformator arus epoksi-resin, karena transformator epoksi-resin memiliki kekuatan
hubung singkat belitan lebih tinggi, sebab semua belitanya tertanam dalam bahan isolasi.
Tabel Daftar perbandingan transformasi Trafo Arus
99
100
