RELAI JARAK (DISTANCE RELAY)_COK.pdf

RELAI JARAK

PROTEKSI SISTEM LISTRIK

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS INDONESIA

JAKARTA

AGUS.R.UTOMO

PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK

1. PRINSIP DASAR

• Relai jarak (distance Relay) adalah relai yang mengukur tegangan saluran (linevoltage) dan arus saluran (line current) pada lokasi relai dan mengevaluasiperbandingan kedua besaran tersebut.

• Contoh :

Gambar 1. Gangguan pada sistem tenaga listrik

Dalam contoh ini relai berada pada bus A.

• Relai tidak memproteksi seluruh jarak (panjang) saluran (A-B), melainkan bekerjahanya pada jarak tertentu berdasarkan jarak (jangkauan) proteksinya ( k ) yangdisebut jarak setting (reach setting), dalam satuan jarak.

• Relai Jarak digunakanuntuk memproteksi saluran transmisi

AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 1






2. PERBANDINGAN IMPEDANSI SUMBER DAN IMPEDANSI SALURAN

Rangkaian ekivalen :

∼∼∼∼R

Sumber (Source) Saluran (Line)

ZL

ZZ R I


VR

ZLZS

VS

V

VL = VR

R IR

ZL = Impedansi Saluran

ZS = Impedansi Sumber

= Besar daya (MVA)

gangguan pada titik

relai

Gambar 2. Rangkaian sistem sederhana


• Loop impedansi sederhana dengan tegangan V, seperti gambar 2, tergantung dari

jenis gangguannya :

a. Gangguan fasa.

b. Gangguan Tanah.

• Khusus gangguan tanah, tergantung dari metode sistem pentanahan dibelakang

titik relai.

Persamaan tegangan relai VR. VR = IR . ZLPersamaan tegangan relai VR.


VR = IR . ZL

LSR ZZ

VI

+=

VZZ

ZV

LS

LR +

=

V

ZZ

V

LS

R 1

1

+

= ( 4 )


• ZL = Impedansi saluran.

• IR = Impedansi relai.

• VR = Tegangan Relai = IR. ZL untuk gangguan pada titik jangkauan yang

diekpresikan dengan dan tergantung dari rasio (ZS/ZL).

Persamaan (1) berlaku untuk segala jenis gangguan, dengan syarat :

1. Gangguan Fasa

V merupakan tegangan delta (segitiga) V∆ dan ZS/ZL adalah perbandingan

impedansi urutan positip sumber/saluran.


∆

+

= V

ZZ

V

LS

R 1

1( 5 )


2. Gangguan Tanah

V merupakan tegangan Bintang (segitiga) VY dan ZS/ZL adalah perbandingan

impedansi urutan positip sumber/saluran.

Y

LS

R V

ZZ

V 1

1

+

=

ZS = 2ZS1 + ZS0

( 6 )


ZS = 2ZS1 + ZS0

ZL = 2ZL1 + ZL0

3∆= V

VY


Gambar 3. Contoh pengaruh perbandingan impedansi (ZS/ZL) pada posisi relai :

a. Ketika (ZS/ZL) = 1 , b. Ketika (ZS/ZL) = 7 , c. Ketika (ZS/ZL) = 0.33



3. JENIS-JENIS RELAI JARAK

Berdasarkan karakteristik trippingnya, relai jarak dibedakan menjadi beberapa jenis,

yaitu :

a. Relai Impedansi.

b. Relai Reaktansi.

c. Relai Admitansi (Mho).

d. Relai Ohm.

e. Relai Offset Mho.e. Relai Offset Mho.



3.1. Relai Impedansi

Relai Impedansi mengukur jarak dengan membandingkan arus dan tegangan

gangguan pada loop gangguan itu sendiri.


Gambar 3. Karakteristik operasi relai Impedansi


Berdasarkan persamaan komparator amplitudo :

Bila sinyal inputnya dijaga konstan, maka :

CaKK 2||)( 223

21 −

{ } 0)()cos()cos(2)(22

422221221

223

21 =−+−−−+− BKKKKKKBAAKK φθφθ

VKS 11 =

IKS 42 =

IBVAKK ==== ; ; 032

Substitusikan keaddan ini ke dalam persamaan di atas, maka :

Z = Konstanta = K


CaKK 2||)( 223

21 − IBVAKK ==== ; ; 032

224

221 IKVK =

1

4

K

K

I

V = ( 7 )


3.2. Relai Reaktansi

Pada umumnya relai ditentukan oleh komparator fasa, namun relai reaktansi justru

membandingkan nilai reaktansinya.

Dari persamaan komparator fasa tersebut :

Sinyal-sinyal masukan pada komparator :

{ } 0)cos()()cos()cos()( 422

312324412

31 =−+−−−+ θθφθφθ BKKBAKKKKAKK

φθ −∠+−=


)('1 φθ −∠+−= IKKVS

)('2 φθ −∠= IKS

KK −=1

θ∠== '42 KKK

03 =K

IBVA == ;


} 0')cos('22 =+−− IKIVKK φθ

K

KZ

')cos( =− φθ

K

KZ

'sin =φ

K

KX

'=

( 8 )

( 9 )


K KX

0

K

KX

'=

R


3.3. Relai Mho (Admitansi)

Bila rangkaian komparator diberi input sinyal S1 dan S2 seperti berikut :

)('1 φθ −∠+−= IKKVS

KVS =2

KK −=1

θ∠= '2 KK

03 =K 04 =K

Substitusikan kondisi-kondisi di atas ke dalam persamaan komparator :


03 =K

IBVA == ;

} 0)cos('22 =−+− IVKKVK φθ

')cos(

K

K

V

I =− φθ

04 =K

')cos(

K

KY =− φθ

( 10 )

( 11 )



Gambar 5. Karakteristik operasi relai Mho (Admitansi)


3.4. Relay Kombinasi (Offset Mho)

Substitusikan ke dalam persamaan komparator :

)(21 φθ −∠+−= IKKVS

KK −=1 θ∠= 22 KK

IBVA == ;

)(42 φθ −∠+= IKKVS

θ∠= 44 KKKK =3

Bila , maka :

Dan , sehingga :


{ } 0)cos()cos( 24224

22 =+−+−−+− IKKVIKKKKVK φθφθ

I

VZ =

0)cos()( 424222 =−−++− φθKKKZKKZK

222 XRZ +=


Atau :

0)sincos(2

422

4222 =+−−+ θθ XRK

KK

K

KKXR

242

2422

2422

2

)(

2

sin)(

2

cos)(

+≤

−−+

−−K

KK

K

KKR

K

KKR

θθ ( 12 )


Gambar 6. Karakteristik operasi relai Offset Mho (Admitansi)


3.5. Relai Quadrilateral

.


Gambar 7. Karakteristik operasi relai Mho (Admitansi)


4. ZONA PROTEKSI

4.1. Persyaratan Skema Relai Jarak

• Relai jarak harus dapat bekerja dengan baik untuk tugas ganda, yaitu sebagaiProteksi utama (primer) dan Proteksi Back-up.

• Proteksi primer harus bekerja cepat dan tanpa waktu tunda.

• Proteksi back-up harus bekerja jika dan hanya jika proteksi primer gagal bekerja.

Relai jarak harus mampu bekerja pada multi zona proteksi sesuai dengan selektivitas yang ketat dan persyaratan ketelitian.

Gambar 8. Contoh pembagian zona proteksi relay jarak pada sistem tenaga listrik



4.2. Peningkatan Waktu Kerja Relai Jarak

Peningkatan waktu kerja relai jarak terdiri dari 2 metoda, yaitu :

a. Metoda Waktu – Jarak. Peningkatan waktu kerja relai terjadi sebagai fungsi dari

peningkatan jarak antara relai dan lokasi gangguan.

b. Metoda Jarak Definite.

A. Metoda Waktu – Jarak

Koordinasi relai (lihat gambar 9a),Koordinasi relai (lihat gambar 9a),

• tA-tB = 0.5 det., sehingga gangguan pada seksi BC, relai di B bekerja pertama.

• Relai di A berfungsi sebagai backup proteksi.

• tB-tC = 0.5 det, bekerja dengan pola yang sama.

• Jenis proteksi seperti ini disebut proteksi lambat (berkecepatan rendah).

• Tidak tepat untuk proteksi sistem transmisi yang harus segera menghilangkan

efek gangguan secara cepat, untuk mencaga stabilitas sistem tenaga listrik.




Gambar 9a. Peningkatan waktu relai jarak pada penyulang radial

Metoda Waktu - Jarak



Gambar 9b. Peningkatan waktu relai jarak pada penyulang radial

Metoda Jarak Definite


B. Metoda Jarak Definite

Koordinasi relai (lihat gambar 9b),

Relai bekerja dengan langkah-langkah karakteristik dalam 3 tingkatan.

• Zona 1. Jarak gangguan yang mungkin terjadi diperkirakan (ditentukan)sebelumnya- 80 % dari jarak penyulang yang diproteksi, sehingga pada zonatersebut relai akan bekerja dengan cepat untuk sembarang gangguan dantripping bisa terjadi.

• Zona 2. Meliputi sisa jarak zona 1 ditambah backup proteksi untuk penyulangberikutnya sekitar 40 % dari panjang penyulang tersebut, denga penambahanwaktu tunda (biasanya 0.5 det.).waktu tunda (biasanya 0.5 det.).

• Zona 3. Meliputi sisa jarak zona 2 dan seluruh jarak zona 3 yang harusdiproteksi, dengan waktu tunda berdasarkan waktu kerja zona 2.

• Parameter utama yang membuat relai jarak bekerja adalah :

1. Pengukuran impedansi atau reaktansi.

2. Jarak

3. Waktu



Untuk mendapatkan nilai maksimum (puncak) impedansi pada seksi n dapat dicaridengan :

• Zona 1 (80% dari seksi proteksi) :

• Zona 2

)()()1( 8.0 n

Ln

maks ZZ =

)1()()()2( 4.0 ++= n

Ln

Ln

maks ZZZ

t2 = t1 + ∆t

( 13 )

( 14 )

t1 = Waktu setting zona 1, t2 = Waktu setting zona 2, ∆t = 0.5 (waktu tunda)


zona2 di )( maksimum ImpedansiZ(n)maks(2) peaksetting=

proteksi seksisaluran Impedansi)( =nLZ

t2 = t1 + ∆t

zona1 di )( maksimum ImpedansiZ(n)maks(1) peaksetting=


5. TAHANAN GANGGUAN

Tahanan gangguan terdiri dari 2 komponen utama , yaitu :

a. Tahanan Busur

b. Tahanan tanah, hanya ada bila terjadi gangguan tanah.

Tahanan Busur dihitung denngan pendekatan rumus empiris Warrington :

410 x 9.2 LRarc = ( 15 )

Rumus empiris yang biasa diaplikasikan di Russia (Uni Sovyet)


4.1IRarc =

I

LRarc 1050= ( 16 )

( 15 )


VL = Tegangan nominal antar fasa [ kV ]

I = Arus gangguan [ A ]

υ = Kecepatan angin [ km/jam ]

t = Waktu [ detik ]

)47(50

tVI

R Larc υ+= ( 17 )



6. JANGKAUAN RELAI JARAK

• Impedansi saluran sebanding panjang saluran dan merupakan parameter utama untuk menghitung jarak dari gangguan terhadap lokasi relai.

• Relai akan mengukur tegangan ( V ) dan arus ( I ) sistem primer melalui :

a.Transformator Tegangan (Voltage Transformer ; VT).

b.Transformator Arus (Current Transformer ; CT).

• Nilai Impedansi Sekunder ( Zsek) yang digunakan untuk setting relai terbentuk dari :dari :

( 18 )

Iprim /Isek = Rasio Transformator Arus

Uprim/Usek = Rasio Transformator Tegangan


pri

sek

pri

sek

pri

prisek Z

UU

II

ZRasio VT

CTRasioZ x x

==


• Komponen DC pada gelombang arus gangguan akan menyebabkan jangkauan

lebih transien (Transient OverReach; TOR).

Jangkauan lebih transien didefinisikan sebagai :

% 001 x Zsy

ZsyZosTOR

−= ( 19 )

Zos = Impedansi maksimum yang menyebabkan relai bekerja sesuai dengan nilai

arus yang diperkirakan.

Zsy = Impedansi maksimum yang menyebabkan relai bekerja sesuai dengan nilai

arus simetri pada komponen Zos.

• Jangkauian Proteksi disebut juga sebagai Zona Proteksi.



• Zona 1

Diset untuk memproteksi 80 % - 85 % panjang jarak A-B, tanpa waktu tunda.

Setting jangkauan ini sengaja dipilih untuk :

1. Menghindari jangkauan lebih (over reach) ke dalam seksi saluran berikutnya.

2. Menjamin selektivitas berkaitan dengan error dan transien yang muncul pada

transformator arus dan transformator tegangan.

3. Desain manufaktur sebagai Batas Toleransi Keakurasian Pengukuran relai.

• Zona 2

Diset untuk memproteksi 100 % panjang jarak A-B, ditembah 20 % jarak

terpendek BC, dengan waktu tunda t2 (≈≈≈≈ 0.5 det).

• Zona 3

Diset untuk memproteksi 100 % panjang jarak A-B, B-C, ditambah 25 % jarak

terpendek CD, dengan waktu tunda t3 (≈≈≈≈ 1.5 det).



Proteksi Saluran Tipikal



TABEL 1. DAFTAR KODE ANSI/IEEE UNTUK RELAI PROTEKSI YANG BERBEDA JENIS


Documents

RELAI JARAK (DISTANCE RELAY)_COK.pdf