Konsep Dasar dan Ruang Lingkup Proteksi Sistem Distribusi

1. Konsep Dasar Proteksi

Kehandalan suatu sistem tenaga listrik antara lain ditentukan oleh

frekuensi pemadaman yang terjadi dalam sistem tersebut. Semakin sering frekuensi

pemadaman dan semakin lama waktu pemadaman, semakin rendah tingkat

kehandalan sistem tersebut. Pemadaman yang terjadi pada sistem tenaga listrik

biasanya disebabkan oleh gangguan, sehingga untuk mengatasi gangguan dan

meningkatkan kehandalan sistem diperlukan sebuah mekanisme yang dapat

menghindari frekuensi pemadaman yang terlalu sering dalam jangka waktu yang

lama. Mekanisme ini dalam sistem kelistrikan dikenal dengan istilah sistem proteksi

(pengaman sistem).

Gangguan Pada Sistem Distribusi

Gangguan yang terjadi pada sistem distribusi biasanya merupakan

gangguan – gangguan yang terkait dengan saluran penghantar dan peralatan –

peralatan gardu distribusi seperti trafo distribusi, kawat pentanahan dan sebagainya.

Seperti pada sistem tenaga umumnya, maka gangguan yang terjadi pada sistem

distribusi dapat dikategorikan sebagai berikut:

a. Gangguan hubung singkat

Gangguan hubung singkat dapat terjadi antar fase (3 fase atau 2 fase) atau 1 fase

ketanah dan sifatnya bisa temporer atau permanen.

Gangguan permanen : Hubung singkat pada kabel, belitan trafo, generator,

(tembusnya isolasi).

Gangguan temporer : Flashover karena sambaran petir, flashover dengan

pohon, tertiup angin.

b. Gangguan beban lebih

Gangguan beban lebih terjadi karena pembebanan sistem distribusi yang melebihi

kapasitas sistem terpasang. Gangguan ini sebenarnya bukan gangguan murni,

tetapi bila dibiarkan terus-menerus berlangsung dapat merusak peralatan.

c. Gangguan tegangan lebih

Gangguan tegangan lebih termasuk gangguan yang sering terjadi pada saluran

distribusi. Berdasarkan penyebabnya maka gangguan tegangan lebih ini dapat

dikelompokkan atas 2 hal:

- Tegangan lebih power frekwensi.

Pada sistem distribusi hal ini biasanya disebabkan oleh kesalahan pada AVR

atau pengatur tap pada trafo distribusi.

- Tegangan lebih surja

Gangguan ini biasanya disebabkan oleh surja hubung atau surja petir.

Dari ketiga jenis gangguan tersebut, gangguan yang lebih sering terjadi dan

berdampak sangat besar bagi sistem distribusi adalah gangguan hubung singkat.

Sehingga istilah gangguan pada sistem distribusi lazim mengacu kepada gangguan

hubung singkat dan peralatan proteksi yang dipasang cenderung mengatasi gangguan

hubung singkat ini.

Tujuan perlindungan sistem terhadap gangguan:

• Menghindari penurunan tegangan pada sisi pelanggan

• Menghindari hilangnya keuntungan perusahaan

• Mencegah dan meminimalisir kerusakan pada komponen sistem

• Menjaga kestabilan sistem tenaga

• Melindungi keselamatan personil dan masyarakat umum.

• Menghindari kecenderungan gangguan yang tidak dapat hilang dengan

sendirinya.

Fungsi proteksi

Mengurangi risiko yang ditimbulkan ke level yang aman dengan menghilangkan

gangguan atau abnormalitas sistem sesegera mungkin dan meminimalkan pemutusan

operasi pada sistem tenaga.

Karakteristik Sistem Proteksi

Beberapa karakteristik yang harus dimiliki oleh sebuah sistem proteksi yang baik dan

handal antara lain:

Reliabilitas (Reliability)

Relai dapat beroperasi seketika diperlukan dan tidak beroperasi jika tidak diperlukan.

Reliabilitas terbagi atas 2 karakteristik:

o Dependabilitas: Kemampuan beroperasi sesuai kebutuhan (tidak gagal beroperasi

jika terjadi gangguan).

o Security: Tetap dalam kondisi tidak beroperasi ketika tidak ada gangguan yang

terkait dengan sistem yang diproteksi (tidak salah kerja).

Selectivitas ( Selectivity )

Kemampuan mengisolasi bagian sistem yang mengalami gangguan, yang tidak

mengalami gangguan tetap beroperasi. Mekanisme ini dicapai dengan pengaturan

daerah proteksi (zona proteksi).

Kecepatan operasi ( Speed of Operation )

Relai harus beroperasi secepat mungkin sehingga:

o Waktu penghilangan gangguan (fault clearance time) tidak berlebihan.

o Kerusakan peralatan sistem (akibat pemanasan berlebih/efek thermal

gangguan) dapat dihindari.

o Resiko penurunan tegangan dikurangi

o Risiko keselamatan berkurang

o Ketidakstabilan sistem berkurang.

Fleksibel ( Flexibility )

Kemampuan untuk mengakomodasi kondisi sistem yang berbeda dan kemungkinan

perluasan sistem yang ada.

Sensitivitas ( Sensitivity )

Sistem pengaman harus peka dan mampu beroperasi pada kondisi gangguan

minimum sekalipun.

Diskriminasi ( Discrimination )

Relai mampu membedakan kondisi operasi ketika gangguan minimal pada daerah

proteksinya dan tidak beroperasi ketika pembebanan maksimum dan gangguan diluar

daerahnya.

Dicapai melalui beberapa cara:

o Time grading: cepat untuk daerah dalam zona, lambat diluar zona

o Sensitivity grading: sensitif untuk daerah dalam zona, kurang sensitive

untuk luar zona

o Unit Protection: Zona didefinisikan per unit

o Kombinasi metoda diatas

Zona Proteksi

Untuk memperoleh tingkat selektifitas yang tinggi, dimana hanya bagian sistem yang

terganggu saja yang diisolasi (mengalami pemutusan), maka pada sistem proteksi

dibentuk daerah – daerah proteksi yang dinamakan zona proteksi. Zona – zona

proteksi ini biasanya dibatasi dengan PMT (CB) yang dapat memutuskan dan

menghubungkan antar zona proteksi yang mengalami ganguan jika menerima

instruksi dari relai.

ZONA PROTEKSI GENERATOR

ZONA PROTEKSI GENERATOR -TRAFO

ZONA PROTEKSI BUSBAR

ZONA PROTEKSI BUSBAR

ZONA PROTEKSI TRANSMISI

ZONA PROTEKSI BUSBAR TM

ZONA PROTEKSI TRAFO TENAGA

ZONA PROTEKSI JARINGAN TM

ZONA PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK

Zona Proteksi Utama (Main Protection)

o Zona utama yang terdiri atas peralatan pengaman utmana yang harus

beroperasi untuk zona yang diproteksinya.

Zona Proteksi Pendukung (Backup Protection)

o Zona pendukung (cadangan) yang diperlukan untuk mengantisipasi kegagalan

peralatan pada zona proteksi utama.

o Dipergunakan untuk meningkatkan kehandalan sistem proteksi

(dependabilitas).

o Terdiri atas:

- Lokal Backup, dimana peralatan pendukung berada pada zona yang sama

dengan peralatan proteksi utama.

- Remote Backup, dimana peralatan pendukung berada pada zona yang

bersebelahan dengan peralatan proteksi utama.

Skema Proteksi Sistem

Skema proteksi sistem merupakan mekanisme (metoda) pengamanan yang akan

dipilih untuk diterapkan pada suatu sistem proteksi. Pada dasarnya, skema proteksi

sitem tenaga dapat dikelompokkan atas 2 yaitu:

a. Proteksi Unit

Pada skema proteksi ini, zona kerja peralatan proteksi memiliki batasan yang jelas

yang biasanya didefinisikan menurut lokasi CT, peralatan hanya beroperasi untuk unit

yang diproteksi.

A B

CD E

Kawasan Pengaman Busbar 150 kV

Kawasan Pengaman Utama Gen.- Trafo

Overlapping

Kawasan Pengaman Utama Saluran A-B

Kawasan Pengaman Utama (Diferensial

Trafo)

Kawasan Pengaman Cadangan Lokal Saluran A-B yang

berfungsi pula sebagai Cadangan

jauh bagi Bus 150 kV

Kawasan Pengamanan Utama Bus 20 kV yang berfungsi pula sebagai pengaman cadangan

Jauh saluran 20 kV

Kawasan Pengaman Utama (O.C) Saluran 20 kV dan

Cadangan seksi selanjutnya

150 kV20 kV

Kawasan Pengaman Utama Busbar 150 kV

Kawasan Pengaman Cadangan Lokal Trafo yang berfungsi pula sebagai Cadangan Jauh

Bus 20 kV

Keuntungan:

• Sensitifitas tinggi.

• Kecepatan operasional tinggi .

• Prinsip operasi sederhana.

• Tidak dipengaruhi power swing dan arus pembebanan .

Kekurangan :

• Membutuhkan komunikasi antara batasan unit yang diproteksi..

• Tidak memiliki skema proteksi backup.

Contoh: proteksi differential, phase comparison dan directional comparison.

b. Proteksi Non Unit

Pada skema proteksi ini tidak ada batasan operasi yang didefinisikan secara jelas,

peralatan proteksi pada zona lain dapat beroperasi untuk memberikan proteksi

cadangan bagi zona utama. Agar peralatan proteksi bekerja sebagaimana mestinya,

diterapkan diskriminasi gangguan untuk menentukan urutan peralatan proteksi yang

harus bekerja terlebih dahulu. Diskriminasi gangguan dicapai melalui pembedaan

waktu operasi (time grading) dan pengukuran arus serta impedansi.

Keuntungan:

• Tidak membutuhkan jalur komunikasi khusus

• Menyediakan backup proteksi pada sisi system yang berdekatan.

• Lebih sederhana terutama untuk proteksi arus lebih.

Kerugian:

• Sensistivitas dipengaruhi arus beban.

• Terpengaruh oleh power swing.

• Waktu operasi bertambah untuk mencapai koordinasi.

• Relatif rumit untuk proteksi jarak.

• Memerlukan komponen tambahan untuk kondisi tertentu (VT untuk relai jarak

dan direksional).

Contoh: Proteksi arus lebih, proteksi gangguan tanah and proteksi jarak.

Penentuan skema proteksi dipengaruhi oleh:

• Parameter pembangkit.

• Detil konstruksi saluran.

• Level tegangan.

• Kebutuhan sistem

• Waktu kritis penghilangan gangguan.

• Pengaturan pembumian

• Tingkat gangguan.

• Tingkat pembebanan.

• Konfigurasi sistem

• Sistem proteksi yang telah tersedia.

• Fasilitas komunikasi yang telah ada.

Peralatan Sistem Proteksi

1. Peralatan Utama Sistem Proteksi

Sistem proteksi pada jaringan distribusi didukung oleh beberapa peralatan

utama. Peralatan utama ini lah yang berfungsi langsung mengatasi gangguan dan

mengisolasi bagian jaringan yang terganggu dari bagian lain yang masih dapat

beroperasi dengan baik. Peralatan utama sistem proteksi ini terdiri atas:

a. Instrumen Pengukuran

Instrumen pengukuran adalah peralatan proteksi yang berfungsi melakukan

pembacaan besaran arus dan tegangan dan meneruskan informasi ini ke relai

proteksi. Jika besaran arus dan tegangan pada jaringan melewati setelan yang

telah dipasang pada relai dimana menandakan terjadinya gangguan, maka

relai atau circuit breaker akan segera memutus dan mengisolasi jaringan yang

mengalami gangguan tersebut. Instrumen pengukuran ini dapat berupa trafo

arus (current transformer / CT) dan trafo tegangan (voltage transformer / VT).

b. Peralatan Pemutus Rangkaian

Peralatan pemutus rangkaian adalah peralatan proteksi yang berfungsi

mengisolasi jaringan yang mengalami gangguan. Relai proteksi, circuit

breaker dan fuse termasuk dalam kategori ini.

1.1. Instrumen Pengukuran

a. Trafo Arus (CT)

Trafo arus merupakan trafo yang dipergunakan untuk

mentransformasikan arus atau menurunkan arus besar pada tegangan tinggi

menjadi arus kecil pada tegangan rendah untuk keperluan pengukuran dan

pengamanan.. Kumparan primernya dihubungkan secara seri dengan beban

yang akan diukur atau dikendalikan. Beban inilah yang menentukan besarnya

arus yang mengalir ke trafo tersebut. Kumparan sekundernya dibebani

impedansi konstan dengan syarat tertentu. Fluks inti dan arus yang mengalir

pada rangkaian sekunder akan tergantung pada arus primer. Trafo ini disebut

juga dengan trafo seri.

Trafo arus terdiri atas 2 tipe:

1. Tipe wound primary

2. Tipe bar primary

Perbedaan kedua jenis tipe ini dapat dilihat pada gambar berikut:

a. Tipe wound primary b. Tipe bar primary

Rangkaian dan simbol CT diperlihatkan pada gambar berikut:

a. rangkaian CT b. Simbol CT

Klasifikasi CT (Berdasarkan IEC 44-1):

Class 0.2 S and 0.2 digunakan untuk pengukuran dengan presisi tinggi

Class 0.5 and 0.5 S digunakan untuk pengukuran normal

Class 1.0 and 3 digunakan untuk pengukuran instrument dan statistik

Class 5P and 10P digunakan pada relai proteksi, contoh spesifikasi penulisan:

5P20 (20 menyatakan faktor limit akurasi terhadap arus rating)

Class TPX, TPY and TPZ digunakan untuk kondisi transient dimana TPY and

TPZ dilengkapi dengan celah udara dan inti yang besar.

b. Trafo Tegangan (VT)

Trafo tegangan dalam sistem tiga fasa mengukur tegangan antara dua

konduktor atau tegangan antara satu konduktor dengan tanah. Menurut

standar, trafo tegangan mensuplai tegangan 100 V, atau juga 100 V/ 3 pada

sisi sekunder dalam kondisi operasi teraan (rating operation). Rasio

transformasi teraan KN = U1N / U2N diberikan dalam bentuk fraksi (misalnya

200000 V / 100 V), seperti pada trafo arus. Trafo tegangan didesain untuk

pemakaian pada beban resistansi tinggi karena itu tidak pernah dihubung

singkat pada sisi sekundernya. Tidak seperti pada trafo arus, sisi sekunder

trafo tegangan dapat diproteksi dengan fuse.

Trafo tegangan terdiri dari dua type yaitu magnetik dan kapasitor yang

masing-masingnya punya karakteristik yang berbeda. Magnetik PT dibedakan

dari trafo daya dalam pendinginan dan ukuran konduktor, outputnya

ditetapkan dengan ketepatan peralatan yang lebih baik dari pada dengan limit

pengoperasian temprature. Sejak isolasi peralatan disamakan untuk power

trafo harga magnetik PT untuk circuit 100 KV menjadi dilarang. Sekarang

dalam prakteknya untuk menurunkan VL , tegangan kapasitansi dibagi

sebelum digunakan untuk trafo tegangan . Rating tegangan bagan primer PT

bisa demikian setelah diturunkan menjadi 110 VL . Kapasitor PT biasanya

dipilih untuk stasiun indoor untuk menghindari bahaya api. Berikut gambar

rangkaian magnetik dan kapasitor PT:

a. Magnetik PT b. Kapasitor PT

1.2. Peralatan Pemutus Rangkaian

a. Relai

Relai adalah alat yang memproteksi sistem tenaga listrik dengan cara

mendeteksi gangguan yang terjadi pada saluran, jika terjadi gangguan maka

relai akan memberikan suplay daya kepada rangkaian proteksi untuk

memutuskan arus yang menyebabkan gangguan tersebut.

Klasifikasi relai

Berdasarkan besaran input:

1. Arus [ I ] : Relai Arus lebih [ OCR ], Relai Arus kurang [UCR]

2. Tegangan [V] : Relai tegangan lebih [OVR], Relai tegangan kurang

[UVR]

3. Frekuensi [f] : Relai frekuensi lebih {OFR], Relai frekuensi kurang

[UFR]

4. Daya [P;Q] : Relai daya Max / Min, Relai arah / Directional, Relai

Daya balik.

5. Impedansi [Z] : Relai jarak [Distance]

6. Beda arus : Relai diferensial

Berdasarkan karakteristik waktu kerja:

1. Seketika [Relai instant / Moment /high speed ]

2. Penundaan waktu [ time delay ]

Definite time relai

Inverse time relai

3. Kombinasi instant dengan tundaan waktu

Berdasarkan jenis kontak:

1 Relai dengan kontak dalam keadaan normal terbuka [ normally open

contact]

2. Relai dengan kontak dalam keadaan normal tertutup [ normally close

contact]

Berdasarkan fungsi:

1. Relai Proteksi

2. Relai Monitor

3. Relai programming ; Reclosing relai, synchro check relai

4. Relai pengaturan {regulating relai}

5. Relai bantu: sealing unit, lock out relai, closing relai dan tripping relai

Berdasarkan prinsip kerja:

1. Tipe Elektromekanis

a. Tarikan magnit ; tipe plunger, tipe hinged armature, tipe tuas

seimbang

b. Induksi : tipe shaded pole, tipe KWH, tipe mangkok { Cup }

2. Tipe Thermis

3. Tipe gas ; relai buccholz

4. Tipe Tekanan ; pressure relai

5. Tipe Statik (Elektronik)

b. Circuit Breaker (CB)

Circuit breaker merupakan perangkat pengaman arus lebih yang

bekerja membuka dan memutus rangkaian secara non-otomatis dan memutus

rangkaian secara otomatis ketika arus yang mengalir dirangkaian melebihi

rating arus yang telah ditentukan tanpa menimbulkan kerusakan pada

peralatan (CB dan rangkaian) pada saat terjadi gangguan.

Klasifikasi circuit breaker

Berdasarkan Pemakaian:

1. LVCB (Low Voltage Circuit Breaker, < 600 V)

2. MVCB (Medium Voltage Circuit Breaker, 600 V – 1000 V)

3. HVCB (High Voltage Circuit Breaker, > 1000 V )

Berdasarkan Konstruksi:

1. MCCB (Molded Case Circuit Breaker)

2. ICCB (Insulated Case Circuit Breaker)

Berdasarkan Medium:

1. Air : Medium pemutus udara.

2. Oil : Medium pemutus minyak

3. Gas : Medium pemutus gas (SF6)

4. Vacuum : Medium pemutus hampa udara.

c. Fuse ( Pelebur )

Fuse adalah alat yang memproteksi sistem tenaga listrik dengan cara

mendeteksi gangguan yang terjadi pada saluran berdasarkan seting nilai

tertentu, jika terjadi gangguan yang melewati batas seting yang ditentukan

maka fuse akan secara langsung memutuskan arus yang menyebabkan

gangguan tersebut dengan mekanisme meleburnya elemen fuse yang

menghubungkan sistem tersebut.

Klasifikasi Fuse

Berdasarkan konstruksi:

Klasifikasi fuse menurut konstruksi fisiknya diperlihatkan pada gambar

berikut:

a. cartridge fuse

b. semi-enclosed fuse

c. Expulsion fuse

d. Liquid fuse Berdasarkan rating (kapasitas pemutusan):

Berdasarkan ratingnya, standard EEI-NEMA mengelompokkan fuse kedalam

3 tipe yaitu:

1. Tipe E : merupakan fuse dengan rating tegangan 2.4 kV – 161 kV,

biasanya digunakan sebagai pengaman pada trafo maupun pengaman back

up CB.

2. Tipe K : merupakan fuse dengan kecepatan lebur tinggi dengan rating arus

6 – 200 A, biasanya digunakan pada percabangan sistem distribusi.

3. Tipe T : merupakan fuse dengan kecepatan lebur rendah dengan rating

arus 6 – 200 A, digunakan pada percabangan yang mensuplai motor yang

membutuhkan waktu tunda untuk arus starting.

Masing – masing perusahaan produsen fuse memiliki tingkatan rating

tersendiri yang mengacu kepada ketiga tipe fuse diatas, sehingga untuk

keperluan proteksi dibutuhkan katalog khusus yang memuat informasi rating,

rasio koordinasi dan jenis fuse yang sesuai untuk aplikasi proteksi tertentu.

2. Peralatan Penunjang Sistem Proteksi

Peralatan penunjang merupakan komponen tambahan yang tidak terkait langsung

dengan pemutusan (perlindungan) terhadap sistem yang diproteksi. Namun

demikian, peralatan penunjang ini berperanan untuk menjamin bahwa peralatan

proteksi terpasang dapat beroperasi dengan baik dalam kondisi gangguan seperti

apapun. Peralatan penunjang pada sistem proteksi dapat berupa: suplay DC,

saluran telekomunikasi dan arester.

2.1. Suplay DC

Suplay DC merupakan peralatan penunjang yang memberikan suplay daya ke

sistem relai yang pada umumnya memerlukan input daya DC. Penggunaan sistem

suplay daya DC ini bertujuan untuk menjaga kontinuitas perlindungan dari

peralatan proteksi terhadap sistem meskipun suplay utama terputus. Suplay DC

ini biasanya berupa baterai yang terhubung ke perangkat relai melalui rangkaian

suplay daya. Jenis baterai yang biasa digunakan ada 2 tipe:

1. Lead acid type

Tipe ini berupa baterai elemen basah, dimana zat elektrolit baterainya

merupakan cairan. Baterai ini membutuhkan perawatan lebih intensif.

2. Nickel cadmium type.

Berupa baterai elemen kering, dimana zat elektrolitnya berupa pasta kering

sehingga tidak dibutuhkan perawatan intensif.

2.2. Saluran Telekomunikasi

Saluran telekomunikasi merupakan peralatan penunjang yang menyediakan

fasilitas telekomunikasi pada sistem proteksi. Saluran ini dapat dipergunakan

untuk monitoring keadaan sistem dan dapat dikembangkan untuk pengendalian

jarak jauh. Komponen utamanya terdiri atas:

- RTU (Remote Terminal Unit)

- Interfacing card

- Modem

- CPU

- Perangkat lunak sistem

Berbagai sistem telah dikembangkan untuk pemanfaatan saluran telekomunikasi

untuk keperluan monitoring dan pengendalian jarak jauh, salah satunya yang

umum digunakan pada sistem distribusi di PLN adalah SCADA (Supervisory

Control and Data Acquisition).

2.3. Arester

Arester petir disingkat arester, atau sering juga disebut penangkap petir, adalah

alat pelindung bagi peralatan sistem tenaga listrik terhadap, surja petir. la berlaku

sebagai jalan pintas sekitar isolasi. Arester membentuk jalan yang mudah dilalui

oleh arus kilat atau petir, sehingga tidak timbul tegangan lebih yang tinggi pada

peralatan. Jalan pintas itu harus sedemikian rupa sehingga tidak menganggu aliran

arus daya sistem 50 Hz.

Klasifikasi Arester

1. Arrester dengan celah udara (Gapped Type Surge Arrester)

Merupakan tipe konvensional dimana arrester memiliki celah untuk mencegah

terbentuknya busur api pada saat operasi normal, terdiri atas beberapa tipe: tipe

expulsion, tipe spark gap dan tipe katup.

2. Arrester tanpa celah (Gappless Type Surge Arrester)

Merupakan tipe yang banyak digunakan sampai sekarang, dikembangkan dari

material semikonduktor seperti ZnO yang berfungsi sebagai pengganti celah.

Fungsi dan Prinsip Kerja Peralatan Proteksi

1. Current Transformer (CT)

Fungsi CT

• Memberikan sinyal ke relai yang proporsional dengan besar arus yang

mengalir pada peralatan yang dilindungi.

• Mengurangi besar arus terukur ke level yang dapat ditangani peralatan

proteksi

• Mengisolasi sisi tegangan rendah peralatan proteksi dari sisi tegangan tinggi

Prinsip Kerja

Transformator arus (current transformer=CT) dibuat seperti trafo satu

fasa; arus secara langsung akan mengalir melalui sisi primer. Menurut standar,

arus teraan pada sisi sekunder adalah 1 A atau juga 5 A. Sedangkan rasio

transformasi teraan 1

2

NN

N

IK I= diberikan dalam bentuk fraksi, misalnya 1000

A / 5 A.

Pada saat memasang trafo arus, harus memperhatikan arah arus. Untuk

maksud ini, terminal sisi primer yang ditandai “K” (ke sisi pusat pembangkit)

dan yang ditandai dengan “L” (ke sisi saluran). Berkaitan dengan sisi primer,

terminal pada sisi sekunder ditandai “k” dan “l”.

Trafo arus didesain untuk pemakaian pada beban dengan resistansi yang

sangat rendah, dan tidak pernah dioperasikan dengan kondisi rangkaian terbuka

pada sisi sekundernya. Dalam pemakaiannya, dikenal trafo arus untuk instrumen/

pengukuran (dilabelkan dengan M) dan trafo arus untuk keperluan proteksi

(diberi label P).

Deviasi arus sekunder CT dari nilai setnya dalam persen disebut

kesalahan arus IF , yang didefinisikan sebagai berikut:

2 1

1

. 100%NI

I K IFI

−= ×

1I = arus primer dalam A,

2I = arus sekunder dalam A,

NK = rasio teraan transformasi dari CT.

Sebagai catatan yaitu, karena hambatan ammeter sangat rendah, maka trafo arus

secara normalnya bekerja short circuit. Jadi perlu diingat bahwa trafo arus tidak

boleh dioperasikan dalam kondisi rangkaian terbuka (open circuit) pada sisi

sekundernya. Jika ini terjadi, maka akan terjadi fluks abnormal yang sangat besar

pada si si primer yang menghasilkan rugi inti yang berlebihan yang diikuti

dengan pemanasan dan tegangan yang tinggi melewati terminal sekunder.

Spesifikasi CT:

• Rating arus primer

• Rating arus sekunder

o 5A: biasanya digunakan pada relai elektromekanis.

o 1A: digunakan pada relai statis yang lebih sensitif terhadap arus kecil.

• Rasio transformasi, eg 400/200/1 or 800/5

• Kelas akurasi

Berdasarkan spesifikasi diatas, terdapat 2 tipe CT:

• P class CT: biasanya digunakan pada peralatan proteksi dengan respon

waktu tidak terlalu kritikal .

Contoh spesifikasi CT: 5P 100 F20

Maksudnya untuk 20 kali arus nominal output ke beban, menghasilkan

100V, pada sisi sekunder trafo , error yang dihasilkan tidak lebih dari 5%.

• PL class CT: digunakan untuk peralatan proteksi dengan kecepatan operasi

tinggi dengan memperhitungkan aspek transient. :

Contoh spesifikasi : 0.1PL200R3.0:

Tahanan sekunder kurang dari 3.0 ohms pada 75°C, tegangan knee point

200V dan arus magnetisasi pada tegangan knee point voltage adalah 0.1 A.

Tegangan knee point adalah tegangan dimana kenaikan 10% pada tegangan

magnetisasi menyebabkan kenaikan 50% pada arus magnetisasi.

0

50

100

150

200

250

300

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

Magnetising Current (Amps)

Volta

ge (V

)

+10%

+50%

CT Magnetising Characteristic for 0.1PL200R2.0

Rangkaian ekuivalen CT

Perbedaan karakterisitik CT Pengukuran dan CT Proteksi

CT pengukuran dipergunakan untuk memperoleh transformasi pengukuran yang

presisi dengan besar arus sekunder CT sebanding dengan rasio transformasinya.

Sedangkan CT proteksi dipergunakan untuk melindungi peralatan proteksi yang

hanya mampu bekerja dengan arus rendah. Oleh karena itu maka kurva saturasi

arus magnetisasi pada CT pengukuran akan memiliki daerah knee point yang

lebih tajam daripada CT proteksi. Hal ini diperlihatkan pada gambar berikut:

2. Voltage Transformer (VT/PT)

Fungsi VT

• Mentransformasikan tegangan tinggi ke rendah yang sesuai kebutuhan relai.

• Mengisolasi peralatan proteksi dari system tegangan tinggi.

• Menetukan rating tegangan untuk relai.

Prinsip Kerja

Transformator tegangan digunakan untuk merubah besar tegangan primer

menjadi tegangan sekunder yang lebih kecil sesuai dengan perbandingan

lilitannya. Dengan mengetahui N1 dan N2, membaca tegangan V2 serta

menganggap transformator ini ideal maka tegangan V1 adalah :

V1 = 2

1

NN V2

Deviasi tegangan sekunder trafo dari nilai settingnya (set value) dalam persen

disebut kesalahan tegangan (voltage errors) FU. %100..

1

12

UUKU

F Nu

−=

U1 = tegangan primer dalam V

U2 = tegangan sekunder dalam V

KN = rasio transformasi teraan trafo tegangan

Rangkaian Ekuivalen

3. Relai

Fungsi Relai

• Secara umum relai berfungsi memberikan instruksi kepada rangkaian pemutus

(circuit breaker/CB) untuk mengisolasi sistem yang mengalami gangguan.

• Secara khusus, fungsi masing – masing relai tergantung kepada karakteristik

dan besaran input yang mempengaruhi kerja relai misalnya:

- Relai arus lebih (Over Current Relai/OCR) berfungsi melindungi sistem dari

gangguan arus lebih.

- Relai impedansi berfungsi melindungi sistem dari gangguan yang terkait

dengan perubahan impedansi saluran.

- Relai jarak berfungsi melindungi sistem dari gangguan berdasarkan besaran

jarak tertentu yang disetting pada relay.

- dsb.

Prinsip Kerja Relai Elektro mekanik

Prinsip Kerja Relai Statik / Elektronik

Relai jenis ini bekerja dengan menggunakan prinsip dasar rangkaian elektronik

tertentu yang dapat dipergunakan sebagai penghasil sinyal yang mentriger bagian

elektronik relai bekerja. Komponen dasar rangkaian elektronik (unit dasar) dari relai

statik ini adalah:

1. Sirkuit input [ biasanya intermediate ct ]

2. Rectifier / penyearah

3. Level detector

4. Timer / integrator

5. Polarity detector

6. Comparator

Prinsip Kerja Relai Arus Lebih (OCR)

Relai arus lebih ( over current relay / OCR ) adalah relai yang melindungi sistem

dari gangguan arus lebih. Relai ini bekerja berdasarkan perbandingan arus seting

pada relai terhadap arus primer pada saluran. Jika I primer < I set maka relai

tidak beroperasi, jika I primer > I set barulah relai beroperasi. Berdasarkan

karakteristiknya relai arus lebih terdiri atas beberapa jenis sebagai berikut:

a. Instantaneous Overcurrent Relay ( rele arus lebih tanpa waktu tunda )

adalah rele arus lebih yang bekerja tanpa seting waktu tunda, waktu

operasinya tetap yaitu sekitar 0,1 detik.

b. Time Delay Overcurrent Relay

Rele ini terbagi atas :

1. Definite Time Delay Relay

Rele ini mempunyai tundaan waktu tertentu tanpa dipengaruhi oleh

besarnya nilai dari besaran penggerak rele tersebut atau dengan kata lain

tanpa tergantung dari seting arus yang menggerakkan relai tersebut.

2. Inverse Time Relay

Pada rele ini karakteristik waktu operasi berbanding terbalik dengan

besaran penggerak ( seting arus ). Berdasarkan kecuraman

karakteristiknya, secara garis besar dibagi atas:

• standard inverse • very inverse • extremely inverse

Directional Overcurrent Relays (Relay Arus Lebih Berarah) Overview:

• Terdiri atas 2 unit; directional unit dan non-directional atau IDMT unit.

• Directional unit terdiri atas empat kutub induction cup, dua kutub yang

berlawanan disuplai oleh tegangan (polarizing quantity = reference quantity),

kutub yang lain disuplai dengan arus.

• Non directional unit tidak akan bekerja (energised) jika kontak directional unit

tidak menutup (closed).

• Torka yang menggerakan relay dinyatakan:

T = VI cos (θ-τ) – K

dimana phi : sudut antara tegangan dan arus,

K : torka lawan (pegas dan gesekan).

Persamaan Torka Universal

T = K1I2 + K2V2 + K3VIcos(θ-τ) + K

• Persamaan ini dapat digunakan untuk menentukan karakteristik operasi semua

tipe relay.

o OCR jika K2 = K3 = 0

o Directional jika K1 = K2 = 0

Relay Jarak (Distance Relays)

Terdiri atas 3 tipe:

• Impedance

• Reactance

• mho

Impedance

• K3 = 0, sehingga T = K1I2 + K2V2, K diabaikan

• Torka bekerja berdasarkan arus, daya lawan berdasarkan tegangan.

• Relay beroperasi jika: K1I2 > K2V2, sehingga V2/I2 < K1/K2 atau Z < √ K1/K2

• Non directional

Reaktansi

• K2 = 0, sehingga T = K1I2 + K3VIcos(θ-τ), abaikan K

• Torka bekerja berdasarkan arus, dengan daya lawan (restraint) bekerja

berdasarkan arah arus-tegangan. Max restraint pada 90 deg.

• relay beroperasi jika: K1I2 > K3VIsin(θ), sehingga Vsin(θ)/I < K1/K3 atau X <

K1/K3

• Merupakan Overcurrent relay dengan directional restraint.

Mho

• K1 = 0, K2 negatif, sehingga T = K3VIcos(θ-τ) - K2V2 , K diabaikan

• Torka kerja didasarkan kepada elemen V-I, daya lawan dipengaruhi oleh

tegangan.

• Relay beroperasi jika: K2V2 < K3VIcos(θ-τ), sehingga Z < K3 cos(θ-τ)/K2

Differential Relays

• Bekerja jika perbedaan vektor antara 2 atau lebih besaran elektrik yang sama

melebihi nilai yang telah ditentukan (misalnya dua besaran dengan pergeseran

fasa)

• Current Differential type (current balance)

• Stabil untuk gangguan eksternal (tidak ada perbedaan), beroperasi untuk

inzone fault (karena terdapat perbedaan).

• Jika operating coil tidak dirangkai pada titik dengan potensial yang sama atau

terdapat perbedaan pada CT, akan terdapat arus diferensial yang

menyebabkan relay tidak bekerja semestinya. Solusi: tambahkan restraining

coil untuk menambah stabilitas.

• Voltage Differential Type (Balanced Voltage): Polaritas CT menyebabkan

tidak terdapat arus yang mengalir di rangkaian pilot.

4. Circuit Breaker

Fungsi:

• Memutus rangkaian jika terjadi gangguan pada saluran yang diproteksi

• Mencegah terjadinya busur api atau flashover pada saat pemutusan rangkaian

• Dapat berfungsi sebagai sakelar sekaligus pengaman arus lebih dan overload

No operation

Operation I1-I2

(I1+I2)/2

Prinsip Kerja:

Prinsip kerja dari circuit breaker tergantung kepada jenis penggerak yang mengatur

membuka dan menutupnya kontak. Pada dasarnya terdapat dua tipe kontak yaitu

thermal dan magnetik kontak.

Thermal kontak digerakkan oleh bimetal yang sensitif terhadap panas. Pada saat

arus gangguan yang melewati kontak melebihi arus rating CB maka bimetal akan

memuai dan melengkung sehingga menggerakan trip bar dan menarik tuas

pengunci (latch) pada kontak. Dengan demikian kontak akan terlepas dan saluran

yang terganggu akan diputus dari jaringan. Thermal kontak biasanya bekerja jika

terjadi gangguan overload, karena karakteristiknya yang membutuhkan waktu

tunda untuk bekerja.

Magnetik kontak digerakkan oleh elemen magnetis yang dipengaruhi besar arus

yang mengalir. Pada saat besar arus yang mengalir pada CB melebihi arus rating

maka elemen magnetik akan terinduksi dan menghasilkan gaya magnetik yang

menggerakkan trip bar dan menarik tuas pengunci pada kontak dan saluran akan

terputus. Magnetik kontak bekerja jika terjadi gangguan hubungan singkat,

disebabkan oleh responnya yang cepat dan instantenous.

Kelemahan dari CB adalah kemungkinan terjadinya bunga api saat kontak

melepaskan saluran yang terganggu. Untuk meghindari hal ini maka CB dirancang

dengan menggunakan medium pemutus dari bahan isolator yang memiliki

kemampuan pemutusan berbeda – beda. Kemampuan pemutusan medium pemutus

akan semakin tinggi jika bahan isolatornya semakin baik. Bahan isolator yang

digunakan mulai dari kemampun rendah ke tinggi antara lain: medium udara (air),

minyak (oil), gas SF6 dan vakum.

Karakteristik Kerja CB

Karakteristik kerja CB digambarkan dengan kurva arus dan response waktu. Sesuai

dengan fungsinya maka karakteristik CB ini dapat dinyatakan sebagai karakteristik

overload dan hubung singkat. Untuk karakteristik overload maka CB akan bekerja

pada tundaan waktu tertentu untuk rating arus overload. Untuk arus gangguan

hubung singkat yang biasanya lebih besar beberapa kali dari arus overload maka

karakteristik CB harus dapat merespon dengan waktu tunda yang lebih singkat

daripada kondisi overload bahkan instantenous untuk arus yang sangat besar.

Karakteristik ini diperlihatkan pada gambar berikut:

5. Fuse

Fungsi

• Memutus rangkaian jika terjadi gangguan hubung singkat pada saluran yang

diproteksi.

• Mengisolasi saluran yang mengalami gangguan dari saluran yang beroperasi

normal.

• Tidak dapat berfungsi sebagai sakelar maupun pengaman overload kecuali

didesain khusus (tipe dual element).

Prinsip Kerja:

• Non time delay fuse

Non time delay fuse digunakan untuk pengaman arus hubung singkat tanpa

tundaan waktu sehingga waktu kerjanya instantenous. Fuse ini terdiri atas satu

elemen yang akan melebur jika dilewati arus yang melebihi ratingnya, dengan

meleburnya elemen ini maka arus hubung singkat ke saluran yang terganggu

akan terputus. Prinsip kerja ini diperlihatkan pada gambar berikut:

• Dual element fuse

Dual element fuse didesain khusus untuk dapat beroperasi pada kondisi

hubung singkat maupun kondisi overload. Fuse ini memiliki satu elemen yang

bekerja pada saat hubung singkat dan elemen lainnya bekerja pada saat

overload terjadi. Meleburnya elemen overload terjadi dengan tundaan waktu

pada saat arus overload mengalir pada saluran. Sedangkan elemen hubung

singkat akan melebur tanpa tundaan waktu (instantaneous) untuk arus yang

sangat besar. Prinsip kerjanya diperlihatkan pada gambar berikut:

Karakteristik Fuse: