Diterjemahkan oleh: Kunto. W (2014), diambil dari buku: “The Art and Science of Protective Relaying”, C. Russell Mason,
1
THE PHILOSOPHY OF PROTECTIVE RELAYING
APAKAH RILE PROTEKSI? Kita biasanya memikirkan sistem tenaga listrik lebih terkesan tentang bagian-stasiun pembangkit besar, transformator, jalur tegangan tinggi, dll. Padahal ada beberapa elemen dasar, mempunyai banyak komponen lain yang diperlukan dan menarik. Rile pelindung adalah salah satu dari elemen ini. Peran rile pelindung dalam disain sistem-daya listrik dan operasi dijelaskan dengan pengujian singkat atas-semua latar belakang. Ada tiga aspek dari sistem daya yang akan melayani tujuan penelitian ini. Aspek-aspek itu adalah sebagai berikut: A. Operasi normal B. Pencegahan kegagalan listrik. C. Mengurangi dampak kegagalan listrik. Istilah "operasi normal" menganggap tidak ada kegagalan peralatan, tidak ada kesalahan personil, atau "kehendak Tuhan". Ini melibatkan persyaratan minimum untuk memasok beban yang ada dan sejumlah antisipasi beban selanjutnya. Beberapa pertimbangan adalah: A. Pilihan antara hidro, uap, atau sumber daya lain. B. Lokasi stasiun pembangkit. C. Transmisi daya ke beban. D. Studi karakteristik beban dan perencanaan untuk pertumbuhan masa depan. E. Pengukuran F. Regulasi tegangan dan frekuensi. G. Pengoperasi sistem. E. pemeliharaan normal. Ketentuan untuk operasi normal melibatkan biaya besar untuk peralatan dan operasi, tetapi sebuah sistem yang dirancang sesuai dengan aspek ini saja tidak mungkin memenuhi persyaratan masa kini. Kegagalan peralatan listrik akan menyebabkan pemadaman tak bertoleransi. Harus ada ketentuan tambahan untuk meminimalkan kerusakan peralatan dan interupsi ke layanan ketika kegagalan terjadi. Dua jalan lain dibuka: (1) untuk menggabungkan fitur desain yang ditujukan untuk mencegah kegagalan, dan (2) untuk memasukkan ketentuan dalam mengurangi dampak dari kegagalan ketika hal itu terjadi. Desain power-sistem yang modern mempekerjakan berbagai tingkat kedua jalan lain, sebagaimana ditentukan oleh ekonomi dari setiap situasi tertentu. Kemajuan penting terus dilakukan terhadap keandalan yang lebih besar. Tapi juga, ketergantungan yang semakin besar sedang ditempatkan pada tenaga listrik. Akibatnya, meskipun kemungkinan kegagalan menurun, toleransi yang mungkin membahayakan layanan ini juga menurun. Tapi itu sia-sia-atau setidaknya secara ekonomi dibenarkan untuk mencegah kegagalan sepenuhnya. Cepat atau lambat aturan yang dibuat sendiri semakin berkurang. Dimana hal ini terjadi akan bervariasi antara sistem dan antar bagian dari sistem, tetapi, ketika titik ini tercapai, pengeluaran lebih untuk pencegahan kegagalan dianjurkan. Hal ini jauh lebih menguntungkan, maka, untuk membiarkan kegagalan terjadi dan untuk menyediakan mengurangi efeknya.
1
Jenis kegagalan listrik yang menyebabkan kekhawatiran terbesar adalah hubung singkat, atau "fault" seperti yang biasa disebut, tetapi ada kondisi operasi abnormal lainnya yang khas pada unsurunsur tertentu dari sistem yang juga membutuhkan perhatian. Beberapa fitur desain dan operasi yang bertujuan untuk mencegah kegagalan listrik adalah: A. Ketentuan isolasi yang memadai. B. Koordinasi kekuatan isolasi dengan kemampuan penangkal petir. C. Penggunaan kabel overhead dengan pentanahan dan pijakan-menara berresistansi rendah. D. Desain pada kekuatan mekanik untuk mengurangi ruang lingkup, dan untuk meminimalkan kemungkinan kegagalan disebabkan oleh hewan, burung, serangga, kotoran, hujan es, dll E. Praktek operasi dan pemeliharaan yang benar. Beberapa desain fitur dan operasi untuk mengurangi dampak dari kegagalan adalah: A. Fitur yang mengurangi efek langsung dari kegagalan listrik. 1. Desain untuk membatasi besarnya arus hubung singkat.1) a. Dengan menghindari konsentrasi terlalu besar kapasitas pembangkit. b. Dengan menggunakan pembatas arus impedansi. 2. Desain untuk menahan tekanan mekanis dan pemanasan karena arus hubung singkat. 3. Waktu-delay perangkat undervoltage pada pemutus sirkuit untuk mencegah jatuh beban (dropping loads) selama dips tegangan sesaat. 4. Penetral ground-fault (kumparan Petersen). B. Fitur untuk melepaskan elemen rusak dengan cepat. 1. Rile pelindung. 2. Pemutus Circuit dengan kapasitas menginterupsi yang cukup. 3. Sekring. Fitur C. yang mengurangi hilangnya elemen rusak. 1. sirkuit alternatif. 2. Generator dan trafo cadangan berkapasitas. 3. Reclosing otomatis. D. Fitur yang beroperasi selama periode awal dari kesalahan sampai setelah perbaikan, untuk menjaga tegangan dan stabilitas. 1. Pengaturan tegangan otomatis. 2. Karakteristik stabilitas generator. E. Metode untuk mengamati pemilihan fitur sebelumnya. 1. Oscillographs otomatis. 2. Pengamatan manusia yang efisien dan penyimpanan catatan. F. Survei berkala atas perubahan sistem atau penambahan yang dibuat, untuk memastikan bahwa fitur di atas masih memadai. Dengan demikian, rile pelindung atau rile proteksi merupakan salah satu fitur dari desain sistem yang bersangkutan dengan meminimalkan kerusakan peralatan dan gangguan pada layanan ketika kegagalan listrik terjadi. Ketika kita mengatakan bahwa rile "melindungi", kita berarti bahwa, bersama-sama dengan peralatan lain, rile membantu untuk meminimalkan kerusakan dan meningkatkan pelayanan. Ini akan menjadi jelas bahwa semua fitur penanggulangan bergantung pada satu dengan yang lain untuk berhasil meminimalkan dampak kegagalan. Oleh karena itu, kemampuan dan persyaratan aplikasi peralatan rile-pelindung harus dipertimbangkan secara bersamaan dengan features2) lain. Pernyataan ini ditekankan karena kadang-kadang ada 2
kecenderungan untuk berpikir tentang peralatan pelindung-rile setelah semua pertimbangan desain lainnya sudah ditentukan tidak dapat dibatalkan. Dalam batas-batas ekonomi, sistem tenaga listrik harus dirancang sehingga diperoleh proteksi secara memadai.
FUNGSI RILE PROTEKSI Fungsi rile proteksi adalah sarana untuk menyingkirkan secara cepat layanan dari setiap elemen pada sistem tenaga ketika mengalami hubung singkat, atau ketika mulai beroperasi dengan cara abnormal yang dapat menyebabkan kerusakan atau mengganggu operasi yang efektif dari sistem lainnya. Peralatan rile dalam tugas ini dibantu dengan circuit breakers yang mampu melepaskan elemen rusak ketika mereka dikomando untuk melakukannya dengan peralatan rile. Circuit breakers umumnya diletakkan sedemikian rupa sehingga setiap generator, trafo, bus, saluran transmisi, dll, dapat terputus secara sempurna dari seluruh sistem. Pemutus sirkuit ini harus memiliki kapasitas yang memadai sehingga mereka dapat membawa arus sesaat maksimum hubung singkat yang dapat mengalir melewatinya, dan kemudian menginterupsi arus tersebut; mereka juga harus menahan keadaan yang mendekati semacam hubung singkat dan kemudian menginterupsinya sesuai standard tertentu ditentukan.3) Sekering digunakan di mana rile pelindung dan pemutus sirkuit tidak dibenarkan secara ekonomi. Meskipun fungsi utama rile pelindung adalah untuk mengurangi dampak dari hubung singkat, kondisi operasi abnormal lainnya yang muncul juga membutuhkan jasa rile pelindung. Hal ini terutama berlaku untuk generator dan motor.
Fig. 1. One-line diagram of a portion of an electric power system illustrating primary relaying.
3
Fungsi sekunder rile pelindung adalah untuk memberikan indikasi lokasi dan jenis kegagalan. Data tersebut tidak hanya membantu percepatan perbaikan, tetapi juga, dibandingkan dengan pengamatan manusia dan catatan osilograf otomatis, mereka menyediakan sarana untuk menganalisis efektivitas pencegah-kesalahan dan penanggulangan fitur termasuk rile pelindung sendiri.
PRINSIP DASAR RILE PROTEKSI Marilah kita mempertimbangkan untuk sementara hanya peralatan rile untuk perlindungan terhadap hubung singkat. Ada dua kelompok peralatan semacam salah satu yang akan kita sebut "primer" rile, dan lainnya "back-up" rile. rile utama adalah garis pertahanan pertama, sedangkan back-up rile berfungsi hanya ketika rile utama gagal. RILE UTAMA Gambar 1 menggambarkan rile utama. Pengamatan pertama adalah bahwa pemutus sirkuit ditempatkan pada koneksi ke setiap elemen listrik. Ketentuan ini memungkinkan untuk memutuskan hanya elemen rusak. Kadang-kadang, pemutus antara dua elemen yang berdekatan dapat dihilangkan, di mana kejadian kedua elemen harus diputuskan untuk kegagalan dari salah satu. Pengamatan kedua adalah bahwa, tanpa mengetahui waktu bagaimana dicapai, zona perlindungan terpisah ditetapkan di sekitar masing-masing elemen sistem. Signifikansi hal ini adalah bahwa setiap kegagalan yang terjadi dalam zona tertentu akan menyebabkan "tripping" (yaitu, pembukaan) untuk semua pemutus sirkuit dalam zona itu, dan hanya breakernya saja. Ini akan menjadi jelas bahwa, kegagalan dalam wilayah di mana dua zona pelindung yang berdekatan saling tumpang tindih, lebih lanjut breakers akan trip dari jumlah minimum yang diperlukan untuk memutuskan elemen rusak. Tapi, jika tidak ada tumpang tindih, kegagalan di suatu daerah antara zona tidak akan terletak di dalam zona kedua, dan karena itu tidak ada breaker akan trip. Tumpang tindih adalah pengurang dari dua hal buruk. Luasnya tumpang tindih yang relatif kecil, dan probabilitas kegagalan di daerah ini rendah; akibatnya, akan sangat jarang terjadi tripping terlalu banyak breaker.
Fig. 2. Overlapping adjacent protective zones on one side of a circuit breaker.
Akhirnya, akan diamati bahwa zona pelindung berdekatan pada Gambar 1. bertumpang tindih (overlap)sekitar pemutus sirkuit. Ini adalah praktek yang lebih disukai, karena untuk kegagalan di mana saja kecuali di wilayah tumpang tindih, sejumlah minimal pemutus dibutuhkan sirkuit untuk trip. Ketika menjadi harapan untuk penghematan ekonomi atau ruang, alasan tumpang tindih di satu sisi breaker seperti yang sering terjadi di switchgear bersalut-logam peralatan menyampaikan zona yang tumpang tindih breaker harus diatur untuk trip tidak hanya pemutus dalam zona-nya tetapi juga satu atau lebih pemutus dari zona yang berdekatan, dalam rangka memutuskan kesalahan (fault)tertentu. Hal ini diilustrasikan pada Gambar. 2, di mana dapat dilihat bahwa, untuk hubung singkat di X, circuit breaker zona B, termasuk pemutus C, akan trip; namun, karena hubung singkat berada di luar zona A, peralatan rile zona B juga harus men-trip breakers tertentu di zona A jika diperlukan untuk menginterupsi aliran arus hubung singkat dari zona A ke fault. Ini bukan kerugian bagi kesalahan di X, tetapi breakers yang sama di zona A tidak perlu trip untuk kesalahan lain di zona B sebelah kanan breaker C. Apakah tripping ini tidak diperlukan, objektivitas akan tergantung pada aplikasi tertentu.
4
RILE BACK-UP Back-up rile digunakan hanya untuk perlindungan terhadap hubung singkat. Karena hubung singkat adalah tipe lebih berpengaruh untuk kegagalan daya, ada lebih banyak kesempatan untuk kegagalan di rile primer pendek. Pengalaman menunjukkan bahwa back-up rile selain untuk hubung singkat tidak dapat dibenarkan secara ekonomi. Sebuah pemahaman yang jelas tentang kemungkinan penyebab kegagalan primer-rile diperlukan untuk apresiasi yang lebih baik dalam praktek-praktek yang terlibat pada rile back-up. Ketika kita mengatakan bahwa rile utama mungkin gagal, kita berarti bahwa salah satu dari beberapa hal yang mungkin terjadi untuk mencegah rile utama dari menyebabkan pemutusan dari kesalahan power-sistem. rile utama mungkin gagal karena kegagalan dalam salah satu hal berikut: A. Arus atau suplai tegangan ke rile. B. suplai DC tripping-tegangan. C. Rile pelindung. D. Rangkaian tripping atau mekanisme pemutus. E. Circuit breaker. Hal ini sangat diharapkan bahwa back-up rile diatur supaya apa pun yang mungkin menyebabkan rile utama gagal tidak akan menyebabkan kegagalan juga bagi rile back-up. Ini akan menjadi jelas bahwa persyaratan ini benar-benar dipenuhi hanya jika rile back-up ada sehingga mereka tidak menggunakan atau mengontrol kesamaan apa pun dengan rile utama yang akan didukung. Sejauh mungkin, praktek ini adalah untuk menemukan rile back-up di stasiun yang berbeda. Perhatikan, misalnya, rile back-up untuk saluran transmisi bagian EF Gambar. 3. rile backup untuk bagian baris ini biasanya diatur untuk trip breakers A, B, I, dan J. Haruskah breaker E gagal untuk trip untuk kesalahan pada baris bagian EF, breakers A dan B trip; breakers A dan B dan terkait peralatan back-up mereka, secara fisik terpisah dari peralatan yang telah gagal, tidak mungkin secara bersamaan terpengaruh mungkin terjadi jika breakers C dan D dipilih sebagai gantinya.
Fig. 3. Illustration for back-up protection of transmission line section EF.
Rile back-up di lokasi A, B, dan F menyediakan perlindungan back-up jika kesalahan terjadi pada bus gardu K. Juga, rile back-up di A dan F menyediakan perlindungan back-up untuk kesalahan di saluran DB. Dengan kata lain, zona perlindungan rile back-up meluas dalam satu arah dari lokasi rile back-up manapun dan setidaknya masing-masing elemen sistem yang berdekatan bertumpang tindih. Dimana bagian saluran yang berdekatan dengan panjang yang berbeda, rile back-up harus melampaui batas beberapa bagian saluran yang lebih daripada yang lain untuk memberikan perlindungan back-up untuk jalur terpanjang. Sebuah himpunan rile back-up akan memberikan perlindungan back-up insidental secara singkat untuk kesalahan pada rangkaian yang dikendalikan oleh breaker rile back-up. Misalnya, rile back-up yang men-trip pemutus A dari Gambar. 3 juga dapat bertindak sebagai back-up untuk kesalahan di bagian saluran AC. Namun, duplikasi perlindungan ini hanya bermanfaat insidentil dan tidak diandalkan untuk mengesampingkan pengaturan back-up konvensional ketika pengaturan tersebut memungkinkan; untuk membedakan antara keduanya, jenis ini bisa disebut "duplikat rile utama" (“duplicate primary relaying“).
5
Fungsi kedua rile back-up sering untuk memberikan perlindungan utama ketika peralatan utama-rile keluar dari layanan untuk pemeliharaan atau perbaikan. Hal ini mungkin jelas bahwa, ketika rile back-up berfungsi, bagian yang lebih besar dari sistem terputus dibanding ketika rile utama beroperasi dengan benar. Ini tidak bisa dihindari jika rile backup harus dibuat independen dalam faktor-faktor yang mungkin menyebabkan rile utama gagal. Namun, ditekankan pentingnya persyaratan kedua rile back-up, bahwa ia harus beroperasi dengan tunda waktu yang cukup sehingga rile utama akan memperoleh waktu yang cukup untuk berfungsi jika ia mampu. Dengan kata lain, ketika terjadi hubung singkat, baik rile utama dan rile back-up akan mulai beroperasi secara normal, tetapi rile utama diharapkan untuk men-trip-kan breaker-breaker yang diperlukan untuk memisahkan elemen hubung-sungkat dari sistem, dan rile back-up kemudian akan me-reset tanpa sempat menyelesaikan fungsinya. Ketika himpunan rile menyediakan proteksi back-up untuk beberapa elemen sistem yang berdekatan, rile utama yang paling lambat dari setiap elemen-elemen yang berdekatan akan menentukan tunda waktu yang dibutuhkan dari yang diberikan oleh rile back-up. Untuk banyak aplikasi, adalah mustahil untuk mematuhi prinsip pemisahan lengkap dari rile back-up. Kemudian seseorang mencoba untuk menyediakan rile back-up dari sumber lain daripada menyediakan rile utama dari elemen sistem yang bersangkutan, dan untuk trip breakers lainnya. Hal ini biasanya dapat dicapai; Namun, baterai tripping yang sama dapat digunakan bersama, untuk menghemat uang dan karena dianggap hanya berisiko kecil. Subjek ini akan dibahas secara lebih rinci dalam Bab 14. Dalam kasus ekstrim, bahkan mungkin mustahil untuk memberikan perlindungan back-up; dalam kasus tersebut, penekanan yang lebih besar ditempatkan pada kebutuhan untuk pemeliharaan yang lebih baik. Pada kenyataannya, bahkan dengan rile back-up lengkap, masih banyak yang bisa diperoleh dengan perawatan yang tepat. Ketika rile utama gagal, meskipun rile back-up berfungsi dengan baik, umumnya kurang atau lebih layanan akan menderita. Akibatnya, rile back-up bukan merupakan pengganti yang tepat untuk pemeliharaan yang baik.
PERLINDUNGAN TERHADAP KONDISI NORMAL LAINNYA Rile pelindung untuk selain hubung singkat termasuk dalam kategori rile utama. Namun, karena kondisi abnormal yang membutuhkan perlindungan yang berbeda untuk masing-masing elemen sistem, tidak ada pengaturan universal yang tumpang tindih yang digunakan oleh rile sebagai perlindungan singkat. Sebaliknya, masing-masing elemen sistem independen disediakan dengan rile apa saja yang diperlukan, dan rile ini diatur untuk men-trip pemutus rangkaian yang diperlukan yang mungkin dalam beberapa kasus berbeda dari yang di-trip oleh rile hubung singkat. Seperti disebutkan sebelumnya, rile back-up tidak bekerja karena pengalaman belum memperlihatkan untuk dibenarkan secara ekonomi. Sering, bagaimanapun, rile back-up untuk hubung singkat akan berfungsi bila kondisi abnormal lainnya terjadi yang menghasilkan arus atau tegangan abnormal, dan dengan demikian secara insidental disediakan perlindungan back-up yang singkat.
KARAKTERISTIK FUNGSIONAL DARI RILE PROTEKSI SENSITIFITAS, SELEKTIFITAS, AND KECEPATAN
"Sensitivitas", "selektivitas" dan "kecepatan" adalah istilah yang umum digunakan untuk menggambarkan karakteristik fungsional peralatan rile-pelindung. Semua dari mereka yang tersirat dalam pertimbangan di atas dalam rile back-up primer dan. Peralatan rile harus cukup sensitif sehingga akan beroperasi handal, jika diperlukan, pada kondisi yang sebenarnya yang menghasilkan kecenderungan operasi minimal. Ini harus dapat memilih antara kondisi operasi cepat yang diperlukan dan mereka yang tidak ada operasi, atau diperlukan tunda-waktu operasi. Dan itu harus beroperasi pada kecepatan yang diperlukan. Seberapa baik peralatan pelindung-rile memenuhi setiap persyaratan ini harus diketahui untuk setiap aplikasi.
6
Tujuan akhir dari rile pelindung untuk memutuskan elemen sistem rusak adalah secepat mungkin. Sensitivitas dan selektivitas sangat penting untuk menjamin bahwa pemutus sirkuit yang tepat akan trip, tapi kecepatan adalah “harga mati” ("pay-off"). Manfaat yang bisa diperoleh dari kecepatan akan dipertimbangkan kemudian. RELIABILITY Keandalan yang melekat adalah masalah desain berdasarkan pengalaman panjang, dan terlalu luas dan rinci subjek berlaku adil di sini. Hal lain dianggap sama, kesederhanaan dan ketahanan berkontribusi kehandalan, tetapi mereka bukan dari diri mereka sendiri solusi lengkap. Pengerjaan harus diperhitungkan juga. Tekanan kontak merupakan ukuran penting dalam kehandalan, tetapi bahan-bahan kontak dan ketentuan untuk mencegah kontaminasi kontak sepenuhnya sama pentingnya. Tetapi ini hanyalah beberapa dalam banyak pertimbangan desain yang bisa disebutkan.
7
