6
BAB I I
LANDASAN TEORI
2.1
Pengantar
Sistem Distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem
distribusi ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya
listrik besar sampai ke konsumen. Jadi fungsi distribusi tenaga listrik
adalah:
1. Pembagian atau penyaluran tenaga listrik ke beberapa tempat (pelanggan) 2. Merupakan sub sistem tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan pelanggan, karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani langsung melalui jaringan distribusi. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik besar dengan tegangan dari 11 kV sampai 24 kV dinaikan tegangannya oleh gardu induk dengan transformator penaik tegangan menjadi 70 kV ,154kV, 220kV atau 500kV kemudian disalurkan melalui saluran transmisi. Tujuan menaikkan tegangan ialah untuk memperkecil kerugian daya listrik pada saluran transmisi, dimana dalam hal ini kerugian daya adalah sebanding dengan kuadrat arus yang mengalir (I R). Dengan daya yang sama bila nilai tegangannya diperbesar, maka arus yang mengalir semakin kecil sehingga kerugian daya juga akan kecil pula. Dari saluran transmisi, tegangan diturunkan lagi menjadi 20 kV dengan transformator penurun tegangan pada gardu induk distribusi, kemudian dengan sistem tegangan tersebut penyaluran tenaga listrik dilakukan oleh saluran distribusi primer. Dari saluran distribusi primer inilah gardu-gardu distribusi mengambil tegangan untuk diturunkan tegangannya dengan trafo distribusi menjadi sistem tegangan rendah, yaitu 220/380 Volt. Selanjutnya disalurkan oleh saluran distribusi sekunder ke
6
7
konsumen-konsumen. Dengan ini jelas bahwa sistem distribusi
merupakan bagian yang penting dalam sistem tenaga listrik secara
keseluruhan.
Pada sistem penyaluran daya jarak jauh, selalu digunakan tegangan
setinggi mungkin, dengan menggunakan trafo-trafo step-up. Nilai
tegangan yang sangat tinggi ini (HV,UHV,EHV) menimbulkan beberapa
konsekuensi antara lain: berbahaya bagi lingkungan dan mahalnya harga perlengkapan-perlengkapannya, selain menjadi tidak cocok dengan nilai tegangan yang dibutuhkan pada sisi beban. Maka, pada daerah-daerah
pusat beban tegangan saluran yang tinggi ini diturunkan kembali dengan menggunakan trafo-trafo step-down. Akibatnya, bila ditinjau nilai tegangannya, maka mulai dari titik sumber hingga di titik beban, terdapat bagian-bagian saluran yang memiliki nilai tegangan berbeda-beda.
Gambar 2.1 Penyaluran Tenaga Listrik [5]
8
Untuk kemudahan dan penyederhanaan, lalu diadakan pembagian
serta pembatasan - pembatasan seperti pada Gambar diatas:
Daerah I : Bagian pembangkitan (Generation)
Daerah II : Bagian penyaluran (Transmission), bertegangan tinggi (HV,UHV,EHV)
Daerah III: Bagian Distribusi Primer, bertegangan menengah (6 atau
20kV).
Daerah IV: (Di dalam bangunan pada beban/konsumen), Instalasi,
bertegangan rendah. Berdasarkan pembatasan-pembatasan tersebut, maka diketahui bahwa
porsi materi Sistem Distribusi adalah Daerah III dan IV, yang pada dasarnya dapat dikelasifikasikan menurut beberapa cara, bergantung dari segi apa klasifikasi itu dibuat. Dengan demikian ruang lingkup Jaringan Distribusi adalah: a. SUTM, terdiri dari : Tiang dan peralatan kelengkapannya, konduktor dan peralatan perlengkapannya, serta peralatan pengaman dan pemutus. b. SKTM, terdiri dari : Kabel tanah, indoor dan outdoor termination dan lain-lain. c. Gardu trafo, terdiri dari : Transformator, tiang, pondasi tiang, rangka tempat trafo, LV panel, pipa-pipa pelindung, Arrester, kabel-kabel, transformer band, peralatan grounding, dan lain-lain. d. SUTR dan SKTR, terdiri dari : sama dengan perlengkapan / material pada SUTM dan SKTM. Yang membedakan hanya dimensinya. 2.2
Klasifikasi Saluran Distribusi Tenaga Listrik Secara umum, saluran tenaga Listrik atau saluran distribusi dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1
Menurut nilai tegangannya: a. Saluran distribusi Primer, Terletak pada sisi primer trafo distribusi, yaitu antara titik Sekunder trafo substation (Gardu Induk) dengan titik primer trafo distribusi. Saluran ini bertegangan menengah 20 kV.
9
Jaringan listrik 70 kV atau 150 kV, jika langsung melayani pelanggan,
bisa disebut jaringan distribusi.
b. Saluran Distribusi Sekunder, Terletak pada sisi sekunder trafo
distribusi, yaitu antara titik sekunder dengan titik cabang menuju beban
2
Menurut bentuk tegangannya: a. Saluran Distribusi DC (Direct Current) menggunakan sistem tegangan
searah.
b. Saluran Distribusi AC (Alternating Current) menggunakan sistem tegangan bolak-balik.
3
Menurut jenis/tipe konduktornya: a. Saluran udara, dipasang pada udara terbuka dengan bantuan penyangga (tiang) dan perlengkapannya, dan dibedakan atas: Saluran kawat udara, bila konduktornya telanjang, tanpa isolasi pembungkus. Saluran kabel udara, bila konduktornya terbungkus isolasi. b. Saluran Bawah Tanah, dipasang di dalam tanah, dengan menggunakan kabel tanah (ground cable). c. Saluran Bawah Laut, dipasang di dasar laut dengan menggunakan kabel laut (submarine cable).
4
Menurut susunan (konfigurasi) salurannya: a. Saluran Konfigurasi horizontal, bila saluran fasa terhadap fasa yang lain/terhadap netral, atau saluran positif terhadap negatif (pada sistem DC) membentuk garis horisontal. b. Saluran
Konfigurasi
Vertikal,
bila
saluran-saluran
tersebut
membentuk garis vertikal c. Saluran konfigurasi Delta, bila kedudukan saluran satu sama lain membentuk suatu segitiga (delta).
10
5
Menurut Susunan Rangkaiannya Dari uraian diatas telah disinggung bahwa sistem distribusi di bedakan
menjadi dua yaitu sistem distribusi primer dan sistem distribusi sekunder. a. Jaringan Sistem Distribusi Primer Sistem distribusi primer digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik
dari gardu induk distribusi ke pusat-pusat beban. Sistem ini dapat
menggunakan saluran udara, kabel udara, maupun kabel tanah sesuai
dengan tingkat keandalan yang diinginkan dan kondisi serta situasi lingkungan. Saluran distribusi ini direntangkan sepanjang daerah yang akan di suplai tenaga listrik sampai ke pusat beban. Terdapat bermacam-macam bentuk rangkaian jaringan distribusi primer, yaitu:
Jaringan Distribusi Radial, dengan model: Radial tipe pohon, Radial dengan tie dan switch pemisah, Radial dengan pusat beban dan Radial dengan pembagian phase area.
Jaringan distribusi ring (loop), dengan model: Bentuk open loop dan bentuk Close loop.
Jaringan distribusi Jaring-jaring (NET)
Jaringan distribusi spindle
Saluran Radial Interkoneksi
b. Jaringan Sistem Distribusi Sekunder Sistem distribusi sekunder digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik dari gardu distribusi ke beban-beban yang ada di konsumen. Pada sistem distribusi sekunder bentuk saluran yang paling banyak digunakan ialah sistem radial. Sistem ini dapat menggunakan kabel yang berisolasi maupun konduktor tanpa isolasi. Sistem ini biasanya disebut sistem tegangan rendah yang langsung akan dihubungkan kepada konsumen/pemakai tenaga listrik dengan melalui peralatanperalatan sbb:
Papan pembagi pada trafo distribusi.
Hantaran tegangan rendah (saluran distribusi sekunder).
11
Saluran Layanan Pelanggan (SLP) (ke konsumen/pemakai).
Alat Pembatas dan pengukur daya (kWh meter) serta fuse atau pengaman pada pelanggan.
Gambar 2.2 Komponen Sistem Distribusi [5]
Sistem proteksi harus bekerja mengamankan peralatan yang berada di dalam sistem tenaga listrik pada saat terjadinya suatu gangguan. Peralatan proteksi merupakan peralatan yang mengidentifikasi gangguan dan memisahkan bagian jaringan yang terganggu dari bagian lain yang tidak terganggu serta mengamankan bagian yang tidak terganggu dari kerusakan atau kerugian yang lebih besar. Bila ditinjau dari segi lamanya waktu gangguan pada sistem tenaga listrik ada yang bersifat temporer (gangguan sementara) dan ada juga yang bersifat permanen (gangguan stationer). Untuk gangguan temporer (gangguan sementara) ditandai dengan normalnya kerja dari PMT setelah dimasukkan kembali. Sedangkan gangguan permanen (gangguan stationer) ditandai dengan jatuhnya PMT setelah dimasukkan kembali, biasanya dilakukan hingga tiga kali. Pada gangguan permanen, PMT dapat bekerja normal kembali setelah gangguan tersebut dapat diatasi. Sedangkan gangguan yang bersifat temporer, penyebab gangguan akan hilang dengan sendirinya setelah PMT jatuh atau trip. Untuk gangguan permanen terjadi dikarenakan adanya kerusakan pada sistem tenaga listrik, sehingga gangguan in baru bisa diatasi setelah kerusakan pada peralatan tersebut sudah diperbaiki.
12
2.3
Faktor Penyebab Gangguan Gangguan hubung singkat pada jaringan listrik, dapat terjadi antara
phasa dengan phasa (2 phasa atau 3 phasa) dan gangguan antara phasa ke tanah. Timbulnya gangguan bisa bersifat temporer (non persistant) dan gangguan yang bersifat permanent (persistant).
Gangguan yang bersifat temporer, timbulnya gangguan bersifat
sementara, sehingga tidak memerlukan tindakan. Gangguan tersebut akan
hilang dengan sendirinya dan jaringan listrik akan bekerja normal kembali. Jenis gangguan ini ialah timbulnya flashover antar penghantar dan tanah (tiang, traverse atau kawat tanah) karena sambaran petir, flashover dengan pohon-pohon, dan lain sebagainya. Gangguan yang bersifat permanent (persistant), yaitu gangguan yang bersifat tetap. Agar jaringan dapat berfungsi kembali, maka perlu dilaksanakan perbaikan dengan cara menghilangkan gangguan tersebut. Gangguan ini akan menyebabkan terjadinya pemadaman tetap pada jaringan listrik dan pada titik gangguan akan terjadi kerusakan yang permanen. Contoh: menurunnya kemampuan isolasi padat atau minyak trafo. Di sini akan menyebabkan kerusakan permanen pada trafo, sehingga untuk dapat beroperasi kembali harus dilakukan perbaikan. Faktor-faktor yang dapat menyebabkan terjadinya gangguan pada sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik antara lain : a.
Surja Petir Mengingat saluran transmisi dan distribusi tersebar luas dan panjang membentang serta beroperasi pada kondisi tempat yang cuacanya berbeda-beda,
maka
kemungkinan
terjadinya
gangguan
yang
disebabkan oleh petir besar sekali, terutama pada musim hujan. Gangguan yang disebabkan oleh petir ini sangat berbahaya karena dapat merusak isolasi peralatan. b.
Surja Hubung Yang dimaksud dengan surja hubung adalah kenaikan tegangan pada saat dilangsungkan pemutusan arus oleh PMT. Kenaikan tegangan
13
yang disebabkan oleh adanya gangguan surja hubung ini dapat
merusak isolasi peralatan.
c.
Polusi Debu Debu-debu yang menempel pada isolator, bila udara lembab maka debu tersebut merupakan konduktor yang dapat menyebabkan
terjadinya loncatan bunga api yang pada akhirnya dapat menyebabkan
gangguan hubung singkat phasa ke tanah.
d.
Adanya pohon-pohon yang tidak terawat Pohon-pohon yang dekat dengan saluran transmisi dan distribusi bila tidak terawat dan rantingnya masuk ke daerah bebas saluran transmisi
dan distribusi, hal ini dapat mengakibatkan terjadinya gangguan hubung singkat phasa ke tanah. e.
Isolator yang rusak Isolator yang rusak karena sambaran petir atau karena usia yang sudah tua bisa menyebabkan terjadinya gangguan hubung singkat antar phasa atau gangguan hubung singkatan dari phasa ke tanah.
f.
Daun-daun/sampah yang menempel pada isolator Daun-daun/sampah yang terbang terbawa angin dan kemudian menempel pada isolator akan mengakibatkan jarak bebas berkurang sehingga dapat mengakibatkan terjadinya loncatan bunga api. Hal ini bisa mengakibatkan terjadinya gangguan hubung singkat antar phasa atau gangguan hubung singkat dari phasa ke tanah.
g.
Angin kencang Terjadinya angin kencang, sehingga menimbulkan gesekan pohon dengan jaringan listrik.
h.
Kesadaran masyarakat yang kurang Misalnya bermain layang-layang dengan menggunakan benang yang bisa dilalui aliran listrik. Ini sangat berbahaya jika benang tersebut mengenai jaringan listrik.
14
i.
Kualitas peralatan atau material yang kurang baik Misalnya pada JTR yang memakai Twested Cable dengan mutu yang
kurang baik, sehingga isolasinya mempunyai tegangan tembus yang
rendah, mudah mengelupas dan tidak tahan panas. Hal ini juga akan menyebabkan hubung singkat antar phasa.
j.
Pemasangan jaringan yang kurang baik Pemasangan konektor pada JTR yang memakai TC, apabila
pemasangannya kurang baik akan menyebabkan timbulnya bunga api
dan akan menyebabkan kerusakan phasa yang lainnya. Akibatnya akan terjadi hubung singkat.
k.
Terjadinya hujan, adanya sambaran petir, karena terkena galian (kabel tanah), umur jaringan (kabel tanah) sudah tua yang mengakibatkan pengelupasan
isolasi dan
menyebabkan
hubung
singkat
dan
sebagainya. 2.4
Relai Pengaman Relai pengaman adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi adanya suatu gangguan atau merasakan adanya kondisi tidak normal yang mungkin terjadi pada peralatan atau bagian sistem tenaga listrik. Relai proteksi dapat mendeteksi adanya gangguan pada peralatan yang diamankan dengan mengukur besaran-besaran listrik yang diterimanya dan membandingkan antara besaran pada saat kondisi normal dengan besaran pada saat kondisi gangguan. Besaran-besaran yang berubah harganya pada kondisi gangguan tersebut misalnya arus, tegangan, daya, sudut fasa, impedansi, frekuensi, dan lain sebagainya. Relai secara otomatis akan membuka pemutus tenaga (PMT) untuk memisahkan peralatan atau bagian dari sistem yang terganggu dan memberikan isyarat berupa lampu dan alarm (bel) yang menandakan pada sistem telah terjadi gangguan.
15
2.4.1 Fungsi Relai Pengaman
Dari uraian di atas, dapat disimpulkan bahwa relai proteksi mempunyai fungsi sebagai berikut : a. Merasakan, mengukur, dan menentukan bagian sistem yang
terganggu serta memisahkan secepatnya, sehingga sistem lainnya
yang tidak terganggu dapat beroperasi secara normal.
b. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu. c. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem lain yang tidak terganggu di dalam sistem tersebut serta mencegah meluasnya gangguan. d. Memperkecil bahaya bagi manusia atau operator. e. Menunjukan lokasi dan macam gangguan.
2.4.2 Persyaratan Relai Proteksi Relai proteksi dirancang untuk dapat merasakan atau mengukur adanya gangguan pada bagian suatu sistem tenaga listrik yang kemudian secara otomatis akan membuka Pemutus Tenaga. Relai proteksi harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : 1. Dapat diandalkan ( Reliable ) Dalam keadaan normal (tidak ada gangguan) relai tidak boleh bekerja. Tetapi bila suatu saat terjadi gangguan yang mengharuskan relai bekerja, maka relai tidak boleh gagal bekerja untuk mengatasi gangguan tersebut. Kegagalan kerja relai dapat mengakibatkan kerusakan yang berat bagi alat atau sistem yang diamankan atau gangguan menjadi meluas sehingga daerah yang mengalami pemadaman akan meluas. Disamping itu relai tidak boleh salah bekerja, sehingga menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya ataupun menyulitkan analisa gangguan yang terjadi. Dalam hal ini yang harus dapat diandalkan tidak hanya relainya sendiri tetapi mulai
16
dari trafo arus, trafo tegangan serta rangkaiannya, baterai serta
pemutus tenaganya.
2. Selektif Relai bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem dalam daerah pengamannya. Letak PMT (Pemutus Tenaga) sedemikian
rupa sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisahkan. Maka
tugas relai adalah mendeteksi adanya gangguan yang terjadi pada
daerah pengamanannya dan memberi perintah untuk membuka PMT (Pemutus Tenaga) untuk memisahkan bagian dari sistem pada daerah yang terganggu. Dengan demikian bagian sistem lainnya yang tidak terganggu jangan sampai dilepas, dan masih beroperasi normal sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan. Dengan kata lain pengamanan dinyatakan selektif bila relai dan PMT (Pemutus Tenaga) yang bekerja hanyalah pada daerah yang terganggu saja. 3. Waktu kerja relai cepat Relai pengaman harus dapat bekerja dengan cepat segera setelah merasakan adanya gangguan pada sistem guna mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan atau bagian sistem yang terganggu. 4. Peka Relai pengaman harus cepat merasakan adanya arus gangguan yang melebihi arus settingnya. Relai dikatakan peka (sensitif) apabila dapat bekerja dengan masukan dari besaran yang dideteksi kecil. Jadi relai dapat bekerja pada awal kejadian gangguan atau dengan kata lain gangguan dapat diatasi pada awal kejadian. Hal ini memberi keuntungan dimana kerusakan peralatan yang diamankan akibat gangguan menjadi kecil. Namun demikian relai harus stabil, yang artinya relai harus dapat membedakan antara arus gangguan dan arus beban maksimum.
17
5. Ekonomis dan sederhana
Penggunaan
relai
pengaman
harus
dipertimbangkan
sisi
ekonomisnya tanpa mempengaruhi fungsi relai tersebut.
2.5
Prinsip Kerja Transformator
Transformator merupakan suatu alat
listrik statis yang dapat
memindahkan dan mengubah energi listrik bolak – balik ( arus dan
tegangan) dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan nilai yang sama maupun berbeda besarnya (lebih kecil atau lebih
besar) pada frekuensi yang sama, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Pada umumnya transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis, dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer, dan kumparan sekunder. Rasio perubahan tegangan akan bergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan itu. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit seputar “kaki” inti transformator. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi. Pada dasarnya prinsip kerja transformator adalah berdasarkan hukum Ampere dan hukum Faraday, yaitu: arus listrik dapat menimbulkan medan magnet dan sebaliknya medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Jika pada salah satu kumparan pada transformator diberi arus bolak-balik maka jumlah garis gaya magnet berubah-ubah. Akibatnya pada sisi primer terjadi induksi. Sisi sekunder menerima garis gaya magnet dari sisi primer yang jumlahnya berubah-ubah pula. Maka di sisi sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara dua ujung terdapat beda tegangan [1].
18
∅
e=-N
=-N
{∅
ω}
= - N ω∅m Cos ωt
= 2π f N ∅m ................................................................
(2.1)
Harga efektif dari tegangan induksi adalah [1] :
Eeff = 2.6
√
=
∅ √
= 4,44 f N∅m (volt)................
(2.2)
Perhitungan Arus Beban Penuh pada Transformatur Daya transformator bila ditinjau dari sisi tegangan tinggi (primer) dapat dirumuskan sebagai berikut [2]: = √3 .
. ..............................................................
(2.3)
Dimana : S = daya transformator (kVA) V= tegangan sisi primer trafo (kV) I = arus jala-jala (A) Sehingga untuk menghitung arus beban penuh (full load) dapat menggunakan rumus [2] : =
√ .
................................................................
Dimana : IFL
: arus beban penuh (A)
S
: daya transformator (kVA)
V
: tegangan sisi sekunder trafo (kV)
(2.4)
19
2.7
Losses (rugi-rugi) Akibat Adanya Arus Netral Pada Penghantar Transformator
Sebagai akibat dari ketidakseimbangan beban antara tiap-tiap phasa pada sisi sekunder transformator (phasa R, phasa S, phasa T) mengalirlah
arus netral transformator. Arus yang mengalir pada penghantar netral
transformator ini menyebabkan losses (rugi-rugi). Losses pada penghantar netral transformator ini dapat dirumuskan sebagai berikut
[2]
PN = IN2.RN ..............................................................
: (2.5)
dimana : PN
: losses pada penghantar netral transformator (watt)
IN
: arus yang mengalir pada netral transformator (A)
RN
: tahanan penghantar netral transformator (Ω)
Sedangkan losses yang diakibatkan karena arus netral yang mengalir ke tanah (ground) dapat dengan perumusan sebagai berikut [2] : PG = IG .RG ..............................................................
(2.6)
PG
: losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah (watt)
IG
: arus netral yang mengalir ke tanah (A)
RG
: tahanan pembumian netral transformator (Ω)
20
2.8
Sistem 3 Fasa Seimbang Pada sistem tenaga listrik 3 phasa, idealnya daya listrik yang
dibangkitkan, disalurkan dan diserap oleh beban semuanya seimbang, P
pembangkitan = P pemakain, dan juga pada tegangan yang seimbang. Pada
tegangan yang seimbang terdiri dari tegangan 1 phasa yang mempunyai
magnitude dan frekuensi yang sama tetapi antara 1 phasa dengan yang
lainnya mempunyai beda phasa sebesar 120° listrik, sedangkan secara fisik
mempunyai perbedaan sebesar 60°, dan dapat dihubungkan secara bintang
(Y) atau segitiga (delta, Δ, D).
Gambar 2.3 Sistem 3 Phasa [7]
Gambar diatas menunjukkan fasor diagram dari tegangan phasa. Bila fasor-fasor tegangan tersebut berputar dengan kecepatan sudut dan dengan arah berlawanan jarum jam (arah positif), maka nilai maksimum positif dari phasa terjadi berturut-turut untuk phasa V1, V2 dan V3. Sistem 3 phasa ini dikenal sebagai sistem yang mempunyai urutan phasa a – b – c . Sistem tegangan 3 phasa dibangkitkan oleh generator sinkron 3 phasa.
21
2.8.1 Hubungan Segitiga
Pada hubungan segitiga (delta, Δ) ketiga phasa saling dihubungkan
sehingga membentuk hubungan segitiga 3 phasa.
Gambar 2.4 Hubungan Segitiga (Δ) [6]
Dengan tidak adanya titik netral, maka besarnya tegangan saluran dihitung antar phasa, karena tegangan saluran dan tegangan phasa mempunyai besar magnitude yang sama, maka: Vline = Vphasa Tetapi arus saluran dan arus phasa tidak sama dan hubungan antara kedua arus tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan hukum kirchoff, sehingga [6] : Iline = √3 Iphasa = 1,73 Iphasa ........................
(2.7)
2.8.2 Hubungan Bintang Pada hubungan bintang (Y), ujung-ujung tiap phasa dihubungkan menjadi satu dan menjadi titik netral atau titik bintang. Tegangan antara dua terminal dari tiga terminal a – b – c mempunyai besar magnitude dan beda phasa yang berbeda dengan tegangan tiap terminal terhadapa titik netral. Tegangan Va, Vb dan Vc disebut tegangan “phasa” atau Vf.
22
Gambar 2.5 Hubungan Bintang (Y) [6]
Dengan adanya saluran / titik netral maka besaran tegangan phasa dihitung terhadap saluran / titik netralnya, juga membentuk sistem tegangan 3 phasa yang seimbang dengan magnitudenya (akar 3 dikali magnitude dari tegangan phasa) [6]. Vline = √3 Vphasa = 1,73 Vphasa. ........................
(2.8)
Sedangkan untuk arus yang mengalir pada semua phasa mempunyai nilai yang sama [6], Iline = Iphasa Ia = Ib = Ic ........................................................
2.9
(2.9)
Sistem 3 Fasa Tidak Seimbang Pada sistem yang tidak seimbang, arus
setiap komponen dapat
memberikan kenaikan arus atau tegangan urutan komponen yang lain. Suplai dari sumber tegangan dan arus pada phasa banyak selalu di desain pada sistem seimbang, dalam hal ini, maka keadaan sistem tidak seimbang terjadi karena adanya beban atau impedansi yang tidak seimbang yang harus dipikul oleh sistem suplai tersebut.
23
Gambar 2.6 Vektor Diagram Arus [3]
Gambar 2.6 (a) menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (IN). Sedangkan pada Gambar 2.6 (b) menunjukkan vektor diagram arus yang tidak seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT) tidak sama dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus netral (IN) yang besarnya bergantung dari seberapa besar faktor ketidakseimbangannya.
2.9.1 Beban 3 Phasa Tidak Seimbang Hubungan Bintang Terdapat dua macam hubungan bintang pada sistem phasa banyak, yaitu : 2.9.1.1 Dengan Saluran Netral Beban tidak seimbang hubungan bintang dengan saluran netral merupakan yang paling mudah analisisnya, karena sistem ini dapat dirinci menjadi beban tiap phasa yang disuplai oleh tegangan antara phasa dan netralnya. Sistem ini pada suplai tiga phasa disebut juga sistem 4 kawat. Pada hubungan bintang empat kawat beban tak seimbang, penghantar netral akan
24
mengalirkan arus dan tegangan pada masing-masing beban
impedansi sama dengan tegangan line ke netral. Arus line tidak
sama dan tidak akan mempunyai perbedaan phasa 120o.
Ir
Za
In
Is
Zb
Zc
It
Gambar 2.7 Beban Hubungan Bintang 4 Kawat Tidak Seimbang [6]
2.9.1.2 Tanpa Saluran Netral Pada beban sistem hubungan bintang tanpa saluran netral, maka titik netral akan mengambang yang menyebabkan perubahan tegangan titik netral tegangan akan bergeser, suatu hal yang tidak dikehendaki. Ir
Za
Is
Zb
Zc
It Gambar 2.8 Beban Hubungan Bintang 3 Kawat Tidak Seimbang [6]
25
2.9.2
Beban 3 Phasa Tidak Seimbang Hubungan Segitiga Beban 3 phasa tidak seimbang hubungan segitiga ditunjukan oleh
gambar dibawah ini:
Gambar 2.9 Beban Hubungan Delta Tidak Seimbang [6]
2.10
Arus Netral Karena Beban Tidak Seimbang Arus netral dalam sistem distribusi tenaga listrik dikenal sebagai arus yang mengalir pada kawat netral di sistem distribusi tegangan rendah 3 phasa 4 kawat. Arus netral ini akan muncul jika kondisi beban tidak seimbang atau karena adanya arus harmonisa akibat dari beban non linear yang semakin berkembang digunakan saat ini. Arus yang mengalir pada kawat netral yang merupakan arus balik untuk sistem distribusi 3 phasa 4 kawat adalah penjumlahan vektor dari ketiga arus phasa dalam komponen simetris. Pada kondisi beban tak seimbang, perhitungan nilai arus netral dapat diketahui melalui metode komponen simetris. Dengan menggunakan notasi-notasi yang sama seperti pada tegangan akan didapatkan persamaan-persamaan untuk arus-arus phasanya sebagai berikut [3] :
Ia = I1 + I2 + I0 ..........................................................
(2.10)
Ib = a² I1 + a I2 + I0 ...................................................
(2.11)
Ic = a I1 + a² I2 + I0 ...................................................
(2.12)
26
Dengan tiga langkah yang telah dijabarkan dalam menentukan tegangan
urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol terdahulu, maka arus-arus
urutan juga dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga kita dapatkan juga [3] : I1 = 1/3 ( Ia + a Ib + a² Ic ) ..................................................
(2.13)
I2 = 1/3 ( Ia + a² Ib + a Ic ) ..................................................
(2.14)
I0 = 1/3 ( Ia + Ib + Ic ) ........................................................
(2.15)
Disini terlihat bahwa arus urutan nol (I0) adalah merupakan sepertiga dari arus netral atau arus baliknya akan menjadi nol jika dalam sistem tiga phasa empat kawat. Dalam sistem tiga phasa empat kawat ini jumlah arus saluran sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral, jadi [3] : Ia + Ib + Ic = IN .................................................................
(2.16)
Dengan mensubstitusikan persamaan 2.15 ke 2.16 diperoleh IN = 3I0 ..............................................................................
(2.17)
Dalam sistem tiga phasa empat kawat ini jumlah arus saluran sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral. Jika arus-arus phasanya seimbang maka arus netralnya akan bernilai nol, tapi jika arusarus phasanya tidak seimbang akibat pembebanan yang tak seimbang, maka akan ada arus yang mengalir dikawat netral sistem ( arus netral akan mempunyai nilai dalam arti tidak nol ).
27
2.11
Standard Ketidakseimbangan Beban (IEEE std 446 – 1980) Berikut ini adalah standar atau batas toleransi ketidakseimbangan beban
2.12
Karakteristik Relai Arus Waktu Berdasarkan karakteristik arus terhadap waktu kerja, relai arus lebih terbagi atas beberapa jenis, antara lain:
2.12.1
Relai
Arus
Lebih
Karakteristik
Waktu
Sesaat/Moment
(Instantaneous). Adalah relai yang bekerja seketika. Setiap arus pick-up, maka relai akan langsung memberi perintah pada CB untuk memutus sirkit pada saat itu juga. Biasanya relai ini dipakai bersama dengan relai arus lebih karakteristik lainnya, misalnya relai arus lebih karakteristik waktu terbalik. Keuntungan pemakaian relai seketika akan tampak jelas pada saluran panjang atau trafo daya, yang disuplai oleh pembangkitan yang besar. Untuk gangguan didekat relai, dimana arus
28
gangguan sangat besar, waktu pemutusannya akan seketika, sehingga
peralatan yang dilindungi menjadi aman dari kerusakan
t
I
I(Ampere) Im
Gambar 2.10 Karakteristik Relai Arus Lebih Waktu Seketika (Instantaneous) [6]
2.12.2
Relai Arus Lebih Karakteristik Waktu Tertentu (Definite Time) Karakteristik arus waktu definite time (waktu tertentu) waktu pemutusannya tetap, besar arus gangguan tidak mempengaruhi kecepatan pemutusan. Sehingga relai jenis ini cocok dipakai pada sistem tenaga listrik yang arus gangguannya sangat bervariasi akibat perubahan kapasitas pembangkitan. Selain itu pula relai ini sangat baik digunakan pada jaringan yang panjang, dimana gangguan pada seksi tersebut baik diujung maupun dipangkalnya, diamankan dengan waktu kerja yang tetap, tetapi relai jenis ini tidak cocok dipakai pada jaringan
yang
dikoordinasikan
mempunyai dengan
seksi
baik,
didepannya,
maka
relai
karena
didekat
bila
sumber
pembangkit/trafo daya akan memiliki waktu kerja relai yang sama, padahal arus gangguannya semakin besar.
29
Gambar 2.11 Karakteristik Relai Arus Lebih Waktu Tertentu (Definite Time) [6]
2.12.3
Relai Arus Lebih Karakteristik Waktu Terbalik (Invers Time) Adalah relai arus lebih yang mempunyai elemen pengukur waktu dependent terhadap arus yang dideteksi. Besarnya waktu kerja relai berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan yang dideteksi, makin besar arus gangguan, maka makin cepat waktu kerja relai dan sebaliknya.
Gambar 2.12 Karakteristik Relai Arus Lebih Waktu Terbalik (Inverse Time) [6]
30
Gambar 2.13 Kurva karakteristik waktu IEC
31
2.13
Konstruksi Relai Arus Lebih OCR & GFR tipe ABB SPAM 150C
Gambar 2.14 Konstruksi Relai Arus Lebih tipe ABB SPAM 150C [4]
Keterangan :
1. Phasa R
25. Arus Netral
2. current transformer In = 5 A
26. Rating Arus 5 A
3. current transformer In = 1 A
27. Rating Arus 1 A
4. Phasa S
61. Auxiliary tegangan ( + )
5. current transformer In = 5 A
61. Auxiliary tegangan ( - )
6. current transformer In = 1 A
70. Internal Relay Fault signal NC
7. Phasa T
71,72. Internal Relay Fault signal NO
8. current transformer In = 5 A
74,75. Output Relay ke CB
9. current transformer In = 1 A
77,78. Indikator keadaan Overload
10,11 control input
80,81. Prior Alarm Signal 2
63. grounding
65,66. Trip output Relai
32
2.14
Perhitungan Pengaturan Relai Pengaturan relai digunakan untuk menyelaraskan simulasi yang sudah dibuat untuk diterapkan dalam kehidupan sehari-hari artinya
digunakan.
diterapkan dijaringan ataupun suatu sistem yang melibatkan relai ini
Setelah mengetahui besaran atau nilai beban dari simulator beban
yang sudah kita atur sesuai dengan kebutuhan pengujian, dari situ kita
dapat mengitung untuk pengaturan atau setting dari relai tersebut agar bekerja. Untuk setting karakteristik GFR [4] : I0 = 100% . In ......................................................
(2.18)
In = 1 A I0 = Pengaturan arus untuk proteksi unit earth-faulth dalam persen dari relai ratting arus In Untuk Pengaturan GFR pada ketidakseimbangan beban [4] : I0 = 5 % . In ..............................................................
(2.19)
Alasan pengaturan GFR menggunakan 5% karena setelah dihitung perser ketidakseimbangan suatu sistem ternyata hasil dari nilai tersebut mencapai hasil 6,6 %. Nilai tersebut melebihi ketidakseimbangan arus dalam peraturan IEEE std 446 – 1980. Dalam peraturan tersebut ratting load unbalance 5 – 20 %.
Rata – rata ketidakseimbangan (%) [2] :
=
{|
| |
| |
|}
...................................... (2.20)
33
Tabel 2.1 Indikator Operasi
Indikasi
Keterangan
1.
= level thermal telah melampauai set level prior
alaram
2.
3.
= restart termal menjaga tingkat berlebih
waktu start up atau mencegah sinyal ekternal aktif 4. 5. 6.
7. 8. 9.
= unit termal sudah terputus
= setting tripping arus lebih = Ketidakseimbangan / salah urutan fase trip
= proteksi bagian unit utama terputus = gangguan ke tanah trip = undercurrent trip
= trip eksternal sudah dilakukan
34
2.15
Petunjuk Pemograman Relai Tabel 2.2 Contoh cara mensetting relai
No
1
Langkah-langkah
Gambar
Tekan tombol ”STEP” berulang kali sampai RESET ke lampu LED pada simnol I> menyala, kemudian nilai arus start akan tertera di STEP display
2
Tekan tombol “PROGRAM” lebih dari satu PROGRAM detik kemudian lepas, untuk memasuki sub menu dari I>. Muncul angka 1 berwarna merah yang berkedip-kedip. Ini menunjukan posisi sub menu pertama, dan tiga angka warna hijau menunjukan nilainya.
3
Untuk mengubah nilai setelan sub menu PROGRAM pertama tersebut, tekan tombol “PROGRAM” kemnbali selama 5 detik, sampai semua berkedip
4
Tekan tombol “PROGRAM” selama 1 detik, PROGRAM untuk mengubah nilai setting paling kanan.
5
Nilai tersebut bisa diganti dengan menekan PROGRAM tombol “RESET/STEP” sampai ke nilai yang diinginkan.
35
6
Tekan tombol “PROGRAM” mengubah nilai nilai berikutnya.
,
untuk PROGRAM
7
Ubah nilai tersebut ke nilai yang diinginkan, PROGRAM dengan menekan tombol “RESET/STEP”
8 Tekan tombol “PROGRAM” kembali, sampai PROGRAM angka warna hijau paling kiri berkedip.
9
Ubah ke nilai yang diinginkan dengan RESET/ STEP menekan tombol “RESET/STEP”
10
Tekan “PROGRAM” kembali, mengedipkan titik maksimal.
11
Jika perlu, pindahkan titik desimal ke nilai RESET yang diinginkan dengan menekan STEP tombol”STEP”.
untuk PROGRAM
36
12
Tekan tombol “PROGRAM” untuk membuat PROGRAM semua angka berkedip. Pada posisi ini, kita bisa melihat nilai yang baru sebelum di save. Jika ingin mengubah nilainya, tekan tombol “PROGRAM”
13
Jika nilai yang telah kita masukan benar, tekan tombol “RESET/STEP” dan “PROGRAM” secara bersamaan. Dengan cara ini berarti nilai setting pada sub menu telah di save.
RESET STEP
14
Apabila tidak ingin memasukkan nilai yang PROGRAM baru pada salah satu sub menu tersebut, hanya tinggal menekan tombol “PROGRAM” selama 5 detik.
15
Jika ingin mengubah nilai setelan pada sub RESET menu kedua dari I>, tekan “STEP” selama 1 STEP detik, lalu angka 1 warna merah akan digantikan dengan 2.
37
2.16
Setting Relai Nilai pengaturan ditunjukkan oleh tiga digit paling kanan pada layar.
Indikator dekat dengan simbol nilai pengaturan yang menunjukkan kelompok
pengaturan nilai saat ini ditunjukkan pada layar. Tabel 2.3 Pengaturan Relai
Setting
Parameter
Setting range
Motor beban penuh arus Iɵ sebagai
kelipatan dari relay ratting arus In. Tripping
akan dilakukan jika arus melebihi nilai yang ditetapkan lebih dari 5% dengan nilai yang lama.
Maksimum stall waktu yang aman operasi
2.0...120 s
waktu dalam detik pada motor dingin di enam kali beban penuh Iɵ
p
Pembobotan faktor untuk kurva thermal unit
20...100% (50%)
Sebelum alarm untuk tingkat kelebihan
50...100% of trip level
beban termal mendekati dalam persen dari tingkat trip Restart mencegah tingkat untuk kondisi kelebihan beban termal dalam persen dari tingkat trip
20...80% of trip level
38
faktor reduksi Pendinginan untuk motor
1...64 x heating t.c.
terhenti dibanding dengan waktu pemanasan
konstan
pengaturan Motor start sebagai kelipatan
dari relay ratting arus In
1.0...10.0 x In
I>>
Pengaturan start Motor, waktu dalam
0.3...80 s (2 s)
hitungan detik *) Pengaturan unit set arus lebih sebagai
0.5...20 x In
kelipatan dari relay ratting Pada arus In t>>
Setting waktu pada arus lebih dalam detik
0.04...30 s
I0
Pengaturan start arus untuk unit eart-fault
1.0...100% In
dalam persen dari relay ratting arus In t0
Operasi waktu unit earth-fault dalam detik
0.05...30 s
∆I
Mengatur ∆I untuk perlindungan
10...40% IL
ketidakseimbangan beban dalam persen dari arus fasa t∆
Mengoperasikan waktu di tingkat awal
20...120 s
dalam hitungan detik, waktu terbalik Mengoperasikan waktu untuk perlindungan
I<
urutan fase yang tidak sesuai
< 1s
Menjalankan nilai unit undercurrent dalam
30...80% Iɵ and off
persen dari motor saat penuh beban t<
Operasi waktu unit undercurrent dalam detik
2…600 s
39
Time-based start inhibit counter pengaturan
5...500 s
dalam detik*)
Countdown tingkat counter start dalam
2...250 s/h
hitungan detik per jam
SGF
Checksum dari pemilih switchgroups SGF, SGB,
SGB
SGR
SGR1 dan SGR2 ditunjukkan pada layar saat indikator berdekatan dengan simbol switchgroup di panel depan menyala. incluence dari posisi switch yang berbeda pada operasi relay dijelaskan dalam paragraf terpisah.
*) Start-up didefinisikan sebagai suatu kondisi ketika arus fasa dalam waktu kurang dari 60 ms melebihi tingkat 1,5 Iɵ dari keadaan terhenti I <0,12. Kondisi start-up berakhir ketika arus fase lagi menujui lebih rendah dari 1,25 Iɵ. Untuk unit perlindungan start-up stall, penghitungan waktu dihentikan ketika saklar kecepatan perubahan kondisinya, jika fasilitas digunakan. Dalam hal ini t s pengaturan preferrably harus sama dengan waktu te motor.
40
2.17
Programing Switching Fungsi tambahan yang dibutuhkan dalam berbagai aplikasi yang dipilih
dengan cara kelompok saklar SGF, SGB, SGR1 dan SGR2 ditunjukkan pada
panel depan. Selanjutnya, pelindung motor modul relai berisi saklar software
kelompok SG4, yang terletak di submenu empat dari register A. penomoran dari
switch, 1 ... 8, dan posisi saklar 0 dan 1 ditunjukkan saat menetapkan switchgroups. Dalam layanan normal hanya checksum yang akan ditampilkan.
Pemrograman fungsional saklar kelompok SGF
Saklar pemilih dari SGF switchgroup digunakan untuk mendefinisikan fungsifungsi tertentu dari relay dan diidentifikasi sebagai SGF / 1 sampai SGF / 8. Switch
Fungsi
Factory
User
Weight
Default
Settin
Value
g SGF/1
High-set overcurrent unit inhibited or in use
1
1
1
2
0
4
0
8
0 = High-set stage inhibited (setting displayed "- - -") 1 = High-set stage yang digunakan SGF/2
Mengatur tinggi set tingkat arus lebih dua kali lipat selama motor start-up 0 = dua kali lipat tidak 1 = dua kali lipat fitur aktif
SGF/3 SGF/4
Earth-Fault trip on overcurrent lebih tinggi tinggi dari kelipatan dipilih dari FLC Motor saat beban penuh sebagai berikut: SGF/3 = 0 SGF/4 = 0
no inhibit
SGF/3 =1 inhibit at
41
four times
FLC
SGF/4 = 1
inhibit at six times FLC
inhibit at eight times
FLC
SGF/5
Seleksi atau deselection dari ketidakseimbangan
1
16
1
32
1
64
0
128
perlindungan
0 = tidak digunakan (pengaturan ditampilkan "---") 1 = operatif SGF/6
Perlindungan Salah urutan Fasa inhibited atau digunakan 0 = tidak digunakan 1 = operatif
SGF/7
Stall perlindungan berdasarkan pengawasan tegangan termal
Is2
x ts atau fungsi arus lebih waktu
tertentu Is & ts. 0 = arus lebih waktu tertentu; 1 = pemantauan termal tekanan SGF/8
Seleksi atau deselection perlindungan undercurrent 0 = tidak digunakan (pengaturan ditampilkan "---") 1 = operatif
Checksum untuk setelan pabrik SGF
115
42
Pemblokiran dan kendali input pemilih switchgroup SGB
Saklar pemilih dari SGB switchgroup digunakan untuk mendefinisikan fungsi
fungsi tertentu dari input kontrol eksternal dari relay dan diidentifikasi sebagai / 1 sampai SGB / 8. SGB
Switch
Factory
Checksum
setting
value
0
1
Fungsi
SGB /1
Stall informasi untuk relay dari switch kecepatan pada motor (1). Fitur ini terutama digunakan untuk
[
EXE-jenis drive motor dimana motor tidak harus terhenti untuk waktu yang melebihi motor start-up. SGB /2
Restart motor dihambat oleh perintah eksternal (1).
0
2
0
4
Dapat digunakan untuk mengikat motor restart untuk suatu peralatan otomatisasi eksternal. SGB /3
Ketika SGB / 3 = 1, fase ketidakseimbangan unit diblokir oleh sinyal input BS. Pada deblocking, unit dioperasikan dengan waktu beroperasi normal.
[[
Dapat digunakan misalnya untuk menghambat operasi selama start-up ketika motor terhubung ke soft-starter. SGB /4
Ketika SGB / 4 = 1, unit earth-fault diblokir oleh sinyal input BS. Pada deblocking, unit dioperasikan dengan waktu pengoperasian normal. Dapat digunakan misalnya untuk menghindari gangguan trippings mungkin selama start-up karena CTs softstarter atau jenuh
0
8
43
SGB/5
Perintah trip eksternal dilakukan untuk relay output
0
16
0
32
0
64
0
128
A (1).
Relay pelindung eksternal dapat terhubung ke jalur trip menggunakan fitur ini. Perhatikan! Sinyal perjalanan tidak ditangani oleh
modul SPCJ-dan harus diatur menggunakan kontak
pada relay pelindung eksternal.
SGB/6
Relai reset eksternal (1) memungkinkan untuk memiliki manual Master tombol reset luar relai
Tombol yang sama dapat melayani semua relay di stasiun. Kemungkinan lain adalah untuk menghubungkan reset untuk otomatisasi beberapa. SGB/7
Latching relay output untuk arus pendek, earth-fault atau menyeimbangkan trip. Ketika SGB / 7 = 0, sinyal trip kembali ke keadaan awal, yaitu output relay drop off, ketika sinyal pengukuran menyebabkan operasi turun di bawah tingkat awal. Ketika SGB / 7 = 1, sinyal trip tetap menyala, yaitu output relay dioperasikan meskipun sinyal pengukuran jatuh di bawah tingkat awal. Kemudian sinyal trip harus diatur ulang dengan menekan tombol PROGRAM, dengan menekan PROGRAM RESET dan tombol secara bersamaan atau dengan remote control melalui bus SPA atau masukan kontrol eksternal.
SGB/8
Latching (1) relay output untuk apapun, trip indepen den penyebabnya. Ketika SGB / 8 = 0, sinyal trip kembali ke keadaan awal, yaitu output relay drop off, ketika sinyal
44
mengukur menyebabkan operasi turun di bawah
tingkat awal.
Ketika SGB / 8 = 1, sinyal trip tetap menyala, yaitu keluaran relay energize, meskipun sinyal pengukuran turun di bawah mulai tingkat. Sinyal
trip harus diatur ulang dengan menekan
PROGRAM tombol push, dengan menekan
PROGRAM dan RESET push-tombol secara bersamaan atau dengan remote control bus SPA atau masukan kontrol eksternal. Checksum untuk setelan pabrik SGB
0
