BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Proteksi tenaga listrik Yang dimaksud dengan proteksi terhadap tenaga Iistrik ialah sistem pengamanan yang diIakukan ternadap peralatan-peralatan listrik, yang terpasang pada sistem tenaga Iistrik tersebut. Misalnya Generator, Transformator, Jaringan transmisi / distribusi dan lain-lain ternadap kondisi operasi abnormal dari sistem itu sendiri. Yang dimaksud dengan kondisi abnormal tersebut antara lain dapat berupa : 1.
Hubung singkat
2.
Tegangan lebih/kurang
3.
Beban Iebih
4.
Frekuensi sistem turun/naik
Adapun fungsi dari sistem proteksi adalah: 1. Untuk menghindari atau mengurangi kerusakan peralatan Iistrik akibat adanya gangguan (kondisi abnormal). Semakin cepat reaksi perangkat proteksi yang digunakan, maka akan semakin sedikitlah pengaruh gangguan terhadap kemungkinan kerusakan alat. 2. Untuk mempercepat melokaliser luas/zone daerah yang terganggu, sehingga daerah yang terganggu menjadi sekeciI mungkin. 3. Untuk dapat memberikan pelayanan Iistrik dengan keandalan yang tinggi kepada konsumen, dan juga mutu listriknya baik.
5
6
4. Untuk mengamankan manusia (terutama) terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh Iistrik. Agar sistem proteksi dapat dikatakan baik dan benar (dapat bereaksi dengan cepat, tepat dan murah), maka perlu diadakan pemiIihan dengan seksama dan dengan memperhatikan faktor-faktor sebagai berikut : 1. Macam saluran yang diamankan. 2. Pentingnya saluran yang dilindungi. 3. Kemungkinan banyaknya terjadi gangguan. 4. Tekno-ekonomis sistem yang digunakan. PeraIatan utama yang dipergunakan untuk mendeteksi dan memerintahkan peralatan proteksi bekerja adaIah relay. 2.1.1. Syarat-syarat Relay Pengaman Syarat-syarat agar peralatan relay pengaman dapat dikatakan bekerja dengan baik dan benar adalah : 1. Cepat bereaksi Relay harus cepat bereaksi / bekerja bila sistem mengalami gangguan atau kerja abnormal. Kecepatan bereaksi dari relay adalah saat relay muIai merasakan adanya gangguan sampai dengan pelaksanaan pelepasan circuit breaker (C.B) karena komando dari relay tersebut. Waktu bereaksi ini harus diusahakan secepat mungkin sehingga dapat menghindari kerusakan pada alat serta membatasi daerah yang mengalami gangguan / kerja abnormal. Mengingat suatu sistem tenaga mempunyai batas-batas stabiIitas serta kadang-kadang gangguan sistem bersifat sementara, maka relay yang
7
semestinya bereaksi dengan cepat kerjanya kerjanya perlu diperlambat (time delay), seperti yang ditunjukkan persamaan : top = tp + tCB …………………………………………………….. (2.1.) dimana : top
= total waktu yang dipergunakan untuk memutuskan hubungan
tp
= waktu bereaksinya unit relay
tCB
= waktu yang dipergunakan diper untuk pelepasan C.B
Pada umumnya untuk top sekitar 0,1 detik kerja peralatan proteksi sudah dianggap bekerja cukup baik. 2. Selektif Yang dimaksud dengan selektif disini adalah kecermatan pemilihan dalam mengadakan pengamanan, dimana haI ini menyangkut menyangkut koordinasi pengamanan dari sistem secara keseluruhan. Untuk rnendapatkan keandalan yang tinggi, maka relay pengaman harus mempunyai kemampuan selektif yang baik. Dengan demikian, segala tindakannya akan tepat dan akibatnya gangguan dapat dieliminir menjadi m sekecil mungkin.
Gambar 2.1 Suatu Sistem Tenaga Listrik Yang Sederhana MengalamiI Gangguan Pada Titik K
8
DaIam sistem tenaga Iistrik seperti gambar di atas, apabila terjadi gangguan pada titik K, maka hanya C.B.6 saja yang boleh bekerja sedangkan untuk C.B.1, C.B.2 dan C.B. - C.B. yang lain tidak boleh bekerja, 3. Peka / sensitif Relay harus dapat bekerja dengan kepekaan yang tinggi, artinya harus cukup sensitif terhadap gangguan didaerahnya meskipun gangguan tersebut minimum, selanjutnya memberikan jawaban / respon. 4. Andal / reliabiIity Keandalan relay dihitung dengan jumlah relay bekerja / mengamankan daerahnya terhadap jumlah gangguan yang terjadi. Keandalan relay dikatakan cukup baik bila mempunyai harga : 90 % - 99 %. Misal, dalam satu tahun terjadi gangguan sebanyak 25 X dan relay dapat bekerja dengan sempurna sebanyak 23 X, maka : keandalan relay = x 100 % = 92 % 25 23 Keandalan dapat di bagi dua : a.
Dependability : relay harus dapat diandalkan setiap saat.
b.
Security : tidak boleh salah kerja / tidak boleh bekerja yang bukan seharusnya
bekerja. 5. Sederhana / simplicity Makin sederhana sistem relay semakin baik, mengingat setiap peraIatan / komponen relay memungkinkan mengalami kerusakan. Jadi sederhana maksudnya kemungkinan terjadinya kerusakan kecil (tidak sering mengalami kerusakan). 6. Murah / economy
9
Relay sebaiknya yang murah, tanpa meninggaIkan persyaratan-persyaratan yang telah tersebut di atas.
2.2 Proteksi Arus Lebih Saluran dilindungi oleh relai arus lebih, relai jarak dan rele pilot, tergantung pada persyaratan. Relay arus lebih adalah sederhana, murah dan bekerjanya lebih cepat. Proteksi arus lebih sangat berbeda dari perlindungan terhadap beban lebih, yang biasanya menggunakan relay beroperasi dalam waktu yang terkait di tingkat tertentu dengan kemampuan termal perangkat yang akan dilindungi. Sedangkan proteksi arus lebih diarahkan sepenuhnya pada proses pembersihan gangguan, bahkan dengan pengaturan biasanya mengadopsi beberapa derajat arus beban lebih yang dicapai. Oleh karena itu, arus beban maksimum harus diketahui untuk menentukan rasio minimum saat ini untuk beban maksimum cukup tinggi untuk mengaktifkan relay arus lebih. Rele arus lebih banyak digunakan untuk mengamankan peralatan terhadap gangguan hubung singkat antar fase, hubung singkat satu fase ketanah dan dapat digunakan sebagai pengaman beban lebih. Juga digunakan sebagai pengaman utama pada jaringan distribusi dan sub-transmisi sistem radial. Sebagai pengaman cadangan generator, transformator daya dan saluran transmisi.
10
2.2.1 Jenis jenis karakteristik rele arus lebih 1. Relay arus lebih sekitika (moment-instantaneous) (moment Gambar rangkaiaan dan karateristiknya dapat ditunjukkan pada pada gambar 2.1 berikut
Gambar 2.2 Sistem Kerja Rele Arus Lebih
Gambar 2.3 2. Karakteistik rele arus lebih Bila arus baban naik melebihi harga yang diijinkan, maka harga Ir juga akan naik. Bila naiknya arus melebihi harga operasi dari relai (setting arus), maka relay akan
11
bekerja yang ditandai dengan alarm yang berbunyi dan TC melepas engkol sehingga PMT membuka. Jangka waktu kerja relay sangat singkat yakni sekitar 20 ÷100 mili detik.
Keterangan : P : Pegas R : Relay CT : Current transformator TC : Triping Coil A : Alarm
2.2.2 Relay arus lebih waktu tertentu (Definite time) - Jenis relay ini jangka waktu relay mulai pick-up sampai selesainya kerja relay. - Dilengkapi dengan relay kelambatan waktu (time lag relay). - Kerja relay tergantung pada penyetelan / setting relay kelambatan waktu. Gambar rangkaiaan dan karateristiknya dapat ditunjukkan pada gambar 2.4 berikut ini.
12
Gambar 2.4 Karakteristik OCR tipe definite time
2.2.3 Relay arus lebih berbanding terbalik (invers) Relay arus lebih dengan karateristik waktu-arus waktu arus berbending terbalik adalah jenis relay arus lebih dimana waktu w relay mulai pick-up up sampai dengan selesainya kerja relay tergantung dari besarnya arus yang melewati kumparan relaynya, maksudnya relay tersebut mempunyai sifat terbalik untuk nilai arus dan waktu bekerjanya. Kurva/ karakteristik Rele Arus Lebih Standard ard / Normal Invers( SI )
........................................(2.1) very invers (VI)
..............................................(2.2) Extremely Invers (EI)
13
.............................................(2.3) Long Time Invers (LTI)
...............................................(2.4) Dimana tms = setting waktu untuk rele beroperasi I = setting arus untuk rele beroperasi t = waktu sebenarnya rele beroperasi
Gambar 2.5 Karakterestik Invers 1
14
Secara umum, relay arus lebih digunakan untuk melindungi saluran subtransmissi dan saluran distribusi radial, karena kesalahan dalam saluran tersebut biasanya tidak mempengaruhi stabilitas sistem dan, karenanya, jangan menggunakan berkecepatan tinggi. Kadang-kadang, over current digunakan pada jaringan transmisi untuk perlindungan utama. Namun, dengan meningkatnya permintaan untuk mempercepat penormalan kesalahan, perlindungan terhadap jarak untuk kesalahan tanah utama dan cadangan perlindungan jalur transmisi perlahan-lahan menggantikan menyampaikan arus lebih. Meskipun penerapan arus lebih menyampaikan rangkaian radial relatif sederhana, aplikasi yang di loop dan / atau rangkaian yang saling berhubungan menjadi paling sulit, membutuhkan penyesuaian karena perubahan sistem konfigurasi. Selanjutnya, relay arus lebih tidak bisa membedakan arah arus gangguan, dan karena itu, ketika digunakan untuk perlindungan gangguan, maka hanya berlaku ketika kesalahan minimum.
Dalam metode tingkatan waktu, ini dicapai dengan bantuan relay yang memiliki karakteristik waktu inverse-relay arus lebih. Dengan karakteristik ini, waktu operasi berbanding terbalik dengan tingkat kesalahan arus dan karakteristik sebenarnya adalah fungsi dari waktu dan pengaturan saat estafet.
15
Gambar 2.6 Karakterestik Invers 2 Gambar 2.5 menunjukkan beberapa ke khasan karakteristik relay inverse inverse- Oleh karena itu, ada pengaturan adjustable dasar tentang semua relay inverse inverse-waktu: pengaturan (CTSS) dan pengaturan waktu dial (TDSS). Oleh karena itu, sekarang ditentukan dengan menyesuaikan CTSS. CTSS. Perhatikan bahwa pickup arus kontak saat ini yang menyebabkan relay beroperasi dan menutup. Untuk menentukan pengaturan
16
CDS, arus maksimum kesalahan yang dapat mengalir pada setiap lokasi relay pada sistem yang diberikan harus dihitung. Sebuah kesalahan tiga-tahap di bawah generasi maksimum menyebabkan kesalahan maksimum saat ini dan kesalahan fasa ke fasa, sedangkan di bawah generasi minimum menyebabkan kesalahan minimum saat ini. Jadi, relay harus merespon arus kesalahan antara kedua nilai ekstrem. Pada sistem radial, pengaturan CDS terendah harus di terjauh dan. Pengaturan yang meningkat untuk relay berurutan menuju sumber. Seperti dikatakan sebelumnya, posisi ulang kontak yang bergerak dari relay inverse-waktu adalah waktu dial. Ini perubahan waktu operasi dari relay untuk pengaturan kerja diberikan dan besarnya saat ini. Untuk memiliki koordinasi yang baik antara berbagai relay pada sebuah sistem radial, relay terjauh dari sumber harus diatur untuk beroperasi dalam waktu minimum yang mungkin. Pengaturan waktu akan meningkat secara berurutan menuju sumber. Untuk relay arus lebih waktu invers, maka pengaturan waktu ditentukan berdasarkan gangguan maksimum saat ini, maka secara otomatis akan memiliki diskriminasi yang lebih besar atas kesalahan minimum, fakta bahwa kurva karakteristik invers di daerah yang lebih rendah. Selang waktu yang diperlukan antara dua relay berdekatan disebut penundaan waktu koordinasi (CDT). Ini adalah interval minimum yang didasarkan pada permintaan relay dan pemutus sirkuitnya, adalah secara umum menggunakan CDT standart yaitu sebesar 0.4s. Nilai ini bergantung pada jenis relay dan sirkuit pemutusnya. Beberapa hal dalam pertimbangan pengambilan waktu tunda antara relay adalah sebagai berikut :
17
(1) Kesalahan waktu sekarang dari pemutus pemutus arus (ini adalah sekitar 0,1 s atau enam siklus untuk CB melepas), (2) Overtravel dari relay (ketika relay ini di energizes, operasi dapat melanjutkan untuk sedikit lebih lama sampai energi yang tersimpan telah hilang), (3) Kesalahan akibat relay dan toleransi CT (menyebabkan keberangkatan operasi relay aktual dari karakteristik dipublikasikan) dan diperkenalkan oleh aproksimasi kesalahan perhitungan, dan (4) Beberapa penyisihan tambahan (keselamatan margin) yang diperlukan untuk memastikan bahwa kesenjangan enjangan kontak tetap memuaskan. Jumlah faktor 22-4 disebut margin error dan biasanya diberikan sebagai 0.3 s.
Gamb 2.7 Penerapan OCR untuk jaringan radial Gambar Gambar 2.6 diatas menunjukkan penerapan relay arus lebih waktu untuk serangkaian garis radial. Ini ilustrasi bagaimana koordinasi waktu dicapai antara relay arus lebih waktu invers pada setiap lokasi CB. Sebuah garis vertikal ditarik melalui lokasi gangguan n diasumsikan akan memotong kurva waktu pengoperasian berbagai relay dan dengan demikian akan menunjukkan waktu di mana masing-masing masing masing relay akan
18
beroperasi jika kesalahan terus mengalir untuk waktu yang panjang. Untuk kesalahan yang ditampilkan, relay pemutus tersandung B1 Beroperasi cepat pada waktu T 1, diikuti oleh relay mengendalikan B2 dan B3 sehingga B1 beroperasi sebelum B2 dan B2 sebelum B3. Oleh karena itu, waktu pengoperasian T 2 dari relay pada bus 2 dapat diekspresikan sebagai: T2 = T 1 + CDT………………………………(2.5) Dimana, CDT = (waktu pengoperasian pemutus B1) + (margin error) Persamaan, T waktu pengoperasian 3 dari relay pada bus 3 dapat dinyatakan sebagai T 3 = T2 + CDT
2.3 Penggunaan software ETAP 12.6 ETAP (Electric Transient and Analysis Program) merupakan suatu perangkat lunak yang mendukung sistem tenaga listrik. Perangkat ini mampu bekerja dalam keadaan offline untuk simulasi tenaga listrik, online untuk pengelolaan data real-time atau digunakan untuk mengendalikan sistem secara real-time. Fitur yang terdapat di dalamnya pun bermacam-macam antara lain fitur yang digunakan untuk menganalisa pembangkitan tenaga listrik, sistem transmisi maupun sistem distribusi tenaga listrik. ETAP awalnya dibuat dan dikembangkan untuk meningkatkan kualitas keamanan fasilitas nuklir di Arnerika Serikat yang selanjutnya dikembangkan menjadi sistem monitor manajemen energi secara real time, simulasi, kontrol, dan optimasi sistem tenaga listrik. ETAP dapat digunakan untuk membuat proyek sistem tenaga listrik dalam bentuk diagram satu garis (one line diagram) dan jalur sistem pentanahan
19
untuk berbagai bentuk analisis, antara lain: aliran daya, hubung singkat, starting motor, trancient stability, koordinasi relay proteksi dan sistem harmonisasi. Proyek sistem tenaga listrik memiliki masing-masing elemen rangkaian yang dapat diedit langsung dari diagram satu garis dan atau jalur sistem pentanahan. Untuk kemudahan hasil perhitungan analisis dapat ditampilkan pada diagram satu garis.
Etap Power Station memungkinkan kita untuk bekerja secara langsung dengan tampilan gambar single line diagram/diagram satu garis. Program ini dirancang sesuai dengan tiga konsep utama: 1. Virtual Reality Operasi Sistem operational yang ada pada program sangat mirip dengan sistem operasi pada kondisi real nya. Misalnya, ketika Anda membuka atau menutup sebuah sirkuit breaker, menempatkan suatu elemen pada sistem, mengubah status operasi suatu motor, dan untuk kondisi de-energized pada suatu elemen dan sub-elemen sistem ditunjukkan pada gambar single line diagram dengan warna abu-abu. 2. Total Integration Data Etap Power Station menggabungkan informasi sistem elektrikal, sistem logika, sistem mekanik, dan data fisik dari suatu elemen yang dimasukkan dalam sistem database yang sama. Misalnya, untuk elemen subuah kabel, tidak hanya berisikan data kelistrikan dan tentang dimensi fisik nya, tapi juga memberikan informasi melalui raceways yang di lewati oleh kabel tersebut. Dengan demikian, data untuk satu kabel dapat digunakan untuk dalam menganalisa aliran beban (load flow analysis) dan analisa hubung singkat (short-circuit analysis) -yang membutuhkan parameter listrik
20
dan parameter koneksi- serta perhitungan ampacity derating suatu kabel -yang memerlukan data fisik routing-. 3. Simplicity in Data Entry Etap Power Station memiliki data yang detail untuk setiap elemen yang digunakan. Dengan menggunakan editor data, dapat mempercepat proses entri data suatu elemen. Data-data yang ada pada program ini telah di masukkan sesuai dengan data-data yang ada di lapangan untuk berbagai jenis analisa atau desain.
ETAP Power Station dapat melakukan penggambaran single line diagram secara grafis dan mengadakan beberapa analisa/studi yakni Load Flow (aliran daya), Short Circuit (hubung singkat), motor starting, harmonisa, transient stability, protective device coordination, dan cable derating. ETAP Power Station juga menyediakan fasilitas Library yang akan mempermudah desain suatu sistem kelistrikan. Library ini dapat diedit atau dapat ditambahkan dengan informasi peralatan bila perlu. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam bekerja dengan ETAP PowerStation adalah : • One Line Diagram, menunjukkan hubungan antar komponen/peralatan listrik sehingga membentuk suatu sistem kelistrikan. • Library, informasi mengenai semua peralatan yang akan dipakai dalam sistem kelistrikan. Data elektris maupun mekanis dari peralatan yang detail/lengkap dapat mempermudah dan memperbaiki hasil simulasi/analisa.
21
• Standar yang dipakai, dipakai, biasanya mengacu pada standar IEC atau ANSII, frekuensi sistem dan metode – metode yang dipakai. • Study Case,, berisikan parameter – parameter yang berhubungan dengan metode studi yang akan dilakukan dan format hasil analisa.
Elemen-elemen elemen di ETAP Suatu sistem tenaga terdiri atas sub-sub sub bagian, salahh satunya adalah aliran daya dan hubung singkat. Untuk membuat sirnulasi aliran daya dan hubung singkat, maka data-data data yang dibutuhkan untuk menjalankan program simulasi antara lain: -
Data Generator
-
Data Transformator
-
Data Kawat Penghantar
-
Data Beban
-
Data Bus Elemen Aliran Daya Program analisis aliran daya pada software ETAP dapat menghitung tegangan pada tiap-tiap tiap cabang, aliran arus pada sistem tenaga listrik, dan aliran daya yang mengalir pada sistem tenaga listrik. Metode perhitungan aliran daya dapat dipilih untuk efisiensi perhitungan yang lebih baik. Metode perhitungan aliran daya pada software ETAP ada tiga, yaitu: Newton Raphson, Fast-Decouple Fast Decouple dan Gauss Seidel seperti yang telah diuraikan sebelumnya sebelu
22
Gambar 2.8 Load Flow toolbar pada ETAP Gambar dari kiri ke kanan menunjukkan tool dan toolbar aliran daya, yaitu: ● Run Load Flow adalah icon toolbar aliran daya yang menghasilkan atau menampilkan hasil perhitungan aliran daya sistem distribusi tenaga listrik dalam diagram satu garis. ● Update Cable Load Current adalah icon toolbar untuk merubah kapasitas arus pada kabel sebelum load flow di running ● Display Option adalah bagian tombol untuk menampilkan hasil aliran daya. ● Alert adalah icon untuk menampilkan batas kritis dan marginal dari hasil keluaran aliran daya sistem distribusi tenaga listrik. ● Report Manager adalah icon untuk menampilkan hasil aliran daya dalam bentuk report yang dapat dicetak.
Elemen Hubung Singkat Short-Circuit Analysis pada Etap Power Station menganalisa gangguan hubung singkat tiga phasa, satu phasa ke tanah, antar phasa dan dua phasa ke tanah pada sistem tenaga listrik. Program Short-Circuit Analysis Etap PowerStation menghitung arus total hubung singkat yang terjadi. Etap Power Station menggunakan standar ANSI/IEEE (seri C37) dan IEC (IEC 909 dan lainnya) dalam menganalisa gangguan hubung singkat yang bisa dipilih sesuai dengan keperluan. Untuk memulai Short-Circuit Analysis maka single line diagram (SLD) sistem tenaga listrik digambarkan terlebih dahulu dengan memperhatikan komponen serta peralatan yang digunakan.
23
Gambar 2.9 Toolbar short circuit ANSI standart 1.
Toolbar ANSI Standard
● 3–Phase Phase Fault Device Duty : untuk menganalisa gangguan 3 phasa. ● 3-Phase Phase Faults - 30 Cycle Network : untuk menganalisa gangguan 3 phasa pada system dengan waktu 30 cycle. ● LG, LL, LLG, & 3-Phase 3 Faults - ½ Cycle:: untuk menganalisa gangguan satu phasa ke tanah , antar phasa, dua phasa ke tanah dan 3 phasa selama ½ cycle ● LG, LL, LLG, & 3-Phase 3 Faults - 1.5 to 4 Cycle:: untuk menganali menganalisa gangguan satu phasa ke tanah, tanah, antar phasa, dua phasa ke tanah dan 3 phasa antara 1,5 sampai 4 cycle. ● LG, LL, LLG, & 3-Phase 3 Faults - 30 Cycle:: untuk menganalisa gangguan satu phasa ke tanah , antar phasa, dua phasa ke tanah dan 3 phasa selama 30 cycle ● Save Fault kA for PowerPlot: PowerPlot: untuk studi lebih lanjut dengan program powerplot yang berhubungan dengan koordinasi. ● Short circuit Display Options: Options: untuk mengatur hasil short circuit yang ditampilkan sesuai dengan peralatan peralat yang operasi. ● Short circuit Report Manager: Manager: untuk menampilkan hasil short circuit ● Halt Current Calculation: Calculation: untuk menghentikan proses running short circuit
24
● Get Online Data: Data: untuk menyalin data online jika computer interkoneksi dengan menggunakan PSMS (online (online feature) ● Get Archived Data: Data: untuk menyalin data online jika computer terinterkoneksi.
2.3.1 Memberi Gangguan Pada Bus Untuk dapat melakukan analisa hubung singkat ini maka pada bus yang akan dianalisa harus diberi gangguan dengan cara pada bus yang diinginkan ada gangguan di klik kanan setelah itu pilih option fault, jika ingin mengembalikan seperti semula pilih option don’t fault (lihat gambar).
Gambar 2.10 Dont Fault (memberi gangguan padaa bus)
Gambar 2.10 Toolbar Short Circuit IEC standart
Toolbar IEC Standard
25
● 3-Phase Faults - Device Duty (IEC909): untuk menganalisa gangguan 3 phasa sesuai standar IEC 909. ● LG, LL, LLG, & 3-Phase Faults (IEC 909) : untuk menganalisa gangguan satu phasa ke tanah , antar phasa, dua phasa ke tanah dan 3 phasa dengan standar IEC 909. ● 3-Phase Faults - Transient Study (IEC 363): untuk menganalisa gangguan satu phasa ke tanah, antar phasa, dua phasa ke tanah dan 3 phasa dengan standar IEC 363. ● Save Fault kA for PowerPlot: untuk studi lebih lanjut dengan program powerplot yang berhubungan dengan koordinasi. ● Short circuit Display Options: untuk mengatur hasil short circuit yang ditampilkan sesuai dengan peralatan yang operasi. ● Short circuit Report Manager: untuk menampilkan hasil short circuit ● Halt Current Calculation: untuk menghentikan proses running short circuit ● Get Online Data: untuk menyalin data online jika computer interkoneksi dengan menggunakan PSMS (online feature) ● Get Archived Data: untuk menyalin data online jika computer terinterkoneks
