BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Tinjauan Mutakhir Penelitian tentang rele OCR dan GFR telah banyak dilakukan antara lain
yaitu pada penelitian yang berjudul Studi Perencanaan Koordinasi Rele Proteksi pada Saluran Udara Tegangan Tinggi Gardu Induk Gambir Lama - Pulomas. (Mardensyah, 2008). Dalam penelitian ini dilakukan perencanaan koordinasi pengaman pada SUTT 150 kV GI Gambir Lama – Pulomas dengan menghitung setting rele jarak sebagai pengaman utama serta setting rele OCR dan GFR sebagai pengaman cadangan. Jurnal yang berjudul Evaluasi Proteksi Jaringan Transmisi 150 kV Sulsel dengan Masuknya PLTU Barru dan PLTU Jenepoto (Ramlan, 2014). Dalam jurnal ini dapat diketahui mengenai perhitungan setting rele OCR pada SUTT 150 kV Sulawesi Selatan akibat beroperasinya PLTU Barru dan PLTU Jenepoto. Untuk mendapat setting rele OCR terlebih dahulu mencari gangguan hubung singkat pada sistem kelistrikan Sulawesi Selatan. Hasil dari hubung singkat digunakan sebagai dasar setting OCR. Hasil dari jurnal tersebut yaitu didapat perbedaan antara setting OCR PLN dengan hasil setting dari simulasi perhitungan setelah beroperasinya PLTU Barru dan PLTU Jenepoto. Jurnal yang berjudul Analisa Setting Rele OCR (Over Current Relay) pada Sistem 150 kV Bali Pasca Dioperasikannya Pembangkit Celukan Bawang (Sastrawan, 2010). Dalam jurnal ini dapat diketahui tentang menghitung setting rele OCR pada bus kopel dan saluran transmisi 150 kV serta perbandingan setting rele OCR sebelum dan sesudah dioperasikannya Pembangkit Celukan Bawang. Berdasarkan tinjauan mutakhir diatas, maka dilakukan pengembangan yang memiliki keterkaitan dengan objek penelitian yang sama yaitu pada setting OCR dan GFR. Referensi tersebut diatas akan digunakan untuk menentukan batasan-batasan masalah yang kemudian akan dikembangkan lebih lanjut pada penelitian ini. Dalam penelitian ini yang berjudul “Studi Analisis Setting Backup
4
5
Proteksi pada SUTT 150 kV GI Kapal – GI Pemecutan Kelod Akibat Uprating dan Penambahan Saluran” akan dibahas mengenai setting OCR dan GFR yang berfungsi sebagai backup proteksi pada SUTT 150 kV GI Kapal – GI Pemecutan Kelod akibat uprating penghantar dan penambahan saluran dari single circuit menjadi double circuit. Dalam penelitian ini akan dihitung besar hubung singkat pada SUTT 150 kV GI Kapal – GI Pemecutan Kelod pada setiap titik gangguan setelah uprating dan penambahan saluran, kemudian hasil dari perhitungan hubung singkat digunakan sebagai dasar setting backup proteksi pada masingmasing saluran. Setelah mendapatkan hasil setting, kemudian akan dilakukan koordinasi masing – masing rele backup proteksi dalam menanggulangi setiap titik gangguan yang terjadi pada saluran.
2.2
Tinjauan Pustaka
2.2.1
Pengertian Umum Sistem Tenaga Listrik Sistem tenaga listrik adalah suatu sistem yang membangkitkan, mengatur,
menyalurkan, mendistribusikan dan akhirnya menggunakan dan memanfaatkan tenaga listrik. Secara umum sistem ketenagalistrikan terdiri dari lima sistem utama yaitu pembangkit listrik, sistem transmisi, gardu induk, sitem distribusi dan beban. Diagram segaris dari sistem ketenagalistrikan secara umum dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Diagram Segaris Sistem Tenaga Listrik Sederhana (Sumber: Tobing, 2003)
Dapat dilihat pada gambar 2.1 suatu sistem tenaga listrik dari pembangkit sampai konsumen atau beban. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh unit pembangkit sebelum disalurkan melalui saluran transmisi biasanya dinaikan tegangannya menjadi 70 kV, 150 kV atau 500 kV. Dari sistem transmisi
6
diturunkan lagi di Gardu Induk menjadi tegangan tegangan distribusi primer 20 kV. Untuk dapat di distribusikan langsung kepada konsumen, tegangan menengah ini kembali diturunkan menjadi tegangan rendah 380/220 V pada Gardu Distribusi.
2.2.2
Saluran Transmisi Tenaga Listrik Saluran transmisi tenaga listrik berfungsi sebagai penyalur tenaga listrik
dari pembangkitan sampai ke distribusi atau gardu induk. Dalam penyalurannya sistem transmisi dibagi menjadi dua kategori, yaitu saluran udara (overhead line) dan saluran bawah tanah (underground). Saluran transmisi memiliki kategori tergantung pada panjang dari saluran transmisi serta ketelitian yang diinginkan. Dilihat dari panjangnya saluran transmisi dapat dibagi menjadi 3 (tiga), yaitu (Stevenson,1994) : a. Saluran transmisi pendek , dengan jarak kurang dari 80 km (50 mil) b. Saluran transmisi menengah, dengan jarak antara 80 km (50 mil) dan 240 km (150 mil) c. Saluran transmisi panjang, dengan jarak lebih dari 240 km (150 mil) Dalam menyalurkan energi listrik saluran transmisi udara dapat dilihat berdasarkan besaran tegangannya, yaitu : a. Saluran
Udara
Tegangan
Ekstra
Tinggi
(SUTET)
Digunakan
pada
pembangkitan dengan kapasitas di atas 500 MW, 200kV- 500kV. Tujuannya adalah agar drop tegangan dan penampang kawat dapat direduksi secara maksimal, sehingga diperoleh operasional
yang efektif dan efisien.
Pembangunan transmisi ini cukup efektif untuk jarak 100 km sampai dengan 500 km. b. Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT), tegangan operasi antara 30 KV sampai dengan 150 kV. Konfigurasi jaringan pada umumnya single atau double sirkuit, dimana 1 sirkuit terdiri dari 3 phasa dengan 3 atau 4 kawat. Biasanya hanya 3 kawat dan penghantar netralnya digantikan oleh tanah sebagai saluran kembali. Jika transmisi ini beroperasi secara parsial, jarak terjauh yang paling efektif adalah 100 km. Jika jarak transmisi lebih dari 100
7
km maka tegangan jatuh (drop voltage) terlalu besar, sehingga tegangan diujung transmisi menjadi rendah.
2.2.3
Gangguan pada Sistem Tenaga Listrik Gangguan merupakan keadaan menyimpang atau ketidaknormalan dari
suatu sistem. Gangguan dalam sistem tenaga listrik merupakan kejadian yang menyebabkan relay dan pemutus tenaga trip diluar kehendak operator, sehingga mengakibatkan putusnya aliran daya yang melalui pemutus tersebut. Untuk bagian sistem yang diamankan dengan sekering, gangguan terjadi akibat putusnya sekering (Marsudi, 2006). Gangguan dapat mengakibatkan kerusakan pada sistem tenaga listrik. Banyak studi, penggembangan alat, dan desain sistem perlindungan yang telah di buat sehingga pencegahan kerusakan pada saluran transmisi dan peralatan lain serta cara-cara pemutusan arus pada saat gangguan selalu mengalami perbaikan. Gangguan sistem tenaga listrik adalah keadaan yang tidak normal, keadaan ini dapat mengakibatkan kerusakan atau mempengaruhi sistem antara lain (Sulasno, 1993): 1. Terjadi gangguan yang tidak normal dari batas yang diijinkan yang menyebabkan arus yang besar mengalir pada saluran. 2. Gangguan dapat menurunkan, menghilangkan, atau menaikan sistem tegangan diluar batas yang diijinkan. 3. Gangguan dapat menyebabkan sistem daya tiga fasa menjadi tidak simetris atau tidak seimbang. 4. Gangguan dapat menghalangi aliran daya. 5. Gangguan dapat mengakibatkan sistem tidak stabil dan menghentikan aliran daya sistem tenaga listrik. 6. Gangguan hubung singkat akan menimbulkan arus gangguan yang sangat besar yang dapat merusak peralatan seperti generator, motor, kabel, maupun transformator.
8
Dua faktor penyebab utama terjadinya gangguan pada sistem tenaga listrik yaitu gangguan dari dalam sistem dan gangguan dari luar sistem (Marsudi, 2006). Faktor luar gangguan yang disebabkan oleh alam, manusia, hewan, tumbuhan yang menyebakan parameter-parameter listrik menjadi abnormal dan bahkan bisa merusak peralatan listrik yang ada. Sedangkan faktor dalam yaitu akibat adanya kerusakan yang terjadi di dalam peralatan sistem tenaga listrik. Berdasarkan sifatnya gangguan pada sistem tenaga listrik dibagi menjadi dua yaitu (Marsudi, 2006) : 1. Gangguan Temporer Gangguan yang bersifat sementara karena dapat hilang dengan sendirinya dengan cara memutuskan bagian yang terganggu sesaat , kemudian menutup balik kembali, baik secara otomatis (autorecloser) maupun secara manual oleh operator. Bila gangguan sementara terjadi berulang-ulang dapat menyebabkan gangguan permanen,yang dapat mengakibatkan kerusakan peralatan. 2. Gangguan Permanen Gangguan bersifat tetap, sehingga untuk membebaskannya perlu tindakan perbaikan atau menghilangkan penyebab gangguan. Untuk mengatasi ganguanganguan sebuah peralatan harus dilengkapi dengan sistem pengaman rele, dimana sistem pengaman ini diharapkan dapat mendeteksi adanya gangguan sesuai dengan fungsi dan daerah pengamannya.
2.2.4
Gangguan Hubung Singkat (Short Circuit Fault) Hubung singkat merupakan salah satu gangguan sistem tenaga listrik yang
mempunyai karakteristik transient yang harus dapat diatasi oleh peralatan pengaman. Hubung singkat terjadi akibat hubungan penghantar bertegangan atau penghantar
tidak
bertegangan
secara
langsung
tidak
melalui
media
(resistor/beban) yang semestinya sehingga terjadi aliran arus yang tidak normal (sangat besar). Gangguan hubung singkat salah satu bagian yang sangat penting dalam analisis suplai daya listrik untuk mengetahui perhitungan arus yang mengalir dalam komponen-komponen penyusun jaringan saat terjadi gangguan. Dalam mencapai keadaan gangguan ini, tidak jarang di berbagai titik pada
9
jaringan sengaja dibuat gangguan. Besarnya arus gangguan ini dapat digunakan sebagai acuan dalam menentukan berapa setting arus yang sebaiknya digunakan untuk proteksi serta rating-rating CB yang diperlukan. Selain itu studi hubung singkat atau studi gangguan bertujuan untuk: 1. Untuk menentukan arus maksimum dan minimum hubungan singkat tiga phasa 2. Untuk menentukan arus gangguan tak-simetris bagi gangguan satu dan dua fasa ke tanah, gangguan antar phasa dan rangkaian terbuka. 3. Untuk menentukan kapasitas pemutus dari circuit breaker (CB). 4. Untuk menentukan distribusi arus gangguan dan tingkat tegangan busbar selama gangguan Ada beberapa jenis gangguan hubung singkat yang terjadi pada sistem tenaga listrik 3 phasa, yaitu : 1. Hubung singkat tiga phasa simetris : a. Tiga phasa (L – L – L) b. Tiga phasa ke tanah (3L – G) 2. Hubung singkat tidak simetri a. Satu phasa ke tanah (1L – G) b. Antar phasa ke tanah (2L – G) c. Antar phasa (L – L) Ada beberapa asumsi yang perlu diperhatikan dalam analisa gangguan, yaitu : 1. Beban normal, kapasitansi pengisian saluran (line charging capacitance), hubungan shunt diabaikan. 2. Semua tegangan internal sistem mempunyai magnitude dan sudut fasa sama. 3. Biasanya tahanan seri dari saluran transmisi dan trafo diabaikan. 4. Semua trafo dianggap pada posisi tap nominal. 5. Generator, motor direpresentasikan dengan sumber tegangan tetap yang dihubungkan seri :
Dengan reaktansi sub-peralihan Xd” (sistem dalam keadaan sub-peralihan)
Atau dengan rektansi peralihan Xd’ (sistem dalam keadaan peralihan)
Atau dengan rekatansi sinkron Xd (system dalam keadaan steady state)
10
2.2.4.1 Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa Gambar 2.2 di bawah ini menunjukkan rangkaian ekivalen hubung singkat 3 phasa. Z Z
Z
Z
Gambar 2.2 Gangguan Tiga Phasa (Sumber : Sulasno,1993)
Dari gambar 2.2 tersebut, dapat dilihat bahwa arus maupun tegangan dalam keadaan gangguan tidak mengandung unsur urutan nol atau impedansi netral. Oleh sebab itu, pada hubung singkat tiga phasa sistem pentanahan netral tidak berpengaruh terhadap besarnya arus hubung singkat. dengan demikian : Ia = Ib = Ic …………………………………………………….. (2.1) Va – Vb =0 ; Va – Vc = 0 dan Vb – Vc = 0 dengan kata lain, Va = Vb = Vc ………………………………………………. (2.2) dengan: Va : tegangan fasa a. Vb : tegangan fasa b. Vc : tegangan fasa c.
Persamaan urutan tegangan pada gangguan hubung singkat tiga phasa dapat dicari dengan persamaan:
11
Va0 =
1 (Va + Vb + Vc) = Va …………………………………. (2.3) 3
Va1 =
1 1 (Va + 2Va + a2Va) = (a + a + a2)Va = 0 …………... (2.4) 3 3
2.2.4.2 Gangguan Hubung Singkat Tiga Phasa ke Tanah Gambar 2.3 berikut merupakan rangkaian ekivalen hubung singkat 3 phasa ke tanah. Z Z
Z
Z
Gambar 2.3 Gangguan Tiga Phasa ke Tanah (Sumber : Sulasno,1993)
Dari gambar 2.3 diatas ditunjukkan bahwa ketiga phasa yaitu phasa a, b, dan c, saling terhubung ke tanah atau terhubung ke netral. Gangguan tiga phasa ke tanah persamaan arus dan tegangannya berlaku (Charles A.Gross,1986): Ia = Ib = Ic ……………………………………........….......... (2.5) Ia = I1 + I2 + I0 …………………………............................…. (2.6) dengan :
I2 = I0 = 0
sehingga :
Ia = Ib = Ic = I1 ..............…………………………..………… (2.7)
12
2.2.4.3 Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa ke Tanah Gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah termasuk gangguan tidak simetri atau seimbang menyebabkan arus-arus tidak seimbang mengalir dalam sistem seperti pada gambar 2.4. Gambar di bawah ini menunjukan rangkaian ekivalen gangguan satu phasa ke tanah. Dimana gangguan phasanya terjadi di phasa a. Z Z
Z
Z
Gambar 2.4 Gangguan Satu Phasa ke Tanah (Sumber : Sulasno,1993)
Pada gangguan hubung singkat satu phasa terdapat beberapa persamaan, yaitu: Va = 0 ; Ib = 0 ; Ic = 0 ………………………………………….(2.8) Dengan persamaan di atas, persamaan untuk mencari arus gangguan pada zero sequence, positive sequence, dan negative sequence, yaitu : Ia0 =
1 1 (Ia + Ib + Ic) = Ia …………………………………… (2.9) 3 3
Ia1 =
1 1 ( Ia + aIb + a2Ic) = Ia……………………………….. (2.10) 3 3
Ia2 =
1 1 (Ia + a2Ib + aIc) = Ia………………………………… (2.11) 3 3
13
Dari persamaan di atas diperoleh : Ia0 = Ia1 = Ia2 =
1 Ia ………………………………………….. (2.12) 3
Gambar 2.5 merupakan rangkaian ekivalen urutan untuk gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah.
Gambar 2.5 Rangkaian Ekivalen Urutan Gangguan Hubung Singkat Satu Phasa ke Tanah (Sumber : Sulasno,1993)
Dari gambar 2.5 di atas, arus gangguan satu phasa ke tanah dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah ini: Ia0 = Ia1 = Ia2 =
Ia = 3Ia1 =
Ea ……………………………….. (2.13) Z0 Z0 Z0
3E a Z 0 Z1 Z 2
……………………………………(2.14)
2.2.4.4 Gangguan Hubung Singkat Dua Phasa Pada umumnya, gangguan hubung singkat dua phasa ke tanah pada sistem transmisi maupun sistem distribusi terjadi saat dua konduktor saling terhubung singkat. Pada gambar 2.6 ditunjukkan gangguan hubung singkat line to line antara phasa b dan phasa c.
14
Z Z
Z
Z
Gambar 2.6 Gangguan Hubung Singkat Dua Phasa (Sumber : Sulasno,1993)
Dari gambar 2.6 diperoleh hubungan seperti persamaan di bawah ini: Vb = Vc ; Ib = -Ic ; Ia = 0 …………………………………….. (2.15) Sedangkan persamaan pada komponen simetris tegangannya dapat diperoleh dengan persamaan seperti di bawah ini: Va0 =
1 1 (Va + Vb + Vc) = (Va + 2Vb) …………………… (2.16) 3 3
Va1 =
1 1 (Va + a2Vb + aVc) = (Va + (a+a2)Vb) …………… (2.17) 3 3
Va2 =
1 1 (Va + a2Vb + aVc) = (Va + (a2 + a)Vb) ……………. (2.18) 3 3
Dari persamaan (2.17) dan (2.18) diatas didapat hubungan bahwa : Va1 = Va2 …………………………………………………….. (2.19) Sedangkan persamaan untuk komponen arusnya diperoleh menggunakan persamaan: Ia0 =
1 (Ia + Ib + Ic) = 0 …………………………………..... (2.20) 3
15
Ia1 =
1 1 (Ia + a(-Ic + a2Ic)) = (a2 –a)Ic ……………………… (2.21) 3 3
1 1 Ia2 = ((Ia + a2) – Ic + aIc ) = (a-a2)Ic ……………………… (2.22) 3 3 Dari persamaan (2.21) dan (2.22) diatas didapat hubungan bahwa: Ia1 = -Ia2 ……………………………………………………… (2.23) Pada gambar 2.7, ditunjukkan rangkaian ekivalen urutan gangguan hubung singkat dua phasa.
Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Urutan Gangguan Hubung Singkat Dua Phasa (Sumber : Sulasno,1993)
Dari gambar 2.7 diperoleh persamaan: Ia0 = 0 ………………………………………………………. (2.24) Ia1 =
Ea ……………………………………………….. (2.25) Z1 Z 2
Ia2 =
Ea ……………………………………………… (2.26) Z1 Z 2
Sehingga Ia1 = - Ia2 = (a2 –a) =
Ea ……………………………….. (2.27) Z1 Z 2
16
2.2.4.5 Gangguan Hubung Singkat Dua Phasa ke Tanah Pada umunya, gangguan hubung singkat dua phasa ke tanah pada sistem transmisi terjadi saat dua penghantar mengalami gangguan dan terhubung ke tanah atau dua penghantar terhubung ke netral dari sistem pentanahan tiga phasa. Z
Z
Z Z
Gambar 2.8 Rangkaian Jaringan Gangguan Dua Fasa ke Tanah (Sumber : Sulasno,1993)
Pada gambar 2.8 ditunjukkan gambaran gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah secara umum, dimana gangguan yang terjadi antar phasa b dan phasa c ke tanah. Jika gangguan hubung singkat dua fasa seperti gambar 2.8, maka arus dan tegangan pada sistem dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah ini: Eb = Ec = 0 dan Ia = 0 ……………………………………….. (2.28) Dengan demikian : Ia1 =
Ea ………………………………………….. (2.29) Z 2 xZ 0 Z1 Z 2 xZ 0
Ia2 =
Z2 xE a ……………………………… (2.30) Z1 Z 2 Z1 Z 0 Z 2 Z 0
Ia0 =
Z0 xE a ………………………………. (2.31) Z1 Z 0 Z1 Z 2 Z 2 Z 0
17
2.2.5
Sistem Proteksi Tenaga Listrik Dalam penyaluran energi listrik suatu sistem tenaga listrik tidak dapat
lepas dari gangguan. Gangguan tersebut jika tidak diatasi dapat membahayakan sistem tenaga listrik secara keseluruhan. Untuk menghindari hal tersebut dalam sistem tenaga listrik diperlukan sistem proteksi yang dapat meminimalisasi efek dari gangguan tersebut. Fungsi dari sistem proteksi adalah untuk mengidentifikasi gangguan dan memisahkan bagian sistem yang terganggu dari bagian lain yang masih normal (tidak terganggu) serta sekaligus mengamankan bagian yang masih normal tersebut dari kerusakan (Tobing, 2003). Dalam mengamankan sistem dari gangguan sistem proteksi harus dapat mengidentifikasi dan memisahkan bagian yang terganggu secepat mungkin (Arismunandar, 2004). Sistem proteksi suatu peralatan karena berbagai macam faktor dapat mengalami kegagalan operasi (gagal kerja). Berdasarkan hal-hal tersebut maka suatu sistem proteksi dapat dibagi dalam dua kelompok berdasarkan fungsinya (Stevenson 1994), yaitu : 1. Pengaman Utama Pengaman utama merupakan pengaman yang paling berperan didaerah pengamanan atau daerah yang dilindungi dan sebagai pengaman utama jika terjadi gangguan. Pengaman utama bekerja lebih selektif serta lebih cepat mengisolasi bagian sistem yang diamankan dari gangguan yang terjadi. 2. Pengaman Cadangan Pengaman cadangan (back-up) merupakan pengaman cadangan pada batas tertentu bekerjanya lebih lambat dari pengaman utama. Maksudnya adalah pengaman ini bekerja jika pengaman utama gagal operasi. Pada dasarnya sistem proteksi cadangan dapat dibagi menjadi dua kategori, yaitu : 1. Sistem pengaman cadangan lokal (local back up protection system) Pengaman cadangan lokal adalah pengamanan yang dicadangkan bekerja bilamana pengaman utama yang sama gagal bekerja. Contohnya : penggunaan OCR atau GFR.
18
2. Sistem pengaman cadangan jarak jauh (remote back up protection system) Pengaman cadangan jarak jauh adalah pengamanan yang dicadangkan bekerja bilamana pengaman utama di tempat lain gagal bekerja
Pengaman cadangan lokal dan jarak jauh diusahakan koordinasi waktunya dengan pengaman utama di tempat berikutnya. Koordinasi waktu dibuat sedemikian hingga pengaman cadangan dari jauh bekerja lebih dahulu dari pengaman cadangan lokal (Jemjem dan Syofvi, 2006). Dalam Jaringan SUTT/ SUTET rele jarak digunakaan sebagai pengaman utama sedangkan rele arus lebih (OCR) dan rele gangguan ke tanah (GFR) digunakan sebagai cadangan local (local backup protection) (Sugiartho dkk, 2007).
2.2.6
Daerah Pengaman ( Protective Zone ) Suatu bagian dari sistem daya ( generator, transformator, jaringan
transmisi, busbar, dst ) dilindungi oleh suatu skema proteksi tertentu yang disebut zone pengaman. Keseluruhan sistem daya dicakup oleh beberapa zone pengaman dan tidak ada bagian sistem yang tidak diamankan. Setiap zone mencakup satu atau dua komponen sistem daya. Zone yang berdekatan saling overlap, sehingga tidak ada daerah yang dibiarkan tidak terlindungi (dead spot). Batas zone pengaman ditentukan oleh lokasi trafo arus. Zone pengaman dapat dibagi atas 2 sistem : 1. Sistem unit adalah suatu sistem dimana zone dapat ditentukan secara pasti. Pengaman hanya bereaksi terhadap gangguan di dalam zone yang dilindunginya, dan tidak bereaksi terhadap gangguan lewat ( gangguan diluar zone pengamannya ) 2. Non sistem unit seperti pengaman gangguan hubung singkat tidak mempunyai batas yang pasti. Setiap zone mempunyai skema pengaman tertentu dan setiap skema pengaman mempunyai sistem pengaman.
19
3 1
3
2 4
4
Gambar 2.9 Zone Pengaman
----
Batas zone pengaman ditentukan oleh lokasi CT Pemutus tenaga ( PMT )
1.
Zone pengaman generator
2.
Zone pengaman generator – trafo unit
3.
Zone pengaman busbar
4.
Zone pengaman jaringan transmisi
2.2.7
Rele Pengaman Rele pengaman merupakan susunan atau rangkaian, baik elektronik
maupun magnetik yang mampu merespon terhadap adanya suatu gangguan atau kesalahan dalam sistem tenaga listrik dan secara otomatis memutuskan hubungan peralatan yang terganggu atau memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga (circuit breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem yang normal. Rele proteksi dirancang untuk memutuskan jika terjadi hubung singkat yang dapat mengakibatkan gangguan besar terhadap operasi sistem yang normal (kerusakan peralatan, drop tegangan dan lain-lain), untuk itu semua rele proteksi dirancang untuk memutuskan elemen sistem yang mengalami gangguan (Pansini, 2005) Rele juga di desain untuk memberikan sinyal apabila terjadi overload atau hubung singkat yang tidak terlalu membahayakan elemen sistem yang tergangu maupun sistem secara keseluruhan, sehingga mencegah pemutusan suplai tenaga listrik kepada konsumen. Karakteristik operasi dari suatu rele tergantung pada
20
besaran-besaran yang diberikan padanya, misalnya arus atau tegangan atau berbagai kombinasi dari kedua besaran ini dan juga dengan cara bagaimana rele tersebut di desain untuk memberi respon terhadap informasi-informasi ini.
2.2.8
Prinsip Dasar Rele Rele pada umumnya dapat dibedakan menjadi tiga elemen fundamental
seperti yang ditunjukan pada gambar 2.10 yaitu ( Dukelsky, Titarenko, 1987 ) : a. Elemen perasa, mengukur adanya perubahan besaran listrik, misalnya perubahan arus atau tegangan pada sistem. b. Elemen pembanding, bertugas membandingkan besaran yang terukur dengan besaran yang telah diset sebelumnya. c. Elemen pengontrol, merupakan sinyal atau mengontrol rangkaian lain, misalnya membuat sakelar suatu rangkaian tertutup. Berikut ini akan ditinjau bentuk yang paling sederhana dari suatu rele arus elektromagnetik yang disiapkan untuk merespon magnitudo arus yang mengalir dalam rangkaian yang dikontrol.
I
Sensing Element
Comparison
Control
Element
Element
To trip or signal
Gambar 2.10 Elemen Dasar Rele (Sumber : Dukelsky, Titarenko, 1987)
Dalam rangkaian listrik terdiri dari tiga elemen, arus I adalah arus yang diserap rele dan sumber DC adalah sumber untuk rangkaian pen - trip. Besar arus ini dibatasi sampai harga tertentu, dan apabila melewati harga yang ditentukan maka jaringan akan diputus oleh circuit breaker ( CB ) atau dikirim sinyal impuls kepada alarm, atau menunjukan telah mengalir arus yang besar dalam rangkaian. Agar operasi rangkaian diatas berlangsung demikian, suatu peralatan khusus yang disebut rele harus dilibatkan dalam rangkaian.
21
2.2.9
Rele Arus Lebih (Over Current Relay) Rele arus lebih adalah suatu rele yang bekerja hanya berdasarkan adanya
kenaikan arus yang melebihi suatu nilai tertentu yang melewatinya (Dukelsky, Titarenko, 1987). Selain mengamankan peralatan terhadap naiknya arus, rele pengaman ini harus juga dapat bekerja pada jangka waktu yang telah ditentukan sehingga pengaturan waktu dapat dikaitkan dengan masalah koordinasi pengaman. Berdasarkan karakteristiknya, rele arus lebih ( over current relay ) ini dapat dibagi menjadi 3 yaitu : 1.
Rele arus lebih seketika ( Instantaneous )
2.
Rele arus lebih waktu tertentu ( Definite Time )
3.
Rele arus lebih waktu terbalik ( Inverse Time )
2.2.9.1 Rele Arus Lebih Seketika (Instantaneous relay) Rele arus lebih yang mempunyai karakteristik waktu kerja seketika ialah jenis rele arus lebih dimana jangka waktu rele mulai saat rele arusnya pick up sampai selesainya kerja rele sangat singkat berkisar antara 20 sampai 100 milli second yaitu tanpa penundaan waktu. t
TC CB -
+ R Ir
I I op
CT I beban Gambar 2.11 Rangkaian Sederhana Rele Arus Lebih Seketika Dan Karakteristiknya
Keterangan gambar :
22
CB
= Circuit Breaker ( Pemutus )
TC
= Tripping Coil ( kumparan pemutus )
R
= Rele arus lebih
CT
= Current Transformer ( trafo arus )
I
= Arus beban
Ir
= Arus yang mengalir pada kumparan sekunder trafo arus
+
= Polaritas positif sumber DC
-
= Polaritas negatif sumber DC
t
= Besaran waktu
Iop
= Arus operasi rele mulai bekerja ( Operating Current )
2.2.9.2 Rele Arus Lebih Waktu Tertentu (Definite Time Relay) Rele arus lebih dengan karakteristik waktu tertentu ialah jenis rele arus lebih dimana jangka waktu mulai rele arus pick up sampai selesainya kerja rele diperpanjang dengan nilai tertentu dan tidak hanya tergantung dari besarnya arus yang menggerakan. t
TC CB + R
T
Ir CT
I op -
I beban Gambar 2.12 Rangkaian Sederhana Rele Arus Lebih Waktu Tertentu dan Karakteristiknya
I
23
2.2.9.3 Rele Arus Lebih Waktu Terbalik (Inverse Time relay) Rele dengan karakteristik waktu terbalik ialah jenis rele arus lebih dimana jangka waktu mulai rele arus pick up sampai selesainya kerja rele mempunyai sifat waktu terbalik untuk nilai arus yang kecil setelah rele pick up dan kemudian mempunyai sifat waktu tertentu untuk nilai arus yang lebih besar. Bentuk perbandingan terbalik dari waktu arus ini sangat bermacam – macam, akan tetapi dapat digolongkan sebagai berikut : 1.
Berbanding terbalik ( inverse = i )
2.
Sangat berbanding terbalik ( very inverse = vi )
3.
Sangat berbanding terbalik sekali ( extremely inverse = ei ) t
TC CB +
i R
T
vi ei
Ir
I
CT beban
I
Gambar 2.13 Rangkaian Sederhana Rele Arus Lebih Waktu Terbalik dan Karakteristiknya
2.2.10 Prinsip Dasar Perhitungan Setting Rele Arus Lebih Nilai Kd untuk rele arus lebih dengan karakteristik waktu arus tertentu mempunyai nilai 0,7 – 0,9, sedangkan karakteristik waktu terbalik mempunyai nilai 1,0. Maka dengan memperhatikan dua faktor tersebut diatas, kaidah penyetelan rele arus lebih adalah sebagai berikut (PT. PLN, 2006 ): a. Rele arus lebih tidak boleh bekerja pada keadaan beban maksimum. Dalam beberapa hal, arus nominal pada trafo arus ( CT ) merupakan arus maksimumnya, sehingga penyetelan arusnya adalah :
24
I set
K fk I nom ..............................………………………( 2.32 ) Kd
dimana : I set
= Setelan arus
Kfk
= Faktor keamanan, mempunyai nilai 1,1 - 1,2
Kd
= Faktor arus kembali
I nom
= Arus maksimum yang diijinkan untuk peralatan yang diamankan.
b. Pada zone pengaman rele arus dapat mencapai paling sedikit adalah ujung dari seksi berikutnya pada arus gangguan yang minimum (jumlah pembangkit yang beroperasi minimum ) atau arus gangguan minimum dapat diambil arus gangguan dua phase.
2.2.11 Rele Gangguan ke Tanah (Ground Fault Relay) Rele gangguan tanah adalah suatu rele yang bekerja berdasarkan adanya kenaikan arus yang melebihi suatu nilai setting pengaman tertentu dan dalam jangka waktu tertentu bekerja apabila terjadi gangguan hubung singkat fasa ke tanah. Prinsip kerja GFR sama dengan OCR, yang membedakan hanyalah pada fungsi dan elemen sensor arus. OCR biasanya memiliki 2 atau 3 sensor arus (untuk 2 atau 3 fasa) sedangkan GFR hanya memiliki satu sensor arus (satu fasa). Gangguan satu phasa ke tanah sangat tergantung pada jenis pentanahan dan sistemnya. Gangguan satu fasa umumnya bukan merupakan hubung singkat secara metalik tetapi melalui tahanan gangguan, sehingga arus gangguannya yang sudah dibatasi, dengan adanya tahanan gangguan menjadi semakin kecil. Dengan demikian rele gangguan antar phasa tersebut tidak dapat berfungsi. Untuk menghitung penyetelan arusnya adalah (PT. PLN, 2006) : …………..…………………………………………(2.33)
25
Dimana : = Setelan arus gangguan satu phasa ke tanah = Nilai arus nominal terkecil peralatan yang diamankan
2.2.12 Prinsip Dasar Perhitungan Penyetelan Waktu OCR dan GFR Penyetelan arus (Is) pada rele arus lebih pada umumnya didasarkan pada penyetelan batas minimumnya, dengan demikian adanya gangguan hubung singkat dibeberapa seksi berikutnya, rele arus akan bekerja. Untuk mendapatkan pengamanan yang selektif, maka penyetelan waktunya dibuat secara bertingkat. Syarat untuk mensetting waktu tunda ( td / Time dial atau TMS/ Time Multiple Setting) dari rele arus lebih terbalik, harus diketahui data sebagai berikut (PT.PLN, 2006): a) Besarnya arus hubung singkat pada setiap seksi ( I ). b) Penyetelan / setting arusnya ( Is ). c) Kurva karakteristik rele yang dipakai. Maka time multiple setting ( tms ) dapat dicari dengan persamaan : ⁄ (
)
...................……....…………….........................( 2.34 )
dengan : If adalah arus gangguan hubung singkat t adalah waktu kerja rele yang dikehendaki.
Untuk menentukan waktu tunda pada rele OCR pengaman saluran transmisi nilai t ditetapkan dengan nilai 1.2 (PT.PLN, 2006). Setelah mendapatkan time multiple setting ( tms ) maka selanjutnya mencari nilai waktu aktual rele terhadap gangguan dapat dicari dengan persamaan:
26
…………………………………………………(2.35) ⁄ (
)
dimana : If
arus gangguan yang terjadi untuk reley OCR menggunakan nilai
=
arus gangguan terbesar yang terjadi sedangkan rele GFR menggunakan nilai arus gangguan terkecil yang terjadi. Isett
=
tms
nilai setting reley OCR dan GFR.
=
time multiple setting yang telah didapatkan dari perhitungan sebelumnya.
Sementara untuk nilai koefisien α, β dan σ tergantung dengan jenis karakteristik rele arus lebih waktu terbalik yang digunakan, pada tugas akhir ini digunakan karakteristik rele standard inverse. Nilai koefisien untuk karakteristik rele lainnya dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 2.1 Konstanta Perhitungan Waktu Tunda Reley Arus Lebih Waktu Terbalik
Type
α
β
σ
Standar inverse
0,14
0,02
1
Very inverse
13,5
1
1
extreemely inverse
80
2
1
Sumber : PT. PLN 2005c
2.2.13 Penerapan Program ETAP PowerStation dalam Analisa Hubung Singkat ETAP (Electrical Transient Analysis Program) PowerStation adalah software untuk power system yang bekerja berdasarkan plant (project). ETAP PowerStation dapat melakukan penggambaran single line diagram secara grafis, dimana setiap plant harus menyediakan modeling peralatan dan alat-alat pendukung yang berhubungan dengan analisa yang akan dilakukan, misalnya
27
generator, data motor, data kabel, dan lain-lain. ETAP PowerStation dapat melakukan penggambaran single line diagram secara grafis dan mengadakan beberapa analisa/studi yakni Short Circuit (hubung singkat), Load Flow (aliran daya), motor starting, harmonisa, transient stability, protective device coordination, dan cable derating. ETAP PowerStation juga menyediakan fasilitas Library yang akan mempermudah desain suatu sistem kelistrikan. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam bekerja dengan ETAP PowerStation adalah: 1. One Line Diagram, menunjukkan hubungan antar komponen atau peralatan listrik sehingga membentuk suatu sistem kelistrikan. 2. Library, informasi mengenai semua peralatan yang akan dipakai dalam sistem kelistrikan. Data elektris meupun mekanis dari peralatan yang detail atau lengkap dapat mempermudah dan memperbaiki hasil simulasi atau analisa. 3. Standar yang dipakai, biasanya mengacu pada standar IEC dan ANSI, frekuensi sistem dan metode-metode yang dipakai. 4. Study Case, berisikan parameter-parameter yang berhubungan dengan metode studi yang akan dilakukan dan format hasil analisa. Kelengkapan data dari setiap elemen atau peralatan listrik pada sistem yang akan dianalisa akan sangat membantu hasil simulasi atau analisa dapat mendapatkan hasil yang akurat dan mendekati operasional sebenarnya. Untuk studi hubung singkat, data-data yang harus dimasukkan antara lain data bus, data saluran, data pembangkit (generator), dan data beban. Untuk memulai short circuit analysis maka single line diagram (SLD) sistem tenaga listrik digambarkan terlebih dahulu, sesuai dengan kondisi sistem yang akan dianalisa. Contoh SLD dapat dilihat pada gambar 2.16 berikut.
28
Gambar 2.14 Single Line Diagram Sistem Tenaga Listrik dengan Program Etap Powerstation
2.2.13.1 Data untuk Short Circuit Analysis Data-data yang diinputkan dalam program ETAP PowerStation untuk menganalisa hubung singkatnya antara lain data kapasitas pembangkit, data impedansi dan panjang saluran, data bus dan data beban pada masing-masing bus.
Gambar 2.15 Tampilan Input Data Impedansi Saluran
29
Gambar 2.16 Tampilan Input Data Bus
Gambar 2.17 Tampilan Input Data Kapasitas Pembangkit
Gambar 2.18 Tampilan Input Data Beban
30
2.2.13.2 Memberi Gangguan Pada Bus Untuk dapat melakukan analisis hubung singkat ini maka pada bus yang dianalisa harus diberi gangguan dengan cara mengklik kanan pada bus yang diinginkan adanya gangguan, kemudian pilih option fault, jika ingin mengembalikan seperti semula pilih option don’t fault.
gangguan
normalisasi
Gambar 2.19 Page Gangguan pada Bus
2.2.13.3 Toolbar Short Circuit Analysis Sidebar analisa hubung singkat dapat dimunculkan dengan mengklik tombol Toolbar Short Circuit Analysis untuk memunculkan sidebar short circuit analysis. Short Circuit Analysis
Gambar 2.20 Toolbar Short Circuit Analysis
Adapun penjelasan dari sidebar short circuit analysis adalah sebagai berikut:
31
3-Phase Fault Device Duty : untuk menganalisa gangguan 3 phasa sesuai dengan sistem. 3-Phase Fault – 30 Cycle Network : untuk menganalisa gangguan3 phasa pada sistem dengan waktu 30 cycle. LG, LL, LLG & 3-Phasa Faults - ½ Cycle : untuk menganalisa gangguan satu phasa ke tanah, antar phasa, dua phasa dan 3 phasa selama ½ cycle. LG, LL, LLG & 3-Phasa Faults – 1.5 to 4 Cycle : untuk menganalisa gangguan satu phasa ke tanah, antar phasa, dua phasa ke tanah dan 3 phasa antara 1,5 sampai 4 cycle. LG, LL, LLG & 3-Phasa 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 : untuk studi lebih lanjut dengan program powerplot yang berhubungan dengan koordinasi. Short circuit Display Option : untuk mengatur hasil short circuit yang ditampilkan sesuai dengan peralatan operasi. Short circuit Report Manager : untuk menampilkan hasil short circuit.
2.2.13.4 Running Short Circuit Analysis Setelah bus diberi gangguan maka short circuit analysis dapat segera dilakukan. Langkah running short circuit adalah mengklik tombol short circuit analysis pada toolbar, setelah muncul sidebar berbagai macam gangguan hubung singkat dapat dipilih. Untuk gangguan 3 phasa simetris dapat mengklik tombol 3Phase Fault Device Duty.
