“PROTEKSI SISTEM TENGA LISTRIK”

“PROTEKSI SISTEM TENGA LISTRIK”

Pidelis S Purba
5103331026

Program Studi Pend. Teknik Elektro

Fakultas Teknik, Universitas Negeri Medan

Abstrak

Sistem proteksi tenaga listrik pada umumnya terdiri dari beberapa komponen yang di rancang untuk mengidentifikasi kondisi sistem tenaga listrik dan bekerja berdasarkan informasi yang diperoleh dari sistem tersebut seperti arus, tegangan atau sudut fasa antara keduanya. Informasi yang diperoleh dari sistem tenaga listrik akan digunakan untuk membandingkan besarannya dengan besaran ambang-batas (threshold setting) pada peralatan

proteksi. Apabila besaran yang diperoleh dari sistem melebihi setting ambang-batas peralatan proteksi, maka sistem proteksi akan bekerja untuk mengamankan kondisi tersebut. Peralatan proteksi pada umumnya terdiri dari beberapa elemen yang dirancang untuk mengamati kondisi sistem dan melakukan suatu tindakan berdasarkan kondisi sistem

BAB I
PENDAHULUAN

A.  Latar Belakang

Proteksi transmisi tenaga listrik sangat penting dalam proses penyaluran daya dari satu tempat ke tempat yang lain. Ini dikarenakan prinsip dalam transmisi tenaga listrik yang baik salah satunya adalah aman selain andal dan ekonomis. Proteksi tenaga listrik merupakan bagian yang menjamin bahwa dalam transmisi tenaga lisrik dapat dikatakan aman. Dapat dikatakan aman karena dalam transmisi tenaga listrik akan diberikan suatu alat yang berfungsi untuk mengamankan transmisi dari gangguan bahkan mengamankan manusia dari bahaya yang ditimbulkan oleh pemindahan daya listrik dari suatu tempat ke tempat yang lain.

Proteksi transmisi tenaga listrik sangat diperlukan dalam transmisi tenaga listrik. Dengan proteksi yang bagus, maka transmisi tidak akan rusak ketika ada sebuah gangguan yang bersifat sementara. Jika proteksi transmisi tenaga listrik baik, maka nilai ekonomis dapat diperoleh karena jika dalam suatu transmisi terjadi gangguan, maka kerusakan peralatan tidak dapat menyebar keperalatan yang lain dikarenakan ada sebuah proteksi transmisi. Nilai ekonomis dan aman dapat dipadukan menjadi nilai andal. Andal yang dimaksud disini adalah tidak membahayakan manusia yang berada disekitar transmisi tenaga listrik sehingga manusia yang berada disekitar transmisi ini tidak mengalami gangguan kesehatan maupun gangguan material.

Pembuatan karya tulis ini berdasarkan tugas mata kuliah konsentrasi yaitu sistem proteksi. Selain untuk memenuhi tugas mata kuliah tersebut,

B. Rumusan masalah

Dalam karya tulis ini saya akan membahas beberapa permasalasahan. Diantaranya adalah :

1. Apakah Pengertian Proteksi Transmisi Tenaga Listrik?
2. Apa saja yang termasuk dalam alat proteksi tenaga listrik?
3. Bagaimana proteksi transmisi tenaga listrik itu bekerja?
4. Dimanakah proteksi transmisi tenaga listrik diterapkan?

C. Batasan Masalah

Mengingat permasalahan dalam gangguan pada sistem tenaga listrik sangat luas maka penulisan makalah ini akan dibatasi pada pengertian proteksi transmisi tenaga listrik, bagaimana proteksi tersebut bekerja, dimana letak porteksi tersebut, dan apa saja alatnya.

D. Tujuan

Tujuan penyusun karya tulis ini yang pertama adalah untuk memenuhi tungas mata kuliah sistem proteksi sistem tenaga listrik. Yang kedua adalah agar para penyusun mendapatkan ilmu dan kompetensi yang lebih dalam hal proteksi, terutama proteksi transmisi tenaga listrik. Yang ketiga adalah agar karya tulis ini dapat dijadikan sumber referensi oleh para pembaca sebagai dasar pemikiran untuk dikembangkan atau untuk dilengkapi.

E. Manfaat

Manfaat yang diperoleh setelah membaca karya tulis ini adalah pembaca mengetauhi proteksi transmis tenaga listrik yang digunakan pada umumnya, bagaimana proteksi tersebut bisa bekerja, penerapannya dibagian sebelah mana, dan macam alat pengaman transmisi tenaga listrik.

BAB II

PEMBAHASAN

1.  Pengertian Proteksi Transmisi Tenaga Listrik

Gambar 1. Gambar jaringan sistem tenaga listrik

Pengertian proteksi transmisi tenaga listrik adalah adalah proteksi yang dipasang pada peralatan-peralatan listrik pada suatu transmisi tenaga listrik sehingga proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga listrik(Power Plant) hingga Saluran distribusi listrik (substation distribution) dapat disalurkan sampai pada konsumer pengguna listrik dengan aman. Proteksi transmisi tenaga listrik diterapkan pada transmisi tenaga listrik agar jika terjadi gangguan peralatan yang berhubungan dengan transmisi tenaga listrik tidak mengalami kerusakan. Ini juga termasuk saat terjadi perawatan dalam kondisi menyala. Jika proteksi bekerja dengan baik, maka pekerja dapat melakukan pemeliharaan transmisi tenaga listrik dalam kondisi bertegangan. Jika saat melakukan pemeliharaan tersebut terjadi gangguan, maka pengaman-pengaman yang terpasang haurus bekerja demi mengamankan sistem dan manusia yang sedang melaukukan perawatan.

Tujuan dari sistem proteksi adalah 

• untuk mengidentifikasi gangguan, memisahkan bagian instalasi yang terganggu dari bagian lain yang masih normal dan sekaligus mengamankan instalasi dari kerusakan        atau kerugian yang lebih besar, serta memberikan informasi / tanda bahwa telah terjadi gangguan, yang pada umumnya diikuti dengan membukanya PMT.  
•      Pemutus Tenaga ( PMT ) untuk memisahkan / menghubungkan satu bagian instalasi dengan bagian instalasi lain, baik instalasi dalam keadaan normal maupun dalam keadaan terganggu. Batas dari bagian-bagian instalasi tersebut dapat terdiri dari satu PMT atau lebih Sedangkan untuk syarat yang harus dimiliki oleh sebuah sistem proteksi adalah    Sensitif : yaitu mampu merasakan gangguan sekecil apapun
• 
  
  1.   Andal : yaitu akan bekerja bila diperlukan (dependability) dan tidak akan bekerja bila  tidak diperlukan (security). 
  2. Selektif : yaitu mampu memisahkan jaringan yang terganggu saja. 
  3.   Cepat : yaitu mampu bekerja secepat-cepatnya
  
  
  Proteksi ini berbeda dengan pengaman. Jika pengaman suatu sistem berarti system tersebut tidak merasakan gangguan sekalipun. Sedangkan proteksi atau pengaman sistem, sistem merasakan gangguan tersebut namun dalam waktu yang sangant singkat dapat diamankan. Sehingga sistem tidak mengalami kerusakan akibat gangguan yang terlalu lama. Gangguan pada transmisi tenaga listrik dapat berupa :
  •   GANGGUAN SISTEM
  Gangguan sistem adalah gangguan yang terjadi di sistem tenaga listrik seperti pada transformator, reaktor, kapasitor, busbar, SUTT, SKTT, SUTET dan lain sebagainya. Gangguan sistem dapat dikelompokkan sebagai gangguan permanen dan gangguan temporer.
  •  GANGGUAN NON SISTEM
  Gangguan non sistem adalah gangguan bukan pada sistem, jenis nya antara lain kerusakan komponen relai, kabel kontrol terhubung singkat dan interferensi / induksi pada kabel kontrol.
  Dan untuk jenis tipe gangguan pada sistem proteksi terdiri dari
  •         Gangguan Fasa
   Terhubungnya dua fasa atau lebih, secara langsung atau tidak. Meliputi gangguan hubung singkat dua fasa dan tiga fasa. Hubung singkat ditandai dengan:
  -        Turunnya tegangan sistem jaringan.
  -        Kenaikan arus dalam waktu yang sangat pendek       
  •       Gangguan Tanah
  Terhubungnya satu fasa atau lebih dengan tanah, secara langsung atau tidak langsung. (tiang, badan trafo, selubung timah kabel).
  
  
  2.  Relay Proteksi
  
  Gambar 2. Skema diagram relay proteksi
  
  
  •         ELEMEN PEMBANDING
  Elemen ini berfungsi menerimabesaran setelah terlebih dahulu besaran itu diterima oleh elemen pengindera untukmembandingkan besaran listrikpada saat keadaan normal denganbesaran arus kerja relai.
  •         ELEMEN PENGINDERA
  Elemen ini berfungsi untukmerasakan besaran-besaran listrik,seperti arus, tegangan, frekuensi,dan sebagainya tergantung relai yang dipergunakan.
  Pada bagian ini besaran yang masuk akan dirasakan keadaannya,apakah keadaan yang diproteksi itu mendapatkan gangguan atau dalam keadaan normal, untuk selanjutnya besaran tersebut dikirimkan keelemen pembanding.
  •         ELEMEN PENGUKUR
  Elemen ini berfungsi untuk mengadakan perubahan secara cepet pada besaran ukurnya dan akan segera memberikan isyarat untuk membuka PMT atau memberikan sinyal.
  Relay adalah Sebuah alat yang bertugas menerima/mendeteksi besaran tertentu untuk kemudian mengeluarkan perintah sebagai tanggapan (respons) atas besaran yang dideteksinya.
  Berdasarkan cara mendeteksi besaran:
  a)    Relay Primer; besaran yang dideteksi misalnya arus, dideteksi secara langsung.
  b)   Relay Sekunder; besaran yang dideteksi, melalui alat-alat bantu misalnya trafo arus/trafo tegangan
  Konstruksi Relay terdiri dari dua bagian utama yaitu kumparan magnit dan kumparan induksi 
  
   
  3. Jenis-jenis Relay
  
  
  a)             Relay Arus Lebih
            Merupakan rele Pengaman yang bekerja karena adanya besaran arus dan terpasang pada Jaringan Tegangan tinggi, Tegangan menengah juga pada pengaman Transformator tenaga.  Rele ini berfungsi untuk mengamankan peralatan listrik akibat adanya gangguan phasa-phasa.
  Jenis Relay Arus Lebih:
  •   Relay invers; waktu kerjanya tergantung kepada besarnya arus hubung singkat, makin besar makin cepat. Pada koordinasi antara relay-relay invers berlaku koordinasi arus dan waktu sekaligus.
  •  Relay Cepat; digunakan dalam kombinasi dengan relay definit/invers apabila diperlukan waktu kerja yang lebih cepat  misalnya jika terjadi gangguan dengan arus hubung singkat besar.
  
  
  •  Relay Definit; bekerjanya tidak tergantung kepada besarnya arus hubung singkat yang melaluinya. Waktu kerjanya disetel tertentu dan biasanya dikoordinasikan dengan waktu kerja pengaman didepan dan dibelakangnya. 

 

Gambar 3. Bentuk fisik dari relay arus lebih

b)             Relay Diffrensial

Relay Differensial pada prinsipnya adalah sama saja dengan relay arus lebih hanya saja lebih peka karena harus bekerja terhadap arus yang kecil.  Perbedaan dengan relay arus lebih terletak pada rangkaian listrik yang bertugas mendeteksi arus.

Gambar 4. Skema dan bentuk fisik relay diffrensial

c.  Relai gangguan tanah terbatas

Rele Gangguan Tanah Terbatas ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap tanah didalam daerah pengaman transformator khususnya untuk gangguan didekat titik netral yang tidak dapat dirasakan oleh RELE differential, yang disambung ke instalasi trafo arus ( CT ) dikedua sisi.

 

Gambar 5. Single diagram Rele Gangguan Tanah Terbatas

d. Relai Bucholtz

     Rele Bucholtz  berfungsi untuk mendeteksi adanya gas yang ditimbulkan oleh loncatan ( bunga ) api dan pemanasan setempat dalam minyak transformator. Penggunaan rele deteksi gas (Bucholtz) pada Transformator terendam minyak yaitu untuk mengamankan transformator yang didasarkan pada gangguan Transformator seperti : arcing, partial discharge, over heating yang umumnya menghasilkan gas.

Gambar 6. Bentuk fisik dari relai Bucholtz

e. Relai jansen

 Relai Jansen  berfungsi untuk mengamankan pengubah tap (tap changer) dari transformator.

•          Tap changer adalah alat yang terpasang pada trafo,berfungsi untuk mengatur tegangan keluaran (sekunder) akibat beban maupun variasi tegangan pada sistem masukannya (input).

•    Tap changer umumnya dipasang pada ruang terpisah dengan ruang untuk tempat kumparan,dimaksudkan agar minyak tap changer tidak bercampur dengan minyak tangki utama.

•      Untuk mengamankan ruang diverter switch apabila terjadi gangguan pada sistem tap changer ,digunakan pengaman yang biasa disebut :RELE JANSEN (bucholznya Tap changer).

•      Jenis dan tipe rele jansen bermacam-macam bergantung pada merk Trafo: misalnya RS 1000,LF 15,LF 30.

•  Rele jansen dipasang antara tangki tap changer dengan konservator minyaktap changer.

                                 Gambar 7. Bentuk fisik dari relai Jensen

F. Relai zero sequenze current

     Konstruksi dan prinsif kerjanya adalah seperti relay arus lebih, hanya rangkaian arusnya yang bertugas mendeteksi arus zero sequenze yang berbeda. Juga karena arus zero sequenze ini ordenya lebih kecil maka relay arus zero sequenze ini juga harus lebih peka dari relai arus lebih.

     Dalam keadaan normal maka arus dalam setiap fasa I_R, I_S, dan I_T sama besarnya (Simetris) masing-masing berbeda fasa 120^{0 ,} sehingga arus melewati kumparan  Zo =0. tetapi apabila ada gangguan hubung tanah maka keadaan arus setiap fasa tidak simetris lagi dan mengalirkan komponen arus urutan nol lewat kumparan Zo sehingga relai arus zero Sequenze bekerja.

Gambar 8. Rangkaian arus relai zero sequencec cureent dan diagram vektornya

          G. Relai tekan lebih

                        Rele Tekanan Lebih ini berfungsi mengamankan tekanan lebih pada transformator, dipasang pada transformator tenaga dan bekerja dengan menggunakan membrane.Tekanan lebih terjadi karena adanya flash over atau hubung singkat yang timbul pada belitan transformator tenaga yang terendam minyak, lalu berakibat decomposisi dan evaporasi minyak, sehingga menimbulkan tekanan lebih pada tangki transformator.

Gambar 9. Bentuk fisik dari relai tekan lebih

          H. Relai Impedansi

                        Relay impedansi disebut juga relay jarak atau impedance relay atau Distance relay.  Disebut relay impedansi karena mendeteksi impedansi tapi disebut relay jarak karena bersifat mengukur jarak. Rele ini mempunyai beberapa karaktristik seperti mho, quadralateral, reaktans, dll. Sebagai unit proteksi relai ini dilengkapi dengan pola teleproteksi seperti putt, pott dan blocking. Jika tidak terdapat teleproteksi maka rele ini berupa step distance saja

 

I.     Directional Comparison Relay.

 Relai penghantar yang prinsip kerjanya membandingkan arah gangguan, jika kedua relai pada penghantar merasakan gangguan di depannyamaka relai akan bekerja. Cara kerjanya ada yang menggunakan directional impedans, directional current dan superimposed

Gambar 11. Gambar single line diagram directional comparison relai

 

J. Relai hubung tanah (GFR)

Rele hubung tanah merupakan rele Pengaman yang bekerja karena adanya besaran arus dan terpasang pada jaringan Tegangan tinggi,Tegangan menengah juga pada pengaman Transformator tenaga.

Gambar 12. Diagram Pengaman arus lebih dengan 3 OCR + GFR

K. Circuit Breaker (CB)

Circuit Breaker (CB) adalah salah satu peralatan pemutus daya yang berguna untuk memutuskan dan menghubungkan rangkaian listrik dalam kondisi terhubung ke beban secara langsung dan aman, baik pada kondisi normal maupun saat terdapat gangguan. Berdasarkan media pemutus listrik / pemadam bunga api, terdapat empat jenis CB sbb:

1. Air Circuit Breaker (ACB), menggunakan media berupa udara.

2. Vacuum Circuit Breaker (VCB), menggunakan media berupa vakum.

3. Gas Circuit Breaker (GCB), menggunakan media berupa gas SF6.

4. Oil Circuit Breaker (OCB), menggunakan media berupa minyak.

Berikut ini adalah syarat-syarat yang harus dipenuhi oleh suatu peralatan untuk menjadi pemutus daya :  

a. Mampu menyalurkan arus maksimum sistem secara kontinu.

b. Mampu memutuskan atau menutup jaringan dalam keadaan berbeban ataupun dalam keadaan hubung singkat tanpa menimbulkan kerusakan pada pemutus daya itu sendiri.

c. Mampu memutuskan arus hubung singkat dengan kecepatan tinggi.

L. Relay Suhu

Relay ini digunakan untuk mengamankan transformator dari kerusakan akibat adanya suhu yang berlebihan. Ada 2 macam relay suhu pada transformator, yaitu :

a. Relay Suhu Minyak

Relay ini dilengkapi dengan sensor yang dipasang pada minyak isolasi transformator. Pada saat transformator bekerja memindahkan daya dari sisi primer ke sisi sekunder, maka akan timbul panas pada minyak isolasi, akibat rugi daya maupun adanya gangguan pada transformator.

b. Relay Suhu Kumparan

Relay ini hampir sama dengan relay suhu minyak. Perbedaannya terletak pada sensornya. Sensor relay suhu kumparan berupa elemen pemanas yang dialiri arus dari transformator arus yang dipasang pada kumparan-kumparan transformator.

Gambar 13. Rangakaian relai suhu

BAB III

PENUTUP

KESIMPULAN

ü  Proteksi transmisi tenaga listrik adalah adalah proteksi yang dipasang pada peralatan-peralatan listrik pada suatu transmisi tenaga listrik sehingga proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga listrik(Power Plant) hingga Saluran distribusi listrik (substation distribution) dapat disalurkan sampai pada konsumer pengguna listrik dengan aman.

ü  Relay adalah Sebuah alat yang bertugas menerima/mendeteksi besaran tertentu untuk kemudian mengeluarkan perintah sebagai tanggapan (respons) atas besaran yang dideteksinya.

DAFTAR PUSTAKA

ABB. 2007. “ANSI / IEC three-phase recloser OVR” http://www.abb.com Download 16th

November 2007

Arismunandar, A dan Kuwahara, S. 1972. Teknik Tenaga Listrik, jilid III gardu induk.Jakarta: PT. Pradnya Paramita

APLIKASI TEKNOLOGI SIMULASI RELE DIFFERENSIAL DAN RELE BUCHOLZ PADA SISTEM PENGAMAN TRANSFORMATOR 3 PHASA

APLIKASI TEKNOLOGI SIMULASI RELE DIFFERENSIAL DAN RELE BUCHOLZ PADA SISTEM PENGAMAN TRANSFORMATOR 3 PHASA

Pidelis S Purba
5103331026

Program Studi Pend. Teknik Elektro

Fakultas Teknik, Universitas Negeri Medan

Abstrak

Sebuah transformator daya yang digunakan untuk mengatur level tegangan yang terdapat pada gardu induk seringkali mengalami beberapa gangguan. Baik gangguan yang disebabkan oleh transformator itu sendiri maupun dari sistem yang dapat merusak atau mengganggu kerja transformator, maupun merusak atau mengganggu sistem pada gardu induk. Tujuan teknologi simulasi ini adalah membuat sistem pengaman pada transformator dengan memanfaatkan alat bantu berupa rele Differensial. Alat ini merupakan pengaman utama (main protection) dari trafo, dengan sifat selektif dan reaksi cepat terhadap adanya gangguan. Rele Bucholz sebagai saklar pengatur untuk memberikan sinyal kepada triping coil agar dapat mematikan CB (Circuit Breaker). Hasil pengaturan rele differensial terhadap arus gangguan pada trafo 3phase untuk F1(sisi incoming trafo) dan F2 (sisi outgoing trafo) akan tampak perbandingannya dengan gangguan saat terjadi tegangan rendah (9.5411kA). Rele Bucholz memanfaatkan gas yang dihasilkan oleh minyak transformator akan muncul apabila terjadi over heating oleh kumparan transfomator. Apabila minyak transformator terlalu sering mengalami over heating akan mengurangi tingkat isolasi pengaman trafo.

Kata-kata kunci: rele differensial, rele bucholz, transformator

1.      PENDAHULUAN

Gardu induk sebagai pensuplai tenaga listrik ke gardu-gardu distribusi mempunyai peranan penting dalam sistem kelistrikan di Indonesia. Dari gardu induk ini berfungsi sebagai penurun tegangan dari tegangan tinggi menjadi tegangan menengah atau tegangan rendah, alat untuk fungsi tersebut adalah transformator daya. Listrik umumnya dibangkitkan dengan pembangkit AC disebut “alternator” pada pembangkit daya termal, air atau nuklir pada 50 atau 60 siklus per detik. Biasanya listrik dibangkitkan pada sekitar 9 hingga 13 KV di terminal pembangkitnya. Daya yang dihasilkan oleh satu pembangkit (dikenal juga dengan istilah UNIT) berada pada kisaran 67,5 MW, 110 MW, 220 MW, 500 MW, dan ada juga yang mencapai 1000 MW atau lebih. Daya yang dihasilkan disalurkan ke pengguna melalui jaringan transmisi dan distribusi, yang terdiri dari trafo, jalur transmisi dan peralatan kontrol.

 

                         Gambar 1. Pembangkitan, Transmisi dan Distribusi Daya Listrik

Selanjutnya pemakaian tegangan pada untuk konsumen yang tidak terkontrol dengan batas-batas toleransi yang diijinkan akan mengganggu dan merusak peralatan konsumen. Perubahan tegangan pada dasarnya disebabkan oleh adanya hubungan antara tegangan dan daya reaktif. Sebuah transformator daya yang digunakan untuk mengatur level tegangan yang terdapat pada Gardu Induk seringkali mengalami beberapa gangguan. Hal ini menyebabkan klasifikasi gangguan antara gardu induk dengan transformator yaitu antara lain:
1). Gangguan internal
2). Gangguan eksternal
Gangguan internal dapat berupa gangguan yang disebabkan oleh transformator itu sendiri yang kemudian dapat merusak atau mengganggu sistem pada gardu induk.

Sedangkan gangguan eksternal dapat berupa gangguan yang disebabkan oleh sistem yang dapat merusak atau mengganggu kerja transformator. Dari gangguan-gangguan tersebut diatas diperlukan adanya tindakan pengamanan (proteksi) pada transformator. Sistem pengamanan (proteksi) pada tarfo Gardu Induk biasanya dilakukan dengan memanfaatkan peralatan Bucholz Relay dan Differential Relay.  Bucholz Relay beroperasi berdasarkan tinggi rendahnya level minyak pada sebuah transformator yang mengalami gangguan. Misalnya hubung singkat dalam kumparan, maka akan menimbulkan gas. Gas yang terbentuk akan berkumpul dalam rele pada saat perjalanan menuju tangki konservator, sehingga level minyak dalam rele turun dan akan mengerjakan kontak alarm (kontak pelampung atas). Sebaliknya bila level minyak transformator turun secara perlahan-lahan akibat dari suatu kebocoran, maka pelampung atas akan memberikan sinyal alarm dan bila penurunan minyak tersebut terus berlanjut, maka pelampung bawah akan memberikan sinyal trip. 

             Sedangkan Differensial Relay merupakan rele pengaman utama (main protection) dari trafo, yang memiliki sifat selektif sehingga tidak perlu dikoordinir oleh rele yang lain, sifat lain yang dimiliki oleh rele differensial adalah reaksi terhadap gangguan yang sangat cepat . Pemakaian fungsi kerja kedua relay tersebut antara lain untuk mengatur system proteksi pada sebuah trafo yang mengalami ketidakseimbangan arus dan tegangan diluar kondosi kerja normal . Pada penulisan ini masalah dibatasi hanya pada

1) Perencanaan dan desain simulasi dari sistem pengaman transformator dengan memanfaatkan Differential dan Bucholz relay.

2) Perencanaan tranduser dan rangkaian pengkondisi sinyal dengan memanfaatkan pengubah data suhu ke bentuk tegangan analog dari trafo arus yang dikontrol dengan mikrokontroler AT89C51.

3) Menganalisa hasil dari keluaran gangguan arus sekunder trafo yang sesuai dengan angka transformasinya dari pemanfaatan Defferential dan Bucholz relay.

2.      TINJAUAN PUSTAKA

Dalam teori listrik dikenal adanya besaran dan satuan listrik yaitu: Tegangan Listrik (beda potensial antara dua penghantar yang bermuatan listrik dalam Volt), sedangkan arus listrik (muatan lsitrik yang mengalir pada suatu penghantar dari yang berpotensial tinggi ke rendah dalam Ampere), Frekuensi (banyaknya siklus atau periode gelombang berjalan arus listrik Bolak-balik selama satu detik dalam Hertz), Hambatan/ tahanan hal-hal yang dapat menghambat proses mengalirnya arus listrik dalam Ohm). Daya Listrik (Daya semu dalam va, Daya nyata/aktif dalam watt, Daya reatif dalam var), Beban Listrik (Beban Resistif contoh lampu pijar, Beban induktif contoh transformator, motor listrik, Beban kapasitif contoh kapasitor). dari ketiga Daya tersebut  terdapat suatu hubungan yang dapat ditunjukkan pada Gambar

 

Gambar 2. Segi Tiga Daya

Perbandingan antara besar daya aktif dengan daya semu disebut faktor daya (cos θ), θ adalah sudut yang dibentuk antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya ini terjadi karena adanya pergeseran fasa yang disebabkan oleh adanya beban induktif/kumparan dan atau beban kapasitif. Dalam teori listrik arus bolak-balik penjumlahan daya dilakukan secara vektoris, yang dibentuk vektornya merupakan segitiga siku-siku, yang dikenal dengan segitiga daya. Sudut θ merupakan sudut pergeseran fasa, semakin besar sudutnya, semakin besar Daya Semu (S), dan semakin besar pula Daya Reaktif (Q), sehingga faktor dayanya (cosθ)semakin kecil. Daya reaktif adalah daya yang hilang, atau daya rugi-rugi sehingga semakin besar sudutnya atau semakin kecil faktor dayanya maka rugi-ruginya semakin besar.

                                                                                                                                    (1)

2.1.  Sistem Distribusi Daya Listrik

 Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang terpadu oleh hubungan-hubungan peralatan dan komponen listrik seperti: generator, transformator, jaringan tenaga listrik dan beban-beban listrik atau pelanggan. Pendistribusian tenaga listrik adalah bagian dari suatu proses sistem tenaga listrik yang secara garis besar dapt dibagi menjadi tiga tahap yaitu:

1) Proses produksi di pusat-pusat pembangkit tenaga listrik (PLTA, PLTG, PLTU)

2) Proses penyaluran daya/transmisi dengan tegangan tinggi (30, 70, 150, 500 KV) dari pusat-pusat pembangkit ke gardu-gardu induk.

3) Proses pendistribusian tenaga listrik dengan tegangan menengah/melalui   jaringan Distribusi primer (misal 11 atau 20 KV) dan tegangan rendah/jaringan distribusi sekunder (110, 220, 380 V).

Jaringan distribusi adalah semua bagian dari suatu sistem yang menunjang pendistribusian tenaga listrik yang berasal dari gardu-gardu induk. Sedangkan komponen-komponen jaringan distribusi adalah Jaringan distribusi primer (suatu jaringan dengan system 20 KV), gardu distribusi (suatu sistem dengan peralatan utama trafo untuk menurunkan tagangan), jaringan Distribusi sekunder (suatu jaringan dengan system tegangan 110 V, 220 V, 380 V). Klasifikasi jaringan distribusi menurut strukturnya antara lain:

1) Struktur jaringan radial

2) Struktur jaringan loop

3) Struktur jaringan spindel

2.2.  Teori Dasar Trafo

Transformator merupakan suatu alat untuk memindahkan daya listrik arus bolak – balik dari suatu rangkain ke rangkaian lainnya secara induksi magnetik. Dalam sistem tenaga listrik, trafo digunakan untuk memindahkan energi dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya tanpa mengubah frekuensinya. Biasanya dapat menaikkan atau menurunkan tegangan maupun arus, sehingga memungkinkan transmisi ekstra tinggi.

2.2.1. Konstruksi Konstruksi trafo secara umum terdiri dari:

a) Inti yang terbuat dari lembaran-lembaran plat besi lunak atau baja silikon yang diklem jadi satu.

b) Belitan dibuat dari tembaga yang cara membelitkan pada inti dapat konsentris maupun spiral.

c) Sistem pendingan pada trafo-trafo dengan daya yang cukup besar.

2.2.2. Jenis Trafo Berdasarkan Letak Kumparan

1) Core type (jenis inti) yakni kumparan mengelilingi inti.

2) Shell type (jenis cangkang) yakni inti mengelilingi belitan

2.2.3. Pemodelan Trafo Daya

Pemodelan sebuah trafo daya meliputi varibel yang berhubungan dengan sisi elektrikal dan magnetic. Pada Gambar 3, ditampilkan hubungan geometris dari trafo terhadap bahan inti magneticnya

		Gambar 3. Penampang Lintang Lilitan
	2.2.4.TransformatorDaya

 

Transformator daya (tenaga) merupakan suatu peralatan listrik yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga atau daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya dengan kopling elektromagnetis. Transformator daya dapat digunakan untuk menaikkan tegangan yaitu dari pusat pembangkit, dari tegangan keluaran generator ke tegangan transmisi yang dapat berupa tegangan tinggi atau ekstra tinggi, atau untuk menurunkan tegangan dari tegangan ekstra tinggi ke tegangan tinggi, atau dari tegangan tinggi ke tegangan menengah pada GI dan dari tegangan menengah ke tegangan rendah pada jaringan distribusi. Pada transformator daya terdapat elemen pendukung antara lain:

a) Inti Besi

b) Kumparan Transformator

c) Bushing

d) Tangki Transformator

e) Minyak Transformator

2.2.5. Transformator Arus

Transformator arus digunakan untuk menurunkan besar arus dengan perbandingan yang diketahui dan arus yang telah diperkecil ini digunakan untuk pengukuran, sehingga tidak akan merusak alat ukur (amperemeter).Dalam pemakaiannya, transformator arus memiliki beberapa macam hubungan. Misalnya hubungan bintang, transformator arus diletakkan pada masing-masing phasa dengan sekunder transformator arus untuk mendeteksi arus gangguan. Arus sekunder sephasa dengan arus primer. Hubungan tersebut tampak pada gambar 4 di bawah ini.

                                                Gambar 4. Transformator Arus Hubungan Bintang

2.3. Rele Pengaman

                            Rele merupakan salah satu dari perangkat proteksi pada sistem tenaga listrik selain PMT (pemutus tenaga), transformator arus (CT), transformator tegangan (PT), baterai dan pengawatan (kabel kontrol). Jika terjadi gangguan atau kondisi kerja abnormal, maka rele akan merasakan gangguan tersebut dan akan segera melakukan pemutusan atau penutupan pelayanan penyaluran setiap elemen sistem tenaga listrik, sehingga peralatan pada sistem dapat dilindungi dari kerusakan ataupun mengurangi kerusakan yang terjadi pada peralatan. Bentuk hubungan dari suatu rele pengaman tampak pada Gambar

 

Gambar 5. Diagram Blok Relay Pengaman

2.3.1. Rele Bucholz

                        Selama transformator beroperasi normal, rele akan terisi penuh dengan minyak. Pelampung akan berada pada posisi awal. Bila terjadi gangguan yang kecil di dalam tangki transformator, misalnya hubung singkat dalam kumparan, maka akan menimbulkan gas. Gas yang terbentuk akan berkumpul dalam rele pada saat perjalanan menuju tangki konservator, sehingga level minyak dalam rele turun dan akan mengerjakan kontak alarm (kontak pelampung atas). Bila level minyak transformator turun secara perlahan-lahan akibat dari suatu kebocoran, maka pelampung atas akan memberikan sinyal alarm dan bila penurunan minyak tersebut terus berlanjut, maka pelampung bawah akan memberikan sinyal trip. Bila terjadi busur api yang besar, kerusakan minyak akan terjadi dengan cepat dan timbul surya tekanan pada minyak yang bergerak melalui pipa menuju ke relay Bocholz kondisi kerja rele tampak pada Gambar. Pada kecepatan aliran tertentu, pelampung bawah akan menutup kontak untuk trip.

 

Gambar 6. Bentuk Rele Bucholz

                        2.3.2. Rele Differential

                        Rele Differensial yang tampak pada Gambar merupakan rele pengaman utama (main protection) dari trafo, karena rele pengaman memiliki sifat selektif sehingga tidak perlu dikoordinir oleh rele yang lain, sifat lain yang dimiliki oleh rele differensial adalah reaksi terhadap gangguan yang sangat cepat. 

                        2.3.3  Karakteristik Beban

                        Sifat umum beban, karakteristiknya ditentukan oleh faktor kebutuhan beban maksimum (demand factor), faktor beban (load factor) dan faktor diversitas. Dalam praktek listrik diperjual belikan berdasarkan kebutuhan yang dalam kenyataan kebutuhan rata-rata yang tercatat pada periode tertentu biasanya 15, 30, 60 menit. Periode 30 menit sering disarankan karena tidak ada denda yang besar untuk kelalaian puncak untuk waktu yang pendek dan adanya bermacam-macam konstanta waktu pemanasan peralatan listrik seperti misalnya motor listrik. Kebutuhan maksimum/beban puncak suatu instalasi/sistem biasanya dinyatakan sebagai harga terbesar tingkat kebutuhan 30 menit pada periode tertentu. Faktor Beban adalah jumlah satuan yang dipakai pada suatu periode yang ditentukan dibagi kebutuhan maksimum dikali jam pada periode yang sama. 
2.4.  Perhitungan CT

                         Pada perhitungan CT dimisalkan pemakaian transformator tiga fasa 20 MVA dengan tegangan primer 70 KV dan tegangan sekunder 20 KV. Untuk menentukan arus tegangan tinggi maupun rendah menggunkan persamaan (2) dan (3), sehinggga persamaannya sebagai berikut :

Arus tegangan tinggi =                    (2)

Arus tegangan rendah =                  (3)

2.4.1. Arus Hubung Singkat

              Kuantitas bersama-sama antara ampere dan ohm sering juga dinyatakan sebagai persentase atau per unit dari suatu nilai dasar atau referensi yang ditentukan untuk masing-masing. Definisi nilai per unit untuk suatu kuantitas adalah perbandingan kuantitas tersebut terhadap nilai dasar yang dinyatakan dalam desimal. Perbandingan (ratio) dalam persentase adalah 100 kali nilai dalam per unit. Untuk hubungan tegangan, arus kilovolt ampere dan impedansi karena digunakan untuk menentukan nilai dasar kuantitas  Impedansi dasar adalah impedansi yang akan menimbulkan jatuh tegangan padanya sendiri sebesar tegangan dasar jika arus yang mengalirinya sama dengan arus dasar.

Per unit =

Arus dasar=

Impedansi dasar =

Persamaan diatas digunakan untuk satu fasa, sedangkan untuk tiga fasa adalah :

Impedansi dasar =

2.5.  Tranduser

Untuk mengetahui besarnya arus yang melewati saluran digunakan transformator arus (CT), pemakaian tranduser untuk mendeteksi besarnya arus yang ada pada sekunder transformator arus, maka arus pada sisi sekunder transformator arus diubah menjadi menjadi tegangan. Untuk mengubah arus ke dalam tegangan pada sisi sekunder transformator dipasang resistor secara pararel, kemudian dioda dipasang secara seri untuk menghasilkan penyearah setengah gelombang.

 

Gambar 8. Gambar Sensor Arus

3. METODOLOGI PENULISAN

3.1. Pendekatan

                     Pada penelitian ini dilakukan proses perencanaan desain system pengaman tranformator menggunakan rele differensial sesuai dengan blok diagram gambar  Perencanaan dengan menggunakan Differensial Relay kareana pada rele ini merupakan pengaman utama (main protection) dari trafo yang digunakan pada penelitian ini

Gambar 9. Blok Diagram Rele Differensial

Single line diagram pada rele differensial tampak pada Gambar10. sebagai berikut :

 

Gambar 10. Single Line Diagram Rele Differensial

Arus sekunder CT1=Arus Primer CT1 x rasio CT1

= 164,96 A x 5/200

 = 4,124 A

Arus sekunder CT2=Arus Primer CT1 x rasio CT1

 = 577,36 A x 5/600

= 4,814 A

Dari perhitungan di atas, masih terdapat selisih antara arus pada sekunder CT1 dan CT2, sehingga untuk menyamakannya harus digunakan ACT (Auxiliary Current Transformator). ACT 1 adalah merubah dari 4,124 A menjadi 5 A.

 = (5-4,124)/4,124x 100 %

 = 21,24 %

 ACT 2 adalah merubah dari 4,814 A menjadi 5 A.

 = (5-4,814)/4,814x 100 %

= 3,86 %

Dari perhitungan diatas, maka ACT yang digunakan adalah ACT dengan perbandingan 5 ± 4%. Pada ACT1, input ACT1 diletakkan pada tab yang ke-5, sehingga penambahan arus sebesar 20%. Sedangkan untuk ACT2 dimasukkan pada tab yang ke-1, sehingga penambahan arus pada ACT2 adalah sebesar 4%.

Penambahan arus yang disebabkan oleh ACT adalah sebesar :

ACT1 = 20% x 4,124 A = 0,8248 A

ACT2 = 4% x 4,814 A = 0,1858 A

Sehingga arus yang keluar dari output ACT adalah sebesar :

ACT1 = 4,124 + 0,8248 = 4,948 A

ACT2 = 4,814 + 0,1858 = 4,999 A

3.2. Perencanaan Tranduser

Untuk mengetahui besarnya arus yang melewati saluran digunakan transformator arus (CT), dimana pada perencanaan ini digunakan tranduser dapat mendeteksi besarnya arus yang ada pada sekunder transformator arus, maka arus pada sisi sekunder transformator arus diubah menjadi menjadi tegangan.

Untuk mengubah arus ke dalam tegangan pada sisi sekunder transformator dipasang resistor secara pararel, kemudian dioda dipasang secara seri untuk menghasilkan penyearah setengah gelombang Tegangan output yang diinginkan adalah 5 V, karena tegangan masukan dari ADC 0809 maksimal adalah 5 V. Sehingga diperoleh  harga R = 1,14 Ω Daya dari resistor tersebut P = I2 . R = 52 . 1,14 = 28,5 W Pemilihan nilai resistor sebesar 1,14 Ω disesuaikan dengan perolehan daya minimum 28,5 W. Ketentuan resistor tersebut di pasaran tidak ada, maka disesuaikan dengan resistor yang tersedia dipasaran sebesar 2,2 Ω / 15 W sebanyak 2 buah dirangkai secara pararel.

3.3. Rele Bucholz

Pada perencanaan simulasi rele Bucholz maka dapat dibuat simulasi seperti pada gambar

 

Gambar 11. Simulasi Rele Bucholz

Keterangan:

 A. Saklar Air Raksa (Mercury Switch)

B. Pompa Tangan

C. Simulasi Box Trafo

D. Simulasi Tangki Minyak Trafo (Conservator)

E. Pipa Saluran Minyak Trafo

4. PEMBAHASAN

                  4.1. Hasil Penelitian

                   Berdasarkan perhitungan nilai impedansi pada sisi trafo tegangan tinggi, dengan data sebagai berikut : MVA sumber (dasar) = 1500 MVA

                                    Tegangan dasar = 70 kV

Arus dasar =                                                      

Impedansi dasar =                                             

                  4.1.1. Reaktansi Pengganti Pada Sumber (Xs)

                   Untuk menentukan impedansi sumber, maka harus diketahui MVA sumber yaitu pada sisi busbar incoming transformator sebesar 1500 MVA, sehingga dapat dihitung impedansi sumber pengganti (Xs)nya.

Xs =

      =

                   4.1.2. Reaktansi Trafo (Xtr)

                    Pada data trafo, impedansi lama trafo adalah 7,5 %. Maka impedansi baru adalah : MVAKV2 1500702 Ω

X baru = X lama()²()

            = j 5,625 pu

X baru trafo = 0.075

Xtr11 = Xtr12 = Xtr10 = j 5,625 PU

Dengan :

 Xtr11 = impedansi trafo urutan positif

Xtr12 = impedansi trafo urutan negatif

 Xtr10 = impedansi trafo urutan nol Karena trafo tersebut hubungannya Y- Y, dimana kumparan sisi sekunder diketanahkan dengan tahanan tinggi Rn = 500Ω

X_{n =}

                4.1.3. Reaktansi Saluran (Xsal)

            Pada saluran distribusi digunakan penghantar AAAC dengan luas penampang 150 mm2 yang mempunyai impedansi sebesar 0,216Ω/km sepanjang 20 KM dan 0,269Ω /km sepanjang 80 KM. Saluran distribusi ini mempunyai dua feeder yang menuju beban. Dengan demikian, besar impedansi saluran adalah : Xsal = [0,216 x 20] + [0,269 x 80] = 4,32 + 21,52 = 25,84 Ω

4.1.4. Reaktansi Pengganti Pada Saluran Distribusi (Xtot)

Dalam perhitungan ini dicari impedansi urutan positif, negatif dan nol yang terdiri dari impedansi pengganti sumber, impedansi trafo dan impedansi saluran. Nilai perhitungan impedansi total berdasarkan gangguan disalah satu titik yaitu pada incoming trafo.

a)      Reaktansi Urutan Positif

X1 tot = X1s // X1tr + X1sal = j 3,26 // (j 5,625 + j 3,96)

= j 3,26 // j 9,585

=j 2,43 PU

XI tot= j 2,43 PU

b)      Reaktansi Urutan Nol

X0tot = X0s = 3,26 = 3,26 ∠ 90⁰

4.1.5 Arus Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah

Gambar 12. Rangkaian Pengganti Arus Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah

Sedang hubung singkat 1 fasa ke tanah adalah Iao = Ia1 = Ia2. Untuk arus hubung singkat satu fasa ke tanah maksimum, Zf = 0Ω

Ia_{0 =} 

                     = 0,1 -90⁰

              Ia = 3 Iao

                  = 3 (0,1 -90o)

                  = 0,3 -90o

Jadi arus hubung singkat simetrical adalah :

Iao       = 0,3∠-90⁰ x 12,38 KA= 3,714 ∠-90⁰ KA
Ib         = 0

Ic         = 0

Tabel 1. Arus Gangguan Hubung Singkat Simetri             

Dari tabel 1 dapat dilihat arus gangguan terhadap phase 3,2 dan 1 ke tanah sehingga F1(sisi incoming trafo) dan F2(sisi outgoing trafo) akan tampak perbandingannya pada titik mana gangguan terbesar sehingga dapat dikontrol dengan pemakaian rele Differensial. Pada Gambar 14. grafik perbadingan arus gangguan dari F1 dan F2 dimisalakan pada trafo 3phase. Pada trafo 3phase terdapat gangguan arus terbesar saat terjadi tegangan rendah(9.5411kA).

 

Gambar 14. Iterasi Hasil Dari ARus Gangguan F1 dan F2

            4.1.6 Analisa Rele Diferensial

 Untuk menyamakan arus sekunder trafo arus pada perencanaan rele diferensial, maka harus menggunakan ACT yang disesuaikan dengan kebutuhan angka transformasinya. Dengan demikian arus yang masuk ke dalam rele akan sama dalam kondisi normal. Pada daerah tersebut arus akan mengalami ketidakseimbangan maksimum sehingga rele tidak akan bekerja. Berdasarkan perhitungan, arus gangguan yang terbesar adalah pada saat terjadi gangguan tiga fasa pada sisi tegangan rendah, yaitu sebesar 9.5411 kA.  Hal ini disebabkan karena pada sisi tegangan rendah arus yang mengalir lebih besar dari pada arus yang mengalir pada sisi tegangan tinggi. Sedangkan untuk arus hubung singkat yang terkecil adalah pada saat gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah,

4.1.7. Rele Bucholz

Pada rele Bucholz gas yang menyebabkan mercury switch bekerja berasal dari memanasnya minyak transformator memiliki unsur-unsur kimia sebagai berikut:

1) C2H6.

2) CO2

3) CO

4) H2

5) C2H2

Gas–gas yang dihasilkan oleh minyak transformator akan muncul apabila terjadi over heating oleh kumparan transfomator. Apabila minyak transformator terlalu sering mengalami hal tersebut maka minyak transformator akan berkurang tingkat isolasinya. Ketika terjadi short circuit antar kumparan pada transformator,dan dengan semakin rendahnya tingkat isolasi pada minyak, maka dapat mengakibatkan terjadinya aliran minyak dalam tangki trafo yang nantinya akan mengaktifkan rele bochloz dan akan mengirimkan sinyal ke triping koil untuk mengetripkan circuit breaker

5. PENUTUP

 Kesimpulan yang dapat diambil dari pembahasan adalah sebagai berikut:

1) Hasil iterasi gangguan pada arus terbesar pada kondisi trafo 3phase, sedangkan pembiasan setting rele persentasi terbaik pada 15%.

2) Rele Differensial digunakan untuk mengamankan transformator dengan menggunakan prinsip membandingkan arus pada sisi primer dan arus pada sisi sekunder.

3) Arus yang dapat diatasi oleh rele differensial adalah arus tidak seimbang yang disebabkan oleh hubung singkat kumparan transformator, arus hubung singkat pada bussing transformator dan arus hubung singkat antar kumparan pada transformator.

4) Pada rele Bucholz, terjadinya gangguan di dalam transformator yang dapat berupa gangguan phasa ke tanah, hubung singkat antar belitan sehingga menimbulkan panas

5) Apabila gangguan pada transformator tersebut terus terjadi, maka aliran dari gelembung-gelembung udara tersebut semakin keras, akan dapat dimanfaatkan sebagai pemutus CB (circuit breaker).

6. DAFTAR PUSTAKA

Parker Smith, Elektrical Engineering Design Manual, 2nd Edition Reversed, Chapman And Hall Ltd, London, 1950. Ravindranath, Power System Protection And SwitchtGear, 1997 Arief Budianto, Perencanaan Simulasi Pengaman Transformator, 2002 Shanmugasundaram. A, Gangdaran. G,Palni.R, Electrical Machine Design Data Book, Wliley East Tern Limited, NewDelhi. Singh Barbir, Elektrical Machine Design, Vakas PublisingHouse PVT, Bombay