bab ii landasan teori

 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Proteksi Sistem Tenaga Listrik
Proteksi terhadap suatu sistem tenaga listrik adalah sistem pengaman
yang dilakukan terhadap peralatan- peralatan listrik, yang terpasang pada
sistem tenaga listrik tersebut.
Gambar 2.1 Relay tegangan kurang sebagai proteksi tegangan kurang
Adapun fungsi dari sistem proteksi adalah:
 Untuk menghindari ataupun untuk mengurangi kerusakan peralatan
listrik akibat adanya gangguan (kondisi abnormal) semakin cepat reaksi
perangkat proteksi yang digunakan, maka akan semakin sedikitlah
pengaruh gangguan terhadap kemungkinan kerusakan alat;
 Untuk mempercepat melokalisir luas/ zona daerah yang terganggu
sehingga menjadi sekecil mungkin;
 Untuk dapat memberikan pelayanan listrik dengan keandalan yang
tinggi kepada konsumen, dan juga mutu listriknya baik;
4
5
 Untuk mengamankan makhluk hidup terhadap bahaya yang ditimbulkan
oleh listrik.
Pengaman-lebur (fuse) adalah contoh alat pengaman yang paling
sederhana yang jika dipilih dengan tepat dapat memenuhi fungsi
tersebut. Untuk pengamanan bagian sistem yang lebih penting, digunakan
sistem proteksi yang terdiri dari seperangkat peralatan proteksi yang
komponen-komponen terpentingnya adalah :
 Relay Proteksi : berperan sebagai elemen perasa yang mendeteksi
adanya gangguan atau keadaan abnormal lainnya (fault detection).
 Pemutus Tenaga (PMT) : sebagai pemutus arus gangguan di dalam
sirkit tenaga untuk melepaskan bagian sistem yang terganggu. Dengan
perkataan
lain
“membebaskan
sistem
dari
gangguan”
(fault
clearing). PMT menerima perintah (sinyal trip ) dari relay proteksi
untuk membuka.
Gambar 2.2 Pemutus tenaga (PMT)
6
Dalam sistem proteksi pembagian tugas dapat diuraikan menjadi :
1.
kerja, dan fleksibilitas sistem proteksi dalam melakukan proteksi
terhadap sistem tenaga.
2.
Proteksi utama, berfungsi untuk mempertinggi keandalan, kecepatan
Proteksi tambahan, berfungsi untuk pemakaian pada waktu tertentu,
sebagai pembantu proteksi utama pada daerah tertentu yang
dibutuhkan
{Ezkhel, 2011., Sistem Proteksi}
{Hidayatullah, Umy. 2011. Fungsi Relay Proteksi}
2.2 Penyebab Terjadinya Kegagalan Proteksi
Jika proteksi bekerja sebagaimana mestinya, maka kerusakan akibat
gangguan mestinya dapat dihindari/ dicegah sama sekali, atau kalau
gangguan itu disebabkan karena sudah adanya kerusakan (insulation break
down di dalam peralatan), maka kerusakan itu dapat dibatasi sekecilnya.
Proteksi yang benar harus dapat bekerja cukup cepat, selektif dan andal
sehingga kerusakan peralatan yang mungkin timbul akibat busur gangguan
atau pada bagian sistem/peralatan yang dilalalui arus gangguan dapat
dihindari dan kestabilan sistem dapat terjaga. Sebaliknya jika proteksi gagal
bekerja atau terlalu lambat bekerja, maka gangguan akan berlangsung lebih
lama, maka kerusakan pada peralatan instalasi tidak dapat dihindari.
Kegagalan atau kelambatan kerja proteksi dapat disebabkan antara lain:
 Relaynya telah rusak atau tidak konsisten bekerjanya.
 Setelan (setting) Relaynya tidak benar (kurang sensitif atau kurang
cepat).
 Baterainya lemah atau kegagalan sistem DC supply sehingga tidak
mampu men-trip-kan PMT-nya.
 Hubungan kotak kurang baik pada sirkit tripping atau terputus.
 Kemacetan mekanisme tripping pada PMT-nya karena kotor, karat, patah
atau meleset.
7
 Kurang sempurna rangkaian sistem proteksi antara lain adanya hubungan
kontak yang kurang baik.
{Ervab, 2011., Sistem Proteksi 1}
2.3 Definisi Relay Proteksi
Relay proteksi adalah adalah suatu relay listrik yang digunakan untuk
mengamankan peralatan peralatan listrik terhadap kondisi abnormal.
Relay proteksi dapat merasakan atau melihat adanya gangguan pada
peralatan yang diamankan dengan mengukur atau membandingkan besaran besaran yang diterimanya misalnya arus, tegangan, daya, sudut fasa,
frekuensi, impedansi dan sebagainya dengan besaran yang telah ditentukan,
kemudian
mengambil
keputusan
untuk
seketika
ataupun
dengan
perlambatan waktu membuka PMT ataupun hanya memberi tanda tanpa
membuka PMT.
2.3 Macam- macam relay proteksi
Disamping tugas diatas, relay juga berfungsi menunjukkan lokasi dan
macam gangguannya. Dengan data tersebut akan memudahkan analisa dari
gangguannya. Dalam beberapa hal, relay hanya memberi tanda adanya
gangguan atau kerusakan, jika dipandang gangguan atau kerusakan tersebut
tidak membahayakan.
8
Gambar 2.4 Prinsip kerja relay proteksi
Bila terjadi gangguan, CT atau PT akan mengirimkan sinyal gangguan
kepada relay dan relay akan menyambungkan rangkaian tripping coil PMT
dengan baterai sehinggga tripping coil dari PMT ter-energize dan PMT akan
terbuka.
Dari uraian diatas, maka relay proteksi pada sistem tenaga listrik adalah
sebuah komponen pendeteksi adanya gangguan yang kemudian akan
memberikan perintah pada CB untuk membuka kontak.
{Trickey, Cliff. Protective Relays}
2.4 Syarat-Syarat Relay Proteksi
Untuk melaksanakan fungsi-fungsi diatas, maka relay proteksi harus
memenuhi persyaratan sebagai berikut:
a. Andal
Maksud dari andal adalah bahwa sebuah relay proteksi harus selalu
berada pada kondisi yang mampu melakukan pengamanan pada daerah
yang diamankan. Keandalan memiliki 2 aspek, antara lain:

Dependability, adalah kemampuan suatu sistem relay untuk
beroperasi dengan baik dan benar. Pada prinsipnya pengaman
9
harus dapat diandalkan bekerjanya (dapat mendetaksi dan
melepaskan bagian yang terganggu), tidak boleh gagal bekerja.
Dengan kata lain dependability-nya harus tinggi.

Security, adalah tingkat kepastian suatu sistem relay untuk tidak
salah dalam bekerja. Salah kerja, misalnya lokasi gangguan
berada di luar pengamanannya, tetapi salah kerja mengakibatkan
pemadaman yang seharusnya tidak perlu terjadi.
Dalam keadaan normal (tidak ada gangguan) relay tidak boleh bekerja.
Tetapi bila suatu saat terjadi gangguan yang mengharuskan relay
bekerja, maka relay tidak boleh gagal bekerja untuk mengatasi
gangguan tersebut. Kegagalan kerja relay dapat mengakibatkan
kerusakan yang berat bagi alat atau bagian sistem yang diamankan atau
gangguan
menjadi
meluas
sehingga
daerah
yang
mengalami
pemadaman akan meluas. Disamping itu, relay tidak boleh salah
bekerja, sehingga menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya
ataupun menyulitkan analisa gangguan yang terjadi.
Keandalan relay proteksi mulai dari perancangan, pengerjaan, bahan
yang digunakan dan perawatannya. Oleh karena itu setelah operasi atau
pengujian untuk mendapatkan keandalan yang tinggi diperlukan
perawatan untuk menentukan apakah karakteristik relay masih tetap
atau memerlukan penyetelan kembali. Catatan hasil pengujian pada saat
ini perlu dibandingkan dengan hasil pengujian periode yang lalu, hal ini
untuk mengetahui karakteristik relay masih stabil atau tidak sehingga
dapat menentukan keandalan relay.
b. Selektif
Maksudnya pengaman harus dapat membedakan apakah gangguan
terletak di daerah proteksi utama dimana pengaman harus bekerja cepat
atau terletak di luar zona proteksinya dimana pengaman harus bekerja
dengan waktu tunda atau tidak bekerja sama sekali.
Relay bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem dalam
daerah pengamannya. Letak PMT sedemikian rupa sehingga setiap
10
bagian dari sistem dapat dipisahkan. Maka tugas relay adalah
mendeteksi adanya gangguan yang terjadi pada daerah pengamanannya
dan memberi perintah untuk membuka PMT untuk memisahkan bagian
dari sistem pada daerah yang terganggu. Dengan demikian bagian
sistem lainnya yang tidak terganggu jangan sampai dilepas, dan masih
beroperasi secara normal sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan.
c. Cepat
Untuk memperkecil kerugian atau kerusakan akibat gangguan, maka
bagian yang terganggu harus dipisahkan secepat mungkin dari bagian
sistem lainnya. Selang waktu sejak dideteksinya gangguan sampai
dilakukan pemisahan gangguan merupakan penjumlahan dari waktu
kerja relay dan waktu kerja pemutus daya. Namun pengaman yang baik
adalah pengaman yang mampu beroperasi dalam waktu kurang dari 50
ms.
d. Peka (Sensitif)
Pada prinsipnya relay harus cukup peka sehingga dapat mendetekasi
gangguan di kawasan pengamanannya meskipun gangguan yang ada
relatif kecil.
e. Ekonomis
Dengan biaya yang sekecilnya-kecilnya diharapkan relay proteksi
mempunyai kemampuan pengamanan yang sebesar-besarnya.
f. Sederhana
Relay pengaman harus disusun sesederhana mungkin namun tetap
mampu bekerja sesuai dengan tujuannya.
2.5 Proteksi Tegangan Kurang
Proteksi tegangan kurang merupakan suatu proteksi yang mencegah
peristiwa gangguan tegangan kurang yang dapat merusak peralatan maupun
sistem itu sendiri. Tegangan kurang dapat terjadi karena:
1.
Generator mengalami beban lebih;
11
2.
Automatic Voltage Regulator (AVR) generator mengalami
kerusakan.
Untuk pertimbangan tersebut dibutuhkan sistem proteksi yang mampu
bereaksi cepat dan andal dalam mengatasi gangguan tegangan kurang.
Dalam sistem proteksi jaringan listrik dikenal dengan relay tegangan kurang
(undervoltage relay).
Dengan adanya relay tegangan kurang, tegangan yang dialirkan dapat
terlindungi dari gangguan tegangan kurang yang dapat merusak peralatan-
peralatan listrik.
{Jositohang, 2007., Jenis- Jenis Gangguan Generator}
2.6 Komponen Proteksi Tegangan Kurang
2.6.1 Pemutus Tenaga/ Circuit Breaker
Pemutus tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB) adalah suatu
peralatan listrik yang dapat menghubungkan atau memutuskan
rangkaian listrik dalam keadaan normal (tidak ada gangguan) atau tidak
normal (ada gangguan).
2.5 Simulator PMT
12
Dalam keadaan tidak normal (terjadi gangguan) CB adalah
merupakan saklar otomatis yang dapat memisahkan bagian yang
mengoperasikan CB dalam keadaan tidak normal ini umumnya
digunakan suatu rangkaian trip (tripping coil) yang mendapat sinyal
dari suatu rangkaian relay proteksi.
terganggu dengan bagian yang tidak terganggu, dimana untuk
2.6.2 Power Supply 3 Fasa
Power supply merupakan sebuah perangkat yang memasok
listrik energi untuk satu atau lebih beban listrik. Istilah ini paling sering
diterapkan ke perangkat yang mengubah satu bentuk energi listrik yang
lain, meskipun juga dapat merujuk ke perangkat yang mengkonversi
bentuk energi lain (misalnya, mekanik, kimia, solar) menjadi energi
listrik. Sebuah catu daya yang dapat diatur adalah yang dapat
mengontrol tegangan output atau arus ke nilai tertentu. Power supply
juga berfungsi sebagai penaik atau penurun tegangan dari tegangan jala
jala dengan menggunakan transformator didalamnya.
Gambar 2.6 Power Supply 3 Fasa
2.6.3 Relay Tegangan Kurang
Adalah relay yang bekerja dengan menggunakan tegangan sebagai
besaran ukur. Relay akan bekerja jika mendeteksi adanya penurunan
13
tegangan melampaui batas yang telah ditetapkan. Untuk waktu yang
relatif lama tegangan turun adalah lebih kecil dari 5% dari tegangan
jala- jala dan dalam jangka waktu jam beberapa peralatan yang
beroperasi dengan tegangan di bawah 10 % akan mengalami penurunan
efisiensi.
Gambar 2.7 Rangkaian pendeteksi gangguan tegangan kurang
Keterangan:
 A, B, C : jaringan 3 fasa
 6, 7 : terminal input ke relay tegangan kurang
 52 : kode untuk AC Breaker
Relay tegangan kurang akan mendeteksi tegangan 3 fasa A, B, C
melalui tegangan antar fasa A dan C. Sebelum masuk ke relay tegangan
kurang, tegangan A dan C masuk terlebih dahulu ke trafo sehingga dan
keluaran dari trafo salah satunya di grounding-kan lalu masuk ke
terminal 6 dan 7 yang merupakan terminal input dari relay tegangan
kurang dan akan dibandingan dengan tegangan settingnya. Itulah cara
relay tegangan kurang mendeteksi gangguan tegangan kurang.
14
Kontak- kontak pada relay terbagi kedalam 2 jenis, yaitu
Normally Open (NO) dan Normally Close (NC). Normally Open
(kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi
awal sebelum diaktifkan close). Secara sederhana prinsip kerja dari
relay adalah ketika coil mendapat energi listrik (energized), maka akan
timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armatur yang berpegas,
dan contact akan menutup.
Gambar 2.8 Relay tegangan kurang
Relay tegangan kurang akan bekerja ketika mendeteksi adanya
gangguan tegangan kurang. pada saat itu, tegangan yang masuk ke
relay tegangan kurang akan dibandingkan dengan tegangan setting yang
telah diatur sebelumnya sehingga apabila tegangan turun melebihi dari
setting-an, maka tripping coil dari relay tegangan kurang akan bekerja
dan akan menyambungkan rangkaian tripping coil PMT dengan baterai
sehinggan tripping coil PMT akan bekerja menarik kontak PMT
sehingga kontak PMT membuka dan rangkaian yang terkena gangguan
tegangan kurang akan terputus.
15
Gambar 2.9 Rangkaian kontrol relay tegangan kurang
Rangkaian diatas merupakan rangkaian kontrol relay tegangan
kurang dengan 2 pilihan setting, yaitu:
1. Timed Undervoltage (TUV)
Adalah dengan penambahan time delay pada settingannya,
penambahan time delay itu berarti pada saat relay mendeteksi
adanya tegangan kurang, relay tidak langsung bekerja, tetapi
menunggu sampai setting time delaynya tercapai baru relay
bekerja untuk menghubungkan rangkaian tripping coil. Apabila
kita melihat rangkaian sebelah kiri, ketika tegangan masuk ke
relay tegangan kurang pada terminal no 10 dan keluar melalui
terminal no 2, itulah rangkaian kerja TUV pada relay tegangan
16
kurang. sebelum keluar melalui terminal no 2, tegangan kurang
terlebih dahulu dibandingkan dengan target. Target ini adalah
setting waktu tunda dan setting tegangan kurang dari TUV itu
sendiri. Apabila target sudah tercapai, maka kontak TUV akan
menutup dan mengalirkan tegangan keluar melalui terminal no 2
dan akan meng-energize 52TC (breaker trip coil) sehingga akan
menggerakkan kontak 52a (breaker aux, contact).
2. Instantaneous Undervoltage (IUV)
Hampir sama seperti TOV, namun instantaneous undervoltage ini
tidak dilengkapi dengan setting waktu tunda, sehingga ketika
terjadi gangguan tegangan kurang,
relay akan langsung
memberikan sinyal gangguan pada breaker. Ketika tegangan
masuk ke relay dengan kontak no 13 dan mengidikasikan
tegangan kurang, tegangan tersebut akan di bandingkan dengan
target yang hanya membandingkannya dengan tegangan setting
saja. Setelah target terpenuhi maka kontak IUV akan menutup
sehingga tegangan akan meng-energize 52TC (breaker trip coil)
sehingga akan menggerakkan kontak 52a (breaker aux, contact).
17
Gambar 2.10 Diagram blok relay tegangan kurang tipe BE1-27/59
{Manual Book BE1-27/59}
Alur kerja pada diagram blok diatas adalah tegangan input masuk
ke relay dan langsung masuk ke trafo yang ada didalam relay untuk
diturunkan tegangannya, selanjutnya tegangan keluaran dari trafo
diproses low-pass filter untuk menghaluskan tegangan dan full wave
rectifier untuk mengubah tegangan AC ke tegangan DC yang lalu
selanjutnya dibandingkan dengan pickup setting yang dapat diatur
didalam komparator. Komparator disini berperan sangat penting dalam
pendeteksian gangguan tegangan kurang, karena komparator berfungsi
untuk membandingkan antara tegangan setting dengan tegangan yang
dimonitor. Komparator tersebut akan membandingkan nilai tegangan
pada kedua masukannya, apabila masukan (-) lebih besar dari masukan
(+) maka, keluaran komparator akan menjadi sama dengan - Vsupply,
apabila tegangan masukan (-) lebih kecil dari masukan (+) maka
keluaran komparator akan menjadi sama dengan + Vsupply.
18
Jadi dalam hal ini jika Vinput lebih besar dari V maka keluarannya
akan menjadi - Vsupply, jika sebaliknya, Vinput lebih kecil dari V maka
keluarannya akan menjadi + Vsupply.
Gambar 2.11 Rangkaian komparator
Output dari komparator selanjutnya masuk ke gerbang logika NOT
yang berarti bila inputnya bernilai 1 maka outputnya akan bernilai 0,
begitupun kebalikannya, bila inputnya bernilai 0 maka outputnya akan
bernilai 1.
{Elmore, A. Walter. Protective Relaying Theory and Applications}