BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
Gangguan pada sistem tenaga listrik merupakan salah satu faktor yang
penting untuk diperhatikan demi kontinuitas berjalannya sistem tenaga listrik.
Gangguan yang terjadi bisa diakibatkan baik oleh faktor internal maupun faktor
eksternal. Ketika gangguan terjadi maka diperlukan suatu sistem pengaman tenaga
listrik yang dapat mengantisipasi kerusakan pada peralatan tenaga listrik demi
menjaga kontinuitas pelayanan pada sektor sistem tenaga listrik yang tidak
mengalami gangguan.
Sistem pengaman tenaga listrik yang bisa mengamankan jaringan sistem
kelistrikan industri, harus memiliki pemilihan jenis dan setting yang tepat untuk
melindungi peralatan dari kerusakan yang diakibatkan oleh gangguan yang terjadi
pada sistem tenaga listrik. Peralatan utama pada sistem pengaman tenaga listrik
adalah fuse dan circuit beraker. Fuse bisa merasakan arus yang abnormal dan
mengamankannya dengan meleleh serta membuka rangkaian listrik. Sedangkan
circuit breaker mengamankan sistem tenaga listrik secara otomatis oleh perintah
dari rele atau rele pengaman yang dipasang untuk merasakan arus abnormal dan
memberikan perintah kepada circuit breaker untuk membuka rangkaian. Sistem
pengaman terdiri dari bermacam-macam rele dengan operasi yang berbeda-beda
untuk mengantisipasi gangguan yang berbeda-beda pula. Tidak jarang, dua atau
lebih rele pengaman yang memiliki prinsip kerja yang berbeda dipasang untuk
melindungi sebuah peralatan listrik. Masing-masing rele pengaman dalam sistem
kelistrikan perlu dikoordinasikan dengan rele-rele pengaman lainnya untuk
melindungi peralatan yang berdekatan. Sehingga dengan koordinasi yang tepat,
pada saat terjadi arus abnormal atau arus gangguan bisa menyebabkan rele
pengaman yang tepat untuk bekerja dan memberikan perintah kepada circuit
breaker sehingga bisa mengisolir gangguan yang terjadi.
6
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.1.Penyebab Gangguan pada Sistem Tenaga Listrik
Dalam sistem tenaga listrik, gangguan yang dapat memengaruhi kerja
sistem disebabkan oleh dua faktor yaitu dari dalam sistem dan dari luar sistem.
Penyebab gangguan yang berasal dari dalam sistem antara lain.:
1. Kerusakan mekanis karena faktor usia peralatan.
2. Pemasangan peralatan yang kurang baik.
3. Tegangan dan arus yang tidak normal
4. Beban lebih pada sistem.
5. Kerusakan bagian dari peralatan listrik seperti isolator pecah, kabel
putus, atau kabel cacat isolasinya.
Sedangkan penyebab gangguan yang berasal dari luar sistem antara lain:
1. Gangguan akibat pengaruh cuaca seperti hujan, salju dan terutama
akibat petir, karena gangguan akibat petir bisa mengakibatkan
tegangan lebih dan merusak isolasi sehingga terjadi hubung singkat.
2. Gangguan mekanis akibat pemasangan saluran lain seperti jaringan
telepon, fiber optik dan sebagainya.
3. Gangguan akibat lingkungan, seperti pertumbuhan pohon yang
menyentuh tiang listrik serta akibat kecerobohan manusia.
2.2.Gangguan – Gangguan pada Sistem Tenaga Listrik
Dalam sistem tenaga listrik tiga fasa, gangguan-gangguan yang mungkin
terjadi antara lain
1. Gangguan Tegangan Lebih
Gangguan tegangan lebih diakibatkan karena adanya kelainan pada
sistem. Gangguan tegangan lebih bisa terjadi pada transformator,
motor, kapasitor dan generator. Transformator dan generator didesain
untuk bekerja tidak lebih dari 105% tegangan kerjanya sedangkan
motor dan kapasitor tidak di desain untuk bekerja lebih dari 110%
tegangan kerjanya. Gangguan tegangan lebih dapat terjadi antara lain
karena gangguan petir dan gangguan surja hubung, diantaranya adalah
penutupan saluran tak serempak pada pemutus tiga fasa, penutupan
7
http://digilib.mercubuana.ac.id/
kembali saluran dengan cepat, pelepasan beban akibat gangguan,
penutupan saluran yang semula tidak masuk sistem menjadi masuk
sistem, dan sebagainya.
2. Gangguan Beban Lebih
Gangguan ini sebenarnya bukanlah gangguan murni, melainkan
keadaan abnormal yang diakibatkan oleh peningkatan beban yang terus
menerus hingga mengakibatkan pemanasan pada peralatan listrik.
Biasanya gangguan ini terjadi pada transformator.
3. Gangguan Hubung Singkat
Gangguan hubung singkat adalah hubungan abnormal yang terjadi
antara dua atau lebih titik yang berbeda energi listrik. Gangguan ini
dapat terjadi antara fasa (3 fasa dan dua fasa) atau antara satu fasa
ketanah dan dapat bersifat temporari dan permanen. Gangguan yang
permanen misalnya hubung singkat yang terjadi pada kabel karena
tembusnya isolasi padat. Gangguan yang temporari misalnya hubung
singkat akibat flashover sambaran petir.
2.3.Analisis Gangguan Hubung Singkat
Gangguan hubung singkat ini sendiri digolongkan menjadi dua kelompok
yakni gangguan hubung singkat simetri dan gangguan hubung singkat asimetri
(tidak simetri). Yang termasuk dalam gangguan simetri adalah gangguan
hubung singkat tiga fasa, sedangkan yang lainnya termasuk dalam gangguan
hubung singkat asimetri yakni hubung singkat satu fasa ke tanah, dua fasa ke
tanah, dan hubung singkat antar dua fasa.
Hampir semua gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik adalah
gangguan hubung singkat asimetri, gangguan ini menyebabkan mengalirnya
arus tidak seimbang dalam sistem sehingga untuk analisis gangguan
digunakan metode komponen simetri baik menentukan arus maupun tegangan
disemua bagian sistem setelah terjadi gangguan.
Prinsip dasar dari komponen simetris pada rangkaian sistem tiga fasa
yang tidak seimbang yaitu bahwa pada setiap fasor yang tidak seimbang pada
8
http://digilib.mercubuana.ac.id/
sistem tenaga dapat diuraikan menjadi tiga kelompok fasor yang seimbang,
yaitu:
1. Komponen urutan positif yang terdiri dari tiga fasor yang besarnya
sama dengan beda fasa sebesar
120 0
dan mempunyai urutan fasa yang
sama seperti fasor sistem. Pada sistem tenaga listrik tidak dipengaruhi
oleh hubungan belitan transformator maupun sistem pentanahan titik
netral generator. Pada rangkaian urutan positif pada generator maka
impedansi urutan positifnya terhubung seri dengan sumber tegangan.
2. Komponen urutan negatif yang terdiri dari tiga fasor yang sama besar
berbeda fasa
120 0
dan mempunyai urutan berlawanan dengan fasor
sistem, model rangkaiannya sama seperti hubungan rangkaian urutan
positif hanya saja tidak memiliki sumber tegangan. Nilai impedansi
urutan negatif sama dengan nilai impedansi urutan positif.
3. Komponen urutan nol yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya
dan mempunyai pergeseran fasa sebesar
0 0 antara
satu dengan yang
lain. Pada umumnya rangkaian urutan nol berbeda dengan rangkaian
urutan positif maupun rangkaian urutan negatif. Rangkaian urutan nol
tidak mempunyai sumber tegangan. Nilai impedansi suatu rangkaian
urutan nol sangat dipengaruhi oleh hubungan belitan trafo dan
pentanahan titik netral generator.
Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada Gambar 2.1 fasor tegangan seimbang.
Va2
V a1
1200
1200
Vc1
Va0 Vb0 Vc 0
Vc 2
Vb 1 V
b2
Gambar 2.1. Fasor Tegangan Tiga Fasa Seimbang
9
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Va0 , Vb0 , Vc0 adalah
komponen urutan nol
Va1 , Vb1 , Vc1 adalah
komponen urutan positif
Va2 , Vb2 , Vc2
2.4.
adalah komponen urutan negatif
Perhitungan Arus Hubung Singkat
Perhitungan untuk menghitung besar arus hubung singkat dalam sistem tenaga
listrik dapat dilakukan dengan perumusan antara lain sebagai berikut :
2.4.1. Gangguan Hubung Singkat 3 fasa
Gangguan tiga fasa secara langsung merupakan hubung singkat yang
digolongkan sebagai gangguan simetri. Model saluran gangguan tiga fasa
dapat dilihat pada Gambar 2.2 model saluran gangguan tiga fasa
Gambar 2.2. Model Saluran Gangguan 3 Fasa.
Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat 3fasa
.....................................................................(2.1)
Dimana
Sedangkan
merupakan tegangan fasa ke netral
merupakan impedansi urutan positif
2.4.2. Gangguan Hubung Singkat Antar Dua Fasa
Gangguan hubung singkat antar dua fasa digolongkan sebagai
gangguan asimetri. Model saluran gangguan antar dua fasa dapat dilihat pada
Gambar 2.3 model saluran gangguan antar dua fasa
10
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.3. Model saluran gangguan antar dua fasa.
Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat antar dua fasa
...........................................................(2.2)
merupakan tegangan fasa ke netral. Z 1 dan Z 2 masng- masing merupakan
impedansi urutan positif dan
negatif yang mempunyai besaran nilai yang
sama, maka didapatkan
............................................................(2.3)
Dimana
merupakan tegangan fasa ke netral.Sedangkan
merupakan
impedansi urutan positif.
2.4.3. Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah
Gangguan satu fasa ketanah merupakan hubung singkat yang digolongkan
sebagai gangguan asimetri. Model saluran gangguan satu fasa ke tanah dapat
dilihat pada Gambar 2.4 model saluran gangguan satu fasa ke tanah
Gambar 2.4 Model Saluran Gangguan satu fasa ke Tanah.
Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah
. .................................................. (2.4)
merupakan tegangan fasa ke netral.Z1 dan Z2 masing- masing merupakan
impedansi urutan positif dan negatif yang mempunyai besaran nilai yang
sama.Z0 adalah impedansi urutan nol
11
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.4.4. Gangguan Hubung Singkat dua fasa Ketanah
Gangguan dua fasa ketanah merupakan hubung singkat yang digolongkan
sebagai gangguan asimetri. Model saluran gangguan dua fasa ke tanah dapat
dilihat pada Gambar 2.5 model saluran gangguan dua fasa ke tanah
Gambar 2.5. Model Saluran Gangguan dua Fasa ke Tanah
Untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat satu fasa ke
tanah
.............................................(2.5)
merupakan tegangan fasa ke netral.Z1 dan Z2 masing- masing merupakan
impedansi urutan positif dan negatif yang mempunyai besaran nilai yang
sama.Z0 adalah impedansi urutan nol
2.5.Pengaman Sistem Tenaga Listrik
Sistem tenaga listrik harus dirancang, dikonstruksikan, dibangun, dan
dioperasikan dengan jalan yang aman, handal, dan ekonomis untuk menyalurkan
daya kepada beban-beban tenaga listrik. Dan dalam rancangan awal
pembangunan, spesifikasi peralatan sistem tenaga listrik harus dirancang untuk
memenuhi beban – beban yang diperkirakan akan bertambah. Akan tetapi,
walupun sudah dirancang sedemikian rupa pasti gangguan sistem tenaga listrik
bisa terjadi dan tidak dapat dihindari. Gangguan yang tidak dapat dihindari adalah
gangguan eksternal yang contohnya adalah hubung singkat akibat sambaran petir
yang bisa datang sewaktu-waktu. Oleh karena itu, hubung singkat merupakan
gangguan yang harus bisa diamankan demi menjaga keandalan sistem.
12
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.5.1.
Peralatan Pengaman Listrik
Pengaman sistem tenaga listrik memiliki macam – macam jenis dari
peralatan pengaman lisrtik untuk mengatasi akibat-akibat negatif dari berbagai
macam gangguan-gangguan. Tujuan utama dari sistem tenaga listrik sendiri
adalah untuk menghasilkan dan menyalurkan energi listrik ke konsumen.
Sistem tersebut harus dirancang dan dikendalikan untuk pengiriman energinya
ke pengguna secara handal dan ekonomis. Keperluan akan sistem tenaga
listrik yang handal dan ekonomis tidak dapat dielakkan. Banyak peralatan
sistem tenaga listrik yang harganya sangat mahal dan sistem yang begitu
rumit mengGambarkan betapa banyaknya modal yang harus dikeluarkan.
Biaya akan cepat kembali jika sistem tersebut dalam penggunaanya
memungkinkan pengaman dan keandalan sistem yang terjamin.
Pemilihan peralatan pengaman merupakan hal yang terpenting dalam
pengamanan sistem tenaga listrik. Salah satu dari peralatan pengaman yang
sering dan handal adalah rele pengaman. Rele merupakan bagian dari
peralatan sistem tenaga listrik yang digunakan untuk memberikan sinyal
kepada circuit breaker (CB), supaya dapat memutuskan atau menghubungkan
pelayanan penyaluran pada elemen sistem tenaga listrik. Rele ini akan
memberikan sinyal kepada circuit breaker untuk memutuskan sistem tenaga
listrik jika terjadi gangguan, hal ini dapat di jelaskan secara blok alur kerja rele
pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Alur Kerja Rele Pengaman
Pada dasarnya rele proteksi terdiri dari sebuah elemen operasi dan seperangkat
kontak. Elemen operasi menerima masukan arus dari transformator arus
ataupun tegangan dari transformator tegangan atau kombinasi dari keduanya.
Dalam beberapa kasus rele melakukan pengukuran atau perbandingan
operasi dasar input dan mengubahnya dalam bentuk gerakan kontak. Keadaan
13
http://digilib.mercubuana.ac.id/
keluaran dari rele adalah menutup (close) dan ditahan (block). Jika keadaan
tertutup maka rele akan meberikan sinyal untuk melakukan proses pembukaan
dari circuit breaker dimana pada gilirannya akan mengisolasi gangguan dari
bagian sistem tenaga listrik lain yang sehat.
Didalam pemilihan setting sebuah rele harus dilakukan dengan benar agar
tidak terjadi kesalahan operasi pada saat terjadi gangguan. Oleh karena itu halhal yang mempengaruhi dalam pemilihan setting rele harus benar-benar
diperhatikan.
2.5.2.
Rele Pengaman Listrik
Rele digunakan untuk memberikan sinyal kepada circuit breaker (CB) rele
pengaman biasanya dipisahkan menjadi tiga elemen dasar seperti terlihat pada
Gambar 2.7 elemen dasar rele.
Gambar 2.7. Elemen Dasar Rele Pengaman
a) Elemen Pengindera
Elemen pengindera merupakan elemen sensing atau elemen untuk
merasakan aliran arus, tegangan atau frekeuensi yang mengalir pada suatu
jalur untuk selanjutnya dikirimkan kepada elemen pembanding.
b) Elemen Pembanding
Elemen pembanding merupakan elemen kedua yang menerima masukan
dari rele pengindera untuk selanjutnya melakukan perbandingan antara
masukan dengan parameter yang telah dipilih besarannya dalam elemen
pembanding ini. Dan elemen ini membandingkan antara kondisi normal
sistem dengan kondisi sistem terganggu. Dan keluaran dari elemen ini
adalah kondisi abnormal sistem, maka elemen pembanding akan
memberikan masukan kepada elemen kontrol.
14
http://digilib.mercubuana.ac.id/
c) Elemen Kontrol
Elemen kontrol merupakan elemen mengadakan perubahan secara cepat
pada besaran ukurnya dan akan segera memberikan isyarat untuk
membuka circuit breaker atau memberikan sinyal. Komponen yang
berfungsi sebagai elemen kontrol adalah kumparan penjatuh (trip-coil).
2.5.3.
Syarat – Syarat Rele Pengaman
Rele pengaman merupakan elemen yang penting dalam pengaman sistem
tenaga listrik, oleh karena itu untuk menjaga keandalan dari pelayanan
energi listrik maka rele pengaman perlu memenuhi syarat keandalan
sebagai berikut :
a) Kecepatan Bereaksi dan Operasi
Pada prinsipnya kecepatan kerja rele adalah hal yang penting untuk
mengatasi gangguan karena semakin cepat rele bekerja semakin kecil
resikonya untuk merusak sistem. Rele harus cukup peka sehingga dapat
mendeteksi gangguan di kawasan pengamanannya meskipun
dalam
kondisi yang memberikan rangsangan yang minimum. Kepekaan rele
diartikan sebagai kemampuan merespon bila kondisi kerja cenderung
menyimpang dari kondisi kerja normal. Bila suatu kondisi kerja normal
tiba-tiba mengalami gangguan, maka sistem pengaman harus cepat
tanggap (peka). Sensitifitas dapat dituliskan dengan persamaan faktor
sensitif Ks, yang merupakan perbandingan antara arus hubung singkat
minimum dan arus pick up.
I
K s  scmin
I pp
.........................................................(2.6)
dimana :
Isc min = arus hubung singkat minimum.
Ipp
= arus pick up (arus kerja) primer dari pengaman.
15
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Selain kecepatan bereaksi, rele pengaman juga harus benar dalam
mengambil keputusan. Keputusan ini maksudnya adalah menentukan
apakah sistem memang terjadi gangguan atau tidak terjadi gangguan.
b) Selektivitas
Selektif maksudnya adalah penentuan peralatan rele pengaman harus
bekerja atau tidak. Pengaman harus dapat memisahkan bagian sistem yang
terganggu sekecil mungkin yaitu hanya seksi yang terganggu saja yang
menjadi kawasan pengamanan utamanya. Jadi rele harus dapat
membedakan apakah gangguan terletak di kawasan pengamanan utamanya
dimana ia harus bekerja cepat atau terletak di seksi berikutnya dimana ia
harus bekerja dengan waktu tunda atau harus tidak bekerja sma sekali
karena gangguannya di luar daerah pengamanannya atau sama sekali tidak
ada gangguan. Untuk mengkoordinasikan rele agar menjadi selektif adalah
melakukan perhitungan hubung singkat dengan cermat dan memperhatikan
karakteristik dari rele tersebut.
c) Keandalan
Pada keandalan rele pengaman ada tiga aspek penting dalam keandalan
pengaman sistem tenaga listrik yakni Dependability, security, dan
availability. Dependability adalah yaitu tingkat bekerjanya (keandalan
kemampuan bekerjanya). Pada prinsipnya rele pengaman harus dapat
diandalkan bekerjanya (dapat mendeteksi dan melepaskan bagian yang
terganggu) dan tidak boleh gagal bekerja. Sehingga dependabilitynya
harus tinggi. Sedangkan sekuritas atau security adalah yaitu tingkat
kepastian untuk tidak salah bekerja (keandalan untuk tidak salah kerja).
Kondisi salah kerja adalah kondisi dimana rele bekerja pada saat
seharusnya rele tidak bekerja, misalnya karena lokasi gangguan di luar
kawasan pengamananya atau sama sekali tidak ada gangguan. Salah kerja
mengakibatkan pemadaman
availability
yang sebenarnya tidak perlu terjadi. Dan
adalah yaitu perbandingan antara waktu dimana rele
pengaman dalam keadaan siap kerja dan waktu total operasinya. Dari
16
http://digilib.mercubuana.ac.id/
ketiga aspek tersebut, keandalan rele bisa dihitung juga dari kinerja rele
yang bekerja saat terjadi gangguan di bandingkan dengan jumlah
gangguan yang terjadi, dan berdasarkan standar teknik rele yang handal
memiliki keandalan 94%.
d) Ekonomis
Sistem pengaman peralatan juga harus mempertimbangkan sisi ekonomis
dari pemasangan peralatan pengaman tersebut. Karena itu tidak semua
peralatan harus dilengkapi dengan pengamanan
yang lengkap karena
harga peralatan pengaman juga harus diperhitungkan tanpa menghilangkan
efektivitas penyaluran daya listrik. Sisi ekonomis perlu dipertimbangkan
setelah aspek teknis telah terpenuhi untuk kelayakan operasi peralatan.
2.5.4.
Tipe Rele Pengaman
Pada dasarnya sistem pengaman rele yang digunakan dalam sistem
tenaga listrik tidak berdiri sendiri-sendiri, artinya dalam pengoperasiannya
dibantu oleh rele. Untuk tujuan sistem pengamanan, rele dapat dibagi kedalam
beberapa tipe sesuai dengan fungsinya:
a) Rele Arus Lebih(50 / 51)
Rele arus lebih adalah rele perlindungan yang bekerja bila arus yang
mengalir pada saluran melebihi arus yang dipilih pada rele arus lebih
tersebut. Rele arus lebih dibedakan menjadi dua yakni time overcurrent
relay(51) dan instantaneous overcurrent relay(50). Yang membedakan
kedua jenis rele arus lebih ini adalah dalam hal waktu bekerja tiap rele.
time overcurrent relay (51) bekerja dengan waktu tunda atau mempunyai
karakteristik inverse time, dimana waktu kerja rele berbanding terbalik
dengan besar arus setting. Sedangkan instantaneous overcurrent relay(50)
bekerja tanpa menggunakan waktu tunda, saat terjadi gangguan, skeketika
itu rele ini bekerja dengan waktu yang singkat.
17
http://digilib.mercubuana.ac.id/
b) Rele Arah(67)
Rele arah bekerja bila arus gangguan mempunyai arah tertentu dan arah
sebaliknya tidak bekerja. Apabila rele arah ini digabungkan sering
dikatakan rele arus lebih terarah.
c) Rele Jarak(21)
Rele jarak bekerja atas dasar perbandingan tegangan (V) dan arus (I) yang
terukur pada lokasi dimana rele tersebut ditempatkan pada saat terjadi
gangguan. Apabila V/I yang terukur lebih kecil dari V/I yang diamankan
atau impedansi (Z) saluran yang diamankan maka rele bekerja. Sedangkan
bila V/I yang terukur lebih besar dari impedansi saluran yang diamankan
maka rele tidak bekerja.
d) Rele Differensial(87)
Merupakan rele yang didesain bekerja berdasar perbedaan atau
perbandingan antara arus masukan dan keluaran.
e) Rele Gangguan Tanah(50G/N / 51G/N)
Rele gangguan ketanah bekerja bila terjadi gangguan hubung singkat ke
tanah atau antara fasa dengan tanah.
f) Rele Turun Tegangan(27)
Apabila terjadi gangguan pada saluran yang menyebabkan tegangan sistem
turun dibawah harga penyetelan rele ini, maka rele bekerja.
2.5.5.
Konsep Daerah Pengaman
Konsep daerah pengamanan akan memberikan suatu pengertian mengenai
batas daerah bagi sistem pengaman. Sehingga suatu sistem pengaman akan
memberikan respon terhadap gangguan yang terjadi didaerahnya sendiri dan
memberikan pengamanan terhadap gangguan tersebut. Adapun daerah-daerah
perlindungannya adalah sebagai berikut:
1.Daerah pengamanan generator .
2.Daerah pengamanan transformer.
3.Daerah pengamanan busbar low voltage dan high voltage.
18
http://digilib.mercubuana.ac.id/
4.Daerah pengamanan saluran transmisi.
5.Daerah pengamanan motor.
Gambar 2.8. Protection Zone
Konsep daerah pengamanan dapat dilihat pada Gambar 2.8, dimana dalam
Gambar tersebut merupakan suatu sistem tenaga listrik yang terdiri dari dua
buah generator, empat buah transformator, dua saluran transmisi dan empat
buah bus bar yang diGambarkan dalam diagram segaris (single line diagram).
Garis yang terputus-putus dan membentuk suatu loop tertutup tersebut
menunjukan pembagian sistem tenaga listrik kedalam
lima daerah
perlindungan, masing-masing daerah mengandung satu atau beberapa
komponen sistem tenaga serta pemutus rangkaian. Dengan melihat zona
pengaman ini, koordinasi antar peralatan pengaman sangatlah penting untuk
meningkatkan keandalan kontinuitas pelayanan energi listrik.
19
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.6.Rele Arus Lebih
Dalam pengaman sistem tenaga listrik, rele yang sering digunakan adalah rele
arus lebih. Rele arus lebih adalah rele perlindungan yang bekerja bila arus yang
mengalir pada saluran melebihi arus yang dipilih pada rele arus lebih tersebut.
2.6.1.
Prinsip Kerja Rele Arus Lebih
Rele arus lebih merupakan suatu jenis rele yang bekerja berdasarkan
besarnya arus masukan, dan apabila besarnya arus masukan melebihi suatu
harga tertentu yang dapat diatur maka rele arus lebih bekerja. Hanya satu
variabel yang dibutuhkan untuk mengoperasikan rele ini lebih bekerja yaitu
arus. Walaupun prinsipnya sederhana, rele ini mempunyai banyak karakterisik
yang dapat dikembangkan hanya dengan variabel arus dan waktu
2.6.2.
Dasar Pemilihan Seting Rele Arus Lebih
Pada prinsipnya, rele arus lebih berfungsi sebagai pengaman gangguan
hubung singkat, tetapi dalam beberapa hal dapat berfungsi sebagai pengaman
beban lebih. Fungsi rele ini disamping sebagai pengaman utama untuk seksi
yang diamankan juga berfungsi sebagai pengaman cadangan pada seksi
berikutnya. Hal ini apabila rele arus lebih dipakai pada sistem distribusi
tegangan menengah. Namun untuk saluran transmisi tegangan tinggi rele arus
lebih berfungsi sebagai pengaman cadangan (back up).
Mengingat gangguan yang terjadi pada saluran transmisi adalah gangguan
hubung singkat phasa ke tanah, maka pemilihan setingnya juga berbeda
sehingga akan diuraikan kriteria pemilihan seting untuk gangguan phasa dan
gangguan tanah secara terpisah
2.6.3.
Konstruksi Rele Arus Lebih
Gangguan-gangguan yang dapat diamankan pengaman arus lebih (fase
fault) ini antara lain, gangguan hubung singkat antar fasa, tiga fasa dan tiga
fasa ke tanah. Apabila arus beban melebihi nilai tertentu atau nilai seting pada
20
http://digilib.mercubuana.ac.id/
rele maka rele ini akan bekerja. Untuk lebih jelasnya konstruksi rele arus lebih
secara sederhana dapat dilihat pada Skema rele arus lebih pada Gambar 2.9
Gambar 2.9. Skema Rele Arus Lebih
2.7.Karakteristik Rele Arus Lebih
Berdasarkan karakteristikwaktunya rele arus lebih dibedakan atas 4 jenis
karakteristik yaitu[8] :
a) Instantaeous Rele
b) Definite Rele
c) Inverse Rele
d) Inverse Definite Minimum Time (IDMT)
2.7.1.
Rele Arus Lebih Instant
Prinsip kerja rele jenis ini adalah tanpa penundaan waktu, tapi masih
bekerja dengan waktu cepat sebesar 0.1detik, pada umumnya kurang dari 0.05
detik, seperti terlihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10. Karakteristik Rele Arus Lebih Instant
Bekerjanya rele ini didasarkan besarnya arus gangguan hubung singkat yang
dipilih. Pada seting koordinasi proteksi di sistem distribusi tegangan
menengah disebut dengan setting moment/instant. Misal saat terjadi
21
http://digilib.mercubuana.ac.id/
gangguan hubung singkat, membukanya CB dalam waktu cepat sekali (50
mili detik), berarti gangguan hubung singkat yang terjadi adalah dengan arus
yang sangat besar.
Bus
TC
CB
S
Line
R
If
CT
I
Gambar 2.11. Rangkaian rele arus lebih instant
Gambar 2.11 adalah rangkaian rele arus lebih dengan karakteristik instant
dimana bila karena adanya suatu hal sehingga arus yang mengalir melebihi
harga yang diijinkan, maka harga Ir yang keluar dari sisi sekunder
transformator arus juga akan naik melebihi dari arus seting rele sehingga rele
bekerja. Kerja rele ini ditandai dengan menutupnya rangkaian rele. Karena
merupakan rangkaian tertutup maka dengan adanya sumber tegangan dc maka
tripping coil akan menarik kontak CB, sehingga CB terbuka. Untuk
mengetahui bekerjanya rele, maka sering digunakan lampu indikator atau
sinyal S yang dipasang antara rele dan tripping coil.
2.7.2.
Rele Arus Lebih Definite
Peralatan rele proteksi dengan menggunakan karakteristik definite time
yang di seting pada rele, hanya didasarkan pada waktu kerjanya proteksi
dengan tidak melihat besarnya arus gangguan. Kurva rele OCR dengan
karakterisitik definite dapat dilihat pada Gambar berikut:
22
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.12 Karakteristik Arus Lebih Definite
Gambar 2.12 menunjukkan karakteristik waktu dan arus rele definite,
dengan ts merupakan seting waktu sesuai setelan. Keuntungan dari
karakteristik definite adalah koordinasinya mudah dan waktu kerjanya tidak
tergantung pada perubahan kapasitas pembangkit. Disamping keuntungan
adapula kerugiannya, yaitu terjadi akumulasi waktu pada rele dihulu. Untuk
sistem yang besar, arus gangguan besar dalam hal ini kumulatif waktu tidak
digunakan. Dengan memasang rele kelambatan waktu, maka beroperasinya
rangkaian akan tergantung pada seting waktu.
2.7.3.
Rele Arus Lebih Inverse
Peralatan rele proteksi dengan menggunakan karakteristik inverse time
relay, karakteristik grafiknya terbalik antara arus dan waktu, dimana semakin
besar arus gangguan hubung singkat maka semakin kecil waktu yang
dibutuhkan untuk membuka pemutus (PMT) sehingga dalam setingnya nanti
rele jenis ini perlu mengetahui besarnya arus hubung singkat untuk tiap seksi di
samping arus nominalnya serta kurva karakteristik rele. Karakteristik kerja rele
arus lebih waktu invers di gambarkan dalam kurva arus-waktu atau yang biasa
disebut time-current characteristic (TCC). TCC adalah kurva dengan skala
dalam time dial. Semakin besar time dial, maka semakin lama waktu operasi
dari rele tersebut.
Keuntungan inverse time overcurrent rele, untuk kurva arus curam dengan
pengamanan banyak seksi, rele dapat menekan akumulasi waktu di sisi hulu.
Disamping itu kerugiannya sensitif terhadap perubahan pembangkit yang
23
http://digilib.mercubuana.ac.id/
cukup besar.Adapun karakteristik operasi rele invers berdasarkan Standart
IEC 2510-1989 adalah sebagai berikut
a. Standart inverse:
t=
0,14
0,02
I 
D
 1 10 ..............................................(2.7)
x
b. Very inverse:
t=
13.5
D
10
x
I   1
.............................................(2.8)
c. Extremely Inverse:
T=
80
2
I 
10
1 D
x
.............................................(2.9)
d. Long Inverse:
t=
120
I 
D
 1 10
x
...........................................(2.10)
Dimana:
t
= waktu tripnya rele
I
= arus pengali untuk seting arus input =
If
= arus gangguan
Iset
= arus seting actual pada rele
D
= time seting = time dial
If
Iset
(ampere)
Karakteristik-karakteristik dari rele inverse dapat diGambarkan grafik seperti
terlihat di Gambar 2.13 karakteristik operasi invers time rele :
24
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.13 Karakterisrik Operasi Invers Time Rele
2.8.Pemilihan Setting Rele Arus Lebih
2.8.1.
Setting Arus Rele
Penyetelan arus untuk rele arus lebih mempunyai batasan besarnya
arus.Pada dasarnya batas penyetelan rele arus lebih adalah rele tidak boleh
bekerja pada saat beban maksimum. Arus setingnya harus lebih besar dari arus
beban maksimum.
Gambar 2.14 Batas Ketelitian Seting Arus Berdasarkan BS 142-1983
Berdasarkan Gambar 2.14 batas penyetelan harus memperhatikan
kesalahan pick up, menurut Standart British BS 142- 1983 batas penyetelan
antara nominal 1.05 – 1.3 Iset . Mengacu pada standart tersebut, pada tugas
25
http://digilib.mercubuana.ac.id/
akhir ini lebih amannya menggunakan konstanta 1.05 Iset. Jadi untuk setingnya
dapat dilihat sebagai berikut:
Iset = ≥ 1,05 x Inominal...........................................(2.13)
Is =
I set
.........................................................(2.14)
rasio_ct
dimana :
Is = arus seting
Pemilihan tap yang digunakan = Is / In
Seting arus actual Iset = tap x In x CT
Dicari nilai dibawahnya yang terdekat.
Pada penyetelan rele arus lebih juga harus memperhatikan batas
maksimum seting , untuk alasan keamanan dan back up hingga ke sisi muara
(downstream) estimasi seting ditetapkan :
I set  0.8 Isc2,min..................................................(2.15)
Isc2,min adalah arus hubung singkat dua fase dengan pembangkitan
minimum yang terjadi diujung saluran seksi
berikutnya. Besar arus ini
diperoleh dari arus hubung singkat tiga fase pada pembangkitan minimum
dikalikan 0,866. Mengacu pada konsep diatas persyaratan setelan arus dapat
dirumuskan sebagai berikut :
1,05 Imaks < I set  0,8 I sc2,min ……......................… (2.16)
Untuk operasi yang selektif, apabila terdapat beberapa rele arus lebih
pada suatu jaringan radial. Maka rele pada ujung yang terjauh dari sumber
harus disetel untuk dapat bekerja pada waktu yang sesingkat mungkin. Untuk
jenis rele arus yang lebih karakteristik inverse, setelan waktunya ditentukan
pada saat arus gangguan maksimum.
2.8.2.
Setting Waktu Rele
Dengan mengacu pada konsep daerah pengamanan, maka penyetelan rele
arus lebih memiliki peranan yang penting dalam koordinasi seting rele
26
http://digilib.mercubuana.ac.id/
pengaman. Penyetelan rele arus lebih dapat dilakukan berdasarkan setelan
waktu, setelan arus maupun kombinasi keduanya.
Berdasarkan Standard IEEE 242 waktu yang dibutuhkan untuk kerja rele
sampai circuit breaker membuka adalah 0.3-0.4 s, dengan asumsi:
Waktu terbuka circuit breaker 5 cycle
: 0.08 detik
Overtravel dari rele
: 0.1 detik
Faktor keamanan
: 0.22 detik
Untuk rele static dan rele digital berbasis mikroprosesor, over travel dari
rele dapat diabaikan. Dari Standard tersebut ditentukan koordinasi antara dua
rele yang bekerja sebagai rele utama dan rele backup adalah 0.3s. Misalnya
pada koordinasi rele yang mempergunakan karakteristik definite time secara
bertingkat seperti terlihat pada Gambar . Untuk waktunya
dipilih
seting
dari sisi hulu sampai dengan sisi hilir, dengan tunda waktu 0.3 s.
Tset = Δt + t ...................................................(2.17)
dimana :
Δt =0.3 detik
t = seting waktu pada feeder
Gambar 2.15 Contoh Setting Koordinasi Dengan Kelembatan Waktu
Jadi dari Gambar 2.15 bila pemilihan t (waktu) di rele bus C = 0.4 detik,
waktu tunda (Δt) 0.3 detik, maka :

Setelan waktu di rele pada bus B = 0.4+ 0.3 = 0.7 detik

Setelan waktu di penyulang keluar (rele bus A) = 0.7 + 0.3 = 1 detik

Setelah waktu di penyulang masuk = 1 + 0.3 = 1.3 detik
Dari contoh di atas bahwa setelan waktu semakin ke sumber/hulu semakin
besar .
27
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.9.Koordinasi Pengaman Sistem Tenaga
Pengertian koordinasi pengaman yaitu terdapat 2 jenis atau lebih peralatan
proteksi diantara titik kesalahan/ gangguan. Peralatan ini harus dikoordinasikan
untuk memastikan bahwa peralatan yang berada di titik terdekat dengan gangguan
harus dioperasikan terlebih dahulu. Kegagalan pada proteksi utama harus dapat
diatasi, yaitu dengan proteksi cadangan (back up protection). Proteksi cadangan
ini umumnya mempunyai perlambatan waktu (time delay), hal ini untuk
memberikan kesempatan kepada poteksi utama beroperasi terlebih dahulu, dan
jika proteksi utama gagal baru proteksi cadangan yang akan beroperasi.
Berdasarkan syarat dari rele pengaman yakni selektivitas, dimana merupakan
kemampuan untuk menentukan pada titik mana terjadinya gangguan, sehingga
dapat ditentukan dengan tepat pemutus daya yang harus dibuka. Dengan demikian
hanya bagian yang mengalami gangguan saja yang dipisahkan atau diisolir dari
sistem tersebut. Rele pengaman dengan kemampuan selektif yang baik dibutuhkan
untuk mencapai keandalan sistem yang tinggi karena tindakan pengaman yang
cepat dan tepat akan dapat memperkecil gangguan menjadi sekecil mungkin.
Syarat yang diperlukan pada peralatan proteksi harus menilai atau menentukan
pada saat beroperasi harus melihat pada nilai minimal overcurrent, nilai minimal
waktu dan tetap pada kondisi selektif dari peralatan lain dalam suatu sistem
sehingga seting arus dan seting waktu yang digunakan rele pengaman sangat
diperlukan untuk menentukan respon bekerja dengan cepat apabila terjadi
gangguan agar gangguan tersebut tidak menyebar merusak peralatan yang lain
dari sistem.
2.10. Softaware ETAP
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.
28
http://digilib.mercubuana.ac.id/
ETAP ini awalnya dibuat dan dikembangkan untuk meningkatkan kualitas
kearnanan fasiitas nuklir di Arnerika Serikat yang selanjutnya dikembangkan
menjadi sistem monitor manajemen energi secara real time, simulasi, kontrol, dan
optimasi sistem tenaga listrik, (Awaluddin, 2007). ETAP dapat digunakan untuk
membuat proyek sistem tenaga listrik dalam bentuk diagram satu garis (one line
diagram) dan jalur sistem pentanahan untuk berbagai bentuk analisis, antara lain:
aiiran daya, hubung singkat, starting motor, trancient stability, koordinasi relay
proteksi dan sistem harmonisasi. Proyek sistem tenaga listrik memiliki masingmasing 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 utnuk 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 dan parameter koneksi- serta perhitungan ampacity derating
suatu kabel -yang memerlukan data fisik routing.
29
http://digilib.mercubuana.ac.id/
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.
Gambar 2.16 Tampilan ETAP
ETAP PowerStation 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 PowerStation 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.
30
http://digilib.mercubuana.ac.id/
• Standar yang dipakai, biasanya mengacu pada standar IEC dan ANSI. Perbedaan
antara standar IEC dan ANSI terletak pada standar frekuensi yang digunakan yang
mengakibatkan perbedaan spesifikasi peralatan yang digunakan. Jika pada standar
IEC nilai frekuensi yang digunakan adalah 50 Hz, sedangkan pada standar ANSI
nilai frekuensi yang digunakan adalah 60 HZ
2.10.1 Protective Device Coordination
Fitur yang digunakan untuk koordinasi relay proteksi pada ETAP adalah
mode star protective device coordination. Mode star protective device
coordination menyediakan pendekatan intuitif dan logis dalam menganalisa kurva
TCC dengan fitur dan kemampuan yang mudah dipahami secara grafis dan
pemodelan peralatan proteksi yang akurat.Tools ini bisa mengetahui kinerja dari
sistem proteksi seperti OCR (Over Current Relay),OCGR(Over Current Ground
Relay),Volt Relay,Differential Relay,Reverse power Relay dan Motor Relay.
Dengan one line diagram, library peralatan proteksi yang komprehensif
dan database dimensi ,mode star protective device coordination memberikan
pemahaman yang baik tentang penyelesaian berbagai masalah trouble shooting
seperti relay salah operasi dan salah koordinasi.
Dibawah ini merupakan gambaran umum untuk menggunakan mode star
protective device coordination.
Gambar 2.17 Toolbar mode
Pada toolbar ini,menu Edit digunakan
kemudian pilih toolbar OCR
untuk mengeluarkan toolbar OCR ,
dan drag ke layar kerja utama.Double klik pada
gambar OCR untuk mengedit berbagai informasi yang di perlukan.
31
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.18 Toolbar Library pada OCR
Tipe relay dipilih pada menu OCR library,terdapat berbagai manufactur dan jenis
model relay serta fungsi yang digunakan.
Gambar 2.19 Setting Input CT
Pada menu Input kita bisa mesetting data dari ratio CT dan pada menu input
informasi tagging dan nama bisa di edit.Untuk melihat hasil dari settingan yang
telah diinput yaitu berupa kurva bisa dilihat dati Mode toolbar dengan mengklik
Star – Protective Device Coordination.
32
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.20 Tombol Star – Protective Device Coordination
Untuk mengeluarkan hasil atau kurva koordinasi pilih relay yang akan dilihat
kemudian tombol Create Star View dipilih sampai hasil kurva keluar.
Gambar 2.21 Tombol Create Star View
Gambar 2.22 Kurva Hasil Dari ETAP Protective Device Coordination
33
http://digilib.mercubuana.ac.id/