Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 DASAR TEORI SISTEM PROTEKSI DASAR-DASAR PENGAMAN SISTEM TENAGA LISTRIK a. Pengertian Pengaman Sistem pengaman tenaga listrik merupakan sistem pengaman pada peralatanperalatan yang terpasang pada sistem tenaga listrik, seperti generator, busbar, transformator, saluran udara tegangan tinggi, saluran kabel bawah tanah, dan lain sebagainya terhadap kondisi abnormal operasi sistem tenaga listrik tersebut. Fungsi Pengaman Kegunaan sistem pengaman tenaga listrik, antara lain untuk : 1) Mencegah kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya gangguan atau kondisi operasi sistem yang tidak normal. 2) Mengurangi kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya gangguan atau kondisi operasi sistem yang tidak normal. 3) Mempersempit daerah yang terganggu sehingga gangguan tidak melebar pada sistem yang lebih luas. 4) Memberikan pelayanan tenaga listrik dengan keandalan dan mutu tinggi kepada konsumen. 5) Mengamankan manusia dari bahaya yang ditimbulkan oleh tenaga listrik. Daerah Pengamanan Di dalam pengaman sistem tenaga listrik, seluruh komponen harus diamankan dengan tetap menekankan selektivitas kerja peralatan/relay pengaman. Untuk mencapai hal ini, sistem tenaga listrik dibagi menjadi daerah-daerah (zona) pengaman seperti terlihat pada Gambar 2.6 berikut ini : Semester Genap 2009-2010 91 Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 Gambar 1. Daerah Pengamanan Pada Sistem Tenaga Listrik Keterangan : 1 = Zone Generator 2 = Zone Transformator Step-Up 3 = Zone Busbar 4 = Zone Transmisi 5 = Zone Transformator Step-Down 6 = Zone Beban Setiap daerah pengamanan pada umumnya terdiri atas satu atau lebih elemen sistem tenaga listrik. Misalnya generator, busbar, transformator, transmisi, dan lainlain. Agar seluruh sistem tenaga listrik dapat diamankan, maka harus ada daerah yang tumpang-tindih (overlap). Artinya ada elemen sistem yang diamankan oleh dua daerah pengamanan. Setiap daerah pengaman dijaga oleh relay yang sesuai dengan karakteristik peralatan yang diamankan. Pada umumnya yang menjadi batas pengamanan antar daerah pengamanan ialah trafo arus yang mencatu ke relay. Persyaratan Relay Pengaman Pada sistem tenaga listrik, relay memegang peran yang sangat vital. Pengaman berkualitas yang baik memerlukan relay pengaman yang baik juga. Untuk itu ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi oleh relay pengaman, seperti tersebut berikut ini : 1. Keterandalan (Reliability) Pada kondisi normal (tidak ada gangguan) relay tidak bekerja. Jika terjadi gangguan maka relay tidak boleh gagal bekerja dalam mengatasi gangguan. Kegagalan kerja relay dapat mengakibatkan alat yang diamankan rusak berat atau gangguannya meluas sehingga daerah yang mengalami pemadaman semakin luas. Relay tidak boleh salah kerja, artinya relay yang seharusnya tidak bekerja, tetapi bekerja. Hal ini menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya dan menyulitkan analisa gangguan yang terjadi. Keandalan relay pengaman ditentukan dari rancangan, pengerjaan, beban yang digunakan, dan perawatannya. 2. Selektivitas (Selectivity) Selektivitas berarti relay harus mempunyai daya beda (discrimination), sehingga mampu dengan tepat memilih bagian yang terkena gangguan. Kemudian relay bertugas mengamankan peralatan. Relay mendeteksi adanya gangguan dan memberikan perintah untuk membuka pemutus tenaga dan memisahkan bagian yang terganggu. Bagian yang tidak terganggu jangan sampai dilepas dan masih Semester Genap 2009-2010 92 Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 beroperasi secara normal, sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan. Jika terjadi pemutusan hanya terbatas pada daerah yang terganggu. 3. Sensitivitas (Sensitivity) Relay harus mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap besaran minimal (kritis) sebagaimana direncanakan. Relay harus dapat bekerja pada awalnya terjadinya gangguan. Oleh karena itu, gangguan lebih mudah diatasi pada awal kejadian. Hal ini memberi keuntungan dimana kerusakan peralatan yang harus diamankan menjadi kecil. Namun demikian, relay juga harus stabil. 4. Kecepatan Kerja Relay pengaman harus dapat bekerja dengan cepat. Jika ada gangguan, misalnya isolasi bocor akibat adanya gangguan tegangan lebih terlalu lama sehingga peralatan listrik yang diamankan dapat mengalami kerusakan. Namun demikian, relay tidak boleh bekerja terlalu cepat (kurang dari 10 ms). Disamping itu, waktu kerja relay tidak boleh melampaui waktu penyelesaian kritis (critical clearing time). Pada sistem yang besar atau luas, kecepatan kerja relay pengaman mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan sistem agar tidak terganggu. Hal ini untuk mencegah relay salah kerja karena transient akibat surja petir. 5. Ekonomis Satu hal yang harus diperhatikan sebagai persyaratan relay pengaman adalah masalah harga atau biaya. Relay tidak akan diaplikasikan dalam sistem tenaga listrik, jika harganya sangat mahal. Persyaratan reliabilitas, sensitivitas, selektivitas dan kecepatan kerja relay hendaknya tidak menyebabkan harga relay tersebut menjadi mahal. 2. Relay Arus Lebih (OCR) Relay arus lebih adalah relay yang bekerja terhadap arus lebih, ia akan bekerja bila arus yang mengalir melebihi nilai settingnya ( I set ). Prinsip kerjanya adalah pada dasarnya relay arus lebih adalah suatu alat yang mendeteksi besaran arus yang melalui suatu jaringan dengan bantuan trafo arus. Harga atau besaran yang boleh melewatinya disebut dengan setting. Macam-macam karakteristik relay arus lebih : a. Relay waktu seketika (Instantaneous relay) Relay yang bekerja seketika (tanpa waktu tunda) ketika arus yang mengalir melebihi nilai settingnya, relay akan bekerja dalam waktu Semester Genap 2009-2010 93 Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 beberapa mili detik (10 – 20 ms). Dapat kita lihat pada gambar 2 dibawah ini. Gambar 2 Karakteristik relay waktu seketika Relay ini jarang berdiri sendiri tetapi umumnya dikombinasikan dengan relay arus lebih dengan karakteristik yang lain. b. Relay arus lebih waktu tertentu (Definite time relay) Relay ini akan memberikan perintah pada PMT pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besarnya arus gangguan melampaui settingnya (Is), dan jangka waktu kerja relay mulai pick up sampai kerja relay diperpanjang dengan waktu tertentu tidak tergantung besarnya arus yang mengerjakan relay, lihat gambar 3. dibawah ini. Gambar 3 Karakteristik relay waktu definite c. Relay arus lebih waktu terbalik Relay ini akan bekerja dengan waktu tunda yang tergantung dari besarnya arus secara terbalik (inverse time), makin besar arus makin kecil waktu tundanya. Karakteristik ini bermacam-macam. Setiap pabrik dapat membuat karakteristik yang berbeda-beda, karakteristik waktunya Semester Genap 2009-2010 94 Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 dibedakan dalam tiga kelompok : standar invers, very inverse, extreemely inverse. Gambar 4 Karakteristik relay waktu Inverse Pada relay arus lebih memiliki 2 jenis pengamanan yang berbeda antara lain: Relay mendeteksi arus fasa. Oleh karena itu, disebut pula “Relay fasa”. Karena pada relay tersebut dialiri oleh arus fasa, maka settingnya (Is) harus lebih besar dari arus beban maksimum. Ditetapkan Is = 1,2 x In (In = arus nominal peralatan terlemah). Arus gangguan satu fasa tanah ada kemungkinan lebih kecil dari arus beban, ini disebabkan karena salah satu atau dari kedua hal berikut: Gangguan tanah ini melalui tahanan gangguan yang masih cukup tinggi. Pentanahan netral sistemnya melalui impedansi/tahanan yang tinggi, atau bahkan tidak ditanahkan Dalam hal demikian, relay pegaman hubung singkat (relay fasa) tidak dapat mendeteksi gangguan tanah tersebut. Supaya relay sensitive terhadap gangguan tersebut dan tidak salah kerja oleh arus beban, maka relay dipasang tidak pada kawat fasa melainkan kawat netral pada sekunder trafo arusnya. Dengan demikian relay ini dialiri oleh arus netralnya, berdasarkan komponen simetrisnya arus netral adalah jumlah dari arus ketiga fasanya. Arus urutan nol dirangkaian primernya baru dapat mengalir jika terdapat jalan kembali melalui tanah (melalui kawat netral) Semester Genap 2009-2010 95 Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 Gambar 5 Sambungan relay GFR dan 2 OCR 3. Relay Differensial Relay differensial merupakan suatu relay yang prinsip kerjanya berdasarkan kesimbangan (balance), yang membandingkan arus-arus sekunder transformator arus (CT) terpasang pada terminal-terminal peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Penggunaan relay differensial sebagai relay pengaman, antara lain pada generator, transformator daya, bus bar, dan saluran transmisi. Relay differensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada transformator daya yang berguna untuk mengamankan belitan transformator bila terjadi suatu gangguan. Relay ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat. Prinsip Kerja Dari Relay Differensial Sebagaimana disebutkan diatas, Relay differensial adalah suatu alat proteksi yang sangat cepat bekerjanya dan sangat selektif berdasarkan keseimbangan (balance) yaitu perbandingan arus yang mengalir pada kedua sisi trafo daya melalui suatu perantara yaitu trafo arus (CT). Dalam kondisi normal, arus mengalir melalui peralatan listrik yang diamankan (generator, transformator dan lain-lainnya). Arus-arus sekunder transformator arus, yaitu I1 dan I2 bersikulasi melalui jalur IA. Jika relay pengaman dipasang antara terminal 1 dan 2, maka dalam kondisi normal tidak akan ada arus yang mengalir melaluinya. Dapat dilihat pada gambar 6 dibawah ini : Semester Genap 2009-2010 96 Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 Gambar 6 Pengawatan dasar relay differensial Jika terjadi gangguan diluar peralatan listrik peralatan listrik yang diamankan (external fault), maka arus yang mengalir akan bertambah besar, akan tetapi sirkulasinya akan tetap sama dengan pada kondisi normal, sehingga relay pengaman tidak akan bekerja untuk gangguan luar tersebut. Jika gangguan terjadi didalam (internal fault), maka arah sirkulasi arus disalah satu sisi akan terbalik, menyebabkan keseimbangan pada kondisi normal terganggu, akibatnya arus ID akan mengalir melalui relay pengaman dari terminal 1 menuju ke terminal 2. Selama arus-arus sekunder transformator arus sama besar, maka tidak akan ada arus yang mengalir melalui kumparan kerja (operating coil) relay pengaman, tetapi setiap gangguan (antar fasa atau ke tanah) yang mengakibatkan sistem keseimbangan terganggu, akan menyebabkan arus mengalir melalui Operating Coil relay pengaman, maka relai pengaman akan bekerja dan memberikan perintah putus (tripping) kepada circuit breaker (CB) sehingga peralatan atau instalasi listrik yang terganggu dapat diisolir dari sistem tenaga listrik. Seperti gambar 7 dibawah ini : Gambar 7 Sistem Pengamanan Relay Differensial Semester Genap 2009-2010 97 Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.B 103 Karakteristik operasi dari relay yang demikian diberikan pada gambar 8 dibawah ini : Gambar 8 Karakteristik Operasi Dari Sebuah Relay Differensial Didalam relay ini kumparan kerjanya dihubungkan dengan titik tengah kumparan penahan (peredam), total jumlah impedansi belitan didalam kumparan peredam sama dengan jumlah ampere belitan yang ada pada kedua ½ bagian kumparan yaitu , yang memberikan rata-rata arus peredam sebesar didalam belitan N. Untuk gangguan luar I1 dan I2 semakin besar dan karenanya kopel peredam bertambah besar yang bisa mencegah kesalahan operasi. Ratio arus perendaman rata-rata dari arus operasi differensial persentasenya bisa ditetapkan, maka relay tersebut dinamakan relay differensial dengan persentase. Relay tersebut juga disebut relay differensial bias, sebab relay ini dilengkapi dengan flux tambahan. Persentase relay differensial bias memiliki karakteristik pick-up yang semakin tinggi. Karena besarnya arus yang lewat semakin bertambah, Semester Genap 2009-2010 98
