analisis dampak harmonisa terhadap kinerja - USU-IR

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Harmonisa
Harmonisa adalah distorsi periodik dari gelombang sinus tegangan, arus atau
daya dengan bentuk gelombang yang frekuensinya merupakan kelipatan diluar
bilangan satu terhadap frekuensi fundamental pada mana sistem suplai dirancang
beroperasi (frekuensi 50 Hz) [2].
Bentuk gelombang yang terdistorsi merupakan penjumlahan dari gelombang
fundamental dan gelombang harmonisa (h1, h2, dan seterusnya) [5]. Pada Gambar 2.1
di bawah ini dapat dilihat bentuk gelombang terdistorsi, gelombang fundamental dan
komponen harmonisanya (harmonisa ketiga).
Gel Fundamental
Gel Harmonisa ke 3
Gel Fundamental + Gel Harmonisa ke 3
= Gel
Terdistorsi
Gambar 2.1. Gelombang terdistorsi, fundamental, harmonisa ketiga [5]
Makin banyak harmonisa diikut sertakan, kurva makin mendekati bentuk persegi atau
bentuk gelombang makin menyimpang dari bentuk sinusoidal [3].
Universitas Sumatera Utara
2.2.
Distorsi Harmonisa
Distorsi harmonisa adalah setiap perubahan dalam bentuk sinyal yang tidak
disengaja dan secara umum tidak diinginkan [6].
Harmonisa menyebabkan distorsi pada bentuk gelombang fundamental
tegangan dan arus. Distorsi harmonisa timbul akibat karakteristik nonlinier alat dan
beban pada sistem tenaga. Peralatan ini dimodelkan sebagai sumber arus
yang
menginjeksikan arus harmonisa kedalam sistem tenaga. Distorsi harmonisa timbul
sebagaimana arus ini menyebabkan tegangan non linier pada impedansi sistem.
Distorsi harmonisa timbul akibat banyaknya pelanggan beban non linier [7].
Berikut ini diperlihatkan bagaimana gelombang arus menjadi cacat karena harmonisa
seperti terlihat pada Gambar 2.2 berikut ini :
ARUS CACAT AKIBAT HARMONISA
Gambar 2.2 Arus cacat akibat harmonisa [5]
2.3.
Persamaan Harmonisa
Gelombang harmonisa dan terdistorsi merupakan gelombang kontinu dan
periodik sehingga sesuai dengan deret Fourier seperti Persamaan berikut.
Universitas Sumatera Utara
Gelombang periodik yang memiliki bentuk gelombang f(t) = f(t + 2L) dapat
dinyatakan dengan sebuah deret Fourier dimana (- L , L) interval dari f(t) atau f(t)
mempunyai periode 2L; L adalah bilangan periodic [8].
Deret Fourier dapat dinyatakan dalam bentuk :
F(t) = a0 +
∞
∑
(ah cos hωt + bh sin hωt ) [8] ..…..………......................(2.1)
h =1
Secara umum arus sesaat dapat direpresentasikan dalam deret Fourier sebagai:
i(t) =
∞
∑
h =1
ih(t) =
∞
∑
2 Ih sin (hω0t + δh) [8] .……..……................(2.2)
h =1
dengan bagian arus searah biasanya diabaikan untuk kesederhanaan .
Ih adalah arus rms untuk harmonisa orde ke-h .
Arus harmonisa total (Total Harmonics Current) =
[8] ......................(2.3)
Rumus menghitung It , I1 dan THDi :
=
It
[2] ….………………………….........…….........(2.4)
dimana :
∞
h=2
= I22 + I32 + I4 + I52 + I62 + I72 + ---- + I∞2
THDi =
[9]…...……………………………..…….............(2.5)
Universitas Sumatera Utara
[1] ….....……………………………………….............(2.6)
dimana :
It
= Arus total = Arus terdistorsi efektif(rms)
THDi = Total Harmonics Distortion arus
2.4.
h
= Orde harmonisa
I1
= Arus komponen fundamental
Ih
= Arus harmonisa orde ke h
Dampak Distorsi Harmonisa
Distorsi harmonisa dapat berdampak pada kerugian teknis dan ekonomis
yaitu :
a.
Pada transformator berupa susut listrik bertambah, daya mampu menurun dan
umur ekonomis menurun.
b.
Pada motor listrik berupa pemanasan berlebih, adanya tambahan stress termal,
terjadi pulsasi pada putaran dan umur ekonomis menurun.
c.
Pada Capacitor Bank berupa terjadinya resonansi (seri dan paralel) harmonisa
dengan Capacitor Bank sehingga dapat menyebabkan beban lebih dan gagal
bekerja, distorsi tegangan menambah rugi dielektrik, menambah stress termal
pada isolasi dan mengurangi umur ekonomis.
Universitas Sumatera Utara
d.
Pada penghantar jaringan
berupa susut listrik bertambah, kenaikan jatuh
tegangan, stress dielektrik meningkat dan mengurangi umur ekonomis.
e.
Pada alat ukur berupa terjadinya kesalahan pengukuran pada kWH meter
elektromekanis.
f.
Pada sistem tenaga berupa arus netral naik (harmonisa orde kelipatan ke 3),
tegangan sentuh peralatan bertambah sehingga membahayakan bagi operator [8].
Berikut ditampilkan rekapitulasi kerusakan transformator daya di PT PLN
(Persero) P3BJB selama tahun 2000 s/d 2009 yang kemungkinan besar karena rele
tidak tepat trip secara efektif akibat distorsi harmonisa[10], lihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Rekapitulasi kerusakan tranformator daya di PLN P3B JB [10]
Rasio Tegangan (kV) Tahun 70/20 150/20 150/70 500/150 Total 2000 1 2 1 ‐ 4 2001 ‐ 4 2 1 7 2002 1 4 1 ‐ 6 2003 4 9 1 2 16 2004 1 8 ‐ ‐ 9 2005 1 4 ‐ ‐ 5 2006 2 4 ‐ ‐ 6 2007 ‐ 6 ‐ 2 8 2008 2 13 2 1 18 Universitas Sumatera Utara
2009 3 7 8 5 23 Jumlah 15 61 15 11 102 Sedangkan data penyebab gangguan pada transformator daya tersebut dapat dilihat
pada Gambar 2.3 berikut :
Gambar 2.3. Penyebab gangguan transformator [10]
Dari Gambar 2.3. diatas beberapa hal dapat diketahui :
a.
40 % gangguan pada sisi tegangan menengah transformator 150/ 20 kV, karena
Feeder 20 kV gagal trip, sehingga menyebabkan PMT outgoing 20 kV
transformator
trip, gangguan bus-bar 20 kV,
karena binatang (ular, tikus,
burung, dsb), kesalahan manusia, seperti salah manuver dan sebagainya.
b.
19 % karena malfungsi sistem proteksi
c.
10 % belum diketahui penyebabnya
Universitas Sumatera Utara
Dari data diatas dapat diketahui bahwa rele beroperasi tidak sesuai nilai
sebenarnya dari setelan arus-waktu rele; maksudnya adalah rele tidak beroperasi
sesuai dengan setting; ini bisa saja disebabkan oleh adanya harmonisa yang
mempengaruhi keakuratan kinerja operasi rele.
2.5.
Standard Distorsi Harmonisa
Karena begitu besar dan bervariasi dampak distorsi harmonisa pada peralatan
dan sistem secara teknis dan ekonomis maka diperlukan standarisasi harmonisa.
Standar yang mengatur distorsi harmonisa ini adalah standar IEEE 512-1992 dan
IEC 6100-2005.
Kedua standar ini mengatur batasan harmonisa yang diijinkan
seperti terlihat dalam Tabel 2.2 dan 2.3 berikut ini.
Tabel 2.2 Batas distorsi harmonisa arus menurut IEEE 519 – 1992 [10,11]
Maksimum Distorsi Arus Harmonisa Dalam % Arus Beban (IL)
Harmonisa Orde Ganjil
Pada : 120 V ≤ V ≤ 69 kV
Isc/IL
n < 11
11 ≤ n < 17
< 20
4,0
2,0
1,5
0,6
0,3
5,0
20-50
7,0
3,5
2,5
1,0
0,5
8,0
17≤ n < 23
23 ≤ n < 35
n ≥ 35
THDi
Universitas Sumatera Utara
50-100
10,0
4,5
4,0
1,5
0,7
12,0
100- 1000 12,0
5,5
5,0
2,0
1,0
15,0
> 1000
7,0
6,0
2,5
1,4
20,0
15,0
Harmonisa orde genap dibatasi 25% dari batasan harmonisa orde ganjil diatas
Tabel 2.3 Batas distorsi harmonisa arus dalam % arus beban IL : IEC 61000-2005
[10,11]
Isc/IL
n < 20
11≤ n <17 17≤ n <23 23≤ n <35
n > 35
THDi
< 20
4,0
2,0
1,5
0,6
0,3
5,0
20-50
7,0
3,5
2,5
1,0
0,5
8,0
50-100
10,0
4,5
4,0
1,5
0,7
12,0
100-1000
12,0
5,5
5,0
2,0
1,0
15,0
>1000
15,0
7,0
6,0
2,5
1,4
20,0
dimana :
Isc = Arus hubung singkat maksimum di PCC atau pada Alat Pengukur dan
Pembatas (APP)
IL = Arus beban demand maksimum (komponen frekuensi fundamental) di
Universitas Sumatera Utara
PCC (Point of Common Coupling = Titik sambung bersama).
2.6.
Arus Lebih
Arus lebih adalah arus yang melampaui arus beban maksimum yang dibolehkan
(arus pengenal alat yang diproteksi) .[12]
Arus lebih ini dapat berupa beban lebih dimana arus ≥ 1,05 In dan arus karena gangguan
hubung singkat ≥ 4 In ( arus nominal) [13].
2.7.
Rele Proteksi
Rele proteksi adalah suatu rele yang didisain untuk menginisiasi diskoneksi
sebagian dari instalasi listrik dan atau mengoperasikan sinyal peringatan jika terjadi
gangguan atau kondisi abnormal pada instalasi [2].
Rele proteksi mempunyai sarana pengukuran besaran sistem tenaga (arus dan
tegangan) dan memprosesnya lewat sistem elektromekanis atau analog elektronik atau
internal logik, dan mempunyai kapasitas untuk mengkontrol operasi Pemutus Tenaga
(PMT) atau Circuit Breaker (CB). Analog elektronik atau Logik internal
memperkenankan rele menginisiasi urutan tripping jika kondisi abnormal terjadi dalam
sistem tenaga.
Berdasarkan konstruksinya ada dua tipe rele yaitu: elektromekanis dan statis.
Rele Elektromekanis, gaya yang bekerja dihasilkan oleh interaksi gaya-gaya elektro
mekanis, sedangkan Rele Statis didasarkan pada aplikasi komponen elektronika seperti
dioda, transistor, kapasitor dll sehingga beroperasi sama seperti sistem elektromekanis
Universitas Sumatera Utara
namun tidak ada bagian yang bergerak dalam operasinya [14].
2.8.
Rele Proteksi Arus Lebih
Rele Proteksi arus lebih berfungsi menginisiasi diskoneksi sebagian dari instalasi
listrik atau mengoperasikan sinyal peringatan jika terjadi gangguan arus lebih baik
karena gangguan beban lebih maupun karena gangguan arus hubung singkat sehingga
alat yang diproteksi terhindar dari kerusakan dan lingkungan juga aman untuk manusia
maupun untuk alam sekitar. Rele arus lebih ada dua tipe yaitu tipe elektromekanis dan
tipe statis sebagaimana diuraikan berikut ini [15].
2.8.1. Rele proteksi arus lebih elektromekanis
Keeper
Piringan
Koil kutub tengah
Plug
Magnet
Elektromagnet
Gambar 2.4 Rele elektromekanis [1,2]
Universitas Sumatera Utara
Komponen utama rele ini adalah unit piringan induksi dan 3 kutub
electromagnet seperti terlihat pada Gambar 2.4. Piringan ini dipegang oleh suatu pegas
penahan. Seluruh energi operasi diberikan ke kumparan kutub tengah. Satu kutub luar
dilengkapi dengan kumparan lag. Kutub lainnya tidak ada kumparan nya. Arus I pada
kumparan utama menghasilkan fluksi ߔ yang lewat celah udara menuju piringan,
akhirnya tiba di Keeper. Fluksi ߔ kembali sebagai ߔL lewat lengan kiri dan
sebagai ߔR lewat lengan kanan dimana Φ = ߔL + ߔR. Kumparan lag terhubung
Universitas Sumatera Utara
singkatkan di lengan kiri menyebabkan ߔL terbelakang dari ߔR dan Φ. Dengan adanya
arus pick-up fundamental maka timbul Torsi yang cukup kuat untuk mengatasi Torsi
pegas penahan piringan dan menyebabkan piringan mulai bergerak. Torsi ini di hasilkan
dari interaksi antara arus di piringan yang diproduksi oleh tiap kutub dan fluksi-fluksi
dua kutub lainnya. Kenaikan frekuensi arus input menyebabkan perubahan kecil pada
arus yang diproduksi di sirkit kumparan lag. Akan tetapi, fluksi pada kutub ini akan
turun berlawanan dengan proporsi kenaikan frekuensi, menjaga sifat elektromagnet
sebagai ekivalent dari transformator arus. Dengan cara yang sama, fluksi pada kutub
luar lainnya menurun karena gaya gerak magnet (mmf) rendah padanya. Jadi fluksi pada
kutub tengah adalah jumlah fluksi-fluksi dua kutub luar lainnya, yang juga diturunkan.
arus sirkit kumparan lag tetap. Penurunan rotasi piringan ini, menyebabkan arus pickup bertambah, dan akhirnya menyebabkan efisiensi elektromagnet dirusak pada point
non operasi. Harmonisa dikombinasikan dengan fundamental menimbulkan efek serius
pada nilai arus pick-up dan waktu operasi dari kurva arus-waktu inverse rele arus lebih
elektromekanis [1,2].
Setiap penghantar yang dilalui arus meghasilkan fluksi yaitu :
Universitas Sumatera Utara
Arus I menghasilkan fluksi ߔ1 dan arus Is menghasilkan fluksi ߔs sehingga interaksi
kedua fluksi ini menghasilkan torsi elektromekanis yaitu :
Tem = knߔ1ߔs Sinࢲ [1,2,12,16]…………………………………..........… (2.7)
dimana :
kn = konstanta torsi elektromekanis
Sinࢲ = sinus sudut yang dibentuk kedua fluksi
Torsi yang bekerja pada piringan merupakan resultanta torsi elektromekanis dan torsi
pegas yaitu:
Universitas Sumatera Utara
Tg = Tem - k2; Tg = knߔ1ߔsSinࢲ – k2 [1,2,12]…………………..........… ( 2.8)
dimana :
I = arus efektif yang mengalir dalam kumparan utama
Is = arus pada kumparan lag
k2 = torsi pegas penahan
Tg = torsi gerak
Fluksi pada kutub tengah adalah jumlah fluksi-fluksi dari 2 kutub luar lainnya,
juga dikurangi dengan penurunan arus pemagnetan untuk pengurangan frekuensi dan
arus sirkit kumparan-lag tetap, efeknya adalah untuk kutub tengah dan fluksi-fluksi
kutub non-lag menarik mendekati sefasa. Ini menurunkan rotasi piringan, menyebabkan
arus pick-up naik, dan akhirnya menyebabkan efisiensi elektromagnet menjadi semakin
turun sehingga tak beroperasi [1, 2, 12, 16].
Kurva arus-waktu Inverse didisain bekerja dengan arus sinusoidal, tidak dapat
bekerja secara efektif dengan arus non sinusoidal yang mengandung komponen
harmonisa. Arus pick-up baik arus fundamental maupun arus rms terdistorsi naik sesuai
kenaikan THDi; hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.4, Gambar 2.5 dan Gambar 2.6
berikut ini:
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4 Perubahan I1 dan It sesuai perubahan THDi [1]
THDi(%)
6,00 35,31 46,08 68,99 70,65 85,86
I1(A)
1,10
1,14
1,22
1,34
1,40
1,46
It (A)
1,10
1,20
1,30
1,60
1,68
1,90
Gambar 2.5 THDi vs I1 [1]
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Kurva THDi vs It [1]
Demikian juga waktu operasi rele (ttrip) semakin lambat sesuai kenaikan THDi
sekalipun It tetap sebesar 2,00 A seperti diperlihatkan pada Tabel 2.5.dan Gambar
2.7 berikut ini :
Tabel 2.5 Perubahan ttrip sesuai perubahan THDi [1]
THDi(%)
ttrip(s)
6,43 27,45 35,12 59,50 65,23
85,20
4,63
14,96
5,27
5,98
8,68
9,58
Universitas Sumatera Utara
Dari data pada Tabel 2.5 diatas dibentuk kurva Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Kurva Karakteristik arus-waktu [1]
Karakteristik Arus-Waktu Inverse Rele Arus Lebih Elektromekanis Untuk Arus
Sinusoidal ttrip (detik) vs I1(A) .
Distorsi harmonisa menyebabkan kenaikan waktu trip rele sehingga
komponen sistem tenaga yang diproteksi oleh rele ini akan berpeluang menjadi panas
dan akhirnya rusak demikian juga koordinasi rele ini tidak dapat terealisasi secara
sempurna.
Universitas Sumatera Utara
2.8.2. Rele proteksi arus lebih statis
Sudah sejak beberapa tahun lalu rele statis ini digunakan menggantikan rele
elektromekanis dan banyak digunakan pada sisi tegangan menengah 20 kV Gardu
Induk 150 kV/20 kV. Rele statis ini mirip dengan rele elektromekanis dalam
fungsinya dan dapat langsung menggantikan rele elektromekanis yang ada.
Adapun bentuk fisik dari rele statis ini dapat dilihat pada Gambar 2.8. berikut ini :
Gambar 2.8 Rele proteksi arus lebih statis
Kuantitas input sistem tenaga yang diukur oleh rele ini, berupa kuantitas analog yaitu
arus, tegangan, sudut fasa, dan daya. Ini dibandingkan secara tunggal atau kombinasi
dengan suatu referensi “setelan” level dan suatu keputusan digital
(yes/no)
dihasilkan dalam pengukuran ini. Jika rele ini tanpa rele tunda (time delay) maka
rele ini adalah rele dengan karakteristik Inst [12].
2.8.2.1.Rele statis dengan waktu tunda (time delayed)
Sirkit yang biasa dipakai adalah:
a.
Sirkit konverter ac ke dc untuk mengkonversikan kuantitas input ac ke dc untuk
pengukuran subsikuent dan komparasi.
b. Detektor Level membandingkan kuantitas analog input dengan suatu level dan
memberikan perintah output digital ketika set level dilampaui.
Universitas Sumatera Utara
c.
Timers yang memberikan perintah waktu tunda apakah konstan atau
proporsional dengan kuantitas input analog.
Tiap sirkit ini membentuk suatu bagian dari waktu tunda rele arus lebih
seperti diperlihatkan dalam blok diagram Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Blog diagram rele arus lebih dengan waktu tunda [12]
Universitas Sumatera Utara
Arus ac di konversikan ke tegangan dc dengan suatu transformator arus yang
sesuai rasionya, jembatan penyearah (bridge rectifier) dan beban shunt resistif.
Tegangan ini dibandingkan dengan suatu set level oleh detektor level 1 yang
memberikan perintah start kepada timer ketika level di lampaui. Timer ini dilengkapi
waktutetap (fixed time) untuk rele karakteristik arus-waktu definite atau waktu
inverse (terbalik) proporsional terhadap besar arus input untuk rele dengan
karakteristik arus-waktu inverse (terbalik).
Timer memuati kapasitor sedemikian rupa sehingga ketika muatan mencapai
level set pada detektor level 2 kemudian memberikan sinyal kepada sirkit switching
output untuk selanjutnya trip. Untuk karateristik arus waktu Inst tidak melalui proses
Timer. Jadi pada rele statis untuk mentripkan kontak rele tidak memerlukan Torsi tapi
proses kerja secara elektronik saja [12].
2.8.2.2.Rele statis yang diteliti
Ada pun spesifikasi teknis rele proteksi arus lebih statis yang digunakan
dalam penelitian ini adalah:
Pengenal: 1 A atau 5 A; 50 Hz; Kelas 10P
Sumber tegangan: 220 volt /satu fasa/50Hz
Kurva operasi (lihat Gambar kurva berikut):
Inverse time: Standard Inverse (SI); Very Inverse (VI)
dan Extremely Inverse (EI).
Definite Time 2 detik (D2); 4 detik (D4) dan 8 detik (D8)
Universitas Sumatera Utara
Inst : < 1 detik tanpa time delay
Julat setting : 0,05 x In s/d 2,4 x In dalam step 0,05 x In
Rangkaian internal dari rele arus lebih statis ini diperlihatkan pada Gambar 2.10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Rangkaian internal rele arus lebih statis [17]
2.8.2.3 Prinsip kerja
Universitas Sumatera Utara
Perhatikan rangkaian internal arus lebih statis pada Gambar 2.10 : Jika terjadi
gangguan misalnya gangguan hubung singkat di depan titik P1 maka tentu arus dari
P2 ke P1 menjadi besar lebih besar dari arus nominalnya. Akibatnya arus di sekunder
CT (transformator arus) atau dari titik S1 ke titik S2 menjadi lebih besar dari arus
nominalnya dimana arus ini melebihi Arus setting (Is) rele. Arus ini masuk ke
transformator IA lalu diproses di input circuit Ph. Karena melebihi Is lalu diproses di
µC PhA (I >Is) disesuaikan dengan setting arus-waktu dan kurva yang dipilih apakah
SI, VI atau EI atau DT atau Inst sehingga mengoperasikan output circuit Ph (sirkit
keluaran Ph) dan mengenerjais kumparan trip rele RL1/2 dan kumparan trip rele
RL2/2; dengan demikian saklar RL1-1 dan RL1-2 menjadi “ON “ demikian juga
saklar RL2-1 dan RL2-2. Saklar RL1-1 dan RL1-2 adalah saklar untuk gangguan
fasa dengan waktu tunda yaitu untuk kurva SI, VI dan EI serta DT sedangkan saklar
RL2-1 dan RL2-2 untuk kurva gangguan fasa Inst. Demikian juga untuk IC dan
E/F. Pada Rele ini dapat disetel atau di setting arus, waktu trip, kurva (SI, VI dan EI)
dan kurva DT serta kurva Inst. Didalam proses kerja rele ini tidak ada bagian yang
bergerak secara mekanis [17].
2.8.2.4.Kurva arus-waktu
Kurva arus-waktu merupakan kurva tempat kedudukan waktu trip rele sesuai
besar arus yang masuk ke kumparan trip rele .
Kurva arus-waktu ini terdiri dari :
Universitas Sumatera Utara
a. Kurva arus-waktu inverse, kurva arus-waktu Definite dan kurva arus-waktu Inst
b. Kurva arus-waktu Inverse:
Kurva ini menyatakan bahwa semakin besar arus gangguan (arus ke kumparan
trip rele = I) maka semakin cepat rele trip (ttrip) dan sebaliknya atau jika I naik
maka ttrip turun dan jika I turun maka ttrip naik .
c. Kurva ini terdiri dari 3 jenis yaitu
Kurva arus-waktu Standard Inverse (SI): kurva ini paling landai dibandingkan
dengan kurva lainnya dimana untuk arus ke kumparan trip ≥ 30xIs (Is = arus
setting) waktu trip rele sudah tetap yaitu 2 detik.
d. Kurva arus-waktu Very Inverse (V I): kurva ini lebih landai dari pada kurva EI
dimana untuk arus ke kumparan trip rele > 30 Is, waktu tripnya sudak tetap yaitu
0,46 detik.
e. Kurva arus-waktu Extremely Inverse (EI): kurva ini paling curam dibandingkan
kurva lainnya dimana untuk arus ke kumparan trip rele ≥ 20Is, waktu tripnya sudah
tetap yaitu 0,2 detik .
Rumus menghitung waktu trip (ttrip, detik) [17]:
SI :
ttrip =
detik ………………..…………………… (2. 9)
VI :
ttrip =
detik………………..…………………… (2.10)
EI :
ttrip =
detik……………..……………………… (2.11)
Universitas Sumatera Utara
dimana : ttrip = waktu operasi rele atau waktu yang dibutuhkan rele mulai dari arus
gangguan masuk sampai dengan rele trip dalam satuan detik.
I=
……………………………..…………… (2.12)
Is = arus setting = arus dimana rele harus trip dalam waktu trip yang ditentukan
dalam perkalian arus nominal rele sehingga dapat dituliskan :
Is = x In ……………………………………………….…………...… (2.13)
dimana :
x = konstanta pengali yaitu 0,05 s/d 2,4 dalam step 0,05 .
Kurva arus-waktu dari rele ini diperlihatkan pada Gambar 2.11. berikut ini:
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Kurva arus–waktu rele arus lebih statis [17]
Kurva Definite: berapa pun arus gangguan, waktu trip rele tetap sesuai setting apakah
2 detik; 4 detik atau 8 detik. Untuk kurva Inst waktu trip < 1 detik tanpa waktu tunda.
2.8.2.5.Penyetelan rele
Penyetelan (setting) ditentukan oleh posisi saklar mini pada bagian depan rele.
Ada dua grup saklar pada tiap-tiap kutub rele; grup atas untuk penyetelan elemen
waktu tunda dan grup bawah untuk penyetelan elemen Inst.
Saklar grup atas dibagi dalam 3 sub grup untuk penyetelan elemen waktu
tunda, yaitu:
a.
Saklar penyetelan arus waktu tunda, I=ΣxIn ; Σ = jumlah scalar
Universitas Sumatera Utara
Ketujuh saklar biru atas digunakan untuk menyetel sensitivitas arus yang
diperlukan. Tiap saklar dapat digeser ke kiri atau ke kanan, level penyetelan
ditunjukkan oleh angka di sebelah kiri atau kanan saklar. Total penyetelan
diperoleh dengan menjumlahkan nilai (angka) yang ditunjukkan tiap-tiap saklar
penyetelan dan mampu disetel pada langkah 5% dari 0,05 s/d 2,4 x In.
b.
Saklar Pilih Kurva
Ketiga saklar hitam grup atas digunakan untuk memilih kurva waktu yang
dibutuhkan dari 3 pilihan kurva waktu inverse dan 3 kurva waktu definit dan 1
kurva waktu Inst.
c.
Saklar Penyetelan Pengganda Waktu (Setting Time Multiplier) = x ttrip = Σ Enam
saklar biru yang berada dibagian bawah dari grup saklar atas digunakan untuk
menyetel pengganda waktu yang dibutuhkan. Waktu yang disediakan tiap
karakteristik operasi waktu tunda harus dikalikan dengan pengganda waktu agar
diperoleh waktu operasi aktual dari kutub rele. Penyetelan diperoleh dengan
penjumlahan angka yang ditunjukkan tiap saklar setel yaitu x ttrip = Σ.
Walaupun memungkinkan menyetel saklar untuk mendapatkan TMS (Time
Multiplier Setting) 0,025 x ttrip, penyetelan ini tidak dapat jadi jaminan akan
ketelitiannya,
karena
hanya
setelan
dalam
julat
0,05
s/d
1,0
x
t
yang harus digunakan.
Universitas Sumatera Utara
d.
Penyetelan Elemen Inst Iinst = Σ x Is
Grup terpisah sebelah bawah dari 6 saklar luncur biru digunakan untuk memilih
setelan arus Inst yang dibutuhkan antara 1 x Is dan 31 x Is. Penyetelan terpilih =
jumlah angka yang ditunjukkan tiap saklar setelan.
Arus operasi dari elemen Inst = Setelan terpilih x Arus setelan waktu tunda.
Jika elemen Inst pada kutub rele tidak dibutuhkan, maka semua saklar harus digeser
ke kiri (menunjuk angka nol), atau saklar terbawah digeser ke kanan (menunjuk
angka tak terhingga; ∞) [12,16,17]
Adapun petunjuk penyetelan rele ini adalah seperti berikut ini:
Jenis Karakteristik
Posisi Saklar
0
SI Standard Inverse
0
0
0
VI Very Inverse
1
0
0
EI Extremely Inverse
0
1
0
1
D2 Definite Time 2 s
0
0
1
D4 Definite Time 4 s
1
Universitas Sumatera Utara
0
1
D8 Definite Time 8 s
0
1
1
arus ke kumparan trip
dimana: ttrip = waktu operasi rele ( detik = s) ;
e.
I=
arus setting
Contoh Penyetelan Rele
Saklar
Setelan
Arus
(0.1)
(0.1)
(0.2)
(0.4)
(0.4)
(0.4)
(0.8)
0,05
0
0
0
0
0
0
Is = (0,1 + 0,1 + 0,2 + 0,8) x In =
= 1,2 In
(0)
(0)
(0)
1
1
1
Kurva Standard Inverse
Saklar TMS (0.025)
(0)
(0)
(0)
(0)
(0)
0,05
0,05
0,1
0,2
0,2
0,4
TMS = ( 0,05 + 0,05 + 0,4 ) x
= 0,5 x
Saklar
Setelan
Arus
Instantaneous
1
2
4
8
16
∞
Saklar
Pilih
Kurva
(0)
(0)
(0)
(0)
(0)
(0)
Is = Σ x In
x ttrip = Σ
Iinst = (8 + 2) x Is = 10 x 1,2 x In
= 12 x In
Universitas Sumatera Utara
Jika pada setelan diatas, digunakan pada rele 1A, maka :
Arus setelan
= Is = 1,2 x 1 = 1,2 A
Kurva
= Inverse Standard ; TMS = 0,5 x
Arus Setelan Inst = 12 x In = 12 x 1 = 12 A ( arus dalam nilai skunder)
2.9.
Alat Ukur Harmonisa (Power Quality Analyzer = PQA)
Harmonisa merupakan distorsi periodik arus atau tegangan. Sinyal dapat
merupakan suatu kombinasi berbagai gelombang sinus dengan frekuensi berbeda.
Pengukuran Harmonisa Arus (THDi, It, Orde Harmonisa) dengan menggunakan
peralatan Power Quality Analyser (PQA), dimana hasil dari pengukuran dapat dilihat
pada Gambar 2.12, 2.13 dan 2.14.
Kontribusi tiap komponen ini terhadap sinyal penuh (full sinyal) seperti pada
Gambar 2.12 berikut ini. Gambar 2.13. memperlihatkan sinyal harmonisa yang berisi
THDi dan Harmonisa ke berapa saja yang berpengaruh. Sinyal tertinggi (100%)
adalah sinusoidal murni fundamental dan lainnya adalah harmonisa ke 3; 5; 7; 9 dst
s/d harmonisa ke 49. Pada Gambar 2.14 dapat diketahui besar arus efektif (It) yang
mengalir dalam beban dan rele [18].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Persentase (%) distorsi harmonisa hasil pengukuran PQA
Gambar 2.13 Sinyal harmonisa yang berpengaruh hasil pengukuran PQA
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Arus efektif (It) hasil pengukuran PQA
2.10. Beban
Ada dua jenis beban listrik ditinjau dari sisi harmonisa yaitu beban linier dan
non linier.
2.10.1. Beban linier
Beban linier adalah beban yang menghasilkan bentuk gelombang linier artinya
beban ini tidak menarik gelombang arus yang non sinusoidal pada saat beban
dienerjais oleh sumber sinusoidal sehingga arus yang mengalir berbanding lurus
dengan rasio tegangan dengan impedansi. Contoh beban linier adalah lampu pijar ,
pemanas niklin dan resistor. Gambar 2.15. memperlihatkan perubahan tegangan
sebanding dengan perubahan arus atau keduanya berubah secara linier, hal ini terjadi
pada beban
linier. Gambar 2.16. memperlihatkan bentuk gelombang arus dan
Universitas Sumatera Utara
tegangan pada beban linier. Secara rangkaian listrik, misalnya : suatu rangkaian 3
fasa 4 kawat yang memasok beban linier dimana tegangan beban adalah fasa ke netral
dengan besar tegangan yang sama dan berbeda sudut fasa 120o antar fasanya, seperti
terlihat pada Gambar 2.17.
Arus (I)
Tegangan(V)
Gambar 2.15 Kurva arus-tegangan beban linier [5]
Gambar 2.16 Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier cosφ =1 [5]
Universitas Sumatera Utara
VR = V
0 o;
VS = V 120o;
VT = V
240o
Gambar 2.17. Diagram fasor sistem 3 fasa 4 kawat beban linier setimbang [5]
Pada saat beban setimbang, maka nilai arus pada setiap fasa sama dan beda
sudut fasa satu sama lain 120o. Pada keadaan beban setimbang seperti ini dapat
dikatakan bahwa beban merupakan beban linier, sehingga arus di kawat netral sama
dengan nol, seperti Persamaan arus berikut ini:
IR + IS + IT = IN = 0…………………………….………….………… (2.14)
2.10.2. Beban non linier
Beban non
linier adalah beban yang menyerap gelombang arus non
sinusoidal pada saat dienerjais oleh sumber tegangan sinusoidal sehingga
mengakibatkan bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan
dalam setiap setengah siklus, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan
keluaran tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi) [5,9].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.18 ini merupakan contoh bentuk gelombang arus dan tegangan dengan
beban non linier.
V, I
Tegangan
t
Arus beban non linier
Gambar 2.18 Bentuk gelombang tegangan dan arus beban non linier
Apabila beban bersifat non linier maka arus fasa mengandung komponen
harmonisa, sehingga arus di kawat netral tidak nol meskipun dalam keadaan beban
seimbang.
IR + IS + IT ≠ 0 ………………………………...…………………… (2.15)
Berikut ini beberapa contoh beban non linier yang banyak dipergunakan
baik untuk keperluan rumah tangga maupun industri.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.19 Jenis-jenis beban non linier [5]
Beban non linier dibagi menjadi 3 kelompok (seperti yang di tunjukkan pada Gambar
2.19 yaitu;
1.
Peralatan ferromagnetik, contohnya; transformator, ballast, motor induksi dan
peralatan sejenis lainnya.
Universitas Sumatera Utara
2.
Peralatan yang menggunakan busur api listrik (arcing devices), contohnya; tanur
listrik (arc furnace)
3.
Peralatan konverter elektronik (electronic converters), contohnya; penyearah
(rectifier), inverter, charger, ballast elektronik, speed driver dan peralatan sejenis
lainnya.
2.11.
Indikator Harmonisa
Pengaruh Harmonisa terhadap rele arus lebih kenaikan distorsi harmonisa
menyebabkan kenaikan arus total. Spektra harmonisa arus berubah meskipun nilai
rms arus non sinusoidal tetap konstan dan waktu operasi rele berkurang sesuai
kenaikan nilai THD arus [20].
Kenaikan distorsi harmonisa memandu kenaikan arus total. Jadi komponen
sistem tenaga memungkinkan menjadi panas dan akhirnya bisa rusak. Selanjutnya
koordinasi rele ini tidak dapat direalisasikan secara sempurna untuk arus
non-sinusoidal [1].
Distorsi bentuk gelombang mempengaruhi penampilan rele proteksi dan dapat
menyebabkan rele beroperasi tidak sesuai setelan. Rele harus berfungsi secara tepat
sekalipun ada distorsi harmonisa dalam arus beban.
2.11.1. Trip tepat
Penting untuk di tetapkan dalam pikiran bahwa tidak semua mutu daya
berkaitan dengan kesalahan operasi sistem proteksi. Beberapa rele proteksi dengan
Universitas Sumatera Utara
disainnya dipersiapkan untuk beroperasi dalam kondisi tidak normal tertentu
termasuk mutu daya rendah. Misalnya operasi suatu rele tegangan rendah yang dapat
menginisiasi urutan tripping selama tegangan sag atau intrupsi singkat. Tegangan tak
seimbang panjang dapat juga membuat unit proteksi trip. Dalam kasus demikian,
walaupun tripping disebabkan atau dipengaruhi oleh mutu daya, operasi sistem
proteksi ini tetap sesuai setting.
Secara singkat dapat dinyatakan bahwa tipe distorsi ini mempengaruhi performans
rele tapi tidak menyebabkan kesalahan operasi [3].
2.11.2. Trip tidak tepat
Distorsi harmonisa dapat menyebabkan operasi sistem proteksi tidak tepat. Ini
karena kondisi mutu daya rendah dalam hal ini harmonisa menyebabkan rele
menerima nilai input salah. Situasi sebaliknya juga memungkinkan ketika rele trip
padahal seharusnya belum trip akibat distorsi harmonisa[3].
Universitas Sumatera Utara