BAB III RELAY LINE CURRENT DIFFERENTIAL

BAB III
RELAY LINE CURRENT DIFFERENTIAL
3.1 Umum
Kemajuan teknologi saat ini membuat manusia hidup semakin nyaman. Dulu
seseorang harus berdiri dan mendekat ke televisi untuk mengganti saluran yang
diinginkan. Sekarang hanya dengan menggunakan sebuah remote, bisa mengganti
saluran sesuai keinginannya tanpa harus bergeser sedikit pun dari tempat duduk. Para
peneliti terus mengembangkan berbagai teknologi untuk memudahkan kehidupan dan
memenuhi kebutuhan manusia, khususnya teknologi komunikasi dan informasi yang
saat ini sudah menjadi salah satu kebutuhan utama manusia. Banyak media yang
melayani kebutuhan tersebut, untuk koneksi internet misalnya, bisa memilih
menggunakan DSL atau kabel. Kedua media tersebut memiliki kelebihan masingmasing, namun kekurangan keduanya adalah kurang fleksibel untuk dibawa kemanamana karena masih harus menggunakan kabel. Saat ini teknologi wireless atau nirkabel
sudah cukup dikenal. Teknologi wireless memungkinkan kita menghantarkan suatu
gelombang tanpa menggunakan kabel. Contoh teknologi wireless yang sering kita
dengar adalah IR (Infra Red) dan Bluetooth Namun ada satu lagi teknologi wireless
terbaru yang saat ini sedang hangat dibicarakan yaitu Broadband Wireless Access
(BWA) yang juga didukung oleh perangkat lain seperti, wireless, twisted pair Ethernet,
atau kabel Cat5e, serat optik dan TCP/IP.
18
19
3.2
System Proteksi
Dalam melaksanakan pembangkitan, penyaluran dan distribusi tenaga listrik,
gangguan tidak dapat dihindari. Gangguan kebanyakan merupakan hubung singkat antar
fasa atau antara fasa dengan tanah atau keduanya. Gangguan hubungan singkat semacam
ini menimbulkan arus yang besar yang dapat merusak peralatn sehingga diperlukan
sistem proteksi untuk mengamankan peralatan.
Sistem proteksi selain harus mengamankan peralatan instalasi terhadap gangguan,
juga berfungsi melokalisir gangguan. Ini berarti apabila terjadi gangguan di suatu bagian
instalasi, sistem proteksi hanya akan men-trip PMT yang berdekatanndengan gangguan
sehingga interupsi pasokan daya dapat dilakukan di sekitar tempat terjadinya gangguan
saja (tidak meluas).
Sistem proteksi digunakan untuk melokalisir adanya gangguan, gangguan adalah
peristiwa yang menyebabkan trip-nya PMT di luar kehendak operator (fault). Gangguan
umumnya disebabkan karena terjadinya hubungan singkat. Hubungan singkat ini dapat
terjadi antara fasa dengan fasa atau antara fasa dengan dengan tanah. Gangguan yang
paling banyak adalah gangguan satu fasa ke tanah.
Macam-macam gangguan dapat dikelompokkan menjadi :
1) Gangguan Temporer
Merupakan peristiwa yang menyebabkan trip-nya PMT tetapi beberapa saat
kemudian (setelah 5 detik), apabila PMT dimasukkan, maka keadaannya akan
normal kembali (gangguan sudah hilang).
Gangguan temporer banyak terjadi pada saluran transmisi, sedangkan
penyebabnya adalah petir. Pada saluran udara distribusi, gangguan temporer
kebanyakan disebabkan oleh sentuhan dahan pohon atau laying-layang.
2) Gangguan Permanen
Merupakan peristiwa yang menyebabkan trip-nya PMT, kemudian bila PMT
dimasukkan kembali, PMT tersebut trip lagi. PMT baru bisa dimasukkan kembali
secara normal setelah dilakukan perbaikan atas bagian yang menimbulkan
gangguan. Beberapa gangguan permanen seperti kerusakan isolasi atau penuaan
isolasi (agging).
20
Efek gangguan dapat membahayakan pada :
a. Generator, Trafo dan peralatan lain.
b. Busur akan merusakan kontak.
c. Dapat merubah sistem tegangan.
d. Tegangan menjadi tidak simetris atau urutan negative arus.
Statistik gangguan :
a. Fasa ke Netral (Akibat dari gangguan transient)
: 80%
b. Fasa ke Fasa (akibat gangguan permanen)
: 20%
Relay Proteksi :
Gambar 3.1 Skematik sederhana relay proteksi
Komponen-komponen Sistem Proteksi :
a. CT / VT
b. CB / PMT
21
c. Relay (OCR), Line Current Differential Relay, Distance Relay, Directional
Comparison Relay.
d. DC Supply
e. Wiring Instalasi
f. Teleproteksi (Komunikasi antar Relay).
Syarat-syarat dari Sistem Proteksi :
a. Cepat
Sistem proteksi haruslah merupakan sistem yang cepat karena gangguan bisa
merusak peralatan.
b. Selektif
Sistem proteksi harus selektif dalam memilih lokasi yang terganggu dengan yang
tidak terganggu.
c. Andal
Sistem proteksi harus handal dalam bekerja. Sistem harus bekerja saat terdapat
gangguan dan stabil saat tidak ada gangguan.
d. Ekonomis
Waktu dari gangguan hingga CB terbuka.
3.3
CT (Current Transformer) / VT Voltage Transformer)
Current Transformer (CT) digunakan untuk mengukur arus listrik. Current
Transformer (CT) bersama dengan Voltgage Transformer (VT) (Potential Transformer
(PT)) diketahui sebagai instrument transformer. Ketika arus pada sirkuit terlalu tinggi
untuk di apply pada pengukuran instrument, maka transformator ini akan mengurangi
arus secara akurat dan proporsional sebanding dengan arus yang ada dalam sirkuit,
dimana dapat dengan baik terhubung ke pengukuran dan recording instrument. CT juga
mengisolasi pengukuran instrument dari tegangan yang sangat tinggi pada monitoring
sirkuit. CT juga digunakan pada metering dan proteksi relay pada electrical power
industry.
22
3.4
CB (Circuit Breaker) / PMT (Pemutus Tegangan)
Pemutus Tegangan (PMT) adalah saklar yang digunakan untuk menghubungkan /
memutuskan arus / daya listrik sesuai dengan ratingnya. Karena PMT digunakan untuk
memutus beban maka harus dilengkapi dengan pemadam busur api. Jenis-jenis PMT
berdasarkan media insulator dan material dielektriknya terbagi dalam enam jenis
yaitu saklar PMT Udara, saklar PMT minyak, saklar PMT dengan gas SF6, saklar PMT
vakum saklar PMT udara tekan, saklar PMT Medan Magnet.
1.
Saklar PMT Udara
Bentuknya runcing, busur listrik akan timbul (meloncat) pada bagian yang
runcing terlebih dahulu pada saat kontak-kontak saklar berpisah. Karena berat jenis
busur listrik lebih kecil daripada berat jenis udara, maka busur listrik akan
mengapung ke atas sehingga busur listrik memanjang dan akhirnya putus.
2.
Saklar PMT Minyak
Saklar PMT ini dapat digunakan untuk memutus arus sampai 10 kA dan pada
rangkaian bertegangan sampi dengan 500 kV. Pada saat kontak dipisahkan, busur
api akan terjadi di dalam minyak, sehingga minyak menguap dan menimbulkan
gelembung gas yang menyelubungi busur api, karena panas yang ditimbulkan busur
api, minyak mengalami dekomposisi dan menghasilkan gas hydrogen yang bersifat
menghambat produksi pasangan ion. Oleh karena itu, pemadaman busur api
tergangtung pada pemanjangan dan pendinginan busur api dan juga tergantung pada
jenis gas dari hasil dekomposisi minyak.
Gambar 3.2 Pemadaman Busur Api Pada Pemutus Daya Minyak
23
Gas yang ditimbulkan dekomposisi minyak menimbulkan tekanan terhadap
minyak, sehingga minyak terdorong ke bawah melalui leher bilik. Di leher bilik,
minyak ini melakukan kontak dengan busur api. Hal ini menyebabkan pendinginan
busur api, mendorong proses rekombinasi dan menjauhkan partikel bermuatan
dari lintasan busur api.
Minyak yang berada di antara kontak sangat efektif untuk memutuskan arus.
Kelemahannya
adalah
minyak
mudah
terbakar
dan
kekentalan
minyak
memperlambat pemisahan kontak, sehingga tidak cocok untuk sistem yang
membutuhkan pemutusan arus secara cepat.
Saklar PMT dibagi dalam dua jenis :
1. PMT dengan menggunakan minyak banyak (Bulk Oil Circuit Breaker)
Pada tipe ini kontak-kontak saklar direndam dalam minyak yang
berfungsi sebagai pemutus media busur listrik. Minyak diletakkan dalam
tangki sehingga dimensi Pemutus Tenaga Minyak Banyak menjadi besar.
Gambar 3.3 Konstruksi ruang pemadaman PMT Bulk Oil Circuit
Breaker secara sederhana
2. PMT dengan menggunakan minyak sedikit (Low Oil Circuit Breaker)
Media pemutus busur yang digunakan adalah minyak seperti pada PMT
Minyak Banyak, hanya saja pada PMT Minyak Sedikit ada bagian PMT yang
menghasilkan
minyak
maupun
pada
waktu
PMT
ditutup.
Dengan
menggunakan minyak bertekanan, maka dimensi PMT Minyak Sedikit
24
menjadi lebih kecil dari PMT Minyak Banyak. Pada PMT Minyak Sedikit,
kualitas minyak PMT perlu diawasi secara teliti, terutama setelah PMT
bekerja setelah ada gangguan.
Pada saat memutus busur listrik arus gangguan, minyak yang
menyemprot busur listrik yang besar karena gangguan akan mengalami
karbonisasi yang besar pula. Karbon tidak bersifat isolasi. Oleh karena itu,
harus dilakukan penggantian minyak PMT apabila minyak sudah kelihatan
hitam oleh karbon. Selain mengandalkan penyemprotan minyak untuk
memutus busur listrik yang terjadi, teknik memanjangkan busur listrik juga
digunakan di sini, yaitu dengan meruncingkan bentuk kontak jantan dan
kontak betina.
3.
Saklar PMT Gas SF6
Prinsip kerjanya hampir sama dengan prinsip kerja PMT Minyak Sedikit,
bedanya terletak pada media pemutus busur yang digunakan, yaitu Gas SF6. Gas
SF6 memiliki sifat isolasi yang baik selain sifatnya sebagai pendingin yang baik.
Pada PMT Gas SF6 timbul masalah perapat (sealing) antara bagian PMT yang
bergerak dengan diam karena gas dapat menyelinap (bocor) di antara dua bagian
yang bergeseran ini. Untuk itu diperlukan perapat (sealing) yang baik agar dapat
meminimumkan kebocoran Gas SF6. Pada PMT Gas SF6 terdapat pengukur tekanan
gas sehingga apabila tekanan Gas SF6 sudah berkurang, maka dapat dilakukan
pengisian Gas SF6 kembali. Dibandingkan dengan PMY Minyak Sedikit, PMT Gas
SF6 mempunyai dimensi yang kira-kita sama tetapi pemelihataannya lebih mudah.
4.
Saklar PMT Vakum
Dalam PMT Vakum tidak ada media pemutus busur listrik. Oleh sebab itu,
teknik pemutus busur listrik dalam PMT Vakum semata-mata tergantung pada
teknik memperpanjang busur listrik.
Konstruksi PMT Vakum menghindari adanya celah udara sehingga pergeseran
bagian yang bergerak dengan bagian yang tetap (statis) yang dapat menimbulkan
celah udara dapat dihindari dan sebagai penggantinya digunakan logam fleksibel
berbentuk gelombang yang dapat diperpanjang dan diperpendek.
25
Fleksibilitas logam sampai saat ini masih menjadi salah satu kendala bagi
perkembangan PMT Vakum. Hal ini disebabkan karena jarak antara kontak-kontak
PMT vakum menjadi terbatas sehingga tegangan operasinya juga terbatas.
Sampai saat ini PMT Vakum baru bisa dibuat untuk tegangan operasi 38 kV.
5.
Saklar PMT Udara Tekan (Air Blast Circuit Breaker)
Prinsip kerja PMT ini serupa dengan prinsip kerja PMT Gas SF6, hanya saja
pada PMT Udara Tekan yang menjadi media pemutus busur listrik adalah udara
tekan. Karena kemampuan isolasi udara tekan lebih rendah dari pada Gas SF6, maka
pada PMT Udara Tekan dibutuhkan tekanan udara yang lebih besar dari tekan Gas
SF6 pada PMT Gas SF6.
6.
Saklar PMT Medan Magnet (Magnetic Circuit Breaker)
Prinsip kerjanya seperti PMT Udara, hanya saja di sini terdapat magnet yang
berfungsi menghasilkan medan magnet yang akan menarik busur listrik yang
timbul sewaktu pembukaan PMT sehingga busur listrik menjadi lebih panjang dan
akhirnya putus.
3.5
Line Current Differential Protection
Bentuk lain dari sistem proteksi untuk perlengkapan seperti transformer, busses dan
saluran listrik yaitu current differensial. Tipe proteksi ini bekerja berdasarkan teori dasar
dari hukum Kirchoff yang menyatakan bahwa jumlah arus yang masuk sama dengan
jumlah arus yang keluar maka sebuah node akan bernilai nol. Hal ini sangat penting untuk
mencatat arah dari arus dan juga besar arusnya, karena merupakan vektor. Hal ini
membutuhkan seperangkat transformator arus (transformer yang lebih kecil yang
mengubah currents down ke tingkat yang dapat dihitung) pada tiap akhir saluran listrik,
atau pada tiap sisi dari transformer.
Secara umum pengaman differensial ini merupakan saluran yang mengukur besaran
arus pada kedua sisi dari saluran transmisi. Perangkat yang digunakan dalam proteksi
Line Current Differential ini adalah Line Current Differential Relay. Relay ini harus
26
bekerja jika ada gangguan di daerah proteksi dan harus stabil jika gangguan di luar daerah
proteksi. Relay ini bekerja secara instaneous.
Rumus impedansi SUTT : ZFL = Z1 . Ln . k……………………………….(3.1)
RFL = R1. Ln . k………………………………..(3.2)
Dimana:
ZFL dan RFL = impedansi SUTT
Z1 = impedansi
R1 = impedansi
Ln = panjang kabel
K = nilai konstanta
3.6
Line Current Differential Relay
Menyampaikan arus differensial adalah salah satu metode untuk membandingkan
arus yang mengalir pada line yang sama. Hasilnya tergambar dalam skema proteksi
sederhana dengan tingkat sensitifitas yang tinggi dan kecepatan, keserentakan, melakukan
tripping pada kedua jalur dengan tingkat tinggi. Perbedaan skema tidak dipengaruhi oleh
efek eksternal seperti faults, load dan power swings. Perbedaan arus dapat dihitung
dengan metode yang berbeda seperti :
1. Magnitude Comparison
2. Phase Comparison
3. Phasor Comparison (magnitude and angle)
4. Charge Comparison
5. Combination of these
Tanpa memperhatikan metode yang digunakan, semua line differential relays
beroperasi pada arus yang berbeda yang dibandingkan antara arus yang masuk dengan
arus yang keluar. Untuk kesalahan internal, arus akan mengalir pada kedua line. Arus
27
local IL akan secara praktis berada dalam fasa dengan arus remote IR. Perbedaan fasa kecil
antara dua arus disebabkan karena perbedaan derajat sumber pada local dan remote end.
Untuk kesalahan eksternal atau load, arus akan mengalir pada satu terminal dan keluar
pada terminal lainnya. Arus lokal IL akan 180o out of phase dengan arus remote IR dan
besarnya akan sebgaian besar sama, yang membedakan hanya dari kesalahan pengukuran
transformer.
Rumus menghitung beban total :
Bt = B . Ln…………………………………(3.3)
dimana:
Bt = beban total
B = beban
Ln = panjang kabel
Rumus menghitung reaktansi capasitas : Xc
=
………………….………..(3.4)
Dimana :
Xc = reaktansi
3.7
Prinsip Kerja Line Current Differential Relay

Relay diferensial arus membandingkan arus yang melalui satu titik (Hukum
Kirchoff).

Pada keadaan tanpa gangguan atau gangguan eksternal ΣI = 0

Pada keadaan gangguan internal ΣI ≠ 0

Dipasang pada asing-masing ujung saluran dan merupakan unit protection.
Unit Protection :
-
Daerah pengamanan adalah di dalam daerah yang dilingkupi CT (Current
Transformator) yang tersambung ke relay differensial.
-
Bekerja seketika.
-
Tidak perlu dikoordinasikan dengan pengaman lain.
-
Merupakan pengaman utama dan tidak berlaku sebagai pengaman cadangan.
28

Prinsip pengukuran Line Current Differential adalah Circulating Current atau
Balanced Voltage.

Karena ujung-ujung saluran transmisi dipisahkan oleh jarak yang jauh maka
masing-masing sisi dihubungkan dengan :
-
kabel pilot
-
saluran telekomunikasi : microwave, fiber optic.
Gambar 3.4 Line Current Differential Relay

Tanpa gangguan atau gangguan eksternal
IA + IB = 0

Keadaan gangguan internal
IA + IB ≠ 0 (=IF)
Rumus menghitung arus charging primary :
Ic =
.
√ .
…………….(3.5)
Dimana :
Ic = arus charging
Kv = tegangan nominal
Xc = reaktansi
Rumus menghitung arus charging secondary :
Dimana :
Ics = arus charging sekunder
Ic = arus charging
CT = trafo arus
Ics =
......................(3.6)
29
3.8
Dasar Pengukuran Diferensial Arus
3.8.1 Pilot Wire
Gambar 3.5a Circulating Current in Normal Condition
Gambar di atas menunjukan sirkulasi arus melalui pilot wire dalam keadaan
normal. Arus akan berjalan sesuai alurnya tanpa melewati relay karena pada relay
terdapat hambatan yang menimbulkan tegangan.
Gambar 3.5b Circulating Current with Internal Fault
Gambar di atas menunjukan sirkulasi arus melalui pilot wire saat terdapat
internal fault atau gangguan internal. Arus bersikulasi dengan arauh yang saling
bertemu sehingga arus menuju relay. Besar arus yang menuju relay (I) sebesar
penjumlahan dari kedua arus yang masuk (IA + IB).
Rumus kegagalan arus:
Ifmin =
.
√ .
……………………….(3.7)
30
Dimana :
Ifmin = kegagalan arus
Kv = tegangan nominal
Rf = resistansi
3.8.2 Fiber Optic
Gambar 3.6 Circulating Current using Fiber Optic
Gambar di atas merupakan sirkulasi arus pada fiber optic pada kondisi
normal. Arus mengalir dari sumber dan masuk pada relay A. Arus yang mengalir
pada transmitter Relay A (Tx) akan dialirkan melalui fiber optic ke receiver (Rx)
pada relay B. begitu pula sebaliknya apabila arus mengalir pada relay B, arus akan
di alirkan dari transmitter relay B ke receiver relay A.
Arus yang mengalir pada (1) berupa arus analog, sedangkan arus yang
mengalir pada (2) berupa arus digital. Dalam analog arus akan dijumlah
berdasarkan polaritas arus.
3.9
Cara Kerja Line Current Differential Relay
1) Digital Current Differential Relay menggunakan sinyal sampling dari kontrol
sinkronisasi untuk mensample arus misalnya setiap 30° sudut listrik.
31
2) Sample arus ini diubah ke dalam bentuk digital dan selanjutnya diolah dalam
Relay Calculation Unit CPU dan dalam waktu yang sama diubah ke dalam
bentuk data serial dan ditransmisikan ke relay lain melalui saluran komunikasi.
3) Sisi penerima menerima dan memeriksa data arus dari relay lain, data serial
diubah ke data parallel dan data ini diolah dalam Relay Calculation Unit CPU.
4) Kedua data arus di atas digunakan dalam proses penghitungan relay diferensial
setelah terlebih dahulu kedua data melalu proses sampling matching.
5) Unit transceiver melaksanakan proses sinkronisasi sampling agar kedua data
arus diolah dalam kondisi waktu yang sama.
6) CPU 1 melakukan proses penghitungan relai diferensial, perintah trip, reclosing
dan perintah-perintah lainnya.
7) CPU 2 melakukan proses kontrol untuk mengirimkan dan menerima data
termasuk kontrol sinkronisasi sampling.