DIKTAT KULIAH

PROTEKSI SISTEM TENAGA

Disusun oleh: Ir. Zulkarnaen Pane, MT

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK USU

MEDAN 20014

i

DAFTAR ISI

Daftar Isi i

Bab 1 Pendahuluan 1

Bab 2 Rele Proteksi 11

Bab 3 Rele Arus Lebih 16

Bab 4 Rele Tegangan 25

Bab 5 Rele Diferensial 32

Bab 6 Rele Urutan Fasa Negatif 38

Bab 7 Rele Daya Balik 43

Bab 8 Rele Jarak 48

Bab 9 Pemutus Tenaga 83

Bab 10 Transformator Arus 87

1

I. PENDAHULUAN

1.1. Pengertian Proteksi (Pengaman)

Sistem proteksi tenaga listrik merupakan sistem pengamanan pada peralatan-

peralatan 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.

1.2. Fungsi Proteksi

Kegunaan sistem proteksi antara lain untuk :

1. Mencegah kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya

gangguan atau kondisi operasi 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 sehinggga 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

1.3. Gangguan Pada Sistem Tenaga Listrik

1.3.1. Faktor-Faktor Penyebab Gangguan

Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang melibatkan banyak komponen

dan sangat kompleks. Oleh karena itu, ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya

gangguan pada sistem tenaga listrik, antara lain sebagai berikut.

a. Faktor Manusia

Faktor ini terutama menyangkut kesalahan atau kelalaian dalam memberikan

perlakuan pada sistem. Misalnya salah menyambung rangkaian, keliru dalam

mengkalibrasi suatu piranti pengaman, dan sebagainya.

2

b. Faktor Internal

Faktor ini menyangkut gangguan-gangguan yang berasal dari sistem itu sendiri.

Misalnya usia pakai (ketuaan), keausan dan sebagainya. Hal ini bisa mengurangi

sensitivitas rele proteksi, juga mengurangi daya isolasi peralatan listrik lainnya.

c. Faktor Eksternal

Faktor ini meliputi gangguan-gangguan yang berasal dari lingkungan sekitar

sistem. Misalnya cuaca, gempa bumi, banjir, dan sambaran petir.

1.3.2. Jenis Gangguan

Jika ditinjau dari sifat dan penyebabnya, jenis gangguan dapat dikelompokkan

sebagai berikut :

1. Hubung singkat

Hubung singkat adalah terjadinya hubungan penghantar bertegangan atau penghantar

tidak bertegangan secara langsung tidak melalui media (resistor/beban) yang semestinya

sehingga terjadi aliran arus yang tidak normal (sangat besar). Hubung singkat merupakan

jenis gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik, terutama pada saluran udara

3 fasa. Semua komponen peralatan listrik selalu diisolasi dengan isolasi padat, cair

(minyak), udara gas, dan sebagainya. Namun karena usia pemakaian, keausan, tekanan

mekanis, dan sebab lainnya, maka kekuatan isolasi pada peralatan listrik bisa berkurang

atau bahkan hilang sama sekali. Hal ini akan mudah menimbulkan hubung singkat.

Pada bahan isolasi padat atau cair, gangguan hubung singkat biasanya mengakibatkan

busur api sehingga menimbulkan kerusakan yang tetap dan gangguan ini disebut gangguan

permanen. Pada isolasi udara yang biasanya terjadi pada saluran udara tegangan menengah

atau tinggi, jika terjadi busur api dan setelah padam tidak menimbulkan kerusakan, maka

gangguan ini disebut gangguan temporer . Arus hubung singkat yang begitu besar sangat

membahayakan peralatan.

Gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi pada sistem tenaga listrik 3 fasa

adalah sebagai berikut,

1) Hubung singkat tiga fasa,

2) Tiga fasa ke tanah,

3) Fasa ke fasa,

4) Satu fasa ke tanah,

5) Dua fasa ke tanah

6) Fasa ke fasa dan pada waktu bersamaan dari fasa ke tiga dengan tanah,

3

Dua jenis gangguan yang pertama menimbulkan arus gangguan hubung singkat

simetris sedangkan empat jenis gangguan terakhir menimbulkan arus gangguan tidak

simetris.

2. Beban lebih (OverLoad)

Beban lebih merupakan gangguan yang terjadi akibat konsumsi energi listrik melebihi

energi listrik yang dihasilkan pada pembangkit. Gangguan beban lebih sering terjadi

terutama pada generator dan transformator daya. Arus lebih ini dapat menimbulkan

pemanasan yang berlebihan sehingga bisa menimbulkan kerusakan pada isolasi.

3. Tegangan Lebih (OverVoltage)

Tegangan lebih merupakan suatu gangguan akibat tegangan pada sistem tenaga listrik

lebih besar dari yang seharusnya. Gangguan tegangan lebih dapat terjadi karena kondisi

eksternal dan internal

a) Kondisi Internal: Hal ini terutamakarena osilasi akibat perubahan yang

mendadak dari kondisi rangkaian atau karena resonansi. Misalnya operasi

hubung pada saluran tanpabeban.perubahan yang mendadak, operasi pelepasan

pemutus tenaga yang mendadak akibat hubung singkat pada jaringan,

kegagalan isolassi, dan sebagainya.

b) Kondidi Eksternal: Kondisi eksternal terutama akibat adanya sambaran petir.

3. Daya Balik (ReversePower)

Daya balik merupakan suatu gangguan yang terjadi pada generator-generator yang

bekerja paralel. Pada kondisi normal generator-generator tersebut secara paralel akan

bekerja secara serentak dalam membangkitkan tenaga listrik. Namun karena sesuatu sebab

misalnya terjadi gangguan pada penggerak mula maka generator dapat berubah fungsi

menjadi motor.

1.4. Pencegahan Gangguan

Sebagaimana telah dijelaskan di muka, ada beberapa jenis gangguan pada sistem

tenaga listrik yang memang tidak semuanya bisa dihindarkan. Untuk itu perlu dicari upaya

pencegahan agar bisa memperkecil kerusakan pada peralatan listrik, terutama pada

manusia akibat adanya gangguan.

Usaha memperkecil terjadinya gangguan ditempuh antara lain,

1) Membuat isolasi yang baik untuk semua peralatan;

4

20 kV

800/5 ACB

1

OCR

F

2) Membuat koordinasi isolasi yang baik antara kekuatan isolasi peralatan dan

penangkal petir;

3) Menggunakan kawat tanah dan membuat tahanan pentanahan pada kaki menara

sekecil mungkin, serta selalu mengadakan pengecekan;

4) Membuat perencanaan yang baik untuk mengurangi pengaruh luar mekanis dan

mengurangi atau menghindarkan sebab-sebab gangguan karena binatang, polusi,

kontaminasi, dan lainnya;

5) Pemasangan yang baik, artinya pada saat pemasangan harus mengikuti peraturan-

peraturan yangberlaku;

6) Menghindari kemungkinan kesalahan operasi, yaitu dengan membuat prosedur tata

cara operasional dan membuat jadwal pemeliharaan yang rutin;

7) Memasang lightning arrester untuk mencegah kerusakan pada peralatan akibat

sambaran petir.

1.5. Komponen-komponen Sistem Proteksi

Sistem proteksi terdiri dari :

1. Transformator instrument (CT dan PT)

2. Rele proteksi

3. Pemutus tenaga (CB, PMT)

Gambar 1.1.

Transformator instrument berfungsi untuk memonitor arus atau tegangan dan menurunkan besar kedua besaran tersebut ke suatu nilai yang sesuai

untuk keperluan rele,

Rele berfungsi untuk membandingkan besar arus atau tegangan yang diterimanya dari trafo instrument dengan nilai setelannya. Jika sinyal input

melebihi nilai setelan rele, maka rele akan trip dan memberikan sinyal ke

suatu pemutus tenaga

5

Pemutus Tenaga berfungsi untuk mengisolasi bagian yang terganggu dari sistem yang sehat.

Gambar 1.2. Trafo arus

6

Gambar 1.3. Air Circuit Breaker

Gbr 14. Oil Circuit Breaker 138 kV

7

Gambar 1.5. Rele proteksi berbasis mikroprosessor

Gambar 1.6. Tipikal rele mekanikal

8

Gambar 1.7. Diagram skematik dari rele pada Gambar 1.5.

9

10

11

II. RELE PROTEKSI

2.1. Pengertian Umum

Pada saat terjadi gangguan pada sistem tenaga listrik, misalnya adanya arus lebih,

tegangan lebih, dan sebagainya, maka perlu diambil suatu tindakan untuk mengatasi

kondisi gangguan tersebut. Jika dibiarkan, gangguan itu akan meluas ke seluruh sistem

sehingga bisa merusak semua peralatan sistem tenaga listrik yang ada. Untuk mengatasi

hal tersebut, mutlak diperlukan suatu sistem pengaman yang andal. Salah satu komponen

yang penting untuk pengaman tenaga listrik adalah rele proteksi.

Rele proteksi adalah susunan piranti, baik elektronik maupun magnetik yang

direncanakan untuk mendeteksi suatu kondisi ketidaknormalan pada peralatan listrik yang

bisa membahayakan atau tidak diinginkan. Jika bahaya itu muncul maka rele proteksi akan

segera otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga (circuit

breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem yang normal. Rele

proteksi dapat mengetahui adanya gangguan pada peralatan yang perlu diamankan dengan

mengukur atau membandingkan besaran-besaran yang diterimanya, misalnya arus

tegangan, daya, sudut fase frekuensi impedansi dan sebagainya sesuai dengan besaran

yang telah ditentukan. Alat tersebut kemudian akan mengambil keputusan seketika atau

dengan perlambatan waktu untuk membuka pemutus tenaga atau hanya memberikan tanda

tanpa membuka pemutus tenaga. Pemutus tenaga dalam hal ini harus mempunyai

kemampuan untuk memutus arus hubung singkat maksimum yang melewatinya dan harus

mampu menutup rangkaian dalam keadaan hubungan singkat yang kemudian membuka

kembali. Disamping itu rele juga berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam

gangguannya. Berdasarkan data dari rele maka akan memudahkan kita dalam menganalisis

gangguannya.

2.2. Fungsi Rele

Pada prinsipnya rele proteksi yang dipasang pada sistem tenaga listrik mempunyai

3 macam fungsi, yaitu

1. Merasakan, mengukur, dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta

memisahkan secepatnya;

2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu;

12

3. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang tidak

terganggu didalam sistem tersebut serta dapat beroperasi normal

Rele proteksi tidak mengantisipasi atau mencegah terjadinya gangguan yang pertama,

tetapi untuk gangguan berikutnya. Sebab rele proteksi bekerja hanya setelah terjadi

gangguan. Suatu pengecualian untuk rele Bucholf yang digunakan untuk proteksi trafo

daya. Rele ini bekerja karena terjadinya akumulasi gas yang terjadi di dalam minyak

transformator akibat panas yaang dibangkitkan dan dekomposisi isolasi minyak trafo atau

isolasi padat lainnya.

2.3. Persyaratan Rele Proteksi

Pada sistem tenaga listrik, rele memegang peran yang sangat vital. Pengaman

berkualitas yang baik memerlukan rele proteksi yang baik juga. Untuk itu ada beberapa

persyaratan yang harus dipenuhi oleh rele pengaman, seperti tersebut berikut ini.

1. Kepekaan (Sensitivity)

Rele harus mempunyai mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap besaran minimal

(kritis) sebagaimana direncanakan. Rele harus dapat bekerja pada awal 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, rele juga harus stabil, artinya

a. Rele harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum

b. Pada saat transformator daya dihubungkan ke sistem, rele tidak boleh bekerja

karena adanya arus inrush, yang besarnya seperti arus gangguan, yaitu 3-5 kali arus

beban maksimum;

c. Rele harus dapat membedakan adanya gangguan atau ayunan beban.

2. Keandalan (Reliability)

Pada kondisi normal atau tidak ada gangguan, mungkin selama berbulan-bulan atau

lebih rele tidak bekerja. Seandainya suatu saat terjadi gangguan maka rele tidak boleh

gagal bekerja dalam mengatasi gangguan tersebut. Kegagalan kerja rele dapat

mengakibatkan alat yang diamankan rusak berat atau gangguannya meluas sehingga

daerah yang mengalami pemadaman semakin luas.

Rele tidak boleh salah kerja, artinya rele yang seharusnya tidak bekerja, tetapi

bekerja. Hal ini menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya dan menyulitkan analisa

13

gangguan yang terjadi. Keandalan rele proteksi ditentukan dari rancangan, pengerjaaan,

beban yang digunakan dan perawatannya.

Gbr. 2.1 Keandalan dari suatu sistem proteksi

3. Selektivitas (Selectivity)

Selektivitas berarti rele harus mempunyai daya beda terhadap bagian yang

terganggu, sehingga mampu dengan tepat memilih bagian dari sistem tenaga listrik yang

terkena gangguan. Kemudian rele bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem

dalam jangkauan pengamanannya. Tugas rele untuk mendeteksi adanya gangguan yang

terjadi pada daerah pengamanannya dan memberikan perintah untuk membuka pemutus

tenaga dan memisahkan bagian yang terganggu. Letak pemutus tenaga sedemikian rupa

sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisahkan. Dengan demikian bagian dari sistem

lainnya yang tidak terganggu jangan sampai dilepas dan masih beroperasi secara normal,

sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan. Jika terjadi pemutusan atau pemadaman

hanya terbatas pada daerah yang terganggu. Contoh zona proteksi rele ditunjukkan pada

Gambar 2.2.

14

Gbr. 2.2 Diagram satu garis suatu sistem yang menunjukkan zona proteksi

4. Kecepatan Kerja

Rele proteksi harus dapat bekerja dengan cepat. Namun demikian, rele tidak boleh

bekerja terlalu cepat (kurang dari 10 ms). Disamping itu, waktu kerja rele tidak boleh

melampaui waktu penyelesaian kritis (critical clearing time). Pada sistem yang besar atau

luas, kecepatan kerja rele proteksi mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan

sistem agar tidak terganggu.

5. Ekonomis

Satu hal penting yang harus diperhatikan sebagai persyaratan rele proteksi adalah

masalah harga atau biaya. Rele tidak akan diaplikasikan didalam sistem tenaga listrik, jika

harganya sangat mahal. Persyaratan reliabilitas, sensitivitas, selektivitas, dan kecepatan

kerja rele tidak menyebabkan harga rele tersebut menjadi mahal.

2.4. Terminologi

Ada beberapa istilah (terminologi) yang perlu diketahui diantaranya adalah:

a. Rele adalah sebuah alat yang bekerja membuka dan menutup secara automatis

karena beroperasinya peralatan lain dibawah pengaruh besaran listrik,

15

b. Rele proteksi adalah sebuah alat listrik yang bekerja secara automatis mendeteksi

keadaan abnormal dalam rangkaian listrik dan memberikan sinyal ke PMT untuk

mengisolasi bagian yang terganggu. Dalam beberapa hal rele proteksi hanya cukup

memberikan alarm atau nyala lampu,

c. Waktu kerja rele (operating time) adalah waktu yang dibutuhkan oleh sebuah rele

proteksi sesaat setelah terjadi gangguan sampai output rele menutup kontaknya,

d. Setting adalah suatu nilai besaran yang ditetapkan sebelumnya agar rele bekerja

pada nilai tersebut,

e. Pick-up, suatu rele dikatakan pick-up apabila kontak output rele bergerak dari

posisi off ke posisi on. Nilai dari besaran perubahan minimum pada karakteristik

ini disebut nilai pick-up,

f. Dropout atau reset, sebuah rele dikatakan dropout apabila kontak outputnya

bergerak dari posisi on ke posisi off,

g. Proteksi utama (main protection) adalah suatu proteksi yang pertama kali

mengamankan begitu ada gangguan di daerah proteksinya,

h. Rele cadangan (Backup relay) adalah sebuah rele yang bekerja setelah beberapa

saat rele utama gagal bekerja,

i. Burden adalah daya yang diperlukan untuk mengoperasikan rele, dinyatakan dalam

volt amper (VA)

16

T1

T2

Th

R1

R2

C1

C2Pe

D

+VC

Input from CT

Aux transformerOr transactor

to c

ontro

l circ

uit C

B

AR

III. RELE ARUS LEBIH

Rele arus lebih merupakan suatu rele yang bekerjanya berdasarkan adanya

kenaikan arus yang melebihi suatu nilai pengaman tertentu dan dalam jangka waktu

tertentu. Rele arus lebih dikategorikan menjadi 3, yaitu

1) Rele arus lebih seketika (instantaneous over-current relay),

2) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu yang tidak tergantung

pada besarnya arus gangguan (definite time over current relay), dan

3) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu terbalik (inverse time

over current relay).

3.1. Rele Arus Lebih Seketika

Rele arus lebih seketika adalah rele arus lebih yang bekerja tanpa penundaan waktu

(jangka waktu rele) mulai saat arusnya pick-up sampai selesai sangat singkat (sekitar 20

100 ms). Salah satu contoh rangkaian sederhana dari rele arus lebih seketika dapat dilihat

pada Gambar 3.1. Sedangkan sistem kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut.

Gbr. 3.1. Rele arus lebih seketika

Arus masukan dari CT (trafo arus) diumpankan ke suatu CT bantu (biasanya

berupa transactor yang merubah arus ke suatu tegangan) dengan beberapa sadapan pada

belitan sekundernya. Arus sekunder kemudian diumpankan ke suatu penyearah jembatan

gelombang penuh yang dilindungi terhadap tegangan lebih transient oleh filter R1-C1 .

Keluaran penyearah kemudian mengalir ke basis transistor T1. Keluaran tadi yang terdapat

17

50

10

3

1.00.5

0.11 10 20 100

Wak

tu k

erja

dal

am

detik

a. waktu tertentu

b. waktu terbalik

c. waktu sangat terbalik

d. waktu terbalik sekali

Multiples of Plug Setting

pada resistor R2 diratakan oleh kapasitor C2. Transistor T1 (npn) dan transistor T2 (pnp)

dalam keadaan off. Apabila tegangan basis T1 melebihi nilai pickup yang telah diset

melalui potensiometer Pe, maka T1 akan bekerja sehingga menyebabkan T2 dan rele output

AR akan bekerja pula. Thermistor Th pada kolektor T1 dimaksudkan sebagai kompensasi

suhu, sedangkan diode D sebagai pengaman rele output Tr. Besarnya arus pickup dapat

diatur melalui tap-tap transformator bantu dan potensiometer Pe.

Pada rele diatas ada kemungkinan terjadi sensitivitas yang berlebihan

(oversensitivity) pada saat terjadi arus gangguan transient dengan komponen-komponen

arus searah. Hal ini dapat dicegah dengan membuat transformator bantu (auxiliary

transformer) menjadi jenuh diatas nilai pick-up. Juga filter transient R1C1 diatas akan

mengurangi terjadinya oversensitivity.

3.2. Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu

Ada beberapa jenis rele arus lebih dengan tundaan waktu, hal ini tergantung pada

karakteristik waktu tundanya. Berdasarkan tundaan waktu kerjanya rele arus lebih dapat

dibedakan menjadi :

a. Waktu tertentu (definite time)

b. Waktu minimal tertentu terbalik (inverse definite minimum time/IDMT)

c. Sangat berbanding terbalik (very inverse)

d. Sangat berbanding terbalik sekali ( extremely inverse).

Gambar 3.2 merupakan diagram karakteristik rele arus lebih dengan tundaan waktu.

Gambar 3.2. Karakteristik Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu

18

Aux CT

Arus masukan

Detektor tingkat

beban lebih

Detektor tingkat

pewaktu

Rangkaian keluaran

keluaranAC to DCconverter

R1

P1

R2 R4

R3R5

R6

P2ARD

T2

C

+ Vc

Arus masukan

T3

to c

ontro

l circ

uit C

B

1T

Perbedaan mendasar antara rele arus lebih dengan tundaan waktu tertentu terhadap

rele arus lebih jenis inverse adalah pada pengisian kapasitor yang digunakan. Waktu

operasi dari rele arus lebih jenis definite time adalah tetap dan tidak tergantung pada

besanya arus gangguan. Fungsi dari arus input hanya untuk mengisi muatan kapasitor,

sesudah itu rangkaian akan bekerja untuk membuka pemutus tenaga. Dengan kata lain arus

masukan pada rele jenis definite time hanya mengontrol atau membandingkan dengan

besarnya arus pickup-nya, sedangkan pada rele jenis inverse arus masukan mengendalikan

tidak hanya arus pickup, tetapi juga tingkat tegangan pengisian kapasitor sehingga waktu

kerjanya tergantung pada besarnya arus masukan.

3.2.1 Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Tertentu Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu tertentu adalah suatu rele yang

jangka waktu mulai rele pickup sampai rele trip, diperpanjang dalam waktu tertentu. Blok

diagram dan rangkaian lengkap rele jenis ini bisa dilihat pada Gambar 3.3. dan Gambar

3.4, sedangkan alur kerjanya secara garis besar adalah sebagai berikut.

Gambar 3.3. Blok Diagram Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu

Gambar 3.4. Rangkaian Lengkap Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu

Arus masukan bolak-balik diubah menjadi tegangan searah melalui suatu CT bantu

(auxiliary CT) atau transactor dan penyearah jembatan. Tegangan ini kemudian

diumpankan ke transistor T1 melalui resistor R2. Pada kondisi normal, transistor T1 (npn)

19

P1R1

R2

R3

C T1

R4

P2

R5

R6 R7

T3

P3 AR D

+ Vc

Arus masukan

dalam keadaan konduksi (konduksi) karena adanya bias dari catu tegangan melalui resistor

R4 ini akan menghubungsingkatkan kapasitor C. Pada saat arus masukan melebihi nilai

setelan yang telah ditentukan oleh potensiometer P1 maka sambungan base- emitter T1

reverse biased sehingga T1 menjadi OFF. Pada kondisi ini kapasitor C mulai mengisi

muatan dari tegangan suplai melalui resistor R3. Pada saat tegangan kapasitor melebihi

tegangan emitter T2, sebagaimana telah ditentukan atau diatur oleh potensiometer P2, maka

transistor T2 konduksi dan akan menggerakkan T3 untuk konduksi pula dan selanjutnya

akan membuat rele output AR akan bekerja.

Pada saat arus masukan menurun maka dengan segera T1 konduksi dan melepaskan

muatan kapasitor C sehingga rangkaian direset dengan cepat. Dioda reverse-biased D

berfungsi untuk mengamankan transistor dari tegangan induksi yang cukup tinggi akibat

induktansi kumparan rele output. Disini potensiometer P1 berperan sebagai Plug setting

multipier (PMS) dan potensiometer P2 berperan sebagai Time multiplier setting (TMS).

Dari uraian diatas dapat dilihat bahwa pengisian kapasitor dilakukan oleh tegangan

suplai bantu, sedangkan arus masukan hanya menentukan/mengendalikan kondisi pickup

dari rele.

3.2.2 Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Terbalik Rele arus lebih jenis inverse pada dasarnya hampir sama dengan rele arus lebih

jenis definite. Perbedaannya hanya pada waktu kerjanya. Gambar 3.5 merupakan contoh

rangkaian dasar rele arus lebih jenis inverse.

Gambar 3.5. Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Terbalik

Pada saat besar arus masukan bolak-balik rendah, transistor T1 dalam keadaan

konduksi sehingga menghubungsingkatkan kapasitor C. Apabila arus masukan melebihi

nilai settingnya yang diatur melalui potensiometer P2 dan taping pada sekunder

transformator, maka transistor T1 terbuka (off) sehingga kapasitor C terisi muatannya dari

20

arus masukan (melalui tegangan yang dibangkitkan pada resistor R2 ) melalui resistor R1

dan potensiometer P1. Pada saat tegangan kapasitor tersebut melebihi besarnya tegangan

yang disetting melalui potensiometer P3, maka transistor T2 konduksi sehingga transistor

T3 juga konduksi, yang selanjutnya menyebabkan rele output AR bekerja.

Pada rele ini Plug setting multiplier dilakukan melalui taping pada sekunder

transformator dan potensiometer P2. Time multiplier setting (TMS) ditentukan oleh

potensiometer P1 dan P3.

Rele diatas merupakan rangkaian dasar untuk rele arus lebih dengan tundaan waktu

terbalik. Untuk rele arus lebih jenis very inverse dan extremely inverse bisa diperoleh

dengan memodifikasi rangkaian pengisian kapasitor, yakni dengan menghubungkan suatu

dioda zener atau resistor peka tegangan (voltage sensitive resistor) pada R1 yang akan

memodifikasi karakteristik penundaan waktu.

Meskipun teknologi dibidang rele static telah mengalami kemajuan yang begitu

pesat, namun pemakaian rele arus lebih jenis magnetic atau mekanik masih banyak

digunakan, terutama di Indonesia.

3.3. Karakteristik Rele Arus Lebih Waktu Terbalik (inverse)

Waktu kerja (operating time) dari rele ini adalah berbanding terbalik dengan besarnya

arus masukan atau arus gangguan seperti yang terlihat pada Gambar 3.6. Karakteristik

waktu vs arusnya adalah sesuai dengan BS 142 : 1966 dan IEC 255-4. Secara matematis

hubungan antara tundaan waktu kerja rele dengan besarnya arus masukan atau arus

gangguan dinyatakan oleh persamaan :

t =

1fset

kII

detik (3.1)

di mana : t = tundaan waktu kerja rele (detik)

k = setelan skala pengali waktu (time multiplier setting)

If = arus masukan ke rele

Iset = nilai setelan arus lebih

Konstanta-konstanta dan menentukan tingkat atau derajat inversitas dari tundaan waktu rele dan menurut standar di atas nilainya adalah sebagai berikut :

21

t10 Normal Inverse (N) 0,02 0,14 3,0 s Very Inverse (V) 1,0 13,5 1,5 s Extremely Inverse (E) 2,0 80,0 0,8 s Dimana t10 menyatakan tundaan waktu kerja rele untuk besarnya arus masukan

sama dengan 10 kali nilai setelan arus rele (I>) dan dengan setelan skala pengali waktu

k = 1.

Gambar 3.6.a Karakteristik Normal Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi

2223 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.

22

Gambar 3.6.b Karakteristik Very Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi

2223 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.

23

Gambar 3.6.c Karakteristik Extremely Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi 2223 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu

independent.

24

3.4. Pemasangan Rele Arus Lebih

Rele arus lebih merupakan rele yang banyak digunakan pada komponen-komponen

sistem tenaga listrik, yaitu mulai dari generator, transformator tenaga pada transmisi, bus

bar, saluran transmisi sampai pada saluran distribusi. Untuk pengamanan terhadap hubung

singkat pada generator, transformator, atau jaringan dengan pentanahan melalui

impedansi, rele dipasang pada dua fasa. Sedangkan untuk pentanahan langsung diperlukan

rele arus lebih untuk ketiga fase.

Gambar 3.8. Block dan Connection Diagram Rele Arus Lebih

Rele arus lebih berfungsi untuk merasakan adanya arus lebih karena gangguan

hubung singkat dan kemudian memberi perintah kepada PMT untuk membuka. Rele arus

lebih ini pada umumnya digunakan pada sistem tegangan rendah sampai tegangan tinggi.

25

IV. RELE TEGANGAN

4.1. Pendahuluan

Salah satu hal yang harus dihindari pada pengoperasian peralatan listrik ialah

kelebihan tegangan (overvoltage) ataupun kekurangan tegangan (undervoltage).

Kelebihan tegangan hampir dapat dipastikan akan merusak setiap peralatan listrik. Hal ini

umumnya akan menyebabkan timbulnya panas yang belebihan sehingga dapat

menyebabkan terbakarnya peralatan listrik tersebut. Sebaliknya, kekurangan tegangan

belum tentu merusak peralatan listrik. Pada beberapa peralatan listrik seperti lampu pijar

ataupun peralatan lain yang bersifat resistip, kekurangan tegangan tidak akan

membahayakan peralatan tersebut. Tetapi bagi beberapa peralatan lain seperti motor

induksi, kekurangan tegangan dapat menyebabkan faktor daya (cos-) yang terlalu rendah. Hal ini akan menyebabkan arus peralatan tersebut terlalu besar, sehingga menimbulkan

panas yang berlebihan dan pada akhirnya akan merusak peralatan tersebut. Untuk

menghindari hal-hal yang tidak diinginkan ini maka suatu panel distribusi tegangan rendah

umumnya dilengkapi dengan rele tegangan yang berfungsi untuk memantau tegangan

busbar. Jika nilai tegangan ini keluar dari batas-batas aman maka rele ini akan membuka

CB utama sehingga catuan daya ke panel tersebut akan diputus.

4.2. Prinsip Kerja Dasar

Rele tegangan elektronik ( Gambar 4.1) mendeteksi besarnya tegangan melalui

trafo tegangan atau yang lebih dikenal sebagai PT (potensial transformer). PT berfungsi

untuk menurunkan tegangan yang masuk ke rele dan sekaligus mengisolasi rele dari

tegangan rangkaian yang diukur. Masukan PT umumnya adalah 110V atau 220V

sedangkan keluarannya adalah tegangan yang berkisar antara 12V hingga 24V, tergantung

dari rangkaian yang digunakan. Tegangan keluaran PT ini terlebih dahulu disearahkan,

selanjutnya dibandingkan dengan dua tegangan acuan, sebut saja VA untuk tegangan acuan

atas dan VB untuk tegangan acuan bawah. Jika tegangan keluaran PT lebih besar dari VA

maka rele keluaran pertama akan diaktipkan. Sebaliknya jika tegangan keluaran PT lebih

kecil dari VB maka rele keluaran kedua yang akan diaktipkan

26

C1 R2

T1D1

D2

R1

INPUT220V

VS

C1 R2

T1D1

D2

R1

INPUT220V

T2D7

D8

C3

7812

C5 C6C4

+12VIC1

+

-A1

+

-A2

VA

VS

VR1

R4

R3

VR2VB

+12V

VR3

C2

D3

D4

N2

N3

N1

R5

R8

Q2

R9

D6 RL2

R6

Q1

R7

D5 RL1

+12V

Gambar 4.1 Rangkaian lengkap rele tegangan elektronik

Agar dapat mengabaikan kelebihan atau kekurangan tegangan yang berlangsung

sesaat (transient), maka rele tegangan biasanya dilengkapi dengan rangkaian tunda (delay)

yang dapat menunda kerja kontak keluaran. Lamanya tundaan waktu dapat diatur,

umumnya berkisar antara 0 hingga 10 detik.

4.3. Rangkaian Rele Tegangan

Rele tegangan terdiri dari beberapa rangkaian dasar yaitu:

1. Rangkaian masukan,

2. Rangkaian pembanding tegangan

3. Rangkaian tunda

4. Rangkaian penggerak rele keluaran

5. Rangkaian catu daya

4.3.1. Rangkaian masukan

Tegangan masukan diturunkan sekaligus diisolasi oleh trafo T1 dan disearahkan

oleh dioda D1 dan D2, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2. Rangkaian masukan

27

+

-A1

+

-A2

VA

VS

VR1

R4

R3

VR2VB

+12V

KERANGKAIAN

TUNDA

Selanjutnya tegangan ini ditapis oleh kapasitor C1 untuk menghilangkan kerut (ripple).

Besarnya tegangan jepit dari C1 adalah :

VC1 Vm 4fCIDC (4.1)

dan Vm 2 x VSEK (4.2) dimana

VSEK : tegangan sekunder trafo

IDC : arus beban

f : frekuensi jala-jala

C : kapasitansi C1

Sebelum diteruskan ke rangkaian pembanding, tegangan ini disesuaikan oleh tahanan R1

dan R2 yang membentuk rangkaian pembagi tegangan resisitip. Besarnya tegangan yang

diterima pembanding adalah :

VS = R2R1R2 . VC1 (4.3)

4.3.2. Rangkaian Pembanding Tegangan

Sebagai pembanding tegangan digunakan opamp yang mempunyai faktor

penguatan tegangan loop terbuka (AV) yang mendekati tak terhingga. Oleh karena itu jika

tegangan pada masukan tak-membalik sedikit lebih tinggi dari tegangan pada masukan

membaliknya maka keluaran pembanding akan jenuh tinggi dan bernilai mendekati nilai

VCC (tegangan catuan). Sebaliknya jika tegangan pada masukan membalik sedikit lebih

tinggi dari tegangan pada masukan tak-membaliknya maka keluaran pembanding akan

jenuh rendah sehingga tegangannya mendekati nol. Rangkaian dari pembanding tegangan

ini diperlihatkan pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3. Rangkaian

pembanding tegangan

28

VR3

C2

D3

D4

N2

N3

N1

R5

DARIKELUARAN

A1

DARIKELUARAN

A2

KEPENGGERAK

RELE RL1

KEPENGGERAK

RELE RL2

Penguat A1 membandingkan tegangan VS yang dihubungkan ke masukan tak

membaliknya (non-inverting input) dengan tegangan acuan VA yang dihubungkan ke

masukan membaliknya (inverting input). Tegangan acuan VA adalah ambang tegangan

maksimum yang diperkenankan. Tegangan ini diperoleh dari kontak geser (wiper)

potensiometer VR1. Jika VS > VA maka keluaran A1 akan jenuh positip sehingga

tegangan keluaran A1 akan mendekati tegangan catu, yaitu 12VDC. Sebaliknya jika VS <

VA maka keluaran A1 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan mendekati

nol.

Penguat A2 membandingkan tegangan VS yang dihubungkan ke masukan

membaliknya dengan tegangan acuan VB yang dihubungkan ke masukan tak membaliknya.

Tegangan acuan VB adalah ambang tegangan minimum yang diperkenankan. Tegangan

ini diperoleh dari kontak geser potensiometer VR2. Jika VS < VB maka keluaran A1 akan

jenuh positip sehingga tegangan keluaran A2 akan mendekati tegangan catu. Sebaliknya

jika VS > VB maka keluaran A2 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan

mendekati nol. Oleh karena itu agar tegangan keluaran dari penguat A1 dan A2 mendekati

nol maka besarnya tegangan VS haruslah :

VB < VS < VA (4.4)

Nilai tahanan R3, R4, VR1 dan VR2 ditentukan sedemikian rupa agar kisar

pengaturan VA memungkinkan kisar tegangan masukan dari 220V hingga 240V dan kisar

pengaturan VA memungkinkan kisar tegangan masukan dari 200V hingga 220V.

4.3.3. Rangkaian Tunda Agar dapat mengabaikan kenaikan atau penurunan tegangan yang berlaku sesaat

(transien), maka rele tegangan ini dilengkapi dengan rangkaian tunda. Untuk itu maka

keluaran dari rangkaian pembanding selain diteruskan ke rangkaian penggerak rele

keluaran, juga dilewatkan melalui suatu rangkaian tunda, seperti yang diperlihatkan pada

Gambar 4.4.

Gambar 4.4. Rangkaian tunda

29

R8

Q2

R9

D6 RL2

R6

Q1

R7

D5 RL1

+12V

+12V

DARIKELUARAN

N2

DARIKELUARAN

N3

Rangkaian tunda ini terdiri dari VR3, C2 dan N1. Jika bernilai tinggi, keluaran penguat

A1 dan A2 masing-masing akan meng-enable gerbang N2 dan N3. Selain itu, kedua

keluaran ini juga akan mengisi kapasitor C2 melalui dioda D3 dan D4 dan VR3.

Kapasitor C2 ini berfungsi untuk menunda pengaktipan (enable) gerbang-gerbang

N2 dan N3 melalui gerbang N1. Ketiga gerbang ini adalah gerbang AND dari keluarga

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Tujuan penggunaan CMOS adalah

untuk mendapatkan nilai hambatan masukan yang mendekati tak terhingga agar tidak

membebani kapasitor C2. Lamanya tundaan waktu adalah sama dengan waktu yang

dibutuhkan untuk mengisi kapasitor C2 agar tegangan jepitnya mencapai tegangan ambang

(treshold) logika tinggi dari gerbang N1. Lamanya tundaan waktu dapat dinyatakan

sebagai :

TD 0,7.VR3.C2 detik (4.5) Dengan mengatur nilai VR3 maka tundaan waktu ini dapat disesuaikan dengan kebutuhan.

4.3.4. Rangkaian Penggerak Rele Keluaran

Rele tegangan yang dibahas mempunyai dua buah rele keluaran. Satu untuk

menyatakan tegangan lebih dan satu untuk menyatakan tegangan kurang. Masing-masing

rele ini digerakkan oleh suatu transistor bipolar, seperti yang diperlihatkan pada

Gambar 4.5.

Gambar 4.5. Rangkaian penggerak rele keluaran

30

Jika keluaran A1 bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini maka keluaran gerbang N2

akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada transistor Q1. Besarnya arus basis ini

adalah :

IB = R7V

R6VV BEBEOH (4.6)

dimana

VOH : Tegangan keluaran logika tinggi N2

VBE : Tegangan basis-emiter Q1

Hal ini akan menyebabkan Q1 menghantar sehingga pada kolektornya akan mengalir arus

sebesar :

IC = hFE.IB (4.7)

dimana hFE adalah faktor penguatan arus searah dari transistor yang digunakan. Arus

kolektor ini akan menyebabkan rele RL1 bekerja.

Sebaliknya jika keluaran A2 yang bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini

maka keluaran gerbang N3 yang akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada

transistor Q2. Hal ini akan menyebabkan Q2 menghantar sehingga rele RL2 yang akan

bekerja.

Dengan demikian maka akan tersedia satu kontak untuk tegangan lebih dan satu

kontak untuk tegangan kurang. Untuk mendapatkan sinyal yang menyatakan keduanya

maka untuk rele-rele RL1 dan RL2 dapat digunakan rele dengan dua kontak, dimana kedua

kontak tersebut dihubungkan paralel atau seri, tergantung pada kebutuhan.

4.3.5. Rangkaian Catu Daya

Opamp umumnya membutuhkan catudaya ganda yang berkisar antara 6VDC

hingga 18VDC atau catu daya tunggal yang berkisar antara +12VDC hingga +36VDC.

Gerbang CMOS membutuhkan catudaya tunggal yang berkisar antara +3VDC hingga

+15VDC. Rele arus searah tersedia untuk tegangan-tegangan 6, 12, 24, 110, dan 220VDC.

Agar dapat mencatu seluruh komponen yang digunakan pada rangkaian maka catuan yang

dipilih adalah +12VDC. Untuk itu maka rele keluaran yang digunakan adalah rele dengan

kumparan 12VDC. Tegangan catuan sebesar +12VDC dapat diperoleh dari catudaya yang

diperlihatkan pada Gambar 4.6. Pada catudaya ini, tegangan jala-jala diturunkan oleh trafo

tegangan T2 ke nilai yang sesuai. Trafo ini sekaligus berfungsi untuk mengisolasi

rangkaian dari tegangan jala-jala. Selanjutnya tegangan sekunder dari T2 disearahkan oleh

31

T2D7

D8

C3

7812

C5 C6C4

+12VIC1

pasangan dioda D7 dan D8 yang membentuk penyearah gelombang penuh, untuk

selanjutnya ditapis oleh kapasitor C3 untuk menghilangkan kerut. Tegangan yang

dihasilkan masih dipengaruhi oleh pembebanan. Oleh karena itu untuk menstabilkan

tegangan ini digunakan regulator seri berupa suatu rangkaian terpadu atau IC (integrated

circuit) tipe LM7812.

Gambar 4.6. Rangkaian catudaya

IC regulator ini akan mempertahankan tegangan keluarannya sebesar +12VDC untuk

tegangan masukan yang berkisar dari +14VDC hingga +35VDC.

Daya yang hilang atau disipasi daya pada regulator adalah :

PD (VIN 12V).IL Watt (4.8) dimana

PD : disipasi daya

VIN : tegangan masukan regulator

IL : arus beban

Disipasi daya ini akan diubah menjadi panas. Agar regulator tidak menjadi terlalu panas

maka panas ini harus dibuang dengan menggunakan pendingin atau heatsink. Agar daya

yang hilang tidak terlalu banyak maka VIN harus dibuat serendah mungkin, namun dapat

mengantisipasi turun naiknya VIN disebabkan oleh perubahan arus beban dan turun

naiknya tegangan jala-jala.

Keluaran dari regulator ini ditapis lebih lanjut oleh kapasitor C6 untuk

menghiangkan kerut sehingga pada keluaran regulator akan diperoleh tegangan searah

sebesar +12VDC yang benar-benar stabil dan bebas kerut.

Kapasitor C4 dan C5 berfungsi untuk menjamin agar IC regulator tidak berosilasi,

sesuai dengan yang dianjurkan oleh pabrik pembuatnya.

32

V. RELE DIFERENSIAL

5.1. Pendahuluan

Rele differensial dirancang untuk melindungi generator, transformator dan motor-

motor tegangan tinggi dengan daya besar terhadap gangguan fasa ke fasa dan fasa ke

tanah. Suatu kelebihan dari rele differensial persentase (percentage differential relay atau

biased differential relay ) ini, selain tersedianya setelan arus differensial dasar, juga

tersedia setelan untuk tingkat bias (degree of bias) dari rele. Hal ini memberikan suatu

kemungkinan untuk mendapatkan kepekaan yang maksimum jika terjadi gangguan di

dalam daerah perlindungannya. Sebaliknya rele differensial tetap stabil untuk gangguan-

gangguan yang terjadi di luar daerah perlindungan.

2 Prinsip Kerja

Rele differensial bekerja berdasarkan perbedaan arus pada kedua sisi peralatan

yang dilindungi. Dalam kondisi kerja normal atau terjadi gangguan di luar daerah

perlindungan, arus sekunder trafo arus di kedua sisi generator adalah :

I1 - I2 = 0 (5.1)

Sedangkan untuk gangguan di dalam daerah yang dilindunginya, arus yang

mengalir adalah :

I1 - I2 = If (5.2)

dimana If adalah arus gangguan yang terlihat dari sisi sekunder trafo arus tersebut.

Perlu disadari bahwa karena kesalahan pada trafo arus, persamaan di atas tidak akan

sepenuhnya benar dalam praktek. Untuk memperhitungkan ketidak telitian ini, dapat

dipilih nilai arus pI yang rendah, sehingga untuk keadaan sistem yang normal dan untuk

di luar daerah perlindungan:

p21 I II (5.3) dan untuk gangguan di dalam daerah perlindungan:

p21 I II (5.4)

33

P1 P2

I1

S2S1

O

S1S2

I2

P1P2GENERATOR

O = Operating CoilB = Bias Coil

I1 I2

I1 I2

B1 B2

Gbr. 5.1 Prinsip kerja rele diferensial

Oleh karena itu, prinsip kerja rele tersebut dapat didefinisikan dengan :

p21 I II ................................ bertahan (5.5)

p21 I II ................................ bekerja (5.6)

Dari Gambar 5.1 dapat kita lihat bahwa arus yang melalui operating coil adalah I1 I2, dan

rele itu akan melindungi gulungan generator dengan mengoperasikan circuit breaker.

Seringkali kesalahan trafo arus akan bertambah dengan meningkatnya nilai I1 dan I2.

Untuk hal semacam ini, masih mungkin untuk membuat nilai pI tergantung pada harga

rata-rata dari I1 dan I2. Suatu rele dapat dirancang menurut model ini sehingga prinsip kerja

untuk rele ini menjadi :

2

IIk II 2121

....................... bekerja (5.7)

2

IIk II 2121

....................... bertahan (5.8)

dimana k adalah konstanta disain rele differensial itu.

34

Rele semacam ini dikenal sebagai rele differensial persentase. Arus (I1 + I2)/2 = Iv

dinamakan arus penahan (restraining current), dan arus (I1 I2) = ID adalah arus kerja

(tripping current) dari rele tersebut.

Dalam rele diferensial persentase elektromekanis, kumparan B1, B2, dan O

digulung pada inti magnetis bersama dengan arah sedemikian rupa sehingga arus yang

melalui B1 dan B2 menimbulkan mmf (gaya gerak magnet) yang berlawanan dengan yang

dihasilkan oleh arus pada kumparan O. Dalam rele elektronis karakteristik yang

dikehendaki diperoleh melalui faktor penguatan pada jalur sinyal yang bersesuaian.

Gbr. 5.2. Diagram proteksi diferensial

suatu gulungan generator

35

Disamping untuk proteksi generator, rele diferensial juga digunakan untuk proteksi

transformator daya. Transformator daya biasanya dilengkapi dengan setelan cabang

Gbr. 5.3. Diagram proteksi diferensial Transformator Daya

(tap) yang dapat diubah, yang memungkinkan tegangan sekundernya dapat diatur dalan

daerah tertentu. Pengaturan ini biasanya dapat diubah dalam beberapa langkah kecil dalam

daerah 10 persen dari perbandingan lilitan nimonal N1/N2. Jika setelan cabang menghasilkan perbandingan gulungan yang tidak normal, relenya akan melihat arus

diferensial pada saat keadaan beban normal. Untuk mencegah kerja yang tidak semestinya,

dalam hal ini harus digunakan rele diferensial persentase.

Transformator tiga fasa dengan gulungan Y/ (Gambar 5.3) memerlukan pembahasan lebih lanjut. Seperti telah diketahui bahwa arus primer dan sekunder dari

transformator semacam itu berbeda dalam magnitude dan sudut fasanya dalam keadaan

kerja normal. Oleh karena itu, transformator ini harus dihubungkan dengan cara

36

IV

ID

IV

ID

1 2

3

N

D

I

I

100% N

D

I

IP

% 100 100%I'

I' .

N

D

2 100% . I

I S

N

D1

ID = DIFFERENCE CURRENTIV = BIAS CURRENTIN = RELAY RATED CURRENT

3

sedemikian rupa sehingga arus saluran sekunder CT seperti yang terlihat oleh rele adalah

sama dalam keadaan normal (tanpa gangguan). Hubungan sudut fasa yang benar dperoleh

dengan menyambungkan CT pada sisi wye dari transformator dalam delta, dan yang pada

sisi delta dari transformator daya dalam wye. Dengan cara ini, sambungan CT meniadakan

pergeseran fasa yang ditimbulkan oleh transformator daya yang dihubungkan Y/ . 5.3. Karakteristik

Karakteristik bias yang ideal dari rele ditunjukkan pada Gambar 5.4. Terdapat tiga

daerah operasi pada karakteristik tersebut :

a. Rentangan bagian pertama meliputi Iv = 0 sampai dengan Iv = 0,5.IN. Besarnya arus

differensial yang diperlukan untuk mengoperasikan rele adalah konstan, yaitu sama

dengan setelan dasar p pada rele.

b. Rentangan bagian kedua meliputi Iv = 0,5.IN sampai dengan Iv = 2,5.IN, derajat

stabilisasi dapat diatur melalui pengaturan setelan bias s pada rele. Jadi dengan

adanya setelan s, besarnya arus diferensial yang dapat mengoperasikan rele ditentukan

oleh berbagai harga arus bias Iv.

c. Rentangan bagian ketiga meliputi Iv > 2,5.IN, derajat stabilisasi adalah konstan dan

100%, maksudnya kenaikan tertentu dari arus bias Iv menyebabkan arus kerja rele pun

naik dengan kenaikan yang sama dengan arus bias Iv.

Gbr. 5.4. Karakateristik Bias teoritis untuk rele differensial

37

5.4. Setelan Rele

a. Setelan arus diferensial dasar p%

p = 100% . II

N

D ; IN = arus rating rele

setelan ini menyatakan operating level dari rele dalam rentangan bagian pertama dari

karakteristik ideal rele. Harga p dapat diatur dari 10 sampai 25 persen dari arus rating

rele (IN).

b. Setelan tingkat bias (penahan) s%

s = 100% . I I

N

D

Harga setelan s dapat diatur dari 5 sampai 25 persen.

38

VI. RELE URUTAN FASA NEGATIF

6.1. Pendahuluan

Rele ini digunakan untuk proteksi generator dan motor-motor besar terhadap kerusakan

dan tekanan thermis yang diakibatkan oleh keadaan sistem yang tidak seimbang.

Dalam kondisi yang tidak seimbang, besaran-besaran jaringan dapat diuraikan

menjadi tiga buah komponen yang simetris, yaitu komponen urutan positif, negatif dan

nol. Komponen arus urutan fasa negatif menghasilkan rugi-rugi tambahan pada mesin-

mesin berputar, karena ia dapat menimbulkan medan putar berlawanan pada mesin-mesin

berputar. Medan putar berlawanan (Counter Rotating Field) ini menginduksikan arus

frekwensi ganda pada rotor sehingga dapat menimbulkan panas pada bagian rotor tersebut.

Disamping itu, arus urutan negatif dapat pula menimbulkan tegangan yang berbahaya dan

getaran pada rotor.

Kemampuan suatu generator untuk dialiri oleh arus urutan negatif secara kontinu

berbeda satu sama lain tergantung kepada konstruksi rotor, ukuran mesin dan sistem

pendinginannya.

Ganguan-gangguan tidak seimbang yang berbahaya adalah yang disebabkan oleh

gangguan-gangguan hubung singkat tidak simetris dan gangguan tanah, dan biasanya

gangguan-gangguan ini dapat dengan cepat diatasi oleh peralatan proteksi hubungan

singkat dan gangguan tanah. Tetapi keadaan beban yang tidak seimbang yang dapat

ditimbulkan oleh adanya kawat penghantar yang terputus atau beban yang terpasang pada

jaringan memang tidak seimbang dapat berlangsung dalam waktu yang lama. Oleh sebab

itu generator perlu dilengkapi dengan proteksi arus lebih urutan fasa negatif dimana

karakteristiknya dapat disesuaikan dengan kapasitas thermis dari mesin tersebut.

6.2. Prinsip Kerja

Rele arus urutan fasa negatif diberi masukan dari dua buah trafo arus seperti terlihat pada

Gambar 6.1. Dengan adanya suatu rangkaian filter pada rele, komponen arus urutan fasa

negatif I2 dapat dipisahkan. Arus urutan negatif I2 dapat dipandang sebagai suatu ukuran

untuk tingkat atau derajat ketidakseimbangan sistem.

39

Gbr. 6.1. Block Dan Connection Diagram Rele Urutan Fasa Negatif

Apabila komponen urutan fasa negatif ini melebihi nilai setelan k2 maka rele akan

diaktifkan dan starting output relay, terminal 11-15-19, akan bekerja (picks-up). Pada saat

yang sama rele mulai mengisi suatu digital accumulator, dimana kecepatan pengisiannya

berbanding langsung dengan harga kwadrat besar arus urutan negatif yang sebenarnya.

Apabila isi dari accumulator ini sama atau melebihi suatu harga tertentu, sesuai dengan

setelan k1, maka rele akan bekerja, yaitu output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan

bekerja dan indikator T akan menyala. Kemudian apabila besarnya arus urutan fasa negatif

menurun di bawah nilai setelan k2, starting output relay, terminal 11-15-19, dan delayed

output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan drops off. Jika rele sudah dalam kondisi

reset, accumulator yang menentukan waktu kerja rele akan mulai dikosongkan dengan

kecepatan pengosongan yang linier. Waktu pengosongan ini ditentukan oleh setelan tp. jadi

accumulator tidak langsung dikosongkan apabila rele telah reset.

40

6.3. Karakteristik

Waktu kerja (Operating Time) dari rele dinyatakan oleh persamaan berikut ini :

t = 12 22 2

100N

k

I kI

dimana : t = waktu kerja rele (detik)

I2 = arus urutan negatif jaringan

IN = arus rating rele (tergantung tipe rele yaitu 1A atau 5A)

k1 = konstanta mesin (konstanta I22t mesin, dinyatakan oleh pembuat

mesin)

k2 = ketahanan mesin terhadap arus urutan negatif kontinu, dinyatakan

oleh pembuat mesin

Seperti dapat dilihat dari persamaan di atas, waktu kerja dari rele adalah fungsi

kuadrat I2, kuadrat k2 dan konstanta k1, sehingga dengan demikian rele ini mempunyai

karakteristik waktu terbalik (Inverse Time Characteristic) seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 6.2. Tetapi karakteristik arus-waktu terbalik itu hanya berlaku untuk tingkat arus

urutan negatif I2/IN 0,7 saja. Untuk arus I2 yang lebih besar lagi, waktu kerja rele tidak lagi ditentukan oleh persamaan di atas, tetapi oleh tundaan waktu yang tertentu yang

nilainya tergantung kepada setelan k1.

41

Gbr. 6.2. Karakteristik Rele Arus Urutan Fasa Negatif

Apabila arus urutan negatif hanya sedikit melebihi setelan k2, waktu kerja rele

akan sangat lama. Untuk membatasi waktu kerja rele tersebut, rele dilengkapi dengan

suatu rangkaian pembatas waktu, yang akan mengoperasikan rele setelah 1200 detik atau

20 menit terhitung rele mulai diaktifkan.

6.4. Setelan Rele

a. Setelan tp, waktu pengosongan accumulator, rentangan setelan 5-50 detik.

b. Setelan k2 (%) : arus urutan fasa negatif I2 yang dapat ditahan oleh mesin secara

kontinyu tanpa kerusakan, dinyatakan dalam persen terhadap arus rating rele (IN),

yaitu :

k2 / % = NI

I2 x 100 %

Rentangan setelan = 2 sampai dengan 20 %.

42

Gbr. 6.3. Setelan Rele Arus Urutan Fasa Negatif

c. Setelan k1 : konstanta mesin, adalah kemampuan I22t dari mesin (Tabel 6.1) yaitu

menyatakan kemampuan rotor untuk menerima tambahan panas yang ditimbulkan

oleh arus urutan negatif. Setelan k1 ini menentukan waktu kerja rele pada kondisi arus

gangguan berbahaya yaitu pada keadaan :

NI

I2 0,7

Rentangan setelan 5 s/d 40

Tabel 6.1

Type Mesin Sinkron Nilai tI 22 yang diizinkan

Generator Berkutub Salient

Kondenser Sinkron

Generator Berotor Silinder Dengan Pendingin Langsung

Generator Berotor Silinder Tanpa Pendingin Langsung

40

30

20

10

43

VII. RELE DAYA BALIK

7.1. Pendahuluan

Rele Daya Balik digunakan untuk perlindungan generator dan penggerak mulanya

terhadap aliran daya balik jika penggerak mulanya mengalami gangguan sehingga dapat

dicegah generator berfungsi sebagai motor.

7.2. Prinsip Kerja

Rele daya balik mengukur tegangan fasa ke netral dan arus pada fasa yang sama.

Pengukuran daya dan penentuan arah aliran daya didasarkan pada perkalian arus fasa dan

factor daya yaitu I x cos . Rele menganggap tegangan sebagai suatu konstanta dan perubahan pada level tegangan hanya akan mempengaruhi keakuratan dari pengukuran

I x cos . Setelan daya rele di set sebagai suatu nilai perbandingan terhadap rating daya rele

yaitu P/PN yang dinyatakan dalam persen. Setelan rele akan akurat sepanjang tegangan

masukan ke rele sama dengan rating tegangan rele. Jika tegangan masukan rele berbeda

dengan rating tegangannya setelan rele harus dikoreksi dengan suatu faktor k.

Rele akan mulai start apabila daya melebihi nilai setelannya dan daya mengalir

pada arah yang diukur oleh rele, atau

% PP 100% .

U. I U. cos . I

NNN

N (6.1)

di mana : I = arus fasa

cos = faktor daya UN = tegangan nominal

IN = arus nominal

P = besar daya balik yang akan dibatasi

PN = daya nominal generator

44

(setting) % P

P

N

'I

I cos

daerah operasisebagai motor

sebagai generator

I

U

Gbr. 7.1. Karakteristik kerja rele daya balik

Ketika penggerak mula generator mengalami gangguan, aliran daya generator

berbalik, generator mulai beroperasi sebagai motor. Jika daya yang diambil oleh generator

melampaui setelan rele maka rele daya balik akan bekerja.

7.3. Pemasangan

Rele Daya Balik dilengkapi dengan dua masukan, satu untuk arusa fasa yaitu masukan 2-6,

satu lagi untuk tegangan fasa ke netral yaitu masukan 1-5 seperti yang ditunjukkan dalam

Gambar 7.2. Rating tegangan masukan adalah 100/ 3 Volt dan rating arusnya adalah 1A

untuk rele PBSP 1G1 J3 dan 5A untuk rele PBSP 1G5 J3. Tegangan suplai bantu diberikan

ke rele melalui terminal 16 dan 20.

Rele akan beroperasi (picks up) setelah tundaan waktu yang telah ditentukan

dicapai. Sinyal pemutusan dari rele diperoleh dari dua tahap keluaran. Keluaran tahap

pertama (terminal 11-15 dan 10-14-18) dipergunakan untuk sinyal pemutusan Circuit

Breaker generator dan shut down valve dari penggerak mula, sedangkan tahap kedua

(terminal 8-12 dan 9-13) digunakan sebagai cadangan.

45

Gbr. 7.2. Block Dan Connection Diagram Rele Daya Balik

7.4. Karakteristik

Karakteristik kerja dari rele daya balik diperlihatkan pada Gambar 7.1. Apabila penggerak

mula dari generator mengalami gangguan, aliran daya generator berbalik arah, jadi

generator mulai bekerja sebagai motor. Kalau daya yang diterima atau diserap oleh

generator dalam situasi ini melebihi setelan rele, maka rele daya balik akan bekerja.

46

7.5. Setelan Rele

a. Setelan tundaan waktu t1 dari keluaran tahap pertama

(first output stage).

Rentangan : 1 6 detik

b. Setelan tundaan waktu t2 dari keluaran tahap kedua

(second output stage).

Rentangan : 10 60 detik

c. Setelan batasan daya P/PN (Power Level Setting).

Setelan batasan daya disetel dalam persen dari rating

daya PN. Terbagi dalam dua rentangan, masing-

masing :

1. Untuk posisi selektor P x 1, rentangannya

0,5 5 %.

2. Untuk posisi selektor P x 10, rentangannya

5 50 %

Gbr. 7.3. Setelan Rele Daya Balik

Batasan operasi P dalam persen terhadap rating daya PN dapat disamakan dengan

rating daya rele yang ditetapkan oleh rating tegangan rele UN dan rating arus rele IN. Jadi

tegangan masukan dan arus masukan sebenarnya harus dipertimbangkan apabila rele akan

disetel.

CONTOH PENYETELAN :

Suatu generator dengan rating PN = 40 MW dan UN = 10 kV dilengkapi dengan sebuah

rele daya balik yang akan bekerja pada daya balik sebesar 3%. Perbandingan transformasi

dari trafo instrumen adalah 3000/5 A dan 10000 : 3 / 100 : 3 . Tentukan setelan batas

daya rele.

Penyelesaian

Setelan batas daya rele adalah :

47

3% . 3 . 10 . 10 . 3

10 . 40 3% . 3 . U. I

P % 43

6

NN

N NP

P = 2,3 %

Catatan :

Jika rele diberi masukan dari trafo tegangan dengan rating sekunder 110/ 3 V atau

lainnya, perhitungan untuk penyelesaian diatas harus dikoreksi dengan suatu faktor k yang

dinyakan sebagai :

k = NU

U

dimana :

U = rating sekunder dari tegangan masukan maksimum 110 V

UN = rating tegangan rele 100 : 3 V

Jadi setelan yang dikoreksi adalah :

k NP

P = 3:1003:110 . 2,3 % 2,5 %

48

VIII. TEORI UMUM RELE JARAK

8.1 UMUM

Pada umumnya, fungsi daripada rele adalah untuk membedakan antara kondisi normal dan

kondisi gangguan sehingga dapat mengirimkan sinyal ketika gangguan tersebut terjadi. Rele

bekerja dengan mengukur perbedaan fungsi fungsi yang ada (contoh : arus dan tegangan) dan

membandingkan di antara keduanya atau dari beberapa input yang berbeda, atau juga

membandingkan secara sederhana satu fungsi quantitas dengan nilai harga standarnya. Ada

beberapa pembanding (komparator) yang berbeda. Dua komparator yang umum digunakan adalah

komparator amplitudo dan phasa. Hubungan antara amplitudo dan phasa tergantung pada kondisi

sistem dan nilai sebelum gangguan dari hubungan ini, indikasi dari tipe tersebut dan lokasi

gangguan.

Untuk memperoleh persamaan umum dari komparator, dimisalkan konfigusai logika dari

rele diperoleh dari dua besaran dan sebuah komparator seperti pada Gambar 8.1(a), dengan

memisalkan S1 dan S2 sebagai sinyal input sehingga diperoleh :

1 1 2

1 2 3

S k A k B (8.1)S k A k B (8.2)

dimana k1, k2, k3, dan k4 didisain konstan, dalam bentuk bilangan komplek dapat ditulis sebagai

berikut :

1 1 2 1 2

2 3 4 3 4

S k A cos k B cos j k A sin k B sin (8.3)

S k A cos k B cos j k A sin k B sin (8.4)

pada Gambar 2.1(b) terlihat diagram phasor. S1 dan S2 adalah input dari komparator yang

menghasilkan sinyal pengetripan (operasi) ketika 2 1S S pada modus perbandingan amplitudo.

Komparator TripSignal

A

B

+

+

+

+S1

S2

(a)

49

Reference axisk3A

k1A

k2B

k4B

S2S1

(b) Gambar 8.1. Penggambaran umum komparator: (a) Blok Diagram; (b) Diagram Phasor

8.2 Komparator Amplitudo Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator amplitudo pada saat 2 1S S . Oleh

karena itu, modul modul rele akan mengalami kesetimbangan pada threshold operation,

sehingga 1 2S S atau perbedaan sudut phasa antara kedua besaran tersebut, sehingga threshold operation dapat dirumuskan sebagai berikut :

2 21 2 1 2

2 23 4 3 4

k A cos k B cos k A sin k B sin

k A cos k B cos k A sin k B sin (8.5)

jika disusun kembali maka diperoleh :

2 22 2 2 21 3 1 2 3 4 2 4k k A 2 k k k k A B cos k k B 0 (8.6) jika dibagi dengan 22 22 4k k A , 2 2 21 2 3 4 1 32 2 2 2

2 4 2 4

k k k k k kB B2 cos 0 (8.7)A A k k k k

dan dapat dituliskan :

2 2 20 02 cos r (8.8) dimana :

50

j

j1 2 3 40 02 2

2 4

1 4 2 32 21 3

B e (8.9)Ak k k k e (8.10)

k kk k k kr (8.11)

k k

Persamaan (8.8) memperlihatkan persamaan dari sebuah lingkaran dengan jari jari r dan titik

tengah berlokasi pada 0 pada kurva , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.1, berkoordinat pada 0 cos dan 0j sin atau dapat ditulis sebagai p dan jq, sehingga persamaan (8.6) jika dinyatakan dalam simbol alfa maka :

2 2 20 02 cos r (8.12) dimana :

j

1 2 3 40 2 2

2 4

1 4 2 32 21 3

B e (8.13)Ak k k k (8.14)

k kk k k kr (8.15)

k k

0

plane

r

q

p0

Gambar 8.2. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-

51

0

plane

r

q

p0 Gambar 8.3. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-

Persamaan (8.12) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari jari r dan titik tengah pada

0 pada kurva-, seperti pada Gambar 8.3, memiliki koordinat di 0 cos dan 0j sin dengan sumbu koordinat p dan jq.

8.3 Komparator Phasa Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator phasa dari dua sinyal positif yaitu S1 dan

S2, sinyal tersebut ditunjukkan dengan persamaan (8.16) dan (8.17), seperti hal sebelumnya dapat

ditunjukkan sebagai :

1

2

j1 1

j2 2

S S e (8.16)

S S e (8.17)

S1 dan S2 bernilai maksimum ketika kedua phasor sefasa, sehingga pada threshold operation

berlaku :

1 2 90 (8.18)

jika diambil tangensial kedua sisinya diperoleh :

1 21 2

1 2

tan (8.19)

tan tan (8.20)1 tan tan

persamaan di atas akan menjadi benar jika :

1 21 tan tan 0 (8.21)

52

atau

12

1tan (8.22)tan

nilai 1tan dan 2tan dapat dihitung dari Persamaan (8.3) dan (8.4) sehingga diperoleh :

1 21

1 2

3 42

3 4

k A sin k B sintan (8.23)

k A cos k B cos

k A sin k B sintan (8.24)

k A cos k B cos

jika disubsitusikan Persamaan (8.23) dan (8.24) ke dalam Persamaan (8.22), diperoleh :

1 2 3 41 2 3 4

k A sin k B sin k A cos k B cos(8.25)

k A cos k B cos k A sin k B sin

atau

2 21 3 2 4 1 4 2 3k k A k k B k k k k A B cos 0 (8.26) jika dibagi dengan 22 4k k A

2 1 4 2 3 1 32 4 2 4

k k k k k kB B cos 0 (8.27)A A k k k k

atau dapat dituliskan :

2 2 20 02 cos r (8.28) dimana :

1 4 2 30

2 4

1 4 2 3

2 4

k k k k (8.29)2k k

k k k kr (8.30)2k k

Persamaan (8.28) menunjukkan persamaan sebuah lingkaran dengan jari jari r dan titik tengah

berlokasi di 0 pada kurva- dan berkoordinat di 0 cos dan 0j sin atau dapat ditulis sebagai p dan jq..Jika dinyatakan dalam simbol alfa maka :

53

2 2 20 02 cos r (8.31) dimana :

1 4 2 30

1 3

1 4 2 3

1 3

k k k k (8.32)2k k

k k k kr (8.33)2k k

Persamaan (2.31) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari jari r dan titik tengah pada

0 pada kurva-, memiliki koordinat di 0 cos dan 0j sin dengan sumbu koordinat p dan jq. Tabel 2.1 menunjukkan nilai dari r dan 0 untuk komparator amplitudo dan phasa untuk kurva-, sama halnya dengan Tabel 2.2 yang menunjukkan nilai dari r dan 0 untuk komparator amplitudo dan phasa untuk kurva-.

Tabel 8.1. Nilai R dan 0 dari komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva- Nilai Komparator Amplitudo Komparator Phasa

r 1 4 2 32 22 4

k k k kk k

1 4 2 3

2 4

k k k k2k k

0 1 2 3 42 22 4

k k k kk k

1 4 2 3

2 4

k k k k2k k

Tabel 8.2. Nilai R dan 0 dari komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva- Nilai Komparator Amplitudo Komparator Phasa

r 1 4 2 32 21 3

k k k kk k

1 4 2 3

1 3

k k k k2k k

0 1 2 3 42 21 3

k k k kk k

1 4 2 3

1 3

k k k k2k k

54

8.4 Persamaan Umum Rele

Rele pada umumnya, sedikitnya satu dari konstanta k1, k2, k3, dan k4 adalah bernilai nol

dan dua daripadanya bernilai sama, sehingga menjadi lebih sederhana. Jika tidak lebih dari dua

jumlah konstanta yang dilibatkan, maka dapat dituliskan persamaan torsi umum dari rele :

2 2a b c sT k A k B k A B cos k (8.33) dimana : ka, kb , kc = konstanta skalar

ks = konstanta variable per (adjustable spring) yang

merupakan torsi pengendali mekanik

A , B = dua konstanta listrik yang akan dibandingkan

= sudut phasa antara A dan B

= karakteristik sudut rele

sehingga pada keadaan threshold operation, di bawah kondisi stabil (steady state) :

2 2a b c sk A k B k A B cos k 0 (8.34) persamaan di atas menunjukkan semua karakteristik lingkaran dan garis lurus yang diperoleh dari

dua input rele. Jika kedua konstanta yaitu arus I dan tegangan V sehingga diperoleh :

2 2a b c sk I k V k V I cos k 0 (8.35) sehingga arus pada belitan menghasilkan torsi sebesar 2ak I dan belitan tegangan menghasilkan

torsi sebesar 2

bk V , dimana torsi yang dihasilkan dari interaksi arus dan belitan potensial akan

sebesar VIcos . Pada rele dengan masukan tunggal, ks adalah konstan dan digunakan sebagai tingkat indikasi, sedangkan rele dengan dua masukan memiliki ks = 0 dan jika persamaan

(2.35) dibagi dengan 2bk I maka,

2 ca

b b

k cosk V V 0 (8.36)k I I k

jika kc = 1,

22 a

b b

cos kV V (8.37)I I k k

dengan menambahkan 2

b1/ 2k dari kedua sisi dari persamaan (8.37),

55

2 2 22 a

b b b b

cos kV V 1 1 (8.38)I I k 2k k 2k

Persamaan (8.38) di atas menunjukkan persamaan sebuah lingkaran pada koordinat polar (R-X

compleks) yang berkoordinat di V / I cos dan j V / I sin , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.4, lingkaran tersebut memiliki jari jari sebesar,

a bb

1 4k kr (8.39)

2k

dan titik tengahnya berlokasi di1/2kb dari titik nol dengan sudut dari sumbu referensi.

b

1c2k

a b

b

1 4k kr

2k

X

R0

Gambar 8.4. Karakteristik rele dengan dua input

8.5 Jenis jenis Rele Jarak

Sebuah rele jarak bereaksi terhadap jumlah masukan sebagai fungsi dari jarak

antara lokasi rele dengan titik gangguan dari suatu saluran transmisi, karena impedansi dari

saluran transmisi berbanding lurus dengan jaraknya, untuk pengukuran jarak sangatlah

cocok untuk mempergunakan rele jarak karena rele ini mampu mengukur besar impedansi

dari suatu saluran hingga titik tertentu. Rele ini didisain hanya bekerja untuk gangguan

yang di dalam daerah jangkauannya atau yang terjadi pada lokasi antara lokasi rele dan

titik yang ditentukan. Oleh karenanya, rele ini dapat membedakan jenis gangguan yang

mungkin terjadi antar bagian saluran yang berbeda dengan cara membandingkan antara

arus dan tegangan dari sistem daya sehingga dapat membedakannya gangguan yang terjadi

di dalam atau di luar zona kerja rele tersebut.

56

Rele jarak diklasifikasikan berdasarkan karakteristik polarnya, jumlah dari masukan yang

diperlukan, dan metode perbandingan yang digunakan. Untuk tipe umumnya hanya

mempergunakan dua jenis masukan yaitu besar atau fasa untuk memperoleh karakteristik baik

untuk saluran lurus (straight line) maupun saluran dengan siklis (circles line) sehingga nantinya

dapat digambarkan menggunakan diagram R-X seperti pada Gambar 8.2. Pada dasarnya rele jarak

dibedakan atas (1) Rele Impedansi, (2) Rele Reaktansi, (3) Rele Admitansi (Mho), (4) Rele

pergeseran Admitansi (Offset Mho / Modified Impedance), dan (5) Rele Ohm.

1. Rele Impedansi Berdasarkan komparator Amplitudo, dan permisalan bahwa hal ini berada pada kondisi

Threshold sehingga persamaan (8.6) dapat digunakan, sehingga,

2 22 2 2 21 3 1 2 3 4 2 4k k A 2 k k k k A B cos k k B 0 jika konstanta juga disetting sehingga sinyal input menjadi

1 1

2 4

S k V (8.40)S k I (8.41)

jika, k2 = k3 = 0, A = V, dan B = I, subtitusikan persamaan (8.40) dan (8.41) ke (8.6) sehingga,

2 22 21 4k V k I atau

41

kV kons tan (k) (8.42)I k

maka diperoleh,

Z kons tan (k) (8.43) Oleh karena itu, rele impedansi tidak memperhitungkan perbedaan sudut phasa antara arus

dan tegangan agar dapat bekerja, karena inilah jika karakteristik impedansi rele ini digambarkan

pada diagram R-X maka akan berupa suatu lingkaran dimana titik tengahnya berada pada titik (0,0)

dan jari jarinya tergantung dengan setting rele tersebut dalam ohm, seperti terlihat pada Gambar

8.5(b).

Operasi kerja rele untuk semua nilai imperdansi yang nilainya kurang dari nilai

settingannya, yaitu untuk semua daerah yang berada di dalam karakteristik lingkarannya, dan tidak

akan mendeteksi gangguan yang berada diluarnya. Rele impedansi seperti pada Gambar 8.5,

ditempatkan pada bus A dan tidak berarah, sehingga rele ini bekerja sepanjang vektor AB dan juga

untuk semua gangguan yang terjadi di belakang bus A dengan impedansi AC.

57

(a)

(b)

Gambar. 8.5. Karakteristik Rele Impedansi

2. Rele Reaktansi Berdasarkan komparator phasa, dan dimisalkan bahwa rele tersebut berada dalam kondisi

threshold sehingga Persamaan (8.26) dipergunakan,

2 21 3 2 4 1 4 2 3k k A k k B k k k k A B cos 0 jika sinyal input berupa,

1 a b

2 b

S k V k I (8.44)S k I (8.45)

maka, k1 = - ka, k2 = k4 = kb , k3 = 0, A = V, dan B = V, lalu subtitusikan persamaan (8.44) dan (8.45) ke persamaan (8.26),

22b a bk I k k V I cos 0 (8.46) atau

ba

kZcosk

(8.47)

58

jika 12

, maka

ba

kZsink

(8.48)

atau

ba

kX kons tan (k)k

(8.49)

sehingga,

X kons tan (k) dari Persamaan (8.49) di atas nampak jelas bahwa karakteristik rele pada diagram R-X

digambarkan sebagai garis lurus yang paralel dengan sumbu-R, seperti yang ditunjukkan oleh

Gambar 2.6(a). Perlu diingat bahwa komponen resistansi dari impedansi tidak berpengaruh pada

kerja rele dan rele reaktansi hanya berpengaruh pada komponen reaktansi saja, sehingga bekerja

pada semua titik di bawah garis karakteristik kerja rele.

Jika dalam Persamaan (8.47), kemudian karakteristik garis lurus tidak akan paralel dengan sumbu-R, untuk rele seperti ini sering disebut rele impedansi-sudut.

0 R

X

b

a

kXk

0 R

X

X

Protectedline

Mho startercharacteristic

Reactancecharacteristic

0 R

X

1X

2X

3X

A

B

Protected line

Zone 3

Zone 2

Zone 1

C

(a) (b)

(c)

Gambar 8.6. Karakteristik rele reaktansi (a) pada Diagram R-X; (b) Karakteristik kombinasi rele mho dan reaktansi; (c) aplikasi dari zona proteksi

59

Rele reaktansi tidak akan terpengaruh dengan kehadiran tahanan busur gangguan karena

rele tersebut hanya merespon komponen reaktansi dari sistem impedansi. Walaupun begitu pada

saat tahanan busur gangguan mencapai nilai yang besar, hal itu juga terjadi pada besarnya beban

dan arus gangguan, jangkauan dari rele akan berubah dikarenakan besar beban dan faktor dayanya

dan juga pada karakteristik di luar jangkauan atau di dalam jangkauan.

Oleh karena itu, untuk mendapatkan tanggapan berarah dan untuk mencegah rele bekerja

dalam kondisi beban normal, sebuah unit pengendali tegangan (contoh : pada rele mho)

dipergunakan pada rele tersebut. Seperti halnya rele modifikasi reaktansi (Modified Reactance

Rele) yang dikenal dengan rele starting. Gambar 8.6(b) nampak seperti kombinasi antara

karakteristik rele mho dan reaktansi. Gambar 8.6(c) menampakkan aplikasi zone proteksi dari rele

reaktansi.

Pada Gambar 8.6(c), 0 adalah lokasi rele, 0A adalah bagian dari garis awal, AB adalah

bagian dari garis kedua, BC adalah bagian dari garis ketiga, dan adalah sudut impedansi saluran.

3. Rele Admittansi (Mho) Berdasarkan komparator phasa dan memisalkan rele bekerja dalam kondisi threshold

sehingga Persamaan (8.26) dapat digunakan, sehingga :

2 21 3 2 4 1 4 2 3k k A k k B k k k k A B cos 0 (2.26) jika sinyal input berupa,

1 a b

2 a

S k V k I (8.50)S k V (8.51)

sehingga diperoleh, k1 = -ka, k2 = kb , k3 = ka, k4 = 0, A = V, dan B = I, lalu subtitusikan Persamaan (P.50) dan (P.51) ke Persamaan (8.26),

22a a bk V k k V I cos 0 (8.52) atau

ab

kI cosV k

(8.53)

atau

ab

kY cosk

(8.54)

Persamaan persamaan di atas menunjukkan karakteristik rele mho, jika digambarkan pada

diagram R-X, lingkarannya akan memotong titik awal, seperti yang ditujukkan pada Gambar

8.7(a). Jika digambarkan pada diagram admitansi (contoh : diagram G-B), karakteristiknya berupa

garis lurus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.7(b)

60

Karakteristik lingkaran tersebut memotong titik awal yang membuat rele tidak berubah

arahnya, sehingga rele ini mirip dengan karakteristik rele jarak dengan satu arah. Jika terdapat

kondisi busur gangguan, maka nilai dari R akan meningkat dengan meningkatnya tahanan

daribusur Rarc yang menyebabkan sudut gangguan akan berubah seperti pada Gambar 8.7(c). Nilai

pendekatan dari tahanan busur dapat dihitung dari rumus empiris dari Warrington yaitu,

1.4

8750 arc lR I (8.55) dimana l = panjang dari busur (ft) pada aliran udara yang konstan

I = arus busur dalam Ampere

X

R0

X

RA

D

b

a

kk

B

B

ZLRarc

a

b

kk

0 G

B

(a) (b)

(c)

Gambar 8.7. Karakteristik rele Mho: (a) Pada Diagram R-X; (b) Pada Diagram G-B; (c) Perubahan dari jangkauan rele akibat tahanan busur

4. Rele Offset Mho (Modifikasi impedansi) Dengan memisalkan sinyal input dari komparator phasa diberikan sebagai berikut :

1 a 2S k V k I (8.56) 2 a 4S k V k I (8.57)

sehingga diperoleh, k1 = -ka, k2 = k2 , k3 = ka, k4 = k4 , A = V, dan B = I, jika Persamaan (8.56) dan (8.57) disubtitusikan ke Persamaan (8.26) sehingga,

2 2 2a 2 4 a 2 4k V k k I k k k VIcos 0 (8.58)

61

jika dibagi dengan I2,

2 2a 2 4 a 2 4k Z k k k Z k k cos 0 (8.59) karena Z2 = R2 + X2 dan dibagi dengan 2ak ,

2 2 2 4 2 42a a

k k k kR X R cos Xsin 0k k

(8.60)

atau

2 2 22 4 2 4 2 4

a a a

k k cos k k sin k kR X2k 2k 2k

(8.61)

X

R0

2

a

kk

(a) (b)4a

kk

R

X

Line impedancelocus

Buszone

Gambar 8.8. Karakteristik rele mho: (a) Karakteristik umum; (b) Aplikasi back-up zona proteksi

Karakteristik rele ini pada diagram R-X diwujudkan dengan sebuah lingkaran yang

berpusat di 2 4 ak k / 2k dan berjari jari 2 4 ak k / 2k , seperti yang terlihat pada Gambar 2.8(a). Rele Offset Mho digunakan bersama dengan unit pengukur Mho yang berfungsi

sebagai pendeteksi gangguan dan unit pengukur pada zona 3, dan dengan jangkauan balik yang

menjangkau sampai zona bus, rele offset mho menyediakan cadangan (back-up) untuk proteksi

gangguan pada bus, seperti yang nampak pada Gambar 8.8(b).

5. Rele Ohm Karakteristik rele ohm ditunjukkan pada persamaan (8.47), yaitu berupa garis lurus ketika

digambarkan pada diagram R-X, oleh karena itu, rele reaktansi merupakan bentuk khusus dari rele

ohm. Rele ini juga dikenal sebagai rele impedansi sudut dan rele ini digunakan sebagai blinder

yang digunakan untuk mencegah rele jarak dari perngetripan akibat ayunan daya power swings

pada saluran panjang dan untuk menghindari pengetripan secara kaskade. Selama kondisi ayunan

daya dari sistem yang tidak dapat dipulihkan, pelayanan daya yang normal hanya dapat diperoleh

jika sumber ayunan dapat dihilangkan.

62

Untuk meminimalkan gangguan dari sistem, sebuah sistem pengetripan out-of-step

mempergunakan unit unit ohm. Sistem ini umumnya mempergunakan dua unit ohm, sehingga

karakteristik yang dihasilkan nampak seperti garis vektor impedansi yang paralel, seperti pada

Gambar 2.9, dengan berubahnya nilai impedansi selama ayunan daya, titik yang merepresentasikan

impedansi berpindah sepanjang tempat kedudukan (locus) ayunan daya, memasuki ke dalam zona

antara kedua blinder yang dihasilkan oleh unit ohm O1 dan O2, setelah unit ohm bekerja.

X

R0

O1 O2

Blinders

Line Impedance

Mho unit

Locus ofpower swing

Gambar 8.9. Penggunaan unit rele ohm sebagai blinders untuk membatasi cakupan sudut pada saat terjadi ayunan

8.6 Rele Jarak tipe RAZOA Dalam percobaan ini penulis mempergunakan rele jarak dengan jenis rele impedansi

dengan tipe RAZOA. Rele jarak tipe RAZOA adalah jenis rele statis dengan kecepatan tinggi yang

dapat melindungi keseluruhan daerah fasa banyak dari berbagai jenis gangguan hubung singkat

antar fasa atau fasa ke tanah pada saluran hantaran udara maupun kabel bawah tanah yang

diproteksi. Rele jarak tipe RAZOA mempunyai kelambatan waktu yang berbeda beda dan

terpasang dengan operasi impedansi kurang (underimpedance start) atau operasi arus lebih

(overcurrent start). Waktu operasi minimumnya adalah 20 ms. Rele ini mempunyai tiga daerah

impedansi terarah dan satu daerah keempat sesuai dengan elemen start yang setelannya terarah atau

tidak terarah.

Besar impedansi (Z) saluran dapat dinyatakan sebagai perbandingan V/I. Besarnya

impedansi ini merupakan perbandingan tegangan dan arus pada lokasi rele. Untuk rele jarak yang

terpasang dengan under impedance start tipe RGZB 030 bekerja berdasarkan impedansi terukur di

terminal rele, apabila impedansi yang terukur di terminal rele jatuh di bawah harga setelan yang

ditentukan maka rele diaktifkan, sedangkan di luar harga setelan rele tidak diaktifkan. Jadi rele ini

63

akan bereaksi terhadap impedansi di antara lokasi rele dan titik gangguan, seperti yang

diperlihatkan dalam Gambar 2.10. Impedansi ini sebanding dengan jarak ke gangguan, karenanya

rele itu dinamakan rele jarak (distance Rele), dan tidak tergantung pada tingkat arus gangguan.

Waktu operasinya akan meningkat dengan meningkatnya perbandingan ini.

Pada Gambar 8.10. memperlihatkan prinsip pengukuran jarak dimana rele jarak

ditempatkan pada rel A dengan batas setelan impedansi Zb.

Untuk gangguan di F (batas pengamanan) tegangan yang terukur di terminal rele adalah

f bV = I .Z , dengan If adalah arus gangguan yang melalui rele. Perbandingan tegangan dan arus di

rele A adalah :

f bb

f f

I ZV ZI I

. (8.62)

kondisi rele dalam batas keseimbangan dan rele bekerja.

(a) Diagram satu garis saluran transmisi dengan proteksi jarak

(b) Hubungan antara Waktu operasi dengan Impedansi dari Rele Jarak tipe Impedansi

64

(b) Hubungan antara tegangan dengan jarak gangguan

Gambar 8.10. Prinsip Pengukuran jarak

Untuk gangguan di F1, di dalam daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal

rele adalah 11 f 1

V I Z. , dengan 1f

I adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z1 adalah

impedansi antara rel A ke titik gangguan F1. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah

1

1 1

f 111

f f

I ZV ZI I

. (8.63)

karena V1< V dan 1f

I > fI maka Z1 < Zb, sehingga rele akan bekerja.

Untuk gangguan di F2, di luar daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal

adalah 22 f 2

V I Z. , dengan 2f

I adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z2 adalah impedansi

antara tempat rel A ke titik gangguan F2. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah :

2

2 2

f 222

f f

I ZV ZI I

. (8.64)

karena V2< V dan 2f

I > fI maka Z2 < Zb, sehingga rele tidak akan bekerja.

Rele jarak tipe RAZOA mempunyai tiga daerah pengukuran impedansi terarah, sehingga

hanya akan bekerja untuk gangguan yang terjadi pada arah yang telah ditentukan, biasanya arah ke

depan atau keluar dari rel (busbar) dan satu daerah empat sesuai dengan elemen startnya yang

dapat dibuat terarah atau tidak terarah.

Unit impedansi kurang tipe RGZB 030 mempunyai dua karakteristik yang berbeda yang

dapat dipilih yaitu karakteristik lingkaran (circular) dan karakteristik oval seperti gambar berikut

ini :

65

(a) Karakteristik operasi lingkaran (b) Karakteristik operasi oval

Gambar 8.11. Karakteristik operasi unit RGZB 030

Pada umumnya rele jarak tipe RAZOA menggunakan karakteristik lingkaran, tetapi

kadang kadang untuk impedansi saluran panjang yang dibebani atau perbandingan X/R

yang tinggi karakteristik oval lebih sesuai.

Untuk mendapatkan perlindungan yang baik rele jarak tergabung atas unit unit

berikut :

Tabel 8.1. Unit unit yang tergabung dalam rele jarak tipe RAZOA

No. Rancangan Tipe

1 Saklar Test RTXP 18

2 Konverter DC-DC RXTUG

3 Unit Input RGKC 070

4 Unit start impedansi kurang (underimpedance) RGZB 030

5 Unit pemilih fasa RGGB 030

6 Unit setelan arus RGAA 030

7 Unit setelan tegangan RGAB 030

8 Unit kelambatan waktu RGTA 030

9 Ruang untuk unit pengukuran tambahan RGZA 030

10 Unit rangkaian memori RGLA 030

11 Unit pengukuran dan pengindikasian RGSB 030

12 Unit pemrograman data dan ruang untuk test board

13 Unit keluaran RGKD 050

14 Tripping Rele RXMS 1

66

No. Rancangan Tipe

15 Unit Transformator RTTG

Posisi unit unit di atas ditunjukkan pada Gambar berikut :

Gambar 8.12. Tampak depan unit pembangun rele jarak tipe RAZOA

8.6.1 UNIT UNIT YANG TERGABUNG DALAM RELE JARAK TIPE RAZOA

Rele jarak tipe RAZOA tersusun dari beberapa unit modul yang kompleks seperti terlihat

pada Gambar 8.12, adapun modul modul tersebut adalah sebagai berikut :

a. Saklar Penguji (Test Switch) tipe RTXP 18

Sebagian besar masukan masukan dan keluaran keluaran rele ini dihubungkan ke

terminal terminal pada bagian luar sakelar dengan soket tembaga 20 A. hubungan

hubungan yang lain dapat dibuat dengan soket tembaga 10 A langsung ke terminal terminal

pada terminal dasar, secondary test yang lengkap dapat dilakukan dengan menggunakan Saklar

penguji ini.

b. Konverter DC/DC tipe RXTUG

Unit ini mengkonversikan suplai tegangan dc menjadi tegangan ac yang nantinya akan

ditransformasikan ke level tertentu lalu dengan penyearah setengah gelombang disearahkan

sehingga akan menghasilkan 12 V dc yang lebih rata (smooth), sehingga dengan proses ini, tegangan dc pada terminal baterai dapat disesuaikan dengan unit unit rele yang berbeda level

tegangannya termasuk rele itu sendiri.

67

c. Unit Masukan Kendali Antarmuka (Input Control Interface) tipe RGKC 070

Unit ini terdiri dari 7 (tujuh) Dry-Reed Rele dengan waktu operasi yang singkat

untuk fungsi fungsi sinyal input yaitu : CRA, CRB, RESET, BC, ZR , dan ZT seperti yang

terlihat pada Gambar 8.13. Saat switch ditutup secara manual, daya disuplai ke masukan BC,

kemudian ke rele jarak dengan suatu program dapat dibuat trip seketika, untuk mengopersikan

elemen startnya. Saat sinyal telekomunikasi diterima, daya suplai ke masukan CRA, hal ini

tergantung dari bagaimana rele jarak diprogram, sehingga diperoleh untuk berbagai skema

sistem.

Masukan CRB mempunyai dua fungsi, pertama untuk blok eksternal dan juga untuk

starting, pengukuran atau fungsi tripping sesuai yang diprogram dan yang kedua untuk skema

blok telekomunikasi. Masukan reset akan bekerja saat reset di luar indikasi diberikan, sedang

masukan berupa ZR, ZS, dan ZT digunakan ketika rele start oleh impedansi start rele yang lain.

Gambar 8.13. Sinyal masukan