7

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Sistem Distribusi

Sistem Distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem

distribusi ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya listrik

besar (Bulk Power Source) sampai ke konsumen.

Jadi fungsi distribusi tenaga listrik adalah:

1) pembagian atau penyaluran tenaga listrik ke beberapa tempat (pelanggan),

dan

2) merupakan sub sistem tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan

pelanggan, karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani

langsung melalui jaringan distribusi.

Dilihat dari tegangannya sistim distribusi pada saat ini dapat dibedakan

dalam 2 macam yaitu :

a. Distribusi Primer, sering disebut Sistem Jaringan Tegangan Menengah

(JTM) dengan tegangan operasi nominal 20 kV/ 11,6 kV

b. Distribusi Sekunder, sering disebut Sistem Jaringan Tegangan Rendah

(JTR) dengan tegangan operasi nominal 380 / 220 volt

Berdasarkan sistem penyalurannya, jaringan distribusi dapat dibedakan

menjadi dua macam yaitu dengan:

8

a. Saluran udara (overhead line) merupakan sistem penyaluran tenaga listrik

melalui kawat penghantar yang ditompang pada tiang listrik

b. Saluran bawah tanah (underground cable) merupakan sistem

penyaluran tenaga listrik melalui kabel-kabel yang ditanamkan di

dalam tanah.

A. Gangguan Pada Sistem Distribusi

Pada dasarnya gangguan yang sering terjadi pada sistem distribusi

saluran 20 kV dapat digolongkan menjadi dua macam yaitu gangguan dari

dalam sistem dan gangguan dari luar sistem. Gangguan yang berasal dari

luar sistem disebabkan oleh sentuhan daun/pohon pada penghantar,

sambaran petir, manusia, binatang, cuaca dan lain-lain. Sedangkan

gangguan yang datang dari dalam sistem dapat berupa kegagalan dari

fungsi peralatan jaringan, kerusakan dari peralatan jaringan, kerusakan

dari peralatan pemutus beban dan kesalahan pada alat pendeteksi.

Klasifikasi gangguan yang terjadi pada jaringan distribusi adalah :

a. Dari jenis gangguannya :.

1) Gangguan dua fasa atau tiga fasa melalui hubungan tanah

2) Gangguan fasa ke fasa

3) Gangguan dua fasa ke tanah

4) Gangguan satu fasa ke tanah atau gangguan tanah

b. Dari lamanya gangguan

1) Gangguan permanen

2) Gangguan temporer

9

a. Gangguan yang bersifat temporer

Gangguan yang bersifat temporer ini apabila terjadi

gangguan, maka gangguan tersebut tidak akan lama dan dapat

normal kembali. Gangguan ini dapat hilang dengan sendirinya

atau dengan memutus sesaat bagian yang terganggu dari

sumber tegangannya. Kemudian disusul dengan penutupan

kembali peralatan hubungnya. Apabila ganggguan temporer

sering terjadi dapat menimbulkan kerusakan pada peralatan dan

akhirnya menimbulkan gangguan yang bersifat permanen. Salah

satu contoh gangguan yang bersifat temporer adalah gangguan

akibat sentuhan pohon yang tumbuh disekitar jaringan, akibat

binatang seperti burung kelelawar, ular dan layangan. Gangguan

ini dapat hilang dengan sendirinya yang disusul dengan

penutupan kembali peralatan hubungnya. Apabila ganggguan

temporer sering terjadi maka hal tersebut akan menimbulkan

kerusakan pada peralatan dan akhirnya menimbulkan gangguan

yang bersifat permanen.

b. Gangguan yang bersifat permanen

Gangguan permanen tidak akan dapat hilang sebelum

penyebab gangguan dihilangkan terlebih dahulu. Gangguan yang

bersifat permanen dapat disebabkan oleh kerusakan peralatan,

sehinggga gangguan ini baru hilang setelah kerusakan ini

diperbaiki atau Karen ada sesuatu yang mengganggu secara

10

permanen. Untuk membebaskannya diperlukan tindakan

perbaikan atau menyingkirkan penyebab gangguan tersebut.

Terjadinya gangguan ditandai dengan jatuhnya pemutus tenaga,

untuk mengatasinya operator memasukkan tenaga secara

manual. Contoh gangguan ini yaitu adanya kawat yang putus,

terjadinya gangguan hubung Pendek, dahan yang menimpa

kawat phasa dari saluran udara, adanya kawat yang putus, dan

terjadinya gangguan hubung Pendek.

2.1.1.1. Gangguan Arus Hubung Pendek

Gangguan hubungan pendek yang mungkin terjadi dalam

jaringan (Sistem kelistrikan) yaitu :

1. Gangguan hubungan pendek tiga fasa

2. Gangguan hubungan pendek dua fasa

3. Gangguan hubungan pendek satu fasa ke tanah

Semua gangguan hubungan pendek diatas, arus

gangguannya dihitung dengan menggunakan rumus dasar

yaitu :

………………………………………………………….2.1

Dimana

I = Arus yang mengalir pada hambatan Z (A)

V = Tegangan sumber (V)

Z = Impedansi gangguan, nilai ekivalen dari seluruh

impedansi di dalam jaringan dari sumber tegangan sampai

11

titik gangguan (ohm)

2.2. Sistem Proteksi

Jaringan distribusi berfungsi untuk menyalurkan tenaga listrik ke

pihak pelanggan. Karena fungsinya tersebut maka keandalan menjadi

sangat penting dan untuk itu jaringan distribusi perlu dilengkapi dengan

alat pengaman. Ada tiga fungsi sistem pengaman dalam jaringan

distribusi:

1. Mencegah atau membatasi kerusakan pada jaringan beserta

peralatannya dari akibat adanya gangguan listrik.

2. Menjaga keselamatan umum dari akibat gangguan listrik.

3. Meningkatkan kelangsungan pelayanan tenaga listrik kepada

konsumen.

Sistem pengaman yang baik harus mampu :

1) Melakukan koordinasi dengan sistim pengaman yang lain GI .

2) Mengamankan peralatan dari kerusakan yang lebih luas akibat

gangguan.

3) Membatasi kemungkinan terjadinya kecelakaan .

4) Secepatnya membebaskan pemadaman karena gangguan .

5) Membatasi daerah pemadaman akibat gangguan.

6) Mengurangi frekuensi pemutusan permanen karena gangguan .

Persyaratan yang harus dimiliki oleh alat pengaman atau sistem

pengaman:

12

A. Sensitifitas (kepekaan) .

Suatu pengaman bertugas mengamankan suatu alat atau bagian

tertentu dari sistem tenaga listrik termasuk dalam jangkauan

pengamanannnya merupakan daerah pengaman, tugas suatu pengaman

mendeteksi adanya gangguan yang terjadi didaerah pengamanannya

harus cukup sensitif untuk mendeteksi dengan nilai minimum dan bila

perlu mentripkan PMT atau Pelebur untuk memisahkan bagian yang

terganggu dengan bagian yang sehat.

B. Selektifitas (ketelitian) .

Selektifitas dari pengaman adalah kwalitas kecermatan dalam

mengadakan pengamanan bagian yang terbuka dari suatu sistem oleh

karena terjadinya gangguan diusahakan seminimal mungkin jika dapat

tercapai maka pengamanan demikian disebut pengamanan selektif.

C. Keandalan ( Realibilitas).

Dalam keadaan normal pengaman tidak boleh bekerja, tetapi harus

pasti dapat bekerja bila diperlukan. Pengaman tidak boleh salah bekerja,

jadi susunan alat-alat pengaman harus dapat diandalkan. Keandalan

keamanan tergantung kepada desain, pengerjaan dan perawatannya.

13

D. Kecepatan. (Speed).

Makin cepat pengaman bekerja tidak hanya dapat memperkecil

kerusakan tetapi juga dapat memperkecil kemungkinan meluasnya akibat-

akibat yang ditimbulkan oleh gangguan.

Gangguan yang paling banyak dan membahayakan pada sistem

tenaga listrik adalah gangguan hubung-pendek. Akibat adanya hubung-

pendek ialah terjadinya arus lebih yang pada umumnya jauh lebih besar

dari arus pengenal peralatan dan terjadi penurunan tegangan yang dratis

pada sistem tenaga listrik, sehingga bila gangguan tersebut tidak

dihilangkan dapat merusak peralatan tersebut. Besar arus lebih akibat

gangguan dipengaruhi oleh besarnya pembangkit dan letak gangguan

serta jenis gangguannya. Dengan demikian mulai dari sistem tenaga listrik

yang terkecilpun memerlukan proteksi hubung-pendek. Proteksi untuk

gangguan hubung hendek ini adalah proteksi arus lebih. Ada dua

pengaman utama proteksi terhadap arus lebih yaitu pengaman lebur dan

relay arus lebih.

2.2.1. Macam-macam Peralatan Proteksi JTM

1. Pemutus Tenaga (PMT)

PMT berada di Gardu Induk (GI) dan terpasang di tiap feeder,

PMT berfungsi untuk memutuskan tenaga secara keseluruhan pada

tiap feedernya. PMT akan trip otomatis jika mendeteksi adanya arus

gangguan yang melebihi setting relaynya. PMT juga bisa berfungsi

14

sebagai switch ketika ada pemeliharaan jaringan. Relay yang

digunakan pada PMT antara lain Over Current Relay (OCR) dan

Ground Fault Relay (GFR) dan Under Frequency Relay (UFR).

Gambar 2.1 Diagram Satu Garis Pemutus Tenaga (PMT)

2. Penutup Balik Otomatis/Automatic-Recloser

Berfungsi untuk mendeteksi arus gangguan dan akan menutup

kembali pada selang waktu tertentu, apabila recloser masih merasakan

gangguan maka recloser akan trip kembali. Biasanya recloser disetting

untuk auto reclose sebanyak tiga kali, apabila sebanyak tiga kali

recloser masih merasakan gangguan maka reloser akan trip yang

menandakan terjadi gangguan permanen. Relay yang digunakan pada

15

recloser adalah Over Current Relay (OCR) dan Ground Fault Relay

(GFR).

Gambar 2.2 PMT pada Recloser

3. Fuse Cut Out (FCO)

Fuse Cut Out / Pengaman Lebur adalah peralatan switch

yang digunakan sebagai proteksi jaring 1 fasa dari gangguan arus

hubung pendek 1 fasa. FCO juga bisa dilepas secara manual seperti

ABSW ketika hendak melakukan pemeliharaan, hanya saja harus

dilepas dalam keadaan tidak berbeban atau hanya berbeban sedikit.

Pengoperasiannya dilaksanakan secara manual menggunakan

telescopic stick.

16

Gambar 2.3 Fuse Cut Out

2.3. Relai Arus Lebih

Relai arus lebih yang berfungsi merasakan adanya arus lebih dan

kemudian memberi perintah kepada pemutus beban untuk membuka. Relai

arus lebih ini umumnya digunakan pada sistem tegangan menengah sampai

tinggi. Pengamanan dengan menggunakan relai arus lebih mempunyai

beberapa keuntungan yaitu :

1. Pengamanannya sederhana.

2. Dapat mengamankan arus lebih, yang terjadi karena hubung pendek atau

beban lebih

3. Dapat sebagai pengaman utama dan berfungsi juga sebagai pengaman

cadangan.

4. Harganya relatif murah.

17

Relai arus lebih pada umumnya digunakan sebagai pengaman :

1. Jaringan sub-transmisi radial.

2. Pengamanan motor-motor tegangan menengah yang kecil.

3. Pengamanan cadangan untuk generator, motor yang besar, transformator

daya , jaringan transmisi tegangan tinggi.

4. Pengaman gangguan tanah untuk sistem saluran udara ataupun sistem

distribusi.

5. Untuk sistem tenaga listrik yang kecil dan radial.

6. Untuk sistem tenaga listrik yang besar pengamanan arus lebih hanya

digunakan sebagai pengaman cadangan, karena untuk mengkoordinasi

sulit untuk mendapatkan selektifitas yang baik.

7. Penyetelannya mudah untuk jaringan radial.

Gambar 2.4 Dasar kerja Relai Arus Lebih

2.3.1. Tipe Relai Arus Lebih

18

Ada tiga jenis tipe relai arus lebih yaitu :

1. Tipe Mekanik

Kumparan (belitan) 1 dan 2 dapat dibuat seri atau parallel , ini

agar mendapatkan rentang arus penyetelan yang luas. Pegas

digunakan untuk menimbulkan gaya lawan dan melawan gaya

elektromekanik yang ditimbulkan oleh arus pada kumparan. Lengan

setting untuk penyetelan arus dengan jalan mengencangkan dan

mengendorkan pegas.

Gambar 2.5 Relai Tipe Mekanik

2. Tipe Statik

Terdiri dari :

- rangkaian pengubah arus AC menjadi DC dan diukur oleh R

setting

19

- Level detector yang membandingakan tegangan inputnya

dengan set levelnya (tegangan refrensinya) ; Bila

maka akan muncul dan akan mengerjakan output relay RL.

Gambar 2.6 Relai tipe Statik

2.3.2. Karakteristik Relai Arus Lebih

Koordinasi pada relai arus lebih untuk mendapatkan selektifitas

terutama dilakukan dengan setting waktu kerja relai, disamping juga

karena ada perbedaan arus pada sisi hilir dan sisi hulunya. Pada relai

arus lebih terdapat beberapa karakteristik waktu, yang dapat

dikelompokan menjadi 4 jenis yaitu :

a) Relai arus lebih waktu seketika,

b) Relai arus lebih waktu waktu terbalik,

c) Relai arus lebih waktu IMDT (Inverse Definite Minimum Time).

20

d) Relai arus lebih waktu kombinasi antara waktu seketika dengan

karakteristik lainnya.

2.3.2.1. Relai Arus Lebih Waktu Seketika

Relai ini akan memberikan perintah pada PMT pada saat

terjadi gangguan bila besar arus gangguannya melampaui

penyetelannya (Im), dan jangka waktu kerja relai mulai pick up

sampai kerja relai sangat pendek tanpa penundaan waktu (20 –

60 mdet). Relai ini jarang berdiri sendiri tetapi umumnya

dikombinasikan dengan relai lain. Pada setelan koordinasi

proteksi di sistem tenaga listrik radial sederhana dipergunakan /

disebut setelan moment / instant.

Gambar 2.7 Kurva Kerja Relai Arus Lebih Waktu Seketika

21

2.3.2.2. Relai arus lebih waktu waktu terbalik

Gambar 2.8 Kurva Kerja Relai Arus Lebih Waktu terbalik

Relai ini akan memberi perintah pada PMT pada saat

terjadi gangguan bila besar arus gangguannya melampaui

penyetelannya (Is), dan jangka waktu kerja relai mulai pick up

sampai kerja relai waktunya diperpanjang berbanding terbalik

dengan besarnya arus Pada jenis ini karakteristik kecuraman

waktu arus dapat beragam dan berdasarkan Standard IEC

60255-3 dikelompokan menjadi :

22

2.3.2.3. Relai Arus Lebih IMDT (Inverse Minimum Definite Time)

SETt

SETI

t

I

Gambar 2.9 Kurva Kerja Relai Arus Lebih IMDT

Relai ini mempunyai beberapa bagian setelan waktu

terbalik (inverse time) dan waktu tertentu (definite time),

sebagai berikut :

ƒ Daerah waktu terbalik, yaitu pada daerah rasio IF/ISET kecil.

ƒ Bagian daerah datar (definite), yaitu pada daerah rasio

IF/ISET besar.

Bagaimana kita memilih daerah kerja dari IMDT, yaitu

bila mungkin pilih daerah curam dari waktu terbalik, bila ada

kesulitan karena pembangkitan berubah-ubah dapat dipilih

daerah landai.

Kaidah penyetelan IMDT :

a) Relai harus mampu bekerja untuk gangguan 2 fasa

diujung akhir seksi berikutnya pada kondisi pembangkitan

minimum.

b) ISET nya harus > dari IBEBAN maksimum.

c) Penyetelan arus harus memperhatikan kesalahan pick up

(error pick up) sesuai British Standard IPICK UP = 1,05 s/d.

23

1,3 ISET.Bila pembangkitan berubah-ubah, dapat dipilih ISET

rendah dan bila pembangkitan hampir tetap, dapat dipilih

ISET tinggi.

d) Setelah td (Tms), dipilih waktu kerja tercepat untuk relai

paling hilir, sedangkan disisi hulunya naik satu tingkat, td

(Tms) dipilih untuk memperoleh ∆t = 0,3 – 0,4 detik pada

kondisi pembangkitan minimum.

2.3.2.4. Kombinasi Waktu Terbalik dan IMDT dengan Waktu

Seketika.

Relai arus lebih Waktu Seketika umumnya tidak berdiri

sendiri tetapi digabung dengan relai arus lebih Waktu Tertentu

atau waktu Terbalik atau IMDT. Dalam hal ini bila arus yang

melewati relai lebih besar dari arus setting Is, tetapi lebih kecil

dari arus setting seketika Im, waktu kerjanya mengikuti

karaktristik waktu tertentu, waktu terbalik atau IMDT.

Sedangkan bila arus yang melewati relai lebih besar dari arus

setting seketika, relai akan bekerja seketika.

24

Gambar 2.10 Karakteristik kombinasi invers dengan definite

Gambar 2.11 Karakteristik kombinasi waktu instant

dengan tunda waktu terbalik

2.3.3. Sambungan Relai Arus Lebih

Ada 2 tipe sambungan relai arus lebih yaitu :

a) sambungan 3 OCR dan 1 GFR

b) sambungan 2 OCR dan 1 GFR

IBA DOC

Sambungan tipe 2 OCR + 1 GFR

R

T

CT

P1

P2

S1

S2

OCR

OCRGFR

E

PMT

R

S

T

E

CT

P1

P2

S1

S2

OCR

OCR

GFROCR

PMT

Sambungan tipe 3 OCR + 1 GFR

25

Gambar 2.12 sambungan relai arus lebih

2.3.4. Prinsip Kerja Relai Arus Lebih

Prinsip kerja relai arus lebih adalah bedasarkan adanya arus

lebih yang dirasakan relay, baik disebabkan adanya gangguan hubung

pendek atau overload (beban lebih) untuk kemudian memberikan

perintah trip ke PMT sesuai dengan karakteristik waktunya.

26

Gambar 2.13 Rangkaian pengawatan relai arus lebih

Cara kerjanya dapat diuraikan sebagai berikut :

a) Pada kondisi normal arus beban (Ib) mengalir pada SUTM / SKTM dan

oleh trafo arus besaran arus ini di transformasikan ke besaran sekunder

(Ir). Arus (Ir) mengalir pada kumparan relai tetapi karena arus ini masih

lebih kecil dari pada suatu harga yang ditetapkan (setting), maka relai tidak

bekerja.

b) Bila terjadi gangguan hubung pendek, arus (Ib) akan naik dan

menyebabkan arus (Ir) naik pula, apabila arus (Ir) naik melebihi suatu

harga yang telah ditetapkan (diatas setting), maka relai akan bekerja dan

memberikan perintah trip pada tripping coil untuk bekerja dan membuka

PMT, sehingga SUTM / SKTM yang terganggu dipisahkan dari jaringan.