5. RELE JARAK
5.7 Impedansi Sumber Dan Metoda Pentanahan
Kemampuan suatu rele jarak ditentukan oleh kemampuan rele tersebut untuk mengukur jarak titik gangguan secara akurat. Oleh karena itu perangkat sistim pengukuran dengan tingkat akurasi yang baik perlu dilengkapi dengan instrumen-instrumen pengukuran yang dapat menghasilkan besaran-besaran yang dapat digunakan untuk perhitungan jarak dengan tepat.
Dalam kenyataannya, perbandingan tegangan dan arus saja ternyata tidak cukup untuk mendapatkan suatu sistim rele proteksi yang handal. Perbandingan tegangan dan arus tersebut masih perlu dilengkapi dengan perangkat-perangkat kompensasi-kompensasi tertentu yang diperlukan sehingga rele tersebut bisa beroperasi dengan stabil dan selektif terhadap gangguan-gangguan yang harus diproteksi.
Dalam analisa gangguan-gangguan dikenal analisa komponen simetris yang dapat digunakan untuk menganalisis parameter-parameter sistim tenaga dalam kondisi gangguan-gangguan yang tidak seimbang.
Studi sistim pentanahan dan gangguan-gangguan dapat memperlihatkan pengaruh besarnya impedansi sumber dan impedansi pentanahan yang dapat mempengaruhi parameter-parameter kerja rele yang sangat perlu diperhatikan pada waktu perancangan maupun pada waktu penerapan rele dilapangan.
Dibawah ini akan dibahas berbagai cara pengukuran impedansi pada waktu terjadinya gangguan fasa maupun gangguan tanah yang ditentukan oleh impedansi sumber dan metoda pentanahan jaringan sistim tenaga listrik.
5.7.1 Pengukuran Impedansi Gangguan Fasa
Gambar 5.23 memperlihatkan hubungan arus dan tegangan pada berbagai jenis gangguan yang berbeda-beda. Impedansi ZS1 dan ZL1 berturut-turut adalah impedansi urutan positip sumber dan impedansi urutan positip saluran dilihat dari letak titik rele. Dengan demikian dapat dipahami bahwa arus-arus dan tegangan-tegangan gangguan dua fasa yang terasa pada rele akan tergantung juga pada impedansi sumber dan impedansi saluran sesuai dengan relasi yang diperlihatkan dalam Gambar 5.26. Namun dengan menerapkan perbedaan tegangan-tegangan fasa pada rele bisa juga digunakan untuk menghilangkan faktor Zs1 seperti contoh berikut1,3,8:
(untuk gangguan 3 fasa) (untuk gangguan 2 fasa)
Jenis-jenis gangguan antara lain adalah: (a) Gangguan Satu Fasa Ke Tanah (A-E).
(b) Gangguan Tiga Fasa ke Tanah (A-B-C atau A-B-C-E). (c) Gangguan Dua Fasa Ke Tanah (B-C-E).
(d) Gangguan Fasa Ke Fasa (B-C).
Va Vb Vc Va = 0 Ic = 0 Ib = 0 A B C F Ic Ib Ia
(a) Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah (A-E)
Va Vb Vc Va = Vb = Vc =0 Ia + Ib + Ic =0 A B C F Ic Ib Ia
(b) Hubung Singkat Tiga Fasa ke Tanah (ABC-E)
Va Vb Vc Vc = 0 Vb = 0 Ia = 0 A B C F Ic Ib Ia
Va Vb Vc Ia = 0 Vb = Vc Ib = -Ic A B C F Ic Ib Ia
(d) Gangguan Dua Fasa (B-C)
Gambar 5.23: Hubungan Tegangan Dan Arus Pada Berbagai Jenis Gangguan Elemen pengukuran jarak pada umumnya dikalibrasi pada harga dan besarnya impedansi urutan positip. Pengukuran kedua gangguan fasa-fasa dan gangguan tiga fasa dilakukan dengan memasok masing-masing elemen pengukuran fasa-fasa dengan tegangan fasa-fasa dan arus fasa yang sesuai. Dengan demikian, untuk elemen B-C, pengukuran arus akan menjadi1,3,8:
(gangguan tiga fasa) (gangguan dua fasa) Dimana rele akan mengukur ZL1 pada setiap kejadian gangguan.
Besaran Gangguan Tiga Fasa (A-B-C) Dua Fasa (B-C) 0 Catatan :
dan adalah tegangan dan arus pada lokasi rele
Gambar 5.24: Hubungan Arus Dan Tegangan Fasa Pada Rele Untuk Gangguan Tiga Fasa dan Gangguan Fasa ke Fasa
5.7.2 Pengukuran Impedansi Gangguan Tanah
Kalau terjadi gangguan suatu fasa ke tanah, tegangan fasa ke tanah pada lokasi gangguan tersebut adalah nol. Disini terlihat bahwa tegangan jatuh terhadap
gangguan adalah perkalian antara arus gangguan dan impedansi saluran. Namun arus dalam sirkit gangguan tergantung pada banyaknya titik pentanahan, metoda pentanahan dan impedansi urutan pada sirkit gangguan.
Untuk mendapatkan hasil pengukuran dengan tingkat akurasi yang baik dan benar maka faktor-faktor tersebut sesungguhnya harus ikut diperhitungkan.
Tegangan drop pada gangguan adalah jumlah tegangan-tegangan urutan antara titik rele dan titik gangguan.
Tegangan drop pada gangguan dan arus sirkit gangguan adalah: ...5.24 ...5.25 Dan arus sisa di titik rele dapat dihitung dari persamaan berikut:
...5.26
Dimana adalah arus fasa-fasa di titik rele. Dari penguraian diatas, tegangan pada titik rele dapat dinyatakan dalam terminologi-terminologi dan parameter-parameter berikut1:
1. Arus fasa di titik rele.
2. Rasio impedansi urutan nol dan impedansi urutan positip saluran, , 3. Impedansi urutan positip saluran transmisi :
...5.27 1 0 0 A B C A B C FLokasi Rele Catu Daya / Sumber
1 1
dimana
(a) Sistem yang ditanahkan hanya satu titik dibelakang rele
2 1 1 A B C A B C F Lokasi Rele
Catu Daya / Sumber 1
1 1
3 3
2 1 1 A B C A B C F
Lokasi Rele Catu Daya / Sumber
1 1 1
3 3
(c) Seperti pada (b) tetapi rele berada pada ujung penerima
Gambar 5.25: Pengaruh Infeed dan Konfigurasi Pentanahan Pada Pengukuran Jarak Gangguan
Sebagaimana sudah disebut sebelumnya, besarnya tegangan yang dirasakan rele, bervariasi sesuai dengan jumlah sumber (infeed), metoda sistim pentanahan dan posisi letak rele terhadap sumber (infeed) dan titik pentanahan sistim. Gambar 5.25 menggambarkan ke tiga kemungkinan komposisi gangguan-gangguan yang dalam prakteknya dapat terjadi pada kondisi sumber tunggal. Pada Gambar 5.25(a), arus fasa yang sehat adalah nol, sedemikian sehingga arus fasa Ia, Ib dan Ic mempunyai pola 1-0-0. Impedansi yang dilihat rele dengan membandingkan Ia dan Va adalah1:
...… 5.28
Pada Gambar 5.27(b), arus yang memasuki gangguan dari cabang rele mempunyai distribusi 2-1-1, maka:
...5.29
Di (dalam) Gambar 5.27(c), arus fasa mempunyai distribusi 1-1-1 dan karenanya: ...5.30
Jika pada kedua ujung saluran terdapat sumber-sumber (infeeds) dengan magnituda tertentu yang cukup signifikan, maka impedansi yang diukur akan merupakan superposisi kedua harga impedansi diatas.
Analisa ini menunjukan bahwa rele hanya dapat mengukur satu impedansi yang tidak tergantung pada sumber dan komposisi pentanahan apabila komponen
pada persamaan arus residual ditambahkan pada arus fasa . Teknik ini dikenal sebagai teknik kompensasi arus residual. Kebanyakan rele jarak mengkompensasi gangguan tanah dengan menggunakan impedansi tiruan tambahan ZN pada sirkit pengukuran. Sedangkan impedansi tiruan fasa Z1 dialiri arus fasa pada titik rele dan ZN dialiri sepenuhnya oleh arus residual. Harga setelan ZN yang diperlukan dapat diatur sesuai dengan letak gangguan tanah yang terjadi pada titik-titik capaian sepanjang saluran. Kondisi ini digambarkan dengan mengambil gangguan fasa ke tanah A-N sebagai referensi dengan satu titik pentanahan di belakang rele seperti terlihat pada Gambar 5.25(a).
Tegangan yang dipasok trafo tegangan VT’S adalah:
Tegangan pada terminal impedansi tiruan;
Dan karena dan maka;
Disini, setelan ZN yang diperlukan untuk balans di titik capaian diberi dengan menyamakan kedua persamaan diatas:
...5.31 ... 5..32
Dengan impedansi tiruan diset ke harga maka elemen pengukuran tanah akan mampu mengukur impedansi gangguan secara tepat, tanpa memperdulikan berapa jumlah jaringan pasokan yang masuk (infeeds) dan titik-titik pentanahan pada sistim tersebut.