3. RELE ARUS LEBIH
3.18 Jaringan Yang Ditanahkan Dengan Peterson Coil
Pentanahan dengan Peterson Coil adalah keadaan khusus pentanahan sistim dengan impedansi tinggi. Dahulu banyak dipakai sebagai sistim pentanahan netral-netral sistim jaringan 70 kV khususnya di Jawa Barat dan DKI. Meskipun saat ini di Indonesia sistim pentanahan ini sudah mulai ditinggalkan namun bukan berarti tidak dipakai lagi, sebab dimasa mendatang dimana pusat-pusat industri maupun pemukiman bisa bergeser kedaerah-daerah yang relatif lumayan jauh dari gardu-gardu induk sehingga mungkin suatu saat perlu dilayani dengan menggunakan jaringan subtransmisi sebagaimana dilakukan oleh PLTA Jatiluhur terhadap pelanggan-pelanggan industri mereka. Pada sistim pentanahan dengan Kumparan Peterson, jaringan ditanahkan dengan reaktor yang ditala sesuai dengan arus kapasitansi sistim ketanah.
Pada sistim ini, gangguan satu fasa ketanah tidak akan menghasilkan arus gangguan tanah steady state. Jadi sistim ini sebenarnya sama dengan sistim yang netralnya ter-isolasi. Efektivitas sistim ini sangat tergantung dari akurasi penalaan Kumparan Peterson, sehingga bila ada perubahan besar arus, misalnya karena saluran tambah pendek atau tambah panjang yang menyebabkan perubahan arus kapasitip maka penalaan kembali perlu dilakukan ulang.
Dalam prakteknya agak sulit membuat penalaan secara sempurna dimana arus kapasitip (IC) sama persis dengan arus kumparan(IL), biasanya selalu ada selisih antara keduanya yang mengalir pada sistim yang ditanahkan dengan Kumparan Peterson. Sistim pentanahan dengan menggunakan Kumparan Peterson banyak dijumpai pada saluran-saluran di daerah-daerah industri remote maupun daerah pertanian yang sering mendapat gangguan-gangguan tanah sementara misal karena sambaran petir. Untuk lebih jelasnya tentang pentanahan netral dengan Kumparan Peterson dan bagaimana dia digunakan untuk menanggulangi gangguan-gangguan tanah sementara dengan tepat maka perlu mengerti gejala-gejala atau perlilaku gangguan tanah sementara seperti dapat dilhat pada buku-buku tentang sistim pentanahan.
Gambar 3.21 menggambarkan jaringan sederhana yang ditanahkan dengan Peterson Coil. Dari persamaan-persamaan pada gambar tersebut terlihat bahwa kalau Kumparan Peterson ditala secara ideal sama dengan arus pemuat saluran maka pada saat terjadi hubung singkat satu fasa ketanah, arus gangguan yang mengalir ke tanah praktis akan sama dengan nol. Gambar 3.22 memperlihatkan banyak jaringan distribusi radial yang ditanahkan dengan Peterson Coil. Satu fasa pada saluran mengalami gangguan ketanah melalui fasa C. Gambar 3.23 memperlihatkan diagram fasor, dengan menganggap reaktansi Peterson Coil tidak mengandung tahanan.
-jXc -jXc -jXc Van jXL jXL IL (= ) Kumparan Peterson If If = IB IC- - + Van jXL = Van= jXL IB IC+ IB IC Vab jXC Ib (= ) Vac jXC Ic (= ) -Sumber C B N A IL IC -IB Vac Vab
Vektor Arus Pada Gangguan Fasa A 0 bila
Gambar 3.21: Gangguan Tanah Pada Sistim Yang Ditanahkan Dengan Peterson Coil
Ke penyulang lain....n Trafo Incoming IL=IF+IH1+IH2+IH3 vr IR3 vr IR2 vr IR1 -jxc3 -jxc2 -jxc1 I C3 = I F I b3 Ia3 Ib2 Ia2 Ib1 Ia1 IH1+IH2 I H 3 I H 2 IH 1 IL IF IH1 JXL
Gambar 3.22: Arus-arus Pada Saluran Radial Dengan Netral Ditanahkan Dengan Peterson Coil Yang Mengalami Gangguan Fasa C Tanah
N C B A 3V0 IL IH3 IH2 IH1 Ib1 Ia1
(a) Arus Kapasitip dan Induktip
Vres = -3Vo
Ia1
Ib1 IR1 IH1=
(b) Saluran yang Sehat
Vres = -3Vo
IR3 =
(c) Saluran yang Terganggu
IH1 -IL IH2 -IR3 IF + IH3 IH1-IH2 -=-IL
-Gambar 3.23: Gangguan Fasa C Pada Sistim Yang Ditanahkan Dengan Peterson Coil1 Pada Gambar 3.23 (a), dapat dilihat bahwa tegangan kawat-kawat yang sehat naik dengan faktor kenaikan sebesar kali dan arus kelihatan mendahului tegangan sebesar 900.
Arus ketidak seimbangan pada saluran-saluran yang sehat dapat dipandang sebagai penjumlahan vektor Ia1 dan Ib1 dan ini berada persis lagging sebesar 900 terhadap tegangan (Gambar 3.23 b). Besar magnitude arus residual IR1 adalah sama dengan 3 kali arus steady state per fasa. Pada saluran yang terganggu, arus residual adalah sama dengan IL-IH1-IH2 seperti terlihat pada Gambar 3.23(c) dan arus residual terlihat lebih jelas pada jaringan urutan fasa nol seperti pada Gambar 3.24. Meskipun secara teoritis tahanan Kumparan Peterson pada Gambar 3.22 diatas dianggap sama dengan nol, namun dalam prakteknya tahanan kumparan tersebut tetap harus diperhatikan sebagaimana terlihat pada diagram fasor dalam Gambar 3.25 diatas. Kalau tegangan residual Vres digunakan sebagai tegangan yang mempolarisasi rele, maka arus residual pada jaringan yang sehat akan tergeser lebih besar sedikit dari 900.
Rele-rele yang digunakan pada jaringan distribusi yang ditanahkan dengan Kumparan Peterson adalah rele arah dengan karakteristik RCA 00. Hal ini dimaksudkan agar arus residual pada saluran yang sehat bergeser ke daerah restrain dan pada saat yang sama arus residual yang mengalir pada saluran yang terganggu bergeser ke daerah operasi rele sehingga bisa mengisolir gangguan.
Untuk mengatasi sulitnya mendeteksi arus gangguan tanah pada sistim yang ditanahkan dengan Kumparan Peterson, maka beberapa saat setelah gangguan berlangsung kadang-kadang suatu tahanan dengan nilai tertentu dapat juga disisipkan secara paralel dengan Kumparan Peterson.
Feeder yang sehat Feeder yang terganggu IROF IROH IROH IL 3XL -V0 IH3 IH2 IH1 XC0 I0F
= Arus residual pada feeder yang terganggu = Arus residual pada feeder yang sehat Sehingga dapat dilihat :
Jadi;
Gambar 3.24: Jaringan Urutan Nol Memperlihatkan Arus Residual
N
C B
A 3V0
Arus Kapasitip dan Induktip Dengan Komponen Resistan
Vres = -3Vo
(b) Saluran yang Sehat
Vres = -3Vo
(c) Saluran yang Terganggu I’L
Tahanan kumparan grounding
Tahanan kumparan saluran
(I’1=IH2+IH3) (a) IL -IH1-IH2 IR3 IR3 = IF+IH3 = IL-IH1-IH2 IR1 = IH1
Garis torsi nol untuk RCA 0°
Garis torsi nol untuk RCA 0° Kerja
Restrain
Kerja
Restrain
Gambar 3.25: Gangguan Satu Fasa Ketanah Fasa C Pada Sistim Yang Ditanahkan Dengan Peterson Coil Dengan Tahanan XL atau XC (Kasus Praktis)1
Tahanan ini disebut tahanan bypass yang berguna untuk memperbesar arus gangguan sehingga pengukuran arus gangguan dapat dilakukan dengan baik. Nilai tahanan bypass tersebut bisa ditentukan sesuai dengan hasil studi-studi khususnya hubung singkat satu fasa ketanah. Disamping itu tahanan bypass tersebut dimaksudkan juga
untuk menaikkan beda sudut antara arus dan tegangan residu sehingga bisa digunakan untuk membantu dalam penerapan rele gangguan tanah direksional dengan baik. Pada aplikasi rele gangguan tanah ini terdapat dua kemungkinan jenis elemen proteksi yang dapat diterapkan yaitu elemen rele gangguan tanah sensitif dan rele jenis watt metric arus urutan nol sebagaimana akan diuraikan berikut ini.
3.18.1 Rele Gangguan Tanah Sensitif
Suatu rele jenis gangguan tanah disebut sensitif bila karakteristik rele tersebut dapat bekerja pada arus-arus yang kecil dan paling tidak dapat memenuhi dua persyaratan sebagai berikut;
a. Setelan pengukuran arus harus mampu disetel pada nilai yang sangat kecil. b. Mempunyai karakteristik RCA sama dengan 00 dan mampu di atur secara
halus di sekitar harga tersebut.
Perlunya elemen arus sensitif seperti dipersyaratkan diatas, adalah karena besar arus yang diukur memang sangat kecil pada mana mungkin akan terdapat suatu kondisi dimana diperlukan penyetelan arus 0.5% dari arus nominal. Namun, mengingat penalaan Peterson Coil tidak bisa dilakukan secara sempurna, arus gangguan tanah steady state pada orde kecil yang mengalir pada prakteknya akan menaikkan arus residual yang dilihat oleh rele gangguan tanah. Pada kondisi tertentu sering juga digunakan setelan arus sama dengan arus per-fasa dari saluran yang diproteksi. Perlunya rele sensitif mempunyai karakteristik RCA yang dapat ditala dengan halus pada setelan sudut sekitar 00, dimaksudkan untuk dapat mengkompensir tahanan Kumparan Peterson dan tahanan saluran serta tahanan trafo arus CT yang digunakan. Dalam praktek, untuk mendapatkan hasil yang baik maka penalaan rele arus gangguan tanah sensitif ini lebih baik dilakukan dilapangan dengan melakukan pencatatan dan praktek-praktek pengukuran arus-arus tersebut.
3.18.2 Rele Jenis Wattmetrik
Pada Gambar 3.25 terlihat perbedaan sudut yang kecil antara arus luber pada bagian yang terganggu dan pada bagian yang tidak mengalami gangguan. Gambar 3.26 memperlihatkan bagaimana beda sudut ini dapat menaikkan komponen aktif arus yang berlawanan fasa satu dengan lainnya.
Akibatnya, komponen aktif daya urutan nol akan juga berada dalam bidang yang sama. Sebuah rele dengan kemampuan untuk mendeteksi komponen aktif tersebut dapat dimanfaatkan sebagai besaran daya aktif yang dapat dideteksi untuk digunakan mendiskriminasi arah gangguan tanah pada sistim-sistim yang ditanahkan dengan Peterson Coil.
Bila komponen wattmetric daya urutan nol terdeteksi dalam arah maju, berarti lokasi gangguan ada pada sisi saluran, sebaliknya bila terdeteksi dalam arah mundur maka gangguan terjadi pada bagian lain manapun dalam jaringan tersebut.
Dalam banyak praktek, metoda cara proteksi ini lebih banyak digunakan ketimbang dengan rmenggunakan ele gangguan tanah sensitif.
Restrain Kerja
Garis torsi nol untuk RCA 0° Komponen aktif arus residual : saluran sehat Komponen aktif arus residual : saluran terganggu Vres = -3VO IR3 IR1 IL -IH1-IH2
Gambar 3.26: Komponen Resistif Arus Luber
Rele jenis watt metrik ini pada dasarnya dapat meningkatkan tingkat keamanan yang lebih tinggi terhadap kesalahan operasi akibat kesalahan (spurious) yang terdapat pada keluaran trafo arus baik dalam keadaan normal maupun pada waktu ada gangguan tanah.
Dalam praktek daya wattmetric dapat dihitung dengan menggunakan besaran residual arus urutan nol. Dengan demikian mengingat besaran-besaran arus dan tegangan residual masing-masing adalah tiga kali harga-harga urutan nol maka daya yang terukur adalah sembilan kali lipat dari besaran daya arus urutan nol,. Yang bisa dihitung dari persamaan daya wattmetrik sebagai berikut:
...3.5 Dimana:
Vres = tegangan residual Ires = Arus residual V0 = Tegangan urutan nol I0 = Arus urutan nol
= Sudut fasa antara Vres dan Ires = Setelan sudut karakteristik rele
Setelan arus maupun karakteristik RCA yang digunakan pada sistim proteksi dengan menggunakan rele jenis wattmetrik sama seperti dilakukan pada rele gangguan tanah sensitif.