5. RELE JARAK
5.6 Konstruksi Rele Jarak
Meskipun sebuah rele jarak hanya merupakan sebuah perangkat pengukur impedansi yaitu suatu perangkat pembanding tegangan dan arus, namun mengingat beragamnya jenis gangguan dan parameter pengukuran yang harus dilakukan maka dalam praktek realnya konstruksi sebuah rele jarak tidaklah sederhana. Hal tersebut misalnya karena sebuah rele jarak harus mampu melakukan pengukuran-pengukuran impedansi pada berbagai kondisi sebagai berikut :
1. Besar arus dan tegangan dimana rele tidak dapat melihat semua arus yang menghasilkan tegangan gangguan.
2. Berbagai lingkar sirkit impedansi gangguan atau loop fault impedance yang harus diukur.
3. Jenis gangguan.
4. Besarnya tahanan gangguan. 5. Kesimetrian impedansi saluran.
6. Konfigurasi saluran transmisi (single, double atau banyak terminal).
Untuk mendapatkan sebuah rele jarak yang efektif maka dalam prakteknya tidak mungkin dapat mengabaikan faktor-faktor tersebut dan melakukan penyederhanaan dengan menyamakannya untuk semua kondisi operasi yang mungkin terjadi. Para perancang proteksi sistim tenaga listrik terus berusaha untuk memperoleh sebuah rele dengan perangkat keras maupun perangkat lunak yang dapat membeda-bedakan dan melakukan pengukuran-pengukuran dengan tingkat keberhasilan dan ketelitian sebaik-baiknya. Misalnya sebuah rele jarak biasanya dilengkapi dengan berbagai elemen-elemen pengukuran jarak, modul-modul logika dan algoritma-algoritma perhitungan kapan pengukuran harus dimulai (unit starting) yang semuanya disusun dan digabungkan untuk mendapatkan tingkat ketelitian dan keandalan yang tinggi. Elemen pengukur jarak yang dapat menghasilkan karakteristik impedansi yang tepat seperti telah diuraikan pada bagian 5.5.
Dalam praktek terdapat berbagai jenis rele jarak dengan kecepatan operasi yang berbeda-beda yang perlu dipilih sesuai kebutuhan tanpa melupakan pertimbangan biaya yang berhubungan dengan perangkat keras rele, perangkat lunak dan kapasitas rele yang dibutuhkan.
Jenis rele jarak yang paling umum dan banyak dijumpai antara lain adalah:
a. Rele yang dilengkapi dengan elemen pengukur tunggal setiap fasa, sehingga ketiga elemen dapat mencakup semua kesalahan-kesalahan fasa.
b. Biasanya terdapat perangkat kendali untuk mengaktifkan elemen pengasut (starter) untuk mengenali fasa yang mana yang mengalami gangguan. Elemen pengasut ini akan mengaktifkan elemen pengukur tunggal atau modul (algoritma) pengukur impedance gangguan yang paling tepat. Karena menggunakan elemen pengukur tunggal yang bisa digunakan untuk berbagai pengukuran jenis gangguan maka sistim Ini biasanya dikenal dengan switched distance rele.
c. Terdapat seperangkat elemen pengukur impedansi untuk tiap sirkit impedansi dengan fasilitas setelan capaian masing-masing yang meningkat secara progressif dari setelan capaian satu daerah ke setelan capaian daerah lainnya. Peningkatan daerah cakupan dilengkapi dengan pewaktu (timer) yang akan ter-inisialisasi oleh elemen starter secara otomatis. Ini biasanya dikenal dengan reached-stepped distance rele.
d. Tiap elemen pengukur zone gangguan biasanya dilengkapi dengan pasangan-pasangan elemen pengukuran yang saling independen untuk setiap sirkit lingkar impedansi gangguan. Sistim ini dikenal sebagai full distance scheme, yang merupakan sistim yang mampu menghasilkan kinerja tertinggi khususnya dalam hal kecepatan maupun dari segi fleksibilitas.
Tergantung dari jenis-jenis gangguan, karakteristik dan setelan-setelan perlindungan berbeda-beda pula. Setiap gangguan dalam prakteknya harus diperlakukan secara khusus dan terpisah satu sama lain.
Secara teoritis untuk mendapatkan suatu rele jarak konvensional yang mempunyai tiga zone proteksi dan mampu berespons terhadap semua jenis gangguan akan membutuhkan 4 (empat) detektor dan 18 (delapan belas) elemen pengukur impedansi.
Pada teknologi elektromekanik, tiap elemen pengukuran memiliki rumah rele yang terpisah dari boxnya masing-masing. Dengan demikian suatu rele jarak terdiri dari panel-panel yang dibutuhkan untuk menempatkan rele-rele dan elemen-elemen pengukuran sekaligus untuk melakukan perkabalen interkoneksi yang dibutuhkan. Gambar 5.21 menunjukkan contoh rangkaian rele jarak elektromekanik yang relatif sangat sederhana namun biasanya membutuhkan ruang dan panel-panel yang relatif banyak, sementara itu dapat dilihat blok diagram suatu rele Jarak numerik seperti dapat dilihat pada Gambar 5.22, umumnya tidak membutuhkan ruang yang besar11. Pada rele konvensional kerja rele langsung dilakukan dengan membandingkan tegangan dan arus yang hasilnya dapat digunakan untuk menarik jangkar rele untuk memberikan perintah trip. Tidak seperti pada rele jarak konvensional, pada rele numeris, perangkat keras unit pengasut (starter) tidak dibutuhkan lagi sebab sudah bisa dilakukan dalam perangkat lunak. Rele jarak numeris dibuat hanya dalam satu
unit modul rele yang bisa dipasang dalam panel secara sederhana karena tidak memerlukan ruang yang luas seperti pada konstruksi rele elektromekanis terdahulu. Secara umum kosntruksi rele numeris terdiri dari modul-modul yang dapat dibagi-bagi atas beberapa blok yang tidak semua dapat diperlihatkan dalam Gambar 5.22 dibawah. Tetapi pada umumnya modul-modul tersebut terdiri dari modul input pengukuran arus dan pengukuran tegangan yang berfungsi untuk menurunkan besaran arus maupun tegangan ke harga yang lebih kecil sehingga dapat diproses secara elektronis.
~
beban VF VF R iF IF ZF ZL Sumber Rele Kumparan restraint Kumparan kerja Gangguan Ke rangkaian tripping VF =IFZFGambar 5.21 : Rangkaian Rele Jarak Elektromekanis
Battery backed-up
SRAM E² PROM SRAM Flash EPROM Front LCD panel
CPU RS232 Front comms port
Parallel test port
Main processor board
LEDs IRIG-B board (optional) SRAM FPGA CPU Coprocessor board Relay board Input board Opto-ilsolatedinputs ADC Power supply board Transformer board Alarm, event, fault & maintenance Present values of all settings
CPU code & data, setting database data
Default settings & parameters, language
text software code
IRIG-B signal Fibre optic rear comms part optional Timing
data Comms between main & coprocessor
board
CPU code & data
Serial data bus (sample data)
Parallel data bus
Power supply, rear comms, data, output relay status
Digital input values
Digital input (x8 or x16)
Output relay contacts (x14 or x21)
Power supply (3 voltages), rear comms data Analogue input signals
Power supply Watchdog contacts Field voltage Rear RS485 communication port Current & voltage inputs
(6 to 8)
Opto-ilsolatedinputs
Sebelum diproses lebih lanjut besaran-besaran yang sudah diperkecil ditapis melalui filter lalu frekuensi rendah (low pass filter) sehingga semua komponen-komponen frekuensi tinggi yang mungkin tercampur pada sinyal-sinyal yang diukur dapat dibuang dan tidak menjadi sumber kesalahan pengukuran.
Besaran-besaran yang sudah difilter, kemudian di sample dan disimpan (sample and hold) dengan rangkaian sampling dengan frekuensi sampling yang ditentukan sesuai dengan kriteria ketelitian yang diinginkan. Sesuai kriteria Nyquist biasanya sampling dilakukan pada kecepatan 8000 sampling per detik tergantung tingkat ketelitian yang diinginkan.
Setiap nilai signal yang disampling kemudian di input ke rangkaian konverter untuk di-skalakan sesuai kebutuhan. Modul penguat terprogram disediakan untuk bisa diset sesuai dengan jangkauan pengukuran arus yang bisa berubah drastis mulai dari hanya beberapa amper hingga mencapai ribuan amper.
Besaran-besaran sampling arus dan tegangan yang sudah diterima penguat terprogram kemudian dikonversikan kedalam bentuk dijital sebelum akhirnya diolah, diproses, dikondisikan, dihitung dikomunikasikan dengan perangkat lain dan ditampilkan oleh mikro prosessor sesuai dengan fungsi masing-masing rele jarak. Data-data hasil proses rele-rele numeris dapat diolah secara fleksibel sehingga karakteristik rele jarak tersebut dapat diprogram sesuai dengan kebutuhan. Misal sebagai rele jarak jenis impedansi Mho, Quadrilateral, jajaran genjang dan sebagainya sesuai dengan kebutuhan karakteristik proteksi yang diperlukan
5.6.1 Jenis-Jenis Pengasut Rele Jarak
Sebagaimana telah disinggung pada bab-bab sebelumnya, suatu rele jarak statis maupun numeris pada prakteknya dibuat dengan menggunakan hanya satu perangkat ukur yang dapat di switch secara otomatis untuk mengukur impedansi setiap fasa yang mengalami gangguan. Rele jarak jenis ini disebut switched distance relay.
Disamping faktor ekonomis alasan penggunaan rele jarak jenis switched distance relay ini adalah untuk mengurangi dimensi rele sehingga menjadi lebih ramping dan praktis. Namun pada sistim-sitim ektra tinggi dimana faktor keandalan dan keamanan sangat tinggi maka konstruksi rele jarak yang digunakan sering masih menggunakan elemen-elemen yang berdiri sendiri.
Rele numeris yang digunakan pada sistim tegangan tinggi (150 kV), biasanya adalah jenis switched distance relay yang mempunyai hanya satu elemen pengukuran. Elemen pengukuran tersebut dilengkapi dengan unit pengasut (starter) yang fungsinya melakukan pendeteksian fasa gangguan sekaligus untuk mengaktifkan perangkat-perangkat pewaktu zone 1, zone 2 dan zone 3.
Elemen pengukur akan terhubung dengan loop impedansi gangguan sesuai jenis gangguan melalui semacam crossbar switch atau perangkat lunak dimana koneksi elemen pengukur tersebut akan terjadi secara otomatis sesuai dengan jenis gangguan yang ditentukan oleh unit pengasut.
Jenis elemen pengasut yang paling umum adalah pengasut dengan menggunakan elemen arus lebih, elemen pengukuran impedansi kurang dan atau tegangan kurang.
Terdapat beberapa teknik pemilihan elemen pengasut untuk mendeteksi fasa yang terganggu, yang kemudian dapat digunakan untuk menggerakkan elemen pengkuran jarak hingga dapat membangkitkan perintah tripping terhadap kawat fasa yang terganggu seperti antara lain sebagai berikut.
a. Dengan cara pembandingan arus, yaitu membandingkan tingkat perubahan arus antara arus beban sebelum gangguan (pre-fault) dan arus gangguan. Cara ini menghasilkan pendeteksian fasa-fasa yang terganggu secara sangat cepat, dimana sampling terhadap arus analog input dilakukan secara minimal. b. Mendeteksi tingkat perubahan besarnya tegangan.
c. Mendeteksi tingkat perubahan besarnya arus.
Detektor penentuan fasa yang terganggu rele numeris mempunyai kecepatan yang lebih baik dari cara konvensional seperti yang digunakan pada rele electromekanikal atau rele jarak statis. Koreksi atau kompensasi (finalti) waktu tidak perlu diberikan karena seleksi fasa dan algoritma pengukuran jarak berjalan secara paralel.
Pada rele numeris mutakhir sudah dimungkinkan untuk membangun suatu rele jarak yang dapat melakukan fungsi skema proteksi yang lengkap yang bisa dikostumisasi. Algoritma penentuan dan seleksi fasa digunakan untuk menentukan fasa mana yang mengalami gangguan, sedang algoritma pengukur dilakukan tersendiri untuk masing-masing gangguan fasa ke tanah dan fasa ke fasa (AN, BN, CN, AB, BC, CA) sehingga satu rele numeris dapat mencakup semua kebutuhan operasi.
Pada kondisi-kondisi tingkat proteksi tertentu ada juga rele numeris yang dibuat lebih sederhana dimana perangkat lunak yang dibutuhkan tidak terlalu memerlukan persyaratan yang tinggi sehingga harganya relatif lebih murah dari pada rele lain yang mempunyai fungsi dan mempunyai cakupan lengkap untuk semua kondisi gangguan. Pilihan elemen pengasut tergantung pada parameter-parameter sistem tenaga seperti besarnya beban maksimum yang perlu ditransfer dari satu saluran yang terganggu ke saluran lain dalam kaitannya dengan capaian maksimum yang dibutuhkan dan juga tergantung dari sistim pentanahan sistim tenaga tersebut.
Pertimbangan yang diperlukan pada pengasut arus lebih antara lain adalah kondisi pembangkitan minimum dimana setelan rele arus lebih harus cukup peka untuk mampu mendeteksi gangguan diluar zone ketiga. Lagipula perangkat pengasut ini harus cukup peka dan mempunyai rasio drop-off dan pick-up yang tinggi pada kondisi transfer beban maksimum terutama pada gangguan-gangguan yang terjadi pada daerah Zone 3.
Kondisi-kondisi yang perlu dipenuhi agar kerja elemen pengasut (starter) arus lebih dalam skema rele jarak jenis switched distance relay antara lain adalah:
a. Setelan arus stater arus lebih harus tidak kurang dari 1.2 kali arus beban maksimum dari saluran dilindungi.
b. Arus minimum gangguan sistim tenaga untuk gangguan pada capaian Zone 3 dari rele jarak harus tidak kurang dari 1.5 kali setelan over current stater.
Jenis pengasut arus lebih tidak bisa digunakan pada sistem tenaga yang ditanahkan pada banyak tempat dimana netral trafo daya ditanahkan langsung atau pada sistem tenaga dimana arus gangguan lebih kecil atau kurang dari arus beban penuh saluran yang dilindungi.
Jenis pengasut yang digunakan pada sistim pentanahan dan kondisi arus gangguan yang lebih kecil dari arus beban penuh adalah jenis impendansi kurang.