Pengaruh Rasio Impedansi Sumber Dan Saluran

5. RELE JARAK

5.3 Pengaruh Rasio Impedansi Sumber Dan Saluran

Untuk melihat pengaruh rasio impedansi sumber dan impedansi saluran terhadap tegangan rele pada berbagai arus gangguan dapat dilihat pada suatu sistim tenaga listrik, seperti digambarkan pada single line diagram pada Gambar 5.2(a).

Tegangan V yang diterapkan pada rangkaian impedansi tertutup adalah tegangan open circuit dari sistem tenaga tersebut. Titik R merupakan lokasi rele sedang I_R dan V_R adalah arus dan tegangan yang diukur dan dirasakan oleh rele.

Impedansi Z_S dan Z_L digambarkan sebagai impedansi sumber dan impedansi saluran sesuai dengan posisi mereka terhadap lokasi rele. Impedansi sumber ZS adalah adalah sebuah acuan level gangguan pada titik rele.

Pada gangguan tanah, impedansi sumber bergantung pada metoda sistem pentanahan jaringan di belakang rele tersebut. Mengingat impedansi saluran ZL adalah impedansi bagian saluran yang dilindungi maka tegangan VR yang diterapkan dan dapat dirasakan oleh rele adalah IRZL. Tegangan pada titik capaian tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk lain yaitu dalam rasio impedansi sumber dengan impedansi saluran yaitu ZS/ZL sebagaimana dapat dinyatakan dengan persamaannya berikut¹:

...

5.2 Dimana:

Sehingga:

Atau:

...

5.3

Dari persamaan diatas dapat diperlihatkaan pengaruh perbandingan impedansi sumber dengan impedansi saluran ZS/ZL terhadap besarnya tegangan VR seperti pada Gambar 5.2.b.

Terdapat tiga jenis gangguan yaitu pada gangguan diluar daerah proteksi, pada lokasi setting rele dan pada gangguan didalam daerah proteksi. Dengan memperhatikan bahwa VR adalah tegangan pada terminal rele pada berbagai lokasi rele maka pada kondisi restrain V_R tersebut harus lebih besar dari harga preset V_R = I_RZ_L dan pada kondisi kerja maka VR harus lebih rendah dari harga preset tersebut. Gambar tersebut pada dasarnya berlaku untuk semua jenis gangguan hubung singkat asalkan memenuhi ketentuan-ketentuan sebagai berikut:

i. Untuk gangguan fasa, V adalah tegangan fasa-fasa sumber dan ZS/ZL adalah rasio impedansi urutan positif sumber terhadap impedansi saluran. VR adalah tegangan fasa-fasa rele dan IR adalah arus fasa-fasa rele saluran yang mengalami gangguan.

...

5.4

ii. Untuk gangguan tanah, V adalah sumber tegangan fasa-netral dan ZS/ZL adalah rasio gabungan impedansi urutan positif dan nol. VR adalah tegangan

rele fasa-netral dan IR adalah arus rele untuk fasa-fasa yang mengalami gangguan.

...

5.5 Dimana: Dan

~

Sumber Saluran R V_R Z_S Z_L VS VL=VR IR

a) Konfigurasi Sistim Tenaga

R Restrain Kerja ZS ZL V IZL Gangguan Internal Gangguan Sesuai Setting rele Gangguan Eksternal V_R

b) Variasi Tegangan Rele Terhadap Ratio Impedansi Sumber Dengan Impedansi Saluran,

Gambar 5.2: Relasi Tegangan Rele Dengan Rasio Impedansi Sumber Dan Saluran⁵

5.4 ZONE PROTEKSI

Prinsip dasar proteksi jarak didasarkan atas karakteristik pengukuran jarak gangguan yang bisa disetel atas lebih dari satu zone proteksi. Yang pertama adalah Zone 1

dengan waktu trip sesaat, kemudian proteksi Zone 2, Zone 3 dst beturut-turut dengan waktu trip yang lebih lambat. Diagram umum capaian zone-zone proteksi dan setelan waktu sebuah rele jarak dengan tiga zone proteksi dapat dilihat seperti ditunjukkan pada Gambar 5.3. Dengan kemajuan teknologi rele numeris saat ini, jumlah zone proteksi sebuah rele jarak dapat dibuat hingga mempunyai 5 zone waktu.

Orang yang pertama memperkenalkan proteksi jarak dengan sistim waktu bertangga ini adalah Paul Ackerman yaitu pada tahun 1925 di Kanada⁵. Pada prinsipnya skema proteksi waktu bertangga ini dibuat atas unit-unit detektor gangguan, unit pengukur jarak dan rangkaian-rangkaian lojik lainnya.

Detektor gangguan digunakan untuk mendeteksi jenis gangguan sedang unit-unit pengukur adalah rangkaian-rangkaian yang digunakan untuk mengukur jarak setiap gangguan. Dengan melihat jenis-jenis gangguan maka untuk mendapatkan sistim proteksi 3 (tiga) tangga diperlukan 4 (empat) detektor gangguan dan 18 (delapan belas) unit pengukur jarak. Namun pada sistim proteksi modern, jumlah detektor maupun unit-unit pengukur bisa dikurangi menjadi lebih sederhana yaitu dengan menggunakan teknik sakelar pengalih (switched technics) dimana hanya satu unit detektor dan satu unit pengukur dapat digunakan untuk melakukan berbagai tugas sekaligus sebagai mana diuraikan pada Bab 5.7.

Pada aplikasi khusus, sebuah rele jarak bahkan bisa di-setel untuk dapat mengukur gangguan pada arah kebalikan. Setelan umum suatu rele jarak standar untuk tiga daerah maju atau Zone forward-looking akan diuraikan dalam sub-sub bagian lebih lanjut. Untuk menentukan setelan desain skema rele proteksi jarak termasuk kombinasi skema rele jarak dengan kanal-kanal telekomunikasi yang tersedia untuk teleproteksi, perlu disesuaikan dengan instruksi pabrik pembuat rele jarak tersebut. 5.4.1 Zone 1

Zone 1 adalah daerah proteksi rele jarak yang paling penting dan kritis dibanding dengan zone-zone proteksi lainnya. Mengingat pentingnya maka akurasi pengukuran terhadap daerah proteksi Zone 1 sepanjang saluran harus dilakukan dengan tingkat ketelitian dan kecepatan kerja yang tinggi.

Cakupan daerah proteksi rele elektromekanikal maupun rele statik biasanya dapat dilakukan hingga 80 % panjang saluran. Kecepatan proteksi pada cakupan proteksi ini harus bisa dilaksanakan pada level sesaat (instant). Sedangkan rele-rele jarak numerik, cakupan proteksi bisa disetel sampai 85 % dengan tingkat akurasi yang masih bisa dipertanggung jawabkan secara aman.

Margin keamanan dibuat sebesar 15-20%. Margin ini diperlukan untuk memastikan agar proteksi Zone 1 tidak akan kerja pada zone capaian lebih saluran yang diproteksi. Misalnya karena kesalahan pengukuran akibat keterbatasan trafo arus, trafo tegangan, ketidak telitian tabel-tabel data impedansi saluran yang tersedia termasuk kesalahan-kesalahan setelan rele dan kesalahan-kesalahan pengukuran lain dengan hadirnya tahanan-tahanan gangguan yang bisa berbeda-beda. Fungsi proteksi ini hanya efektif sepanjang zone 1, sedang pada daerah saluran yang lebih jauh, fungsi sistim proteksi Zone 1 ini tidak lagi bekerja secara efektif. Oleh karena itu dalam prateknya sisa daerah proteksi jarak sebesar 15 – 20% panjang saluran harus disetel menjadi daerah proteksi Zone 2.

5.4.2 Zone 2

Secara teoritis daerah proteksi zone 2 adalah daerah proteksi rele mulai ujung proteksi zone 1 hingga daerah ke mencakup sebagian saluran berikutnya. Namun mengingat waktu tripping yang lebih lambat, terdapat beberapa kontroversi dan kesulitan dalam menentukan berapa lama waktu tripping yang tepat. Hal ini karena waktu tripping tersebut harus disesuaikan dengan lamanya busur api yang bisa dibiarkan tanpa mengganggu stabilitas sistim generator-generator yang saling terinterkoneksi.

Pada sisi lain zone 2 ini tidak begitu mementingkan pengukuran jarak yang terlalu akurat sebab zone dua tersebut dapat diterminasi disembarang titik pada bus berikutnya tanpa kehilangan selektifitasnya kecuali pada saluran yang sangat pendek. Lagi pula elemen arah pada proteksi zone 2 ini tidak selalu harus diaktifkan sebab dalam prakteknya proteksi zone 2 ini sering juga dirancang untuk mengamankan gangguan-gangguan yang terjadi dibelakang rele, misalnya sebagai rele cadangan untuk mengamankan busbar⁵.

Untuk memastikan perlindungan dapat mencakup seluruh saluran termasuk kompensasi terhadap sumber kesalahan seperti telah diuraikan diatas, maka setelan capaian rele proteksi Zone 2 harus dibuat dengan sekurang-kurangnya 120% dari impedansi saluran yang dilindungi. Bahkan terdapat praktek-praktek umum dimana capaian Zone 2 di set untuk mengamankan saluran yang dilindungi hingga 50% dari saluran yang berdekatan.

Hal ini dilakukan untuk memastikan bahwa hasil capaian maksimum efektifitas Zone 2 tidak meluas melebihi capaian minimum efektifitas proteksi Zone 1 rele jarak ujung lain saluran berdekatan. Kondisi ini untuk menghindari kebutuhan pentahapan nilai setelan waktu Zone-2 antara rele hulu dan rele hilir. Dalam rele elektromekanikal dan statik, proteksi Zone 2 dirancang dengan menggunakan element terpisah atau dengan perluasan pencapaian element Zone 1 setelah time delay yang di-inisialisasi oleh pendeteksi gangguan. Sedangkan pada kebanyakan rele digital dan numerik, element Zone 2 direalisasikan atau diset dengan menggunakan fasilitas yang tersedia pada sistim perangkat lunak rele tersebut.

T3 T2 T1 Z1 Z2 Z3 Zone Z1 Zone Z2 Zone Z3 W a k tu o p e ra s i Impedansi

Tripping Zone 2 harus dibuat mempunyai waktu tunda atau time-delayed yang berguna untuk memastikan terjadinya grading waktu dengan rele proteksi utama yang diterapkan pada saluran berdekatan yang jatuh antara pencapaian Zone 2. Jadi perlindungan semua saluran dengan tingkat proteksi gangguan yang cepat (sesaat) pada bagian 80-85% saluran dapat diperoleh dan sementara itu waktu proteksi yang agak lebih lambat terhadap gangguan yang terjadi pada sisa bagian saluran dapat dibuat sebagai proteksi cadangan.

5.4.3 Zone 3

Dengan waktu tripping yang lebih lambat dari waktu tripping Zone 2, elemen proteksi Zone 3 dapat disetel sebagai proteksi cadangan terhadap elemen-elemen proteksi Zone 1 maupun Zone 2 yang mungkin mengalami kegagalan. Disamping itu proteksi cadangan remote untuk semua gangguan pada saluran yang berdekatan dapat juga dihasilkan oleh proteksi Zone 3 yaitu dengan menambahkan waktu tunda tertentu untuk membedakannya dengan proteksi Zone 2 ditambah waktu trip circuit breaker untuk saluran yang berdekatan. Untuk gangguan yang terjadi pada ujung remote dari bagian saluran yang kedua maka capaian Zone 3 harus di-set setidaknya 1,2 kali impedansi yang diperlihatkan kepada rele tersebut.

Hal yang perlu dicatat adalah bahwa pada sistem tenaga yang saling ter-interkoneksi, pengaruh arus gangguan yang memasok busbar remote bisa menyebabkan impedansi yang diukur terlihat lebih besar dari impedansi gangguan yang sebenarnya. Hal ini perlu diperhatikan sebagai bahan pertimbangan pada waktu melakukan setelan Zone 3. Pada beberapa sistem, variasi pasokan busbar remote dapat mengganggu aplikasi proteksi cadangan remote Zone 3. Pada sistim transmisi radial dengan sumber tunggal kendala pengukuran tersebut tidak akan terjadi, karena pengukuran impedansi gangguan dapat dilakukan tanpa adanya pengaruh sumber di ujung remote. Sama seperti elemen zone 2, dalam prakteknya elemen proteksi Zone 3 sering disetel tanpa elemen arah dengan maksud agar cakupan proteksi dapat diperluas untuk mengamankan gangguan-gangguan dibelakang rele (sebagai cadangan) yang mungkin tidak terproteksi rele lainnya⁵. Dalam hal ini karakteristik lingkaran mho Zone 3 tidak lagi hanya memotong titik pusat kordinat impedansi tetapi melebar sedikit melingkupi busbar dan sebagian jaringan dibelakang busbar tersebut. Disamping sebagai cadangan aplikasi proteksi zone 3 dapat juga digunakan untuk skema bloking sebagaimana dapat dilihat pada skema-skema teleproteksi pada Bab 6.

5.4.4 Zone-Zone Lainnya

Rele digital modern atau numerik dapat mempunyai zone impedansi tambahan yang dapat digunakan untuk menyediakan fungsi proteksi tambahan. Sebagai contoh, bilamana tiga Zone proteksi telah diset seperti di atas, Zone 4 masih dibuat dibuat sebagai proteksi cadangan terhadap busbar lokal, yaitu dengan menerapkan setelan capaian terbalik pada level 25% dari capaian Zone 1. Alternatif lain misalnya dengan menyetel satu dari elemen-elemen penglihat kedepan (forward-looking zones) khusus Zone 3 pada capaian offset terbalik melebar sedikit (small reverse offset reach) dari pusat diagram R/X, yaitu sebagai tambahan untuk setelan capaian forward. Perlu dicatat bahwa karakteristik pengukuran offset impedansi terdiri dari elemen pengukur

non-directional. Satu keuntungan Zone pengukuran impedansi non-directional adalah karena dapat beroperasi pada gangguan yang sangat dekat dengan rele, misal dengan impedansi gangguan sama dengan nol (zero impedance fault), dimana tidak tersedia sinyal tegangan fasa dari sirkit yang sehat atau hasil rekaman tegangan (memory voltage) yang dapat digunakan untuk menggerakkan elemen directional dengan baik. Pada kondisi offset-zone time delay yang di-bypass (over-ride), terdapat fasilitas yang diperlukan untuk sistim proteksi switch-on-to-fault (SOTF).

Pada gardu induk yang dilengkapi dengan trafo tegangan busbar, rele ini dapat juga dipolarisasi dengan menggunakan tegangan busbar tersebut. Namun meskipun tidak terdapat tegangan busbar atau tegangan lain yang dapat digunakan untuk mempolarisasi rele, rele ini mampu mendiskriminasikan keadaan yaitu dengan melihat tingkat kecepatan naiknya arus (elemen arus lebih) yang berlangsung sangat cepat sehingga rele dapat dialihkan pada kondisi SOTF.

Kondisi SOTF demikian kadang diperlukan untuk mencegah kerusakan transmisi dari kemungkinan kecelakaan hubung singkat fatal yang terjadi secara tidak sengaja misal pada waktu kembali memasukkan tegangan pada jaringan yang baru selesai mendapat pemeliharaan namun karena satu dan lain hal perangkat-perangkat pentanahan yang dilakukan sebelumnya belum sempat dilepas.