3. RELE ARUS LEBIH
3.3 Prinsip Waktu Dan Arus Bertingkat
Tekni-teknik yang umum dipraktekkan pada ko-ordinasi rele-rele arus lebih yang terpasang pada satu jaringan distribusi adalah kordinasi berdasarkan waktu-waktu kerja rele, besarnya arus gangguan atau berdasarkan kombinasi antara waktu kerja dan besar arus gangguan tersebut. Masing-masing cara-cara tersebut mempunyai kekurangan dan kelebihan namun bila digunakan secara tepat dan benar metoda kordinasi rele ini bisa menghasilakn sistim proteksi yang cukup baik dan memadai sesuai kebutuhan. Persyaratan lain yang harus diperhatikan adalah bahwa setiap rele hanya boleh bekerja untuk mengisolir jaringan yang terganggu dan tidak boleh mentrip jaringan yang sehat. Uraian-uraian berikut diberikan sebagai ilustrasi tentang penerapan diskriminasi baik berdasarkan waktu, berdasarkan arus dan berdasarkan gabungan antara keduanya1,5.
3.3.1 Diskriminasi Waktu
Dalam metoda ini, setelan waktu kerja yang diberikan pada masing-masing rele E, D, C, B yang terpasang pada saluran distribusi radial dibuat berbeda-beda seperti dapat dilihat pada Gambar 3.1. Waktu-waktu kerja tersebut dibuat bertingkat sedemikian rupa sehingga kalau ada gangguan misalnya di F maka rele yang pertama trip adalah rele yang paling dekat yaitu rele B . Rele C baru kerja kalau rele B gagal yaitu dengan waktu t3 yang lebih lama dari waktu kerja rele B.
~
E D C B t1 A t2 t3 F Sekering G PMT B PMT C PMT D PMT E Trafo 1 Trafo 2 SumberGambar 3.1: Sistim Radial Dengan Diskriminasi Gangguan Berdasarkan Waktu Rele arus lebih ditempatkan pada titik-titik B, C, D dan E, yaitu pada setiap bus penghubung sistim tenaga tersebut. Masing-masing rele terdiri dari rele arus lebih dengan karakteristik definite time delay yang prinsip kerjanya berdasarkan atas besarnya arus yang mengalir melalui elemen pendeteksi arus lebih sensitif yang pada harga tertentu akan menginisialisai elemen pewaktu (time delay) sebelum bekerja. Dengan menyetel elemen arus lebih rendah dari besar arus gangguan maka elemen arus ini tidak memegang peranan dalam diskriminasi. Inilah sebabnya rele demikian sering juga disebut sebagai independent definite-time delay rele, sebab waktu operasinya tidak tergantung dari besarnya arus gangguan.
Dalam hal diatas, maka hanya perangkat elemen waktu yang akan melakukan diskriminasi pengisoliran gangguan. Rele B di set pada kelambatan waktu yang paling singkat baru kemudian rele-rele dibelakangnya dengan waktu yang lebih lambat. Kalau gangguan terjadi di titk G didepan bus A maka waktu lebur sekering dibuat lebih cepat dari waktu trip rele B.
Setelah kelambatan waktu habis namun sekering belum sempat lebur, maka output kontak rele akan mentrip PMT B. Selang waktu antara setelan waktu masing-masing
rele harus cukup panjang untuk memastikan agar rele-rele hulu (upstream) tidak akan kerja sebelum rele dibawahnya yang lebih dekat dengan titik gangguan bekerja lebih dahulu. Namun cara ini yang menyebabkan adanya kekurangan sistim diskriminasi waktu, yaitu ketidak mampuannya membedakan level arus gangguan yang bisa mengakibatkan kerusakan karena pembiaran gangguan yang terlalu lama. Misal gangguan terjadi didepan bus E dekat sumber dimana arus gangguan (MVA level) yang jauh lebih besar dari arus pada arus gangguan (MVA level) pada bus F, baru dapat diputus dengan waktu t1 detik yang mungkin sudah terlalu lambat.
3.3.2 Diskriminasi Arus
Prinsip diskriminasi arus didasarkan atas besar arus gangguan yang berbeda-beda sesuai letak titik gangguan sepanjang saluran. Perbedaan arus-arus gangguan tersebut terjadi karena setiap titik gangguan mempunyai impedansi yang berbeda-beda. Pada umumnya, masing-masing rele yang akan mengendalikan berbagai PMT disetel untuk bekerja berdasarkan besar arus gangguan sedemikian rupa sehingga hanya PMT yang paling dekat dengan sumber gangguan yang akan trip sebelum mentrip PMT-PMT lainnya. Gambar 3.2 dapat memperlihat skema tripping demikian.
Besar arus hubung singkat pada gangguan yang terjadi pada F1 dapat dihitung dengan rumus dibawah.
Dimana Zs = impedansi sumber
ZL1 = impedansi kabel dari mulai titik C sampai titik B. ZL1
Maka
Dengan demikian maka rele yang mengendalikan PMT pada titik C yang di set pada arus gangguan 9008 Amper secara praktis seharusnya akan memproteksi seluruh elemen saluran antara C dan B. Dalam kenyataannya terdapat dua masalah yang menyulitkan kordinasi rele berdasarkan arus gangguan sebagai berikut:
a. Kabel antara C dan B hanya sekitar beberapa meter saja sehingga sulit membedakan antara gangguan F1 dan F2. Beda arus gangguan tersebut hanya berbeda sekitar 0.1 %.
b. Dalam praktek sumber bisa beroperasi hanya satu unit dengan daya hanya 130 MVA. Pada daya 130 MVA level impedansi sumber naik dua kali sehingga arus gangguan pada titik F1 yang sama akan turun menjadi 5428 A. Dengan demikian rele yang sudah diset pada 9008 A jelas tidak akan memproteksi jaringan tersebut.
Dengan demikian diskriminasi gangguan bertingkat antara titik C dan B yang hanya berdasarkan besar arus pada prakteknya tidak bisa dipraktekkan. Perhatikan tingkatan
grading yang dibutuhkan antara PMT A dan PMT C. Besar arus hubung singkat pada titik F4, dapat dihitung sebagai berikut:
Dimana Zs = adalah impedansi sumber = 0.465 Ohm. ZL1 = Impedansi kabel antara C dan B = 0.24 Ohm.
ZL2 = Impedansi kabel antar B dan Trafo 4 MVA = 0.4 Ohm. ZT = Impedansi Trafo = 0.07 X = 2.12 Ohm.
Jadi .
~
C F1 B A Pembangkit 11 kV 2 X130 MVA Kabel tanah 240 Sqm 200 meter Kabel tanah 240 Sqm 200 meter Trafo 11/3.3 kV 7% F2 F3 F4 PMT C PMT B PMT AGambar 3.2 : Sistim Radial Dengan Diskriminasi Arus
Dari hasil perhitungan diatas, rele yang mengendalikan PMT B di set bekerja pada arus 1970 Amper ditambah faktor keamanan supaya tidak bekerja pada gangguan F4. Dengan demikian Rele B tersebut jelas ter-diskriminasi dengan rele A sebagaimana dapat dihitung berikut. Anggaplah margin faktor keamanan sebesar 20% dan kompensasi terhadap variasi impedansi diambil sebesar 10%, maka pemilihan setelan rele B dilakukan pada 1.3 X 1970 A yaitu sebesar 2560 A. Sekarang anggap gangguan pada titik F3 pada ujung akhir kabel memasuki trafo 4 MVA; arus hubung singkat dapat dihitung sebagai berikut;
Dan dengan menganggap level gangguan sumber 250 MVA, maka:
Pada sisi lain pada gangguan yang sama namun dengan setelan sumber disetel sebesar 130 MVA, besar arus hubung singkat adalah:
Karena rele B disetel bekerja pada arus 2560 A, maka dengan demikian pada kedua level sumber tersebut yaitu pada 130 MVA maupun 250 MVA, rele B ternyata dapat befungsi dengan benar dimanapun letak gangguan pada saluran kabel pemasok 11 kV trafo terjadi.
3.3.3 Diskriminasi Gangguan Berdasarkan Waktu Dan Arus
Kedua cara diskriminasi arus dan waktu masing-masing mempunyai kerugian yang mendasar. Kerugian pada diskriminasi berdasarkan waktu semata, adalah terdapatnya celah dimana arus gangguan yang terjadi dekat sumber di-isolir dengan waktu yang cukup lama. Sementara itu kerugian diskriminasi dengan menggunakan arus hanya dapat diterapkan pada bagian-bagian saluran antara dua PMT yang mempunyai impedansi cukup besar atau terpisah cukup jauh.
Untuk mengatasi keterbatasan-keterbatasan kordinasi rele-rele dengan menggunakan hanya berdasarkan waktu atau arus digunakan rele-rele dengan karakteristik rele inverse time overcurrent.
Rele A : Setting arus = 100A.TMS = 10 Rele B : Setting arus = 125A.TMS = 1.3
1000 10.000 100 0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 Arus (A) W a k tu ( d e ti k
) Waktu kerja rele B
Waktu kerja rele A
Sesuai karakteristiknya, waktu kerja rele ini mengikuti fungsi inverse waktu secara proporsional sesuai level arus gangguan. Gambar 3.3 memperlihatkan karakteristik dua rele yang memberikan setelan waktu-arus yang berbeda.
Dengan menggunakan karakteristik invers maka variasi jenis gangguan yang berbeda jauh yaitu antara dua titik ujung saluran yang saling berjauhan, dapat ditanggulangi sesuai dengan waktu kerja yang semakin cepat pada gangguan-gangguan yang semakin dekat dengan sumber pembangkit yang arus gangguannya lebih besar. Dengan demikian kekurangan sistim diskriminasi berbasis waktu maupun arus saja dapat diatasi dengan menggunakan sistim diskriminasi kombinasi waktu dan arus. Seleksi karakteristik rele arus lebih dimulai dengan memilih karakteristik rele yang sesuai, kemudian diikuti oleh pemilihan setelan arus rele.
Dari penentuan kedua proses diatas akhirnya margin grading dan setelan waktu rele dapat ditetapkan. Prosedur ulang-ulang sering dilakukan untuk mengatasi kendala-kendala yang dapat menyebabkan sistim proteksi tidak dapat bekerja efektif pada setelan berdasarkan level arus ataupun setelan waktu secara optimal.