4. RELE DIFERENSIAL PADA SALURAN TRANSMISI
4.7 Proteksi Arus Diferensial Numeris
Tidak seperti pada rele proteksi diferensial konvensional dimana parameter yang diukur semata-mata hanya perbedaan arus ataupun dengan keseimbangan tegangan, rele-rele numeris sudah mampu melakukan pengukuran terhadap perbedaan fasa antara arus-arus. Proteksi diferensial dengan perbandingan fasa dikenal sebagai phase-segregated current differential protection. Dalam metoda ini perbandingan sudut-sudut fasa arus pada masing-masing rele dilakukan fasa demi fasa. Ide dimungkinkannya pengukuran beda fasa antara arus-arus yang saling berjauhan ditunjang dengan semakin canggihnya sistim komunikasi yang digunakan pada sistim tenaga listrik. Seperti tersedianya komunikasi dijital yang dapat digunakan untuk mengkomunikasikan perangkat-perangkat pengaman melalui saluran optik atau media lain yang tersedia. Laju kecepatan data yang banyak digunakan tersedia mulai dari kecepatan 64 kbit/s hingga orde jutaan bit per detik.
Untuk mempertahankan stabilitas terhadap berbagai arus gangguan maupun terhadap arus-arus luber lain yang bisa timbul karena ketidak simetrian trafo-trafo arus, hingga saat ini protekssi diferensial masih tetap dengan menggunakan teknik bias. Seperti pada sistim kompensional, untuk mempertahankan stabilitas pada arus yang kecil dan arus gangguan eksternal yang besar dilakukan dengan menggunakan teknik bias dengan dual slope seperti terlihat pada Gambar 4.5. Dengan kriteria umum trip akan terjadi sebagai berikut1,5;
Pada daerah berlaku,
Bila rele pada salah satu ujung saluran sudah sampai pada kondisi trip, maka sinyal intertrip dikirimkan ke rele lain pada ujung saluran. Rele-rele yang sudah dilengkapi dengan fasilitas pengukuran arus pada semua ujung saluran mungkin tidak memerlukan fasilitas intertripping lagi. Sebaliknya, setiap rele-rele numeris modern sudah dilengkapi dengan fasilitas intertrip yang bisa digunakan untuk melakukan intertripping pada setiap gangguan yang terdeteksi dan harus segera ditanggulangi oleh sistim rele proteksi khususnya bila ada kelainan dalam sistim pengukuran diferensial.
Disamping itu rele-rele numerik sudah dilengkapi dengan fasilitas kompensasi rasio terhadap arus yang diukur sehingga pemilihan trafo arus yang diperlukan dapat dilakukan secara lebih leluasa. Trafo-trafo interposing yang biasa digunakan untuk menysesuaikan berbagai perbedaan koneksi jaringan tidak diperlukan lagi pada sistim-sistim numeris sebab trafo-trafo arus sudah menjadi satu kesatuan dengan unit proteksi tanpa memerlukan CT interposing tambahan. Tetapi mengingat tingkat fleksibilitas rele-rele numeris yang sudah demikian tinggi, trafo-trafo arus tersebut dapat juga dipandang sebagai bagian yang terpisah tanpa ada masalah yang berarti dan mudah disesuaikan. Interposing rele dapat dirupakan dengan menggunakan perangkat lunak yang secara fisik tidak ada.
Kesalahan operasi karena fenomena inrush dapat dihindarkan dengan mengaktifkan fasilitas detektor harmonis tertentu yang dapat digunakan untuk memblok rele sehingga tidak akan salah kerja. Yang perlu diperhatikan adalah pada kasus dimana trafo daya menjadi satu kesatuan dengan jaringan. Dalam hal ini kompensasi terhadap pengaruh kisaran tap changer perlu diperhitungkan sebab pada saat itu rasio arus tidak lagi sama dengan rasio trafo daya pada posisi tap nominal. Tergantung dari kepekaan rele, kesalahan rasio pada posisi tap changer tertentu bisa mengakibatkan rele salah operasi. Untuk mengatasi pengaruh perubahan posisi tap adalah dengan mengatur setelan kemiringan (slope) karakteristik bias (awal) sesuai dengan kondisi dan lebar kisaran tap changer trafo.
Untuk meningkatkan stabilitas khususnya terhadap arus serbu kapasitif (inrush capacitive) terutama pada saat pemberian tegangan maka rele numeris sengaja ditala pada arus frekuensi sistim tenaga sehingga tidak perlu beraksi terhadap arus transien. Sementara itu arus pemuat steady state normal dapat dikompensir dengan menghitung besarnya arus pemuat kapasitip yaitu dengan membandingkan tegangan yang dihubungkan ke rele dengan parameter suseptansi (kapasitansi) saluran yang mau diproteksi tersebut.
Kesalahan yang bisa timbul pada suatu trafo tenaga yang ditanahkan yang menjadi bagian dari saluran proteksi perlu juga diperhatikan seperti misalnya dengan memperhatikan pengaruh komponen arus gangguan tanah eksternal urutan nol. Tingkat stabiltas terhadap arus eksternal urutan nol ini dapat dilakukan dengan menggunakan filter arus urutan nol sehingga tidak akan dirasakan rele diferensial. Dahulu problem ini diatasi dengan menghubungkan rangkaian sekunder trafo arus dengan hubungan delta sehingga arus urutan nol tersebut tidak bisa keluar dan hanya berkutat pada kumparan delta tersebut sehingga tidak terasa dan samapi ke rangkaian pengukur rele diferensial. Pada rele-rele numeris pengaruh komponen arus urutan nol
karena gangguan eksternal dapat juga diatasi dengan fasilitas perangkat lunak yang bisa bisa disetel untuk menapis (filter) arus urutan nol berdasarkan program tertentu sehingga pengaruhnya dapat dikendalikan.
Persoalan yang masih perlu diperhatikan pada rele-rele diferensial numeris adalah perlu adanya sinkronisasi pengukuran arus pada ujung-ujung saluran. Disamping itu pengaruh peletakan trafo-trafo arus pada jaringan juga dapat mempengaruhi kinerja rele proteksi. Pengaruh perbedaan waktu pengukuran dan konfigurasi peletakan trafo arus pada jaringan terhadap kinerja rele numeris akan dibahas secara spesifik seperti yang pada bagian-bagian berikut.
4.7.1 Sinkronisasi Waktu Pengukuran
Media komunikasi dengan fiber optik memungkinkan komunikasi antar rele yang terpisah sampai puluhan dan bahkan ratusan kilometer tanpa memerlukan repeater. Untuk jarak yang lebih jauh dimana daya pancar transmisi sudah sangat lemah bisa dilakukan dengan rangkaian-rangkaian pengulang.
Tergantung dari fasilitas komunikasi yang tersedia, kita dapat menggunakan sistim atau kanal fiber optik yang secara khusus digunakan untuk sistim proteksi. Mengingat teknik perbandingan fasa yang diterapkan dibuat pada basis fasa demi fasa, maka sinkronisasi waktu pengukuran pada sistim proteksi diferensial adalah hal yang sangat penting dan perlu dilakukan.
Oleh karena itu kita perlu pengetahuan tentang adanya kelambatan transmisi antara rele-rele yang mungkin terjadi tergantung dari sistim komunikasi yang digunakan sehingga kesalahan pengukuran yang tidak persis bersamaan dapat dikompensir sebagaimana mestinya.
Dalam praktek terdapat empat cara yang mungkin dapat digunakan untuk mengatasi adanya perbedaan waktu pengukuran yang dilakukan sebagai berikut:
a. Menggunakan nilai-nilai asumsi.
b. Pengukuran waktu transmisi sewaktu melakukan komisioning. c. Pengukuran on-line secara terus menerus.
d. Dengan menggunakan jasa sinyal GPS.
Secara teknis metoda a) tidak dapat dipertanggung jawabkan dan tidak dianjurkan karena nilai asumsi bisa beda jauh dengan nilai sebenarnya. Metoda b) dapat digunakan bila antar rele digunakan hubungan komunikasi langsung.
Namun mengingat adanya perubahan karakteristik transmisi dari waktu ke waktu misal karena lingkungan sekeliling transmisi yang berubah (isolator-isolator yang kotor, pohon-pohon yang tumbuh, layang-layang yang menyangkut ditransmisi dan sebagainya), maka dianjurkan agar secara periodik dilakukan pengukuran-pengukuran waktu transmisi. Dengan demikian rele dapat diprogram ulang sesuai dengan hasil pengukuran terakhir. Meskipun demikian, cara pengukuran ini masih memungkinkan adanya kesalahan. Lebih lanjut meskipun pemakaian kanal-kanal sewa sperti banyak digunakan diluar negeri dimungkinkan namun dalam prakteknya tidak dianjurkan untuk digunakan sebagai bagian dari satuan proteksi.
Hal ini karena rute kanal-kanal komunikasi sewa tersebut bisa berubah sewaktu-waktu tergantung kebutuhan perusahaan yang menyewakan. Untuk itu perusahaan listrik harus terus menerus melakukan pemantauan dan kordinasi dengan pihak penyedia telekomunikasi sehingga akan menjadi kerja tambahan yang sering merepotkan. Metoda c), yaitu dengan pengukuran delay propagasi signal secara terus menerus merupakan cara terbaik yang dapat dikatagorikan sebagai teknik yang dapat dipandang cukup baik dan bisa diandalkan. Salah satu metoda dengan cara pengukuran on line secara terus menerus dapat dijelaskan sebagai terlihat pada Gambar 4.9.
Rele A dan B mencuplik sinyal pada waktu TA1, TA2..dan TB1, TB2 dan sebagainya. Waktu-waktu cuplik (sampling) tersebut tidak akan terjadi secara bersamaan terutama mengingat adanya beda waktu kecil pada frekuensi sampling pada masing-masing rele. Pada waktu TA1, rele A mengirim data ke Rele B. Data tersebut berisi informasi waktu dan data lain disamping data-data hasil sampling.
~
Sumber
~
Sumber
Kanal Komunikasi Digital
Ujung A Ujung A Vektor Arus TA1 Vektor Arus TB3 TA1 Td Tp2 Tp1 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TB1 TB2 TB3 TB4 TB5 TB3* TA* TB*
Sampling Waktu Pengukuran TB3* = (TA* - Tp2)
Kelambatan Waktu Propagasi Tp1 = Tp2 = ½ (TA* - TA1 - Td)
Td
TA1, TA2 = Waktu Sampling Rele A TB1, TB2 = Waktu Sampling Rele B
Tp1 = Kelambatan Waktu Propagasi dari A ke B Tp2 = Kelambatan Waktu Propagasi dari B ke A Td = Waktu Antara TA1 Sampai di B
TA* = Waktu Tiba Data TB3 di A TB* = Waktu Tiba Data TA1 di B
TB3* = Pengukuran Waktu Sampling TB3 Oleh Rele A dan Waktu Kirim TB3 ke A
5.9: Gambar 4.9: Pengukuran Kelambatan Propagasi Sinyal11
Data tersebut diterima relay B pada waktu TA1+Tp1 dimana Tp1 adalah waktu propagasi sinyal dari rele A sampai ke rele B. Rele B mencatat waktu terima ini sebagai TB*. Kemudian rele B memberi pesan informasi yang identik ke realy A. Pesan ini dia kirim
pada waktu TB3 dan diterima rele A pada waktu TB3+Tp2 atau katakanlah waktu TA*, dimana Tp2 adalah waktu propagasi sinyal dari rele B ke rele A. Data informasi yang dikirim dari B ke A termasuk informasi waktu TB3, time tag terakhir yang diterima dari rele A (TA1) dan waktu tunda antara waktu sampai data yang diterima dari A (TB*) dan TB3 yang disebut waktu kelambatan Td. Maka total waktu kirim adalah:
(TA*-TA1) = (Td+Tp1+Tp2)
Karena menggunakan media komunikasi yang sama maka bisa dianggap bahwa Tp1 = Tp2. Nilai waktu propagasi Tp1, Tp2 dan TB3 secara teoritis dapat dihitung. Dengan demikian data-data yang diukur rele B dan data-data yang diterima di A dapat dibandingkan dan hasilnya dapat digunakan untuk membandingkan fasa-fasa antara kedua ujung saluran. Rele B melakukan perhitungan yang sama terhadap data termasuk informasi waktu pengiriman sinyal yang diterima dari rele A. Dengan demikian pengukuran propagasi waktu secara terus menerus dapat dilakukan.
Dengan perhitungan-perhitungan tersebut, kompensasi dapat diberikan dengan sinkronisasi waktu pengukuran sehingga pengukuran dapat dilakukan pada waktu yang bersamaan. Mengingat pengukuran dan perbandingan fasa dilakukan terhadap fasa demi fasa, maka perhitungan-perhitungan dan pengiriman-pengiriman sinyal antara rele A dan rele B harus dilakukan pada masing-masing fasa. Kombinasi dan cara sinkronisasi ini dapat digunakan untuk mengatasi waktu propagasi sehingga pengukuran fasa dapat dilakukan pada waktu yang bersamaan.
Metoda diatas dapat juga diterapkan pada kanal komunikasi dengan menggunakan kabel pilot tergantung pada perangkat-perangkat antar-muka yang tersedia dan cocok yang diperlukan dalam mekanisme perhitungan-perhitungan waktu propagasi tersebut.
Metoda dengan memanfaatkan sinyal-sinyal GPS seperti cara d) juga merupakan metoda yang juga tergolong handal. Yang perlu diperhatikan disini adalah bahwa kedua rele harus sama-sama difasilitasi dengan modul-modul penerima sinyal-sinyal satelit GPS.
Pada sistim diferensial yang menggunakan sinyal-sinyal clock GPS ini, perhitungan dan pengetahuan terhadap waktu delay propagasi pada masing-masing kanal komunikasi sudah tidak diperlukan lagi, sebab sistim clock kedua rele sudah disinkronkan melalui satellite GPS. Namun khusus pada sistim proteksi dimana kesalahan sekecil apapun tidak bisa ditolerir, maka tingkat sensitifitas rele-rele yang digunakan harus cukup tinggi. Diharapkan bahwa dalam keadaan cuaca yang bagaimanapun rele harus tetap bisa menerima sinyal-sinyal GPS secara terus menerus dan baik. Oleh karena itu pemilihan perangkat penerima GPS harus dilakukan secara hati-hati dan selektif serta harus mempunyai kualitas baik.
Meskipun harus mengeluarkan biaya investasi tambahan, dalam kondisi dimana keberadaan sistim proteksi ini sangat vital maka kalau perlu perangkat penerima signal GPS dapat ditambah dengan GPS ekstra cadangan yang bisa digunakan untuk menjamin keberadaan sinyal-sinyal GPS secara terus menerus walaupun sewaktu-waktu salah satu penerima GPS tidak berfungsi. Dengan menggunakan sinkronisasi
waktu seperti diuraikan diatas maka setelan minimum yang dapat dilakukan tanpa menurunkan sistim stabilitas kerja rele bisa dilakukan hingga pada setelan arus 20% dari arus primer trafo arus.
4.7.2 Pengaruh Konfigurasi Jaringan
Cara menghubungkan trafo-trafo arus pada sistim gardu induk dengan konfigurasi diameter atau dengan sistim 1 ½ breaker perlu diperhatikan agar penerapan rele diferensial dapat berfungsi secara optimal. Dua saluran yang menghubungkan dua gardu dengan sistim diameter dapat dilihat seperti pada Gambar 4.10. Mengingat daya yang mengalir pada saluran dapat bersumber dari bus 1 maupun bus 2 atau sekaligus dari kedua busbar maka cara menghubungkan trafo arus ke alat proteksi perlu diperhatikan sehingga dalam kondisi bagaimanapun sistim proteksi dapat berfungsi dengan benar dan tetap stabil.
Ada dua cara yang bisa ditempuh untuk mengubungkan trafo-trafo arus dengan rele yaitu seperti pada saluran A dan B yang dapat digambarkan pada Gambar 4.10 tersebut. Pada cara A dimana kedua kumparan sekunder trafo arus pengapit saluran dihubungkan secara bersama sebelum dihubungkan ke rele sedang pada saluran B masing-masing rangkaian keluaran sekunder trafo arus dihubungkan ke rele secara sendiri-sendiri. Cara A dirasa kurang fleksibel khususnya pada waktu dimana pemisah saluran A terbuka terjadi gangguan eksternal seperti pada titik F. Pada kondisi ini tidak ada arus bias yang terlihat pada rele sehingga arus ekstenal dapat menyebabkan kedua PMT pengapit mendapat perintah trip tanpa dinginkan. Meskipun dalam keadaan operasi normal dimana alat pemisah kedua saluran dalam keadaan tertutup kedua jenis proteksi baik cara A maupun B sama-sama dapat menawarkan sistim stabilitas yang baik.
I d
Bus 1
Bus 2
Rx
+
Stub Bus Input Tx I d Rx Tx Bus 1 Bus 2 Tx +
Stub Bus Input Rx Tx Rx Feeder A Feeder B I d I d F Hubungan Trafo Arus Pengapit Cara B Hubungan Trafo Arus Pengapit Cara A
5.10: Konfiguarsi gardu dengan sistim diameter
Namun pada kondisi dimana pemisah saluran terbuka maka hanya cara B yang dapat bertahan dengan stabil karena dalam kondisi tersebut sistim masih dapat melihat arus bias yang besar yang dapat digunakan untuk mencegah kesalahan kerja. Oleh karena
itu cara hubungan trafo-trafo arus ke rele proteksi dengan cara A jarang digunakan dan sebaliknya cara yang sering dilakukan adalah hubungan trafo arus seperti pada saluran B. Untuk mendapatkan sistim kendali proteksi yang lebih luwes suatu rele numeris biasanya diberi fasilitas dengan kemampuan untuk dapat memantau kondisi alat pemisah saluran setiap bagian jaringan yang terkait yaitu melalui kontak-kontak bantu mereka yang tersedia sehingga dengan demikian dimungkinkan agar besaran arus yang ditransmisikan ke dan diterima dari rele ujung remote dapat di set ke nol pada waktu posisi alat pemisah saluran dalam keadaan terbuka. Untuk dapat menerapkan rele diferensial pada konfigurasi diameter secara tepat dan efektif disarankan agar merujuk pada buku-buku petunjuk dari rele yang akan digunakan.