3. RELE ARUS LEBIH
3.15 Proteksi Gangguan Tanah
Analisa dan perhitungan setelan-setelan (setting) rele pada diskusi-diskusi rele direksional diatas lebih ditekankan pada arus hubung singkat gangguan fasa. Namun dalam prakteknya rele-rele direksional tersebut selalu dilengkapi dengan elemen-elemen lain yang juga peka terhadap arus gangguan tanah dan arus residu yang terjadi pada gangguan-gangguan yang tidak seimbang. Pada sistim gangguan, komponen arus residu yang terjadi selalu mengalir ke tanah. Dengan demikian rele gangguan tanah sebenarnya tidak akan terganggu terhadap perubahan arus-arus beban baik dalam keadaan seimbang maupun dalam gangguan tidak simetris lain yang tidak mengalir ketanah. Lagi pula rele gangguan tanah dapat pula disetel sesuai besarnya arus bocor atau arus pemuat kapasitansi ke tanah. Faktor arus bocor perlu diperhatikan pada waktu menetapkan setelan-setelan yang berada pada harga hanya beberapa persen dari angka pengenal (rating). Hal ini mengingat pada kondisi tersebut arus bocor yang terjadi dapat menghasilkan arus residu yang cukup besar yang dapat mempengaruhi level setelan yang terlalu rendah hingga menjadi tidak stabil. Namun dalam prakteknya, setelan rele gangguan tanah yang rendah perlu dan harus dilakukan, karena gangguan tanah tidak hanya merupakan gangguan yang jauh lebih sering terjadi tetapi juga besar arus gangguannya dibatasi oleh impedansi netral pentanahan sistim dan oleh tahanan kontak gangguan.
Cara yang dapat digunakan untuk mengukur komponen arus residu adalah dengan menghubungkan trafo arus secara paralel seperti terlihat pada Gambar 3.15. Hubungan sederhana terlihat pada Gambar 3.15 (a) dapat diperluas dengan menghubungkan elemen arus lebih pada masing-masing kawat fasa seperti pada Gambar 3.15 (b) dan menyisipkan rele gangguan tanah diantara titik bintang kelompok rele dan trafo-trafo arus.
A I B C A B C I I I I A B C I I I (a) (b) (c)
Gambar 3.15: Hubungan Trafo Arus Pada Rele Gangguan Tanah
Penerapan rele arus lebih gangguan fasa dapat dibuat hanya pada gangguan dua fasa yang dapat juga mendeteksi setiap gangguan antar fasa lainnya termasuk gangguan tiga fasa lainnya. Pada konfigurasi rele demikian penerapan rele gangguan tanah tetap dapat dilakukan dengan menghubungkan rele langsung ke titik netral ketiga trafo arus seperti terlihat pada Gambar 3.15 (c). Setelan-setelan tipikal rele gangguan tanah biasanya berkisar pada harga-harga 30%-40% dari arus beban penuh atau arus gangguan tanah minimum yang bisa terjadi pada bagian sistim yang diproteksi. Namun praktek-praktek untuk mendapatkan rele gangguan tanah yang peka, perlu ada pertimbangan-pertimbangan yang harus dilakukan terhadap variasi setelan sesuai dengan burden rele sebagaimana diuraikan pada Bab 3.15.3 lebih lanjut.
3.15.1 Setelan Efektif Rele Gangguan Tanah
Pada dasarnya nilai setelan arus primer sebuah rele arus dapat ditentukan berdasarkan nilai setelan rele arus lebih sekunder dikalikan dengan rasio
perbandingan kumparan CT. Besarnya arus primer pada trafo-trafo arus dengan akurasi rasio yang tinggi bisa dinyatakan sebagai persentasi dari arus nominal sekunder. Dengan demikian nilai setelan arus primer dapat langsung ditentukan dengan mengalikan nilai setelan rele tersebut dengan rasio trafo arus. Namun, penyederhanaan ini tidak selalu bisa diterapkan khususnya pada waktu penerapan rele gangguan tanah. Idealnya perhitungan-perhitungan setelan rele gangguan tanah lebih baik dilakukan sesuai kondisi real dengan mana setiap kondisi perlu di uji satu demi satu secara teliti dan disesuaikan dengan buku manual dan teknologi rele-rele gangguan tanah yang akan diterapkan.
Rele Statik, Digital Dan Rele Numerik
Rele-rele statik, digital ataupun rele numeris umumnya mempunyai burden relatif kecil dan variasi burden tersebut biasanya juga dibatasi diatas kisaran setelan rele. Oleh karena itu penyederhanaan perhitungan yang sudah dibahas diatas dan trafo dianggap ideal dapat digunakan sebagai pegangan dalam melakukan perhitungan-perhitungan. Tetapi variasi input burden rele tetap harus diperiksa untuk memastikan bahwa variasi tersebut cukup kecil sehingga tidak akan mempengaruhi kinerja rele. Sebab pada variasi burden rele yang besar, kesalahan rasio bisa terjadi secara signifikan, sehingga prosedur-prosedur setelan rele tersebut perlu dibuat sebagaimana pada prosedur dan cara-cara setelan rele-rele elektomekanik biasa.
Rele Elektromekanik
Elemen gangguan tanah yang digunakan pada rele elektromekanik umumnya sama dengan elemen gangguan fasa. Biasanya mereka mempunyai burden (VA) yang sama pada level setelan arusnya. Tetapi pada setelan yang rendah rele elemen gangguan tanah bisa mempunyai burden yang lebih tinggi pada arus nominalnya. Sebagai contoh, sebuah rele dengan setelan 20% bisa mempunyai impedansi 25 kali impedansi elemen yang sama pada setelan 100%. Sering burden ini dapat melebihi rating trafo arus sehingga kadang dirasa perlu untuk mengganti trafo arus dengan burden yang lebih besar.
Trafo arus yang terhubung dengan fasa dapat juga digunakan untuk mengerjakan rele gangguan tanah sehingga kesalahan yang meningkat pada waktu gangguan menjadi tidak begitu terasa karena mempunyai burden (VA) yang cukup tinggi. Dalam prakteknya ternyata tegangan rele tanah tidak semata-mata hanya ditentukan oleh arus penguat trafo arus saja, tetapi juga dapat dipengaruhi oleh arus-arus lain yang mengalir pada trafo-trafo arus yang terhubung paralel. Dengan demikian jumlah arus penguat total sebenarnya adalah perkalian rugi-rugi magnetis dalam satu trafo arus dengan banyaknya trafo arus yang terhubung paralel. Jumlah rugi-rugi maknetis tersebut bisa berharga cukup signifikan jika dibandingkan dengan besar arus kerja rele dan dalam kondisi khusus tertentu pada setelan arus yang rendah atau pada trafo arus yang kinerjanya rendah, mereka bisa melebihi arus keluaran rele.
Setelan arus efektif sekunder adalah jumlah setelan arus rele ditambah dengan arus rugi-rugi eksitasi total. Singkatnya, setelan efektif adalah jumlah vektor setelan arus rele dengan arus penguat total. Tetapi dalam prateknya penjumlahan arus-arus
tersebut sering dilakukan dengan penjumlahan aljabar biasa dengan hasil cukup memadai khususnya bila terdapat kesamaan pada faktor kerja mereka. Untuk jelasnya diberi contoh untuk menghitung setelan efektif harga-harga setelan rele yang mana prosesnya dapat dilihat seperti pada Tabel 3.4 yang hasilnya dapat digambarkan seperti pada Gambar 3.16. Terlihat bahwa setelan efektif selalu lebih tinggi dari setelan rele yang dibuat pada plug rele-rele tersebut1.
Disamping itu hal-hal lain yang perlu diperhatikan dalam perhitungan setelan rele tidak hanya pengaruh impedansi rele yang tinggi dan rugi-rugi eksitasi yang mengalir pada rangkaian netral (residual) tetapi juga perlu juga dipertimbangkan pengaruh faktor kerapatan flux trafo arus terutama pada titik lengkung bawah kurva eksitasi. Impedansi kumparan eksitasi penguat dalam kondisi ini relatif rendah, sehingga dapat menyebabkan kesalahan rasio menjadi tinggi.
Setting Efektif (%) 105 86 67 50 36 33 34.3 40 Arus (A) Setting Plug Rele
(%) Arus (A) Tegangan Coil pada Setting (V) Arus Penguat (Ie) 5.24 4.3 3.36 2.51 1.81 1.65 1.715 2 0.08 0.1 0.12 0.12 0.27 0.3 0.405 0.583 0.6 0.75 1 1.5 3 4 6 12 5 4 3 2 1 0.75 0.5 0.25 100 80 60 40 20 15 10 5
Tabel 3.4: Perhitungan Setelan Efektif
Kinerja trafo arus sebenarnya akan terkoreksi seturut dengan naiknya arus primer (selama belum mencapai lengkung saturasi) yang diikuti dengan turunnya impedansi hingga arus input yang mengalir pada kumparan rele bisa mencapai harga beberapa kali lebih besar dari nilai setelan primer. Keadaan ini dapat menyebabkan terjadinya perbaikan kinerja rele karena waktu operasi rele pada arus yang lebih tinggi akan lebih singkat dari pada waktu yang diharapkan. Sebaliknya pada arus primer yang lebih tinggi, kinerja trafo arus akan melorot jauh karena pengaruh saturasi. Dengan demikian kinerja operasi rele akan menjadi lebih gak karuan karena pengaruh distorsi gelombang arus sekunder sudah menjadi signifikan.
10 20 30 0 0.5 1.0 1.5 Karakteristik arus penguat trafo Arus penguat (amper)
T e g a n g a n s e k u n d e r
0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 Setting rele (%) S e tt in g e fe k ti f (% )
Gambar 3.16: Setelan Efektif Rele Gangguan Tanah 3.15.2 Grading Waktu Rele Gangguan Tanah
Grading waktu rele gangguan tanah dapat disusun dengan cara yang sama seperti pada penyusunan grading waktu pada rele gangguan fasa. Namun karakteristik waktu-arus primer (khususnya rele elektromekanik) tidak dapat di pertahankan mempunyai akurasi yang sama sebagaimana dapat diperoleh pada rele gangguan fasa. Sebagaimana sudah dipahami, kesalahan rasio kumparan trafo arus pada setelan arus rele bisa jadi sangat tinggi sehingga proses grading waktu rele gangguan tanah khususnya rele elektromekanik tidaklah se-sederhana seperti prosedur yang digunakan untuk rele gangguan fasa dalam Tabel 3.3.
Sesungguhnya proses penyusunan grading rele gangguan tanah ini sering memerlukan waktu-waktu yang lama dan terasa sebagai suatu pekerjaan yang membosankan khususnya mengingat begitu banyaknya faktor-faktor yang perlu diperhitungkan pada setiap perhitungan level setelan. Untuk menghasilkan setelan-setelan yang tepat perlu ada pengalaman dan kemahiran, misal dengan membiarkan grading margin yang lebih panjang tetapi tetap aman.
3.15.3 Rele Gangguan Tanah Sensitif
Jaringan tegangan rendah yang ditanahkan dengan impedansi dapat menghasilkan tegangan tanah yang tinggi yang dapat menimbulkan resiko terhadap keselamatan manusia. Oleh karena itulah maka sistim tegangan rendah tidak pernah ditanahkan melalui impedansi. Sebaliknya pada jaringan tegangan tinggi praktek-praktek sistim pentanahan melalui impedansi banyak dilakukan dengan tujuan untuk membatasi besar arus hubung singkat gangguan tanah yang mungkin terjadi.
Lebih jauh, dibeberapa negara, tahanan jenis tanah (soil resistivity) sepanjang jalur transmisi bisa mempunyai nilai yang sangat tinggi sesuai keadaan tanahnya seperti tanah pada gurun pasir atau tanah pegunungan berbatu-batuan. Gangguan ketanah yang tidak melibatkan kawat tanah mungkin hanya dapat menyebabkan arus gangguan tanah yang kecil, yang sering tidak cukup untuk menggerakkan rele proteksi biasa. Hal ini misalnya bisa timbul pada keadaan dimana ada kawat fasa yang meskipun sudah putus dan sudah menyentuh tanah, namun arus yang mengalir ketanah sangat kecil dan tidak cukup untuk menggerakkan rele proteksi. Akibatnya kawat tersebut dapat terhubung terus dengan tanah tanpa bisa di isolir sehingga bisa
sangat berbahaya bagi orang yang kebetulan lewat tanpa menyadari bahwa kawat tersebut sebenarnya masih bertegangan tinggi.
Untuk mengatasi kesulitan ini digunakan rele proteksi gangguan tanah yang dapat disetel lebih rendah dari setelan proteksi normal. Dengan rele-rele numeris modern hal ini tidak menjadi masalah karena sudah mempunyai kemampuan untuk dapat disesuaikan pada berbagai keadaan tanah dengan mudah. Tetapi untuk rele-rele elektromekanik atau rele statik lainnya proses penyetelan rele bisa mengalami kesulitan khususnya bila trafo-trafo arus yang digunakan berkapasitas kecil sehingga mungkin harus diganti dengan trafo arus dengan burden yang lebih sesuai. Umumnya pada kondisi tanah seperti ini, sensitifitas rele yang diperlukan tidak dapat ditunjang oleh trafo arus konvensional. Oleh karena itu trafo arus yang sering digunakan adalah core balance current tranformer (CBCT).
CBCT adalah trafo arus yang dipasang mengelilingi kawat-kawat ke tiga fasa termasuk netral (bila ada) sehingga arus sekunder trafo arus adalah sebanding dengan jumlah arus residual (arus tanah) yaitu jumlah arus-arus fasa yang tidak seimbang karena gangguan. Trafo arus seperti ini dapat dibuat mempunyai rasio yang bagus dan cocok digunakan untuk mengoperasikan elemen rele-rele gangguan tanah sensitif. Dengan menggunakan teknik tersebut, setelan arus gangguan tanah dapat diturunkan hingga dibawah 10% dari arus nominal jaringan yang mau diproteksi.
Untuk menghasilkan pengukuran arus residu yang akurat, maka penempatan trafo arus CBCT pada jaringan yang mau di proteksi, perlu dilakukan dengan benar dan hati-hati. Kalau pembungkus (sheat) kabel ditanahkan, hubungan ketanah melalui kabel gland harus dilakukan melalui CBCT yang utamanya untuk memastikan bahwa gangguan fasa ke metal pembungkus dapat terdeteksi. Gambar 3.17 memperlihatkan hubungan yang benar dan yang salah. Dengan metoda hubung yang salah, arus gangguan yang mengalir pada metal pembungkus tidak dilihat sebagai arus residu sehingga rele tidak dapat bekerja.
Disamping itu perlu juga diperhatikan bahwa arus residu normal yang mungkin mengalir dalam kondisi sehat sering juga menjadi kendala yang membatasi aplikasi proteksi gangguan tanah non arah sensitif. Kejadian atau pengaruh arus residu demikian ini dapat terjadi pada sistim-sistim dengan kapasitansi bocor yang tidak seimbang misal pada kawat-kawat saluran yang panjang yang tidak disuper posisi sepanjang jalur transmisi.
I Kabel
boks
Cincin kabel (cable gland)
Gland & pembungkus kabel terhubung ke tanah
I
Tidak kerja
b) Penempatan CT Yang Salah
I
Bekerja dengan benar
c) Penempatan CT Yang Benar Gambar 3.17: Penempatan CBCT