3. RELE ARUS LEBIH
3.14 Rele Arus Lebih Fasa Direksional
Sistim proteksi arus lebih biasa tidak dilengkapi dengan elemen arah sehingga tidak bisa membedakan arah arus gangguan. Padahal dalam prakteknya konfigurasi jaringan bisa berubah-ubah, saat ini mungkin mendapat pasokan daya dari arah kiri sedangkan pada waktu lain mendapat pasokan dari sisi lawannya. Mengingat sifat jaringan yang bisa berubah maka sebuah rele arus lebih biasa akan mengalami kesulitan dan mungkin tidak dapat difungsikan sebagaimana mestinya. Untuk mengatasi keterbatasan tersebut maka sebuah rele arus lebih perlu dilengkapi dengan elemen arah sehingga dia bisa melihat arah gangguan. Kebutuhan ini pada prinsipnya dapat dilakukan dengan menambahkan komponen tegangan pada rele arus lebih konvensional.
Dengan menambahkan elemen tegangan sebagai parameter kerja rele maka cara kerja rele sebenarnya adalah berdasarkan besar dan arah aliran daya. Namun demikian rele direksional tidak dirancang untuk bekerja berdasarkan aliran daya aktif sebab pada waktu gangguan daya hubung singkat pada umumnya bersifat reaktif sehingga tidak akan mampu untuk membangkitkan torsi maksimum untuk menggerakkan rele. Lagi pula mengingat pada waktu gangguan tegangan kawat fasa ketanah yang terganggu akan turun menjadi sangat kecil sehingga praktis tidak bisa digunakan sebagai besaran untuk menggerakkan rele. Untuk mengatasi kesulitan ini maka tegangan yang diberikan pada rele biasanya diambil dari tegangan kawat-kawat fasa lainnya secara silang sehingga nilai tegangan yang terhubung dengan rele tidak akan terlalu dipengaruhi oleh gangguan. Berikut adalah beberapa faktor pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam penerapan rele direksional.
3.14.1 Diagram Hubungan Rele
Terdapat berbagai jenis konfigurasi diagram yang dapat digunakan untuk menghubungkan rele arus lebih dengan tegangan dan arus masukan. Hubungan-hubungan tersebut tergantung pada sudut fasa, faktor kerja sistim dan fasa arus dan tegangan yang hendak diterapkan pada rele. Misal untuk arus fasa a sedang tegangan diambil dari fasa b dan c, atau tegangan salah satu fasa lain ke netral atau tegangan fasa lain terhadap kawat fasa yang terganggu. Bahkan untuk mnedapatkan sudut fasa antara arus dan tegangan tertentu sering juga digunakan trafo-trafo interposing sebelum dihubungkan dengan rele.
Meskipun banyak konfigurasi yang dibisa dipilih, tetapi dalam prakteknya yang digunakan hanya beberapa jenis diagram. Tidak seperti pada rele elektro mekanik dimana pengaturann fasa hanya bisa dilakukan dengan melakukan penyesuaian hubungan-hubungan (delta, wai dan lain sebagainya) pada rele-rele digital dan numeris masalah jenis konfigurasi hubungan sudah tidak begitu dipentingkan, karena sudut-susdut fasa yang diperlukan dapat diatur dengan dengan mudah melalui perangkat lunak.
3.14.2 Sudut Sensitifitas Maksimum
Sudut sensitifitas maksimum rele-rele elektromekanis sering didefenisikan sebagai torsi maksimum dimana sudut fasa arus dan tegangan yang diterapkan pada rele dapat menghasilkan torsi rele maksimum. Sebagaimana sudah disebut sebelumnya meskipun sebenarnya rele direksional adalah jenis rele wattmetrik namum cara kerja rele tidak semata-mata berdasarkan daya real. Cara kerja rele ini bisa bervariasi tergantung elemen penggeser fasa tambahan yang diberikan untuk menghasilkan torsi maksimum. Sementara itu pada rele-rele numeris besaran torsi maksimum sebenarnya tidak terkait langsung dengan prinsip kerja rele tetapi lebih tepat disebut sebagai sudut sensistifitas maksimum.
Cara kerja rele direksional dapat digambarkan menurut diagram tegangan dan arus sebagaimana pada Gambar 3.11. Terdapat tiga jenis hubungan VT dan CT yang paling banyak digunakan yaitu 900 (kuadran), 450 dan 300. Hubungan sudut fasa 900 (kuadran) disebut hubungan standar dan umumnya paling disukai.
Dalam hal gangguan satu fasa ketanah misalnya fasa A ketanah, maka arus yang digunakan adalah arus gangguan fasa Ia sedangkan tegangan yang digunakan untuk menggerakkan rele adalah tegangan Vbc yaitu selisih vektor tegangan fasa B dan fasa C. Pada keadaan normal dan beban resistif arus fasa Ia dan tegangan fasa Va berada pada posisi hampir satu fasa. Namun pada waktu fasa A terganggu maka tegangan fasa Va akan turun keharga yang sangat kecil sedang arus Ia akan naik menjadi sangat tinggi. Sudut fasa tegangan (Vbc) dan arus pada kondisi ini disebut karakteristik sudut rele atau secara umum dikenal sebagai Rele Characteristic Angle atau lebih populer disingkat dengan RCA. Selain karaktersitik sudut rele 900, terdapat dua karaktersitik RCA yang akan dibahas pada uraian-uraian berikut yaitu karakteristik RCA 60° dan karakteristik RCA 45°.
Pada karakteristik RCA 60° ini elemen rele fasa A dipasok dengan arus Ia dan tegangan Vbc yang digeserkan kearah berlawanan dengan arah jarum jam sehingga satu sama
lain berbeda fasa sebesar 600. Dalam hal ini torsi atau sensitifitas maksimum rele diperoleh pada waktu arus tertinggal terhadap tegangan fasa (Va) ke netral sebesar 600. Daerah operasi kerja tripping rele sehubungan dengan sudut karakteristik rele (RCA) ini hanya terjadi pada satu arah yaitu pada semua arus yang berada pada daerah 300 leading hingga 1500 lagging seperti terlihat pada Gambar 3.11.
Elemen Fasa A Terhubung Ia Vbc Elemen Fasa B Terhubung Ib Vcb Elemen Fasa C Terhubung Ic Vab
Vbc
RCA
Ia Va Garis torsi nol
Vc Vb 150° 30° 30° V”bc ( V bc ya ng diges erkan )
Gambar 3.11: Diagram Vektor Untuk Hubungan RCA 300 (Elemen Fasa A) Perlu dicatat bahwa sensitifitas rele pada faktor daya satu adalah 50% dari sensititiftas maksimum dan naik menjadi 86.6% pada faktor kerja nol dimana tegangan dan arus beda fasa sebesar 900 (standar). Hubungan dengan karakteristik rele RCA 300 dapat dilakukan (rekomendasi) untuk mem-proteksi saluran lurus tanpa pencabangan (plain feeder) yang mempunyai sumber urutan nol (titik pentanahan) dibelakang rele. Sementara pada karakteristik RCA 450, elemen rele fasa A dipasok dengan arus Ia dan tegangan Vbc yang tergeser sebesar 450 kearah berlawanan dengan arah jarum jam. Sensitifitas rele maksimum diperoleh pada waktu arus lagging terhadap tegangan fasa ke netral sebesar 450.
Daerah arah tripping terjadi dengan tepat hanya terhadap arus-arus yang berada pada kisaran mulai dari 450 leading sampai 1350 lagging. Sensitifitas rele pada faktor kerja 1 berada pada kondisi 70.7% dari torsi maksimum dan sama untuk faktor kerja nol lagging. Lihat Gambar 3.12 dibawah.
Jenis hubungan RCA 450 ini dapat digunakan (rekomendasi) untuk memproteksi trafo-pemasok atau saluran-saluran yang mempunyai sumber urutan nol berada didepan rele. Hal ini patut dicatat karena penting pada trafo-trafo atau trafo-trafo penyulang yang terhubung paralel, dengan tujuan utama adalah untuk mendapatkan stabilitas yang tinggi yaitu untuk menjamin bahwa kerja rele hanya bisa terjadi pada gangguan-gangguan diluar trafo yang terhubung star-delta.
Trafo penyulang adalah trafo yang langsung dihubungkan dengan saluran transmisi hingga beberapa kilometer, jarang ada di Indonesia.
Elemen Fasa A Terhubung Ia Vbc Elemen Fasa B Terhubung Ib Vca Elemen Fasa C Terhubung Ic Vab
Vbc
RCA
Ia Va Garis torsi nol
Vc Vb
135°
45°
45°
Gambar 3.12: Diagram Vektor Hubungan RCA 450 (Elemen fasa A)
Pada umumnya rele digital dan numerik sudah dilengkapi dengan fasilitas untuk memungkinkan pengguna melakukan pemilihan setelan sesuai dengan kebutuhan mereka. Fasilitas ini bisa dilihat pada layar menu user-selection yang telah dirancang secara fleksibel dengan kisaran pengaturan sudut RCA yang cukup lebar.
Secara teoritis, kondisi gangguan tiga fasa dapat menyebabkan kesalahan operasi elemen direksional terutama pada jenis gangguan-gangguan sebagai berikut:
a. Gangguan fasa-fasa-tanah pada saluran lurus.
b. Gangguan fasa-tanah pada trafo-saluran dengan sumber urutan nol didepan rele.
c. Gangguan fasa-fasa pada trafo daya dengan rele melihat kearah kumparan delta trafo.
Perlu dicatat bahwa pada asumsi-asumsi yang digunakan dalam menetapkan pergeseran sudut arus dan tegangan maksimum pada rele terdapat kondisi yang tidak menguntungkan dimana magnitude arus input gangguan pada rele sering tidak cukup besar untuk menggerakkan rele dengan baik. Kemungkinan kesalahan operasi tersebut dapat dilihat secara analitik dan hanya bisa terjadi pada daerah 900-450. Tetapi untungnya daerah kerja tersebut dalam prakteknya jarang ditemukan.
3.14.3 Terapan Rele Direksional
Jika rele non-unit atau non-direksional diterapkan pada saluran-saluran paralel yang mempunyai satu sumber pembangkit, maka setiap gangguan yang mungkin terjadi pada salah satu saluran manapun, tak perduli pada nilai setelan rele yang digunakan, selalu akan mengisolir gangguan dan memutuskan sumber pembangkit. Dengan demikian pada kedua ujung remote saluran paralel ini perlu dilengkapi dengan proteksi rele arah yang digrading dengan rele rele non-arah pada masing-masing pangkal saluran. Bila pada kondisi tersebut terjadi gangguan pada salah satu saluran
maka hanya rele bagian hulu dan hilir pada saluran tersebut yang bekerja sehingga tidak akan mengganggu saluran lain. Hal ini dilakukan dengan melakukan setelan rele arah R1’ dan R2’ seperti pada Gambar 3.13 dimana elemen arah mereka melihat kearah saluran yang di proteksi, pada waktu dan setelan arus yang lebih rendah dibandingkan dengan R1 dan R2. Praktek yang umum adalah untuk menset rele R1’ dan R2’ pada 50% beban penuh dari saluran yang diproteksi dengan setelan waktu pada nilai 0.1 TMS. Tapi perlu diperhatikan bahwa rating rele tersebut terhadap panas (thermal) pada arus dua kali lebih tinggi dari arus rating beban tidak boleh dilampaui.
Pembangkit R1
~
I I R‟1 R2 I I R‟2 Gangguan Beban GangguanGambar 3.13: Rele Arah Diterapkan Pada Saluran Paralel