TINJAUAN PUSTAKA
2.8. Rele Proteksi Arus Lebih
Rele Proteksi arus lebih berfungsi menginisiasi diskoneksi sebagian dari instalasi listrik atau mengoperasikan sinyal peringatan jika terjadi gangguan arus lebih baik karena gangguan beban lebih maupun karena gangguan arus hubung singkat sehingga alat yang diproteksi terhindar dari kerusakan dan lingkungan juga aman untuk manusia maupun untuk alam sekitar. Rele arus lebih ada dua tipe yaitu tipe elektromekanis dan tipe statis sebagaimana diuraikan berikut ini [15].
2.8.1. Rele proteksi arus lebih elektromekanis
Gambar 2.4 Rele elektromekanis [1,2]
Piringan
Koil kutub tengah
Elektromagnet Plug
Magnet
Keeper
Komponen utama rele ini adalah unit piringan induksi dan 3 kutub electromagnet seperti terlihat pada Gambar 2.4. Piringan ini dipegang oleh suatu pegas penahan. Seluruh energi operasi diberikan ke kumparan kutub tengah. Satu kutub luar dilengkapi dengan kumparan lag. Kutub lainnya tidak ada kumparan nya. Arus I pada
kumparan utama menghasilkan fluksi ߔ yang lewat celah udara menuju piringan,
akhirnya tiba di Keeper. Fluksi ߔ kembali sebagai ߔL lewat lengan kiri dan
sebagai ߔR lewat lengan kanan dimana Φ = ߔL + ߔR. Kumparan lag terhubung
singkatkan di lengan kiri menyebabkan ߔL terbelakang dari ߔR dan Φ. Dengan adanya
arus pick-up fundamental maka timbul Torsi yang cukup kuat untuk mengatasi Torsi pegas penahan piringan dan menyebabkan piringan mulai bergerak. Torsi ini di hasilkan dari interaksi antara arus di piringan yang diproduksi oleh tiap kutub dan fluksi-fluksi dua kutub lainnya. Kenaikan frekuensi arus input menyebabkan perubahan kecil pada arus yang diproduksi di sirkit kumparan lag. Akan tetapi, fluksi pada kutub ini akan turun berlawanan dengan proporsi kenaikan frekuensi, menjaga sifat elektromagnet sebagai ekivalent dari transformator arus. Dengan cara yang sama, fluksi pada kutub luar lainnya menurun karena gaya gerak magnet (mmf) rendah padanya. Jadi fluksi pada kutub tengah adalah jumlah fluksi-fluksi dua kutub luar lainnya, yang juga diturunkan. arus sirkit kumparan lag tetap. Penurunan rotasi piringan ini, menyebabkan arus pick-up bertambah, dan akhirnya menyebabkan efisiensi elektromagnet dirusak pada point non operasi. Harmonisa dikombinasikan dengan fundamental menimbulkan efek serius pada nilai arus pick-up dan waktu operasi dari kurva arus-waktu inverse rele arus lebih elektromekanis [1,2].
Setiap penghantar yang dilalui arus meghasilkan fluksi yaitu :
Arus I menghasilkan fluksi ߔ1 dan arus Is menghasilkan fluksi ߔs sehingga interaksi
kedua fluksi ini menghasilkan torsi elektromekanis yaitu :
Tem = knߔ1ߔs Sinࢲ [1,2,12,16]………...… (2.7)
dimana :
kn = konstanta torsi elektromekanis
Sinࢲ = sinus sudut yang dibentuk kedua fluksi
Torsi yang bekerja pada piringan merupakan resultanta torsi elektromekanis dan torsi pegas yaitu:
Tg = Tem - k2; Tg = knߔ1ߔsSinࢲ – k2 [1,2,12]………...… ( 2.8)
dimana :
I = arus efektif yang mengalir dalam kumparan utama Is = arus pada kumparan lag
k2 = torsi pegas penahan Tg = torsi gerak
Fluksi pada kutub tengah adalah jumlah fluksi-fluksi dari 2 kutub luar lainnya, juga dikurangi dengan penurunan arus pemagnetan untuk pengurangan frekuensi dan arus sirkit kumparan-lag tetap, efeknya adalah untuk kutub tengah dan fluksi-fluksi kutub non-lag menarik mendekati sefasa. Ini menurunkan rotasi piringan, menyebabkan arus pick-up naik, dan akhirnya menyebabkan efisiensi elektromagnet menjadi semakin turun sehingga tak beroperasi [1, 2, 12, 16].
Kurva arus-waktu Inverse didisain bekerja dengan arus sinusoidal, tidak dapat bekerja secara efektif dengan arus non sinusoidal yang mengandung komponen harmonisa. Arus pick-up baik arus fundamental maupun arus rms terdistorsi naik sesuai kenaikan THDi; hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.4, Gambar 2.5 dan Gambar 2.6 berikut ini:
Tabel 2.4 Perubahan I1 dan It sesuai perubahan THDi [1] THDi(%) 6,00 35,31 46,08 68,99 70,65 85,86 I1(A) 1,10 1,14 1,22 1,34 1,40 1,46 It (A) 1,10 1,20 1,30 1,60 1,68 1,90
Gambar 2.5 THDi vs I1 [1]
Gambar 2.6 Kurva THDi vs It [1]
Demikian juga waktu operasi rele (ttrip) semakin lambat sesuai kenaikan THDi sekalipun It tetap sebesar 2,00 A seperti diperlihatkan pada Tabel 2.5.dan Gambar 2.7 berikut ini :
Tabel 2.5 Perubahan ttrip sesuai perubahan THDi [1] THDi(%) 6,43 27,45 35,12 59,50 65,23 85,20 ttrip(s) 4,63 5,27 5,98 8,68 9,58 14,96
Dari data pada Tabel 2.5 diatas dibentuk kurva Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Kurva Karakteristik arus-waktu [1]
Karakteristik Arus-Waktu Inverse Rele Arus Lebih Elektromekanis Untuk Arus Sinusoidal ttrip (detik) vs I1(A) .
Distorsi harmonisa menyebabkan kenaikan waktu trip rele sehingga
komponen sistem tenaga yang diproteksi oleh rele ini akan berpeluang menjadi panas dan akhirnya rusakdemikian juga koordinasi rele ini tidak dapat terealisasi secara sempurna.
2.8.2. Rele proteksi arus lebih statis
Sudah sejak beberapa tahun lalu rele statis ini digunakan menggantikan rele elektromekanis dan banyak digunakan pada sisi tegangan menengah 20 kV Gardu Induk 150 kV/20 kV. Rele statis ini mirip dengan rele elektromekanis dalam fungsinya dan dapat langsung menggantikan rele elektromekanis yang ada. Adapun bentuk fisik dari rele statis ini dapat dilihat pada Gambar 2.8. berikut ini :
Gambar 2.8 Rele proteksi arus lebih statis
Kuantitas input sistem tenaga yang diukur oleh rele ini, berupa kuantitas analog yaitu arus, tegangan, sudut fasa, dan daya. Ini dibandingkan secara tunggal atau kombinasi dengan suatu referensi “setelan” level dan suatu keputusan digital (yes/no) dihasilkan dalam pengukuran ini. Jika rele ini tanpa rele tunda (time delay) maka rele ini adalah rele dengan karakteristik Inst [12].
2.8.2.1.Rele statis dengan waktu tunda (time delayed) Sirkit yang biasa dipakai adalah:
a. Sirkit konverter ac ke dc untuk mengkonversikan kuantitas input ac ke dc untuk pengukuran subsikuent dan komparasi.
b. Detektor Level membandingkan kuantitas analog input dengan suatu level dan memberikan perintah output digital ketika set level dilampaui.
c. Timers yang memberikan perintah waktu tunda apakah konstan atau proporsional dengan kuantitas input analog.
Tiap sirkit ini membentuk suatu bagian dari waktu tunda rele arus lebih seperti diperlihatkan dalam blok diagram Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Blog diagram rele arus lebih dengan waktu tunda [12]
Arus ac di konversikan ke tegangan dc dengan suatu transformator arus yang sesuai rasionya, jembatan penyearah (bridge rectifier) dan beban shunt resistif. Tegangan ini dibandingkan dengan suatu set level oleh detektor level 1 yang memberikan perintah start kepada timer ketika level di lampaui. Timer ini dilengkapi waktutetap (fixed time) untuk rele karakteristik arus-waktu definite atau waktu inverse (terbalik) proporsional terhadap besar arus input untuk rele dengan karakteristik arus-waktu inverse (terbalik).
Timer memuati kapasitor sedemikian rupa sehingga ketika muatan mencapai level set pada detektor level 2 kemudian memberikan sinyal kepada sirkit switching output untuk selanjutnya trip. Untuk karateristik arus waktu Inst tidak melalui proses Timer. Jadi pada rele statis untuk mentripkan kontak rele tidak memerlukan Torsi tapi proses kerja secara elektronik saja [12].
2.8.2.2.Rele statis yang diteliti
Ada pun spesifikasi teknis rele proteksi arus lebih statis yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
Pengenal: 1 A atau 5 A; 50 Hz; Kelas 10P Sumber tegangan: 220 volt /satu fasa/50Hz Kurva operasi (lihat Gambar kurva berikut):
Inverse time: Standard Inverse (SI); Very Inverse (VI) dan Extremely Inverse (EI).
Definite Time 2 detik (D2); 4 detik (D4) dan 8 detik (D8)
Inst : < 1 detik tanpa time delay
Julat setting : 0,05 x In s/d 2,4 x In dalam step 0,05 x In
Rangkaian internal dari rele arus lebih statis ini diperlihatkan pada Gambar 2.10
Gambar 2.10 Rangkaian internal rele arus lebih statis [17]
2.8.2.3 Prinsip kerja
Perhatikan rangkaian internal arus lebih statis pada Gambar 2.10 : Jika terjadi gangguan misalnya gangguan hubung singkat di depan titik P1 maka tentu arus dari P2 ke P1 menjadi besar lebih besar dari arus nominalnya. Akibatnya arus di sekunder CT (transformator arus) atau dari titik S1 ke titik S2 menjadi lebih besar dari arus nominalnya dimana arus ini melebihi Arus setting (Is) rele. Arus ini masuk ke transformator IA lalu diproses di input circuit Ph. Karena melebihi Is lalu diproses di µC PhA (I >Is) disesuaikan dengan setting arus-waktu dan kurva yang dipilih apakah SI, VI atau EI atau DT atau Inst sehingga mengoperasikan output circuit Ph (sirkit keluaran Ph) dan mengenerjais kumparan trip rele RL1/2 dan kumparan trip rele RL2/2; dengan demikian saklar RL1-1 dan RL1-2 menjadi “ON “ demikian juga saklar RL2-1 dan RL2-2. Saklar RL1-1 dan RL1-2 adalah saklar untuk gangguan fasa dengan waktu tunda yaitu untuk kurva SI, VI dan EI serta DT sedangkan saklar RL2-1 dan RL2-2 untuk kurva gangguan fasa Inst. Demikian juga untuk IC dan E/F. Pada Rele ini dapat disetel atau di setting arus, waktu trip, kurva (SI, VI dan EI) dan kurva DT serta kurva Inst. Didalam proses kerja rele ini tidak ada bagian yang bergerak secara mekanis [17].
2.8.2.4.Kurva arus-waktu
Kurva arus-waktu merupakan kurva tempat kedudukan waktu trip rele sesuai besar arus yang masuk ke kumparan trip rele .
Kurva arus-waktu ini terdiri dari :
a. Kurva arus-waktu inverse, kurva arus-waktu Definite dan kurva arus-waktu Inst b. Kurva arus-waktu Inverse:
Kurva ini menyatakan bahwa semakin besar arus gangguan (arus ke kumparan trip rele = I) maka semakin cepat rele trip (ttrip) dan sebaliknya atau jika I naik maka ttrip turun dan jika I turun maka ttrip naik .
c. Kurva ini terdiri dari 3 jenis yaitu
Kurva arus-waktu Standard Inverse (SI): kurva ini paling landai dibandingkan dengan kurva lainnya dimana untuk arus ke kumparan trip ≥ 30xIs (Is = arus setting) waktu trip rele sudah tetap yaitu 2 detik.
d. Kurva arus-waktu Very Inverse (V I): kurva ini lebih landai dari pada kurva EI dimana untuk arus ke kumparan trip rele > 30 Is, waktu tripnya sudak tetap yaitu 0,46 detik.
e. Kurva arus-waktu Extremely Inverse (EI): kurva ini paling curam dibandingkan kurva lainnya dimana untuk arus ke kumparan trip rele ≥ 20Is, waktu tripnya sudah tetap yaitu 0,2 detik .
Rumus menghitung waktu trip (ttrip, detik) [17]:
SI : ttrip = detik ………..……… (2. 9)
VI :
t
trip=
detik………..……… (2.10)EI :
t
trip=
detik………..……… (2.11)dimana : ttrip = waktu operasi rele atau waktu yang dibutuhkan rele mulai dari arus gangguan masuk sampai dengan rele trip dalam satuan detik.
I = ………..……… (2.12)
Is = arus setting = arus dimana rele harus trip dalam waktu trip yang ditentukan dalam perkalian arus nominal rele sehingga dapat dituliskan :
I
s= x I
n……….…………...… (2.13) dimana :
x
= konstanta pengali yaitu 0,05 s/d 2,4 dalam step 0,05 .Kurva arus-waktu dari rele ini diperlihatkan pada Gambar 2.11. berikut ini:
Gambar 2.11 Kurva arus–waktu rele arus lebih statis [17]
Kurva Definite: berapa pun arus gangguan, waktu trip rele tetap sesuai setting apakah 2 detik; 4 detik atau 8 detik. Untuk kurva Inst waktu trip < 1 detik tanpa waktu tunda.
2.8.2.5.Penyetelan rele
Penyetelan (setting) ditentukan oleh posisi saklar mini pada bagian depan rele. Ada dua grup saklar pada tiap-tiap kutub rele; grup atas untuk penyetelan elemen waktu tunda dan grup bawah untuk penyetelan elemen Inst.
Saklar grup atas dibagi dalam 3 sub grup untuk penyetelan elemen waktu tunda, yaitu:
a. Saklar penyetelan arus waktu tunda, I=ΣxIn ; Σ = jumlah scalar
Ketujuh saklar biru atas digunakan untuk menyetel sensitivitas arus yang diperlukan. Tiap saklar dapat digeser ke kiri atau ke kanan, level penyetelan ditunjukkan oleh angka di sebelah kiri atau kanan saklar. Total penyetelan diperoleh dengan menjumlahkan nilai (angka) yang ditunjukkan tiap-tiap saklar penyetelan dan mampu disetel pada langkah 5% dari 0,05 s/d 2,4 x In.
b. Saklar Pilih Kurva
Ketiga saklar hitam grup atas digunakan untuk memilih kurva waktu yang dibutuhkan dari 3 pilihan kurva waktu inverse dan 3 kurva waktu definit dan 1 kurva waktu Inst.
c. Saklar Penyetelan Pengganda Waktu (Setting Time Multiplier) = x ttrip = Σ Enam saklar biru yang berada dibagian bawah dari grup saklar atas digunakan untuk menyetel pengganda waktu yang dibutuhkan. Waktu yang disediakan tiap karakteristik operasi waktu tunda harus dikalikan dengan pengganda waktu agar diperoleh waktu operasi aktual dari kutub rele. Penyetelan diperoleh dengan penjumlahan angka yang ditunjukkan tiap saklar setel yaitu x ttrip = Σ.
Walaupun memungkinkan menyetel saklar untuk mendapatkan TMS (Time Multiplier Setting) 0,025 x ttrip, penyetelan ini tidak dapat jadi jaminan akan
ketelitiannya, karena hanya setelan dalam julat 0,05 s/d 1,0 x t yang harus digunakan.
d. Penyetelan Elemen Inst Iinst = Σ x Is
Grup terpisah sebelah bawah dari 6 saklar luncur biru digunakan untuk memilih setelan arus Inst yang dibutuhkan antara 1 x Is dan 31 x Is. Penyetelan terpilih = jumlah angka yang ditunjukkan tiap saklar setelan.
Arus operasi dari elemen Inst = Setelan terpilih x Arus setelan waktu tunda. Jika elemen Inst pada kutub rele tidak dibutuhkan, maka semua saklar harus digeser ke kiri (menunjuk angka nol), atau saklar terbawah digeser ke kanan (menunjuk angka tak terhingga; ∞) [12,16,17]
Adapun petunjuk penyetelan rele ini adalah seperti berikut ini:
Jenis Karakteristik Posisi Saklar
0 1 0 SI Standard Inverse 0 0 1 VI Very Inverse 0 0 0 EI Extremely Inverse 1 0 D2 Definite Time 2 s 0 0 1 D4 Definite Time 4 s 1
0 1
D8 Definite Time 8 s 0
1 1
arus ke kumparan trip dimana: ttrip = waktu operasi rele ( detik = s) ; I =
arus setting e. Contoh Penyetelan Rele
Saklar (0.1) 0,05 Is = (0,1 + 0,1 + 0,2 + 0,8) x In = Setelan (0.1) 0 = 1,2 In Arus (0.2) 0 (0.4) 0 Is = Σ x In (0.4) 0 (0.4) 0 (0.8) 0
Saklar (0) 1 Kurva Standard Inverse
Pilih (0) 1 Kurva (0) 1 Saklar TMS (0.025) 0,05 TMS = ( 0,05 + 0,05 + 0,4 ) x (0) 0,05 = 0,5 x (0) 0,1 (0) 0,2 x ttrip = Σ (0) 0,2 (0) 0,4 Saklar (0) 1 Iinst = (8 + 2) x Is = 10 x 1,2 x In Setelan (0) 2 Arus (0) 4 = 12 x In Instantaneous (0) 8 (0) 16 (0) ∞
Jika pada setelan diatas, digunakan pada rele 1A, maka : Arus setelan = Is = 1,2 x 1 = 1,2 A
Kurva = Inverse Standard ; TMS = 0,5 x
Arus Setelan Inst = 12 x In = 12 x 1 = 12 A ( arus dalam nilai skunder)
