PENGUJIAN TRANSFORMER DIFFERENTIAL PROTECTION RELAY DI LABORATORIUM SISTEM TENAGA POLITEKNIK NEGERI MALANG

85

PENGUJIAN TRANSFORMER DIFFERENTIAL PROTECTION RELAY DI

LABORATORIUM SISTEM TENAGA POLITEKNIK NEGERI MALANG

Mohammad Noor Hidayat1, Yulia Pamasari2, Rizky Wahyu Ramadhan3, Heri Sungkowo4, Sigit Setya Wiwaha5

1,2,3,4,5 Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang

moh.noor@polinema.ac.id Abstrak

Rele diferensial merupakan salah satu rele proteksi yang dapat diaplikasikan di hampir seluruh proteksi sistem tenaga termasuk pada trafo daya. Untuk mengetahui apakah suatu rele masih dapat beroperasi sesuai dengan karakteristiknya, perlu dilakukan pengujian rele dan analisa terhadap perubahan karakteristik yang terjadi. Penelitian ini bertujuan untuk membuat suatu modul pengujian dan pembuatan prosedur pengujian rele diferensial di Laboratorium Sistem Tenaga Politeknik Negeri Malang. Pengambilan data meliputi nilai pick up, nilai release, serta pengujian kinerja rele diferensial terhadap gangguan internal dan eksternal. Hasil pengujian rele pengaman tersebut akan dibandingkan dengan data pada manual book rele, apakah rele tersebut masih dalam kondisi sesuai dengan spesifikasinya. Kemudian dari pengujian tersebut, dapat diketahui kondisi rele diferensial. Hasil dari pengujian mengidikasikan bahwa rele diferensial yang ada di Laboratorium Sistem Tenaga Politeknik Negeri Malang masih dalam kondisi yang baik karena bekerja sesuai dengan spesifikasi data pada manual book rele.

Kata kunci : rele diferensial, sistem proteksi, transformator tenaga

I.PENDAHULUAN

Penyaluran energi listrik dari pembangkit sampai ke beban memerlukan sistem pengaman atau proteksi yang sesuai serta memenuhi persyaratan standar. Peralatan pengaman harus bersifat cepat bereaksi, selektif, sensitif, andal dan ekonimis. Salah satu peralatan pengaman yang digunakan adalah rele proteksi.

Rele proteksi memiliki fungsi antara lain untuk melokalisir bagian sistem yang terganggu serta memisahkan secepatnya sehingga sistem lainnya tidak terganggu atau mengalami gangguan total (black out), mengurangi kerusakan yang lebih parah pada peralatan yang terganggu, mengurangi pengaruh gangguan terhadap sistem yang tidak terganggu didalam sistem tersebut. Salah satu rele proteksi yang umum digunakan dalam pengamanan penyaluran energi listrik adalah rele diferensial.

Penggunaan rele diferensial tidak hanya terbatas pada trafo daya saja, tetapi dapat diaplikasikan di hampir seluruh proteksi sistem tenaga seperti generator, motor, busbar, jalur transmisi, kapasitor, reaktor maupun kombinasi diantaranya. Namun, pada kajian ini lebih menjurus kepada rele diferensial pada proteksi trafo daya. Fungsi dari rele diferensial pada sebuah trafo daya adalah sebagai pengaman utama terhadap gangguan hubung singkat baik antara kumparan trafo maupun antara kumparan dengan main tank. Karena berada pada sistem proteksi utama, maka rele ini bekerja secara instan.

Untuk membantu dalam proses pembelajaran di Politeknik Negeri Malang mengenai sistem proteksi terutama tentang rele diferensial, diperlukan sebuah modul pembelajaran sebagai acuan melakukan percobaan untuk menyimulasikan kinerja proteksi di lapangan. Oleh karena itu perlu dilakukan

pengujian-pengujian sebagai langkah awal pembuatan modul pembelajaran tersebut.

Pengujian rele proteksi merupakan bagian dari proses pemeliharaan peralatan pengaman, ini penting dilakukan untuk mengetahui kondisi rele tersebut masih sesuai dengan karakteristiknya atau tidak, dengan melakukan pengujian rele, serta dilakukan analisa terhadap perubahan karakteristik yang terjadi. Pengujian standar yang dilakukan adalah pengujian resetting ratio serta pengujian karakteristik arus terhadap waktu kerja relay. Analisa tersebut dapat digunakan sebagai acuan untuk mengetahui apakah rele tersebut layak digunakan sebagai proteksi pada transformator daya atau tidak.

II. RELEPENGAMAN

A. Syarat Rele Pengaman

Ada beberapa hal yang harus diperhatikan dalam pengertian rele pengaman untuk suatu sistem tenaga, antara lain yaitu elemen-elemen dari rele pengaman tersebut dan syarat rele pengaman yang baik. Hal tersebut dapat dijelaskan seperti dibawah ini. [1][2][3]

1) Elemen Dasar Rele Pengaman

Rele pengaman untuk sistem tenaga biasanya dipisahkan menjadi tiga element dasar seperti terlihat pada gambar 1.

86

Gambar 1. Elemen Dasar Rele Pengaman [1]

2) Elemen Penginderaan

Elemen ini berfungsi untuk merasakan besaran-besaran listrik seperti arus, tegangan, frekuensi, dan sebagainya tergantung rele yang digunakan. Pada element ini besaran yang masuk akan dirasakan keadaannya, apakah keadaan yang diproteksi mendapatkan gangguan atau dalam keadaan normal yang untuk selanjutnya besaran tersebut dikirimkan ke elemen pembanding. Komponen yang berfungsi sebagai elemen pengindera adalah trafo arus (CT).

3) Elemen Pembanding

Elemen ini berfungsi menerima besaran setelah terlebih dahulu besaran itu diterima oleh elemen pengidera untuk membandingkan besaran listrik pada saat keadaan normal dengan besaran yang disetting pada rele. Komponen yang berfungsi sebagai elemen pembanding ini adalah rele, yang bekerja setelah mendapatkan besaran dari elemen pengindera dan membandingkan dengan besar arus penyetelan arus kerja/setting rele.

4) Elemen Pengontrol

Elemen ini berfungsi untuk mengadakan perubahan secara cepat pada besaran ukurnya dan akan segera memberikan isyarat untuk membuka circuit breaker atau memberikan sinyal. Komponen yang berfungsi sebagai elemen kontrol adalah kumparan pemutus (tripping-coil).

B. Fungsi Rele Pengaman

Fungsi pemasangan rele pengaman antara lain (Alawy, 2006):

•Mendeteksi adanya gangguan atau keadaan abnormal lainnya pada bagian sistem yang diamankanya.

•Melepaskan bagian sistem yang terganggu sehingga bagian sistem

•lainnya dapat terus beroperasi.

•Memberitahu operator tentang adanya gangguan dan lokasinya.

Atau dengan kata lain fungsi dari suatu sistem proteksi adalah:

•Meminimalisasikan lamanya gangguan.

•Mengurangi kerusakan yang mungkin timbul pada alat atau sistem.

•Melokalisir meluasnya gangguan pada sistem. •Pengamanan terhadap manusia.

C. Prinsip Dasar Kerja Rele

Suatu relay disebut beroperasi / bekerja bila kontak-kontak yang terdapat pada relay tersebut bergerak membuka atau menutup dari suatu kondisi mulanya (tertutup atau terbuka). Kontak relay yang mempunyai posisi terbuka pada kondisi mula dan kemudian relay bekerja sehingga mengakibatkan kontak relay tersebut menutup [4][5]

Bila rele muIai bekerja untuk membuka maupun menutup kontak disebut "pick-up" dan suatu besaran harga terkecil yang menentukan kerja tersebut dimulai dari harga nol selanjutnya dinaikkan perlahan-Iahan sampai pada suatu harga tertentu sehingga rele bekerja. Sedangkan bila suatu rele mulai bekerja untuk membuka kontak maupun menutup kontak (kembali ke posisi awal) ketika tegangan diturunkan disebut “drop off atau release”. Hubungan antara arus pick-up dan release ditunjukkan pada nilai resetting ratio. Tamus di Electrical Switching Device and Insulators menyatakan bahwa nilai resetting ratio dapat diperoleh dari:

……..……….. (1) Keterangan :

Release = Besar arus ketika rele kembali ke posisi awal (A)

Pick up = Besar arus ketika rele bekerja (A)

D. Rele Diferensial

Proteksi Diferensial, seperti namanya, membandingkan arus masuk dan arus keluar dan beroperasi ketika arus diferensial ini melebihi nilai yang ditentukan. Pengaman ini dapat diaplikasikan pada transformator, generator, bus serta saluran transmisi. Perlindungan ini juga disebut perlindungan unit, karena hanya beroperasi karena kesalahan pada daerah yang dilindunginya, dengan kata lain yang terletak di antara CT. Rele ini bekerja secara instan, karena tidak harus berkoordinasi dengan rele lain di jaringan [3].

1) Prinsip Kerja

Anderson di Power System Protection menyatakan bahwa dasar rele diferensial ini adalah menggunakan pengukuran pada dua titik atau lebih dalam suatu komponen yang akan dilindungi sebagai sarana untuk menentukan kemunculan gangguan di suatu wilayah didefinisikan oleh pengukuran di antara titik tersebut. Pada Gambar 2.13 tidak ada gangguan pada elemen dilindungi/diproteksi, arus yang masuk (I1) yang diukur oleh CT 1 sama dengan arus yang keluar (I2) yang diukur oleh CT 2 sehingga tidak ada perbedaan arus yang dikonversikan oleh rele differensial sesuai dengan Hukum Kirchoff II.

I masuk = I keluar

Atau I1 + I2 = 0 ... (2)

Penelitian ini dibiayai dengan dana DIPA Politeknik Negeri Malang tahun 2019

87

Gambar 2. Single line pemasangan rele diferensial [3]

Pada gambar diatas arus yang terukur pada CT 1 (I1) dan pada CT 2 (I2) dibandingkan oleh rele differensial dan memiliki hasil diatas nol, jika nilai ini berada diatas nilai setting yang diatur mkan rele akan memerintahkan CB untuk membuka. Gambar 3 menjelaskan tentang Tripping Range Leybold Transformer Differential Protection yang merupakan kurva pemutusan dari alat yang digunakan untuk praktikum.

Gambar 3. Tripping Range Differential Relay [8][9]

Grafik pada gambar 2.18 memuat hubungan antara Is dengan Id. Id merupakan arus selisih pengukuran antara arus yang terukur pada trafo CT 1 dan pada CT 2. Horowitz di Power System Relaying menyatakan bahwa nilai Id dapat diperoleh dengan rumusan:

Id = ICT1 – ICT2 ……….. (3)

Keterangan :

Id = Arus selisih (A)

ICT1 = Arus yang terukur pada trafo CT 1 (A)

ICT2 = Arus yang terukur pada trafo CT 2 (A)

Sedangkan untuk Is merupakan arus stabilisasi atau dikenal juga dengan restaint current. Pada Horowitz di Power

System Relaying hal 212, pengertian restaint current adalah nilai rata-rata dari penjumlahan arus masukan dan keluaran transformator, dapat dirumuskan sebagai berikut:

………..……. (4) Keterangan :

Is = Arus rata-rata (A)

ICT1 = Arus yang terukur pada trafo CT 1 (A) ICT2 = Arus yang terukur pada trafo CT 2 (A)

Gambar 2.19 Kurva karakteristik differensial [10]

III. METODOLOGI

A. Metode Penelitian

Metode pengujian dari tahap persiapan dijelaskan dalam bagan alir dibawah ini:

• Perumusan masalah yang berhubungan dengan pengujian yang akan dilakukan.

• Studi Pustaka adalah pengumpulan data, referensi, literatur yang digunakan sebagai acuan dalam melakukan pengujian. • Pengumpulan alat-alat yang digunkan untuk penelitian,

beserta pemeriksaan fisik dan kinerja dari alat-alat yang digunkan untuk penelitian

• Merakit alat uji

• Pengujian Rele Diferensial :

• Pengujian rangkaian 1 fasa bertujuan untuk memperoleh data tentang besar nilai pick up, release dan restting ratio rele diferensial

• Pengujian rangkaian 3 fasa meliputi pengujian kinerja rele diferensial pada gangguan eksternal, yaitu pada pengaruh perubahan besar pembebanan. Serta pengujian kinerja rele diferensial pada gangguan internal, yaitu pada gangguan short circuit antar fasa dan antara fasa dengan tanah.

• Perhitungan dan Analisa data

• Perhitungan dilakukan untuk mengetahui nilai resetting ratio dan selisih antara arus masukan transformator dan keluaran transformator berdasarkan rumus pada BAB II.

• Analisa data dilakukan dengan cara membandingkan data hasil percobaan rele diferensial dengan data pada Practical Guides from Leybold Differential Protection Relay

88

• Jika hasil tidak memuaskan, kegiatan penelitian kembali ke poin 4. Sedangkan jika hasil sudah memuaskan, kegiatan penelitian akan berlajut ke tahapan selanjutnya.

• Kesimpulan ialah rangkuman dari semua hasil penelitian yang telah dilakukan.

• Penyusunan Laporan ialah menyusun semua kegiatan penelitian dan semua acuan atau landasan teori dalam bentuk penulisan yang dianjurkan.

Gambar 3. Metode Pengujian Rele Diferensial B. Pengujian kurva karakteristik rele diferensial

Tujuan dilaksanakannya percobaan rele diferensial ini adalah:

• Menguji kurva karateristik rele diferensial

• Menguji kinerja rele diferensial terhadap gangguan internal • Menguji respon rele diferensial terhadap perubahan arus

beban

Prosedur percobaan untuk melaksanakan percobaan rele diferensial menggunakan rangkaian 3 fasa untuk mencari pengaruh perubahan arus beban terhadap kinerja rele adalah : a) Siapkan alat dan bahan yang akan digunakan dalam

percobaan.

b) Rangkai rangkaian sesuai pada gambar rangkaian atau wiring percobaan.

c) Periksa setiap koneksi, apakah jalur tiap koneksi sudah rapat serta sesuai dengan gambar rangkaian, jika sudah konsultasikan dengan dosen pengajar apakah sudah dapat dimasukkan sumber tegangan.

d) Sambungkan relay dengan sumber tegangan pada tegangan DC antara 19 dan 390 V atau tegangan AC sanpai 230 V, begitu juga untuk supply unit dan multimeter digital.

e) Atur range alat ukur dengan tepat, untuk range tegangan atur ke nilai 300V dan untuk range arus dapat diatur ke nilai 1A dan jika pengukuran lebih dari nilai 0,950A batas ukur / range arus dapat diubah ke nilai 3A.

Gambar 4. Rangkaian Pengujian Rele Diferensial [9]

f) Atur nilai setting Id 1 dan Id 2 sesuai dengan tabel percobaan

g) Atur nilai beban resistif ke angka 100%

h) Nyalakan CB dan turunkan beban sedikit demi sedikit sampai rele bekerja

i) Catat hasil pengukuran pada tabel hasil percobaan

j) Lakukan kembali langkah 6 dengan pengaturan sesuai dengan tabel percobaan

Untuk pengujian respon rele terhadap gangguan internal dapat dilakukan dengan prosedur yangsama dengan prosedur yng digunkan untukmengetahui respon rele terhadap

89

perubahan arus beban pada langkah 1-7, untuk langkah selanjtnya sesuai dengan urutan dibawah ini :

k) Nyalakan CB 1, baca semua parameter yang terukur dan tulis pada tabel percobaan, hubungkan terminal 2U1-2V1 secara bersamaan dan lakukan pengukuran kembali kemudian catat pada tabel percobaan.

Lakukan kembali langkah 6 dengan pengaturan sesuai dengan tabel percobaan

IV. ANALISA

A. Analisa nilai pick up dan release

Data yang digunakan untuk menganalisa nilai pick up dan release adalah data pada Tabel 1, Tabel 2, Tabel 3 dan Tabel 4 dibawah ini. Nilai pick up dan release didapatkan dari hasil percobaan sedangkan nilai reseting ratio diperoleh dari hasil perhitungan menggunakan rumus 2.8, contoh perhitungan nilai reseting ratio sebagai berikut :

TABEL 1. HASIL PERCOBAAN RESETTING RATIO

L1 Set Id 1(%) 5 10 15 20 25 30 35 40 Pick up (A) 0,05 0,13 0,27 0,4 0,51 0,62 0,76 0,88 Release (A) 0,03 - - - - Resetting 0,6 - - - - L2 Set Id 1 (%) 5 10 15 20 25 30 35 40 Pick up (A) 0,06 0,18 0,3 0,41 0,54 0,65 0,78 0,9 Release (A) 0,03 0,13 - - 0,35 0,55 - - Resetting 0,50 0,72 - - 0,65 0,85 - - L3 Set Id 1 (%) 5 10 15 20 25 30 35 40 Pick up (A) 0,05 0,18 0,3 0,43 0,54 0,67 0,79 0,91 Release (A) - - - - Resetting - - - -

Dari percobaan menunjukkan hasil yang sama, dapat dibuktikan pada setting Id 1 sebesar 5%, untuk percobaan pertama berdasarkan Tabel 1 untuk L1 (Line 1) nilai pick up sebesar 0,05 A dan nilai release sebesar 0,03 A. Hal ini juga berlaku untuk 2 line lainnya, dapat diambil contoh pada percobaan pertama berdasarkan Tabel 1 untuk L2 (Line 2) nilai pick up sebesar 0,06 A dan nilai release sebesar 0,03 A

Nilai Arus Release yang lebih kecil dibandingkan dengan Nilai Arus Pick Up juga berlaku untuk nilai setting Id 1 lainnya, dapat diambil contoh untuk percobaan pertama berdasarkan

Tabel 1 untuk L2 (Line 2) pada setting Id 1 sebesar 10% nilai pick up sebesar 0,18 A dan nilai release sebesar 0,13 A.

Sesuai dengan buku “The Art and Science of Protective Relaying” arus pick up terjadi saat kontak NO menutup / menjadi NC, hal ini terjadi saat arus meningkat secara perlahan dari nol sampai melampaui batas yang disetting pada rele. Dalam percobaan kontak NO ditandai dengan terminal 12 14 dan setting diatur dalam nilai % pada Id 1. Sedangkan arus release (reset) terjadi saat kontak NO yang menutup kembali membuka, hal ini terjadi saat arus turun dari nilai pick up sampai dibawah batas yang disetting pada rele, dalam percobaan kontak NO ditandai dengan terminal 12 14 dan setting diatur dalam nilai % pada Id 1. Sehingga nilai arus release memiliki nilai dibawah arus pick up.

B. Analisa nilai pick up, release dan resetting ratio antar fasa

Data yang digunakan untuk menganalisa nilai pick up, release dan resetting ratio antar fasa adalah data pada Tabel 1. Untuk mempermudah menganalisa, tabel tersebut diubah kedalam bentuk grafik seperti gambar di bawah ini.

Berdasarkan grafik nilai pick up, release, dan resetting ratio dari hasil keempat percobaan menunjukkan hasil yang relatif identik.

Gambar 5. Grafik pick up

90

Gambar 7. Grafik resetting ratio

C. Analisa Kinerja Rele Terhadap Gangguan Hubung Singkat

Data yang digunakan untuk menganalisa pengaruh penunjukan lampu indikator dengan hasil pengukuran adalah data pada Tabel 2 dibawah ini :

TABEL 2. HASIL PENGUJIAN HUBUNG SINGKAT

L1 Set Id 1 (%) 5 10 15 20 25 30 35 40 Indikator L1 L1 L1 L1 L1 L1 L1 L1 L2 Set Id 1 (%) 5 10 15 20 25 30 35 40 Indikator L2 L3 L2 L2 L3 L2 L3 L2 L3 L2 L3 L2 L3 L2 L3 L3 Set Id 1 (%) 5 10 15 20 25 30 35 40 Indikator L1 L1 L1 L1 L1 L1 L1 L1

Lampu indikator akan menyala apabila rele bekerja dan menunjukkan letak gangguan. Sehingga dapat dikatakan menyalanya lampu indikator tergantung pada letak gangguan yang berada didalam sistem, baik pada beban, transformator ataupun pada penghantar.

Hal tersebut dapat dibuktikan pada penyalaan lampu indikator, untuk percobaan dengan menggunakan supply L1 dan L3, gangguan yang terjadi dengan indikasi lampu indikator dapat digolongkan pada gangguan fasa ke tanah, sedangkan untuk supply L2 dapat digolongkan pada gangguan 2 fasa ke tanah atau antar fasa. Oleh karena itu perbedaan jenis gangguan inilah maka besar nilai yang terukur juga menjadi berbeda, karena nilai arus gangguan antar fasa atau gangguan 2 fasa ke tanah bernilai lebih besar dari nilai arus gangguan fasa ke tanah

D. Analisa kurva karakteristik rele diferensial

Perhitungan nilai Id dan Is didapatkan dari hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 3.

Tabel 3, Perhitungan Id dan Is Pada Gangguan Internal

Id 1 (%) Id 2 (%) Sesudah Id Is I1 (A) I2 (A) 30 30 0,59 0,21 0,38 0,4 0,57 0,21 0,36 0,39 0,58 0,21 0,37 0,395 0,65 0,21 0,44 0,43 0,68 0,21 0,47 0,445 0,53 0,21 0,32 0,37

Untuk menguji karateristik rele diferensial dipilih setting Id 1 dan Id 2 yang sama, yaitu sebesar 30 % dengan pertimbangan kurva yang berada pada manual book rele berada pada settingan yang sama, seperti pada gambar 8.

Gambar 8. Kurva Karakteristik Rele Diferensial Pada Setting 30%

Seperti yang telah dijelaskan pada dasar teori kurva karakteristik rele diferensial dipengaruhi oleh nilai Id yang terletak pada sumbu vertikal dan Is yang terletak pada sumbu horizontal.

V. KESIMPULAN

1. Pengujian rele diferensial dilakukan untuk mendapatkan pengukuran nilai arus pick up dan release, juga dilakukan dengan pengukuran nilai arus masuk dan keluar rele. 2. Hasil percobaan menunjukkan nilai pick up lebih tinggi dari

nilai release-nya.

3. Dari hasil pengujian kurva katakteristik rele diferensial, respon rele sesuai dengan kurva karakteristik dari manual book rele, dari kedua percobaan lampu indikator mengenali gangguan dengan baik dan pengaturan setting DIP switch sesuai dengan manual book rele yaitu dapat beroperasi pada setting 30% keatas.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terimakasih kepada Ketua Program Studi Teknik Listrik dan Sistem Keliatrikan Politeknik Negeri Malang yang telah memberikan ijin penggunaan fasilitas di laboratorium Sistem Tenaga sebagai tempat pengujian.

REFERENSI

[1] M. Titarenko & I. Noskov, Protective Relaying in Electric Power Systems, Peace Publishers, 1963

[2] Alawiy, Muhammad Taquyyuddin. 2008. Proteksi Sistem Tenaga Listrik [3] Anderson, PM. 1999. Power System Protection. Jhon Wiley and Sons:

USA

[4] Les Hewitson, dkk. 2004. Practical Power System Protection. Elsivier Newness: UK

[5] Davies, T. 2006. Protection of Industrial Power System Secon Edition. New York

[6] Anonim. 2007. Instruction Manual : Transformer Protection Relay GRT100-***D. Toshiba Coporation

[7] Anonim. Perhitungan Setting Relai Proteksi pada Trafo Tenaga. PT. Jakarta : PLN (Persero)

91

[9] Anonim. Manual XD1-T (Revision A). LD Didactic

[10] Stanly H. Horowitz, dkk. 2008. Power System Relaying. Jhon Wiley and Sons: USA

[11] Grigsby, Leo L. 2004. Electric Power Transformer Engineering. CRC Press

[12] Kadir, Abdul. 2010. Transformator. Universitas Indonesia: Jakarta [13] Mason, C. Russel. 1956. The Art and Science of Protective Relaying [14] Preve, C. 2006. Protection of Electrical Networks. London: ISTE Ltd [15] Sutjipto, Rahmat. 2010. Buku Ajar Rangkaian Magnet dan

Transformator. Politeknik Negeri Malang: Malang

[16] Sumandari. 2012. Proteksi Diferensial Trafo (87T). Diakses pada 10 April 2017, dari www.sumansetrum.blogspot.co.id/2012/01/differential-protection-of-transformers.hlml