1
Practical Power Systems Protection
Penerjemah : Kunto. W (2015). Bacaan tambahan dalam Kuliah Sistem Proteksi.
Dari Buku: Leslie Hewitson, Mark Brown, Ramesh Balakrishnan, “Practical Power Systems
Protection”, (2004),
4.Sistem Pentanahan
4.1 Introduksi
Dalam Bab 2 kita telah membahas secara singkat bahwa gangguan fase-ke-tanah dalam sistem dapat membatasi arus gangguan tanah tergantung pada penambahan impedansi eksternal antara netral dan bumi. Bab ini secara singkat meliputi berbagai metode grounding yang diadopsi dalam sistem listrik. Dalam pasal berikut, transformator terhubung bintang-ditunjukkan dalam banyak kegunaan pada distribusi daya listrik. Metode grounding juga berlaku dalam kasus generator, yang belitannya juga selalu terhubung STAR.
Tabel berikut menyoroti masalah yang mungkin dapat terjadi dalam suatu sistem karena kesalahan umum dan solusi yang dapat dicapai dengan mengadopsi sistem grounding.
Solusi
Tahap pemisahan (Phase segregation):Menghilangkan kesalahan fase-ke-fase. Hambatan pentanahan:
Berarti arus gangguan pentanahan rendah - dapat direkayasa untuk membatasi setiap nilai yang dipilih.
Manfaat
1. Kesalahan yang merusak sekarang minimal - mengurangi bahaya kebakaran.
2. Waktu pemadaman rendah - produksi hilang (lost production) berkurang, pendapatan hilang (lost revenue) berkurang.
3. Potensial sentuh terjaga dalam batas aman - melindungi kehidupan manusia.
4. Arus kesalahan rendah mengurangi kemungkinan menyulut gas - meminimalkan bahaya ledakan.
5. tekanan tanpa magnet atau termal dikenakan pada tanaman selama kesalahan.
6. Tegangan lebih transien dibatasi - mencegah tekanan pada isolasi, Restriking breaker (breaker restrikes).
4.2 Divais Pentanahan
4.2.1 Solid earthing
Dalam hal ini, netral transformator daya ditanahkan secara solid (mantap) dengan konduktor tembaga seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.
2
Gambar 4.1 pentanahan padat transformator daya
Keuntungan
• Netral disambung secara efektif pada potensial pentanahan.
• Hubung singkat fasa-ke-tanah besarnya sama dengan hubung singkat fase-ke-fase; sehingga tidak perlu untuk rile sensitif khusus.
• Biaya divais pembatas arus dihilangkan.
• Gradasi isolasi terhadap titik netral N mengurangi ukuran dan biaya transformator.
Kekurangan
• Karena sebagian besar hubung singkat sistem adalah fase-ke-tanah, guncangan berat lebih besar dibandingkan dengan resistansi pentanahan.
• harmonik ketiga cenderung bersirkulasi antar netral.
4.2.2 Resistance earthing
Sebuah resistor terhubung antara transformator netral dan bumi (lihat Gambar 4.2): • Terutama digunakan di bawah 33 kV.
• Nilai adalah sebagai pembatas arus gangguan pentanahan untuk transformator antara 1 dan 2 kali nilai beban penuh. Atau, untuk dua kali rating normal penyulang terbesar, yaitu yang lebih besar.
Gambar 4.2 Hambatan (resistans) pentanahan
Keuntungan
• Batas tekanan (stress) listrik dan mekanik pada sistem ketika gangguan pentanahan terjadi, tapi pada saat yang sama, arus cukup untuk mengoperasikan peralatan perlindungan normal.
Kekurangan
• Isolasi line-to-line penuh diperlukan antara fase dan bumi.
4.2.3 Reactance earthing
Reaktor A terhubung antara transformator netral dan bumi (lihat Gambar 4.3):
3 • Untuk mencapai nilai yang sama seperti resistor, desain reaktor lebih kecil dan dengan demikian
lebih murah.
Gambar 4.3 Reaktansi pentanahan
4.2.4 Arc suppression coil (Petersen coil)
Sebuah reaktor tertala terhubung pada transformator netral ke bumi (lihat Gambar 4.4):
• Nilai reaktansi dipilih sedemikian rupa sehingga reaktans arus menetralkan kapasitans arus. Oleh karena itu arus pada titik kesalahan secara teoritis nol dan tidak mampu mempertahankan busur, sesuai namanya (yaitu arc supression coil/ kumparan pemadam busur).
• Secara virtual sistem sepenuhnya terisolasi, maka arus tersedia untuk mengoperasikan peralatan pelindung sangat kecil dapat diabaikan. Untuk mengimbangi hal ini, bagian yang rusak dapat dibiarkan dalam pelayanan tanpa batas tanpa kerusakan sistem karena kebanyakan hubung singkat adalah hubung singkat pentanahan yang bersifat sementara, busur awal pada titik kesalahan dipadamkan dan tidak restrike.
Gambar 4.4 Kumparan pemadam busur (coil Petersen)
Rile watt-metrik (watt-metrical relays) sensitif digunakan untuk mendeteksi hubung singkat pentanahan permanen.
4.2.5 Earthing via neutral earthing compensator
Tersedia titik pentanahan untuk sistem delta dan menggabungkan secara semu resistans dan reaktans pentanahan dalam membatasi arus gangguan pentanahan dengan nilai keamanan yang handal (lihat Gambar 4.5).
4
4.3 Evaluation of earthing methods
Metode pentanahan dikatakan efektif membumi ketika terhubung langsung ke bumi (secara solid (mantap) dibumikan) tanpa komponen pasif di antaranya. Pentanahan non-efektif mengacu kepada, metode pembumian melalui hambatan, reaktans, trafo, dll
Tabel berikut membandingkan metode pembumian.
Evaluation of Relative Merits of Effective and Resistive Earthing 1 2 3
Subject Effective Earthing Resistive Earthing
Rated voltage of system Need not exceed 0.8Um Must be at least 1.0Um for 100 s
components, particularly power cables and metal oxide surge arresters
Earth fault current magnitude Approximately equal to Reduced earth fault current three-phase fault current magnitude (typically (typically 2–10 kA) 300–900 A)
Degree of damage, because High degree of damage at fault Lesser degree of damage at of an earth fault point and possible damage fault point and usually no to feeder equipment damage to feeder equipment Step and touch potentials High step and touch potentials Reduced step and touch during earth fault potentials
Inductive interference on and High probability Lower probability possible damage, to
control and other lower-voltage circuits
Relaying of fault conditions Satisfactory Satisfactory
Cost Lower initial cost but higher Higher initial cost but lower long-term equipment repair long-term equipment repair cost cost, usually making resistive earthing more cost-effective
5 Gambar 4.6 memberikan potensi kontak dengan Pentanahan solid. Gambar 4.7 menunjukkan potensi kontak dengan hambatan R diperkenalkan pada netral. Berikut tanah arus gangguan dibatasi oleh hambatan R, sehingga hanya mengurangi aliran arus ke bumi. Namun, itu adalah praktek yang normal untuk mengadopsi metode pentanahan padat(solid) pada tegangan rendah (sampai sekitar 600 V) dan resistansi grounding diadopsi untuk tegangan tinggi (sampai 33 kV). Metode lain dari pentanahan (reaktor, trafo, dll) umumnya diadopsi dalam kasus tegangan melampaui 33 kV. Biaya selalu menentukan metode pentanahan.
Alasan utama untuk mengadopsi pentanahan padat(solid), karena hambatan pentanahan tidak dapat digunakan untuk beban fase tunggal, sedangkan sebagian besar distribusi LV terutama rumah tangga, dll terdiri dari beban fase tunggal. Namun demikian, hambatan grounding di lingkungan industri dianggap pada tegangan rendah, di mana beban tiga fase yang terhubung dan kondisi proses tidak menerima shutdowns yang sering terjadi karena kesalahan tanah (ground
faults). Meskipun benar bahwa gangguan listrik dapat dipertahankan rendah dengan penggunaan
metode pentanahan resistif, perlindungan manusia menuntut kekuatan untuk terisolasi terhadap kasus kesalahan tanah. Itulah salah satu alasan lebih untuk menggunakan pentanahan solid dalam trafo distribusi utilitas.
Figure 4.7 Touch potentials – resistive earthing
4.4 Effect of electric shock on human beings
4.4.1 Electric shock and sensitive earth leakage protection
Ada empat faktor utama, yang menentukan keseriusan sengatan listrik: 1. Jalan yang diambil oleh arus listrik melalui tubuh
2. Jumlah arus
3. Waktu arus mengalir 4. hambatan listrik di tubuh.
Jalan yang paling berbahaya dan paling umum adalah melalui jantung (lihat Gambar 4.8). orang biasanya tidak kesetrum antara fase atau fase-ke-netral, hampir semua kecelakaan adalah fase-ke-tanah.
6
Figure 4.8 Dangerous current flows
Gambar 4.8 aliran arus yang berbahaya Gambar 4.9 menunjukkan empat tahap efek dari aliran arus melalui tubuh:
1. Persepsi - kesemutan - sekitar 1 mA
2. Let-go threshold level (ambang batas Biarkan-pergi bisa lepas) - sekitar 10 mA 3. Non-let-go (ambang batas Tidak-biarkan-pergi tidak bisa lepas/ lengket) - 16 mA
4. Constriction of the thoracic muscles – death by asphyxiation and ventricular fibrillation (Penyempitan otot dada - mati oleh sesak napas dan fibrilasi ventrikel) - sekitar 70-100 mA.
Figure 4.9 Effects of current flow through the body
Gambar 4.9 Pengaruh aliran arus melalui tubuh
Gambar 4.10 menunjukkan normal elektro-kardiogram - satu ketuk pulsa - pada 80 bpm = 750 ms. 1. QRS fase: aksi pompa yang normal
2. T fase: fase refraktori atau sisa - sekitar 150 ms
3. Kematian bisa terjadi jika dalam periode yang sangat singkat 150 ms aliran arus adalah di tingkat fibrilasi.
Gambar 4.10 Electro Cardiogram
Gambar 4.11 menunjukkan hambatan dari tubuh manusia - tangan ke tangan atau kaki tangan ke. Pertimbangkan contoh seorang pria bekerja dan berkeringat, ia menyentuh konduktor pada 300 V (525 V fase ke bumi). 300 V dibagi dengan 1000 Ω = 300 mA. Penting untuk diingat bahwa, itu adalah arus yang membunuh dan bukan tegangan.
7
Figure 4.11 Resistance of human body
Gambar 4.11 Hambatan dari tubuh manusia
4.4.2
Perlindungan kebocoran pentanahan sensitif
Pentanahan tidak menjamin bahwa manusia akan dilindungi ketika datang di kontak dengan konduktor hidup. Meskipun mungkin ada rile, yang ditetapkan untuk merasakan kebocoran pentanahan, selalu pengaturan nya tinggi. Oleh karena pemutus sirkuit kebocoran pentanahan (earth leakage circuit breakers (ELCB)) atau pemutus sirkuit arus sisa (residual current circuit
breakers (RCCB)) yang diadopsi di mana kemungkinan interaksi manusia untuk konduktor hidup yang
tinggi. Pemutus ini bekerja pada prinsip keseimbangan inti arus.
Gambar 4.12 menggambarkan operasi perangkat kebocoran keseimbangan inti. Ketika kondisi sistem normal, arus fasa dan arus netral akan sama dan sefase. Oleh karena itu CT tidak akan mendeteksi setiap arus dalam kondisi normal sejak IL + DI = 0 (jumlah vektor).
Figure 4.12 Prinsip-prinsip proteksi keseimbangan inti.
ELCB yang terdiri dari keseimbangan inti CT dipasang pada ujung sumber. Ketika manusia datang dalam kontak pada setiap bagian dari garis, bagian dari arus akan mulai mengalir melalui tubuh. Ini akan mengakibatkan ketidakseimbangan arus masuk dan kembali ke CBCT dari ELCB. Jika arus gangguan IF, mengalir melalui tubuh manusia, dikurangi dengan jumlah ini. Rile dioperasikan oleh kuantitas ketidakseimbangan ini, dan ELCB tersebut segera trip.
Adalah normal bahwa ELCBs adalah pemutus cetakan mirip dengan circuit breakers miniatur, CBCT dipasang di dalam. Hal serupa juga terjadi bahwa CBCT dapat dipasang di luar dan arus tidak seimbang dapat diambil untuk trip sebuah rile terpisah yaitu rile kebocoran pentanahan.
Contoh di atas dianggap sebagai sistem tunggal-fase. Namun, prinsipnya adalah sama untuk sistem tiga fasa dengan netral, di mana juga jumlah vektor dari arus tiga fase (IR + IY + IB) dan kembali IN arus netral akan menjadi nol. Semua fase dan konduktor netral yang diambil melalui CBCT sehingga CBCT tidak mengindera apapun arus dalam kondisi normal. Dalam hal terjadi
8 kebocoran di fase apapun, CBCT segera mendeteksi ketidakseimbangan dan menyebabkan breaker untuk trip.
ELCBs tersedia dengan sensitivitas 30 mA, 100 mA dan 300 mA. Untuk perlindungan manusia, ELCBs 30 mA dianjurkan, karena arus yang mengalir di atas 30 mA pada manusia dapat menyebabkan kerusakan serius termasuk kematian.
