ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS T E S I S. Oleh: YAKUB GINTING /MTE

(1)

i

ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS

T E S I S

Oleh:

YAKUB GINTING 087034007/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2011

Universitas Sumatera Utara

(2)

ii

ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS

T E S I S

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh:

YAKUB GINTING 087034007/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2011

(3)

iii

Judul Penelitian : ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS Nama Mahasiswa : Yakub Ginting

Nomor Induk : 087034007

Program Studi : Magister Teknik Elektro

Menyetujui Komisi Pembimbing:

(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai) Ketua

(Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D) (Ir. Riswan Dinzi, MT) Anggota Anggota

Ketua Program Studi, Dekan,

(Prof.Dr.Ir. Usman Baafai) (Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME)

Telah Lulus : 25 Februari 2011

(4)

iv

Telah Diuji Pada

Tanggal : 25 Februari 2011

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D

2. Ir. Riswan Dinzi, MT 3. Ir. Ashuri, MT

4. Ir. Suprapto, MT 5. Dr. Eng Ariadi Hazmi

(5)

v

ABSTRAK

Tahun-tahun belakangan ini, terjadi peningkatan penggunaan peralatan elektronika daya atau beban non linier baik sebagai beban maupun sebagai alat kontrol yang mengakibatkan bentuk tegangan dan arus menjadi non siniusoidal di dalam sistem tenaga karena peralatan tersebut memproduksi harmonisa. Arus yang mengalir dalam kumparan trip rele adalah jumlah vektor arus fundamental dan arus harmonisa disebut arus terdistorsi harmonisa atau arus total(It). Rele ada dua jenis yaitu rele elektromekanis dan rele statis. Pada penelitian ini, rele yang diteliti jenis statis. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisis dampak harmonisa terhadap keakuratan operasi rele statis dalam memenuhi setelan arus-waktu rele baik dalam karakteristik Inverse, Definite maupun dalam karakteristik Instantaneous. Rele proteksi arus lebih jenis statis banyak digunakan untuk memproteksi transformator daya dan penghantar dari gangguan arus lebih dan ditempatkan di pangkal jaringan distribusi tegangan menengah 20 kV. Rele jenis statis di setting berdasarkan arus fundamental. Penelitian ini bermanfaat untuk mengetahui adanya gangguan operasi rele akibat harmonisa dan selanjutnya untuk melakukan koordinasi proteksi antara karakeristik arus-waktu rele baik terhadap ketahanan alat yang diproteksi mampu dengan alat proteksi lainnya agar dapat melaksanakan fungsi proteksinya dengan tepat.

Adapun hasil penelitian ini adalah THDi naik maka arus terdistorsi harmonisa (It) bertambah dan arus fundamental menurun sekalipun tidak linier. It ini mengalir didalam kumparan trip rele sehingga rele trip lebih cepat dari pada waktu trip setting untuk karakteristik arus-waktu inverse (Standard Inverse, Very Inverse dan Extremely Inverse). Untuk karakteristik arus-waktu Definite dan Instantaneous, harmonisa ini tidak mempengaruhi waktu trip rele yaitu sekalipun arus terdistorsi harmonisa (It) mengalir dalam kumparan trip rele, waktu trip rele memenuhi waktu setting. Karena itu disarankan supaya semua komponen beban non linier sistem tenaga dilengkapi filter harmonisa sehingga harmonisa dikurangi menjadi THDi ≤ 5%

dan dilakukan penyetelan ulang semua rele untuk menyesuaikan dengan kondisi beban non linier dan koordinasi proteksi dengan sistem proteksi yang ada.

Kata kunci: rele statis, harmonisa, arus lebih.

(6)

vi

ABSTRACT

In recent years, there has been an increase of using electronical devices.

Electric power or non-linear charge not only as a load but also as a control device resulting the form of voltage and currents to become non siniusoidal in the power system because the electronical power tools produce harmonisa.This research is focused on static relay. The objective of the research is to analyze the impact of harmonic on the accuracy of static relay operation in fulfilling the relay current-time settings not only in the characteristic of inverse or definite but also instantaneous.

Static type over current protection relay is widely used to protect power transformers and conductor of the over current disturbances and placed at the base of 20 kV medium voltage distribution network. Static type relay is set up based on fundamental current. This research benefits in finding out some interferences of relay operation due to harmonic disturbances. Furthermore, it coordinates protection between relay of time-current characteristics of both the reliability of the protected equipment and other protective equipment in order to conduct appropriate functioning.

The results shows that when the THDi increases, harmonic distorts the current (I_t) and the fundamental current decreases eventhough it is not linear. It flows inside the coils so that the relay trip goes faster than time setting for inverse time-current characteristics (Standard Inverse, Very Inverse and Extremely Inverse).

For the characteristics of Definite and Instantaneous time setting, these harmonics do not affect the relay trip time even though harmonic distorts the currents (I_t) flow in the coil of relay trip, relay trip time fulfills the time setting. Therefore, it is recommended that all non-linear load components of the power system should be equipped with harmonic filter thus it can reduce harmonic up to THDi 5% and all relays should be reset to cope with non-linear load conditions and protection coordination of other available protection system.

Keywords : static relays, harmonics, over current

(7)

vii

KATA PENGANTAR

Pertama–tama kami panjatkan puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat dan kasihNya kepada kita semua sehingga tesis ini dapat selesai dengan baik sekali dalam judul: ANALISIS DAMPAK HARMONISA TERHADAP KINERJA RELE PROTEKSI ARUS LEBIH STATIS.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof.

Dr. Ir. Usman Baafai, selaku ketua komisis pembimbing, Bapak Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D dan Bapak Ir. Riswan Dinzi, MT selaku anggota komisi pembimbing yang dengan penuh sabar, arif dan bijaksana memberikan bimbingan, petunjuk dan arahan serta dorongan kepada penulis. Bapak Ir. Ashuri A Widianto, MT, Bapak Ir.

Suprapto, MT dan Bapak Dr. Eng Ariadi Hazmi selaku Pembanding utama tesis ini.

Istri dan ketiga putra penulis yang telah banyak memberikan semangat dan perhatian serta toleransi sehingga tesis ini selesai. Terselesaikannya penelitian tesis ini juga melibatkan berbagai pihak yaitu : Ketua Program Studi dan Sekretaris Program Studi Magister Teknik Elektro, serta seluruh staf pengajar dan karyawan Program Studi Magister Teknik Elektro, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih atas kontribusinya dan bantuannya.

Penulis menyadari masih ada kekurangan dalam tulisan ini, namun penulis mengharapkan tulisan ini dapat memenuhi persyaratan yang diperlukan untuk suatu

(8)

viii

tesis dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Demikianlah tulisan ini dibuat, kiranya Tuhan memberkati kita.

Medan, Maret 2011 Hormat saya,

Yakub Ginting

(9)

ix

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan di bawah ini,

Nama : Yakub Ginting

Tempat/Tanggal Lahir : Medan, 16 Desember 1956 Jenis Kelamin : Laki - laki

Agama : Kristen

Bangsa : Indonesia

Alamat : Jl. Bunga Ester No. 70 Pasar 6 Padang Bulan, Medan

Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa :

PENDIDIKAN

1. Tamatan SD Negeri 3, Medan Tahun 1969 2. Tamatan SMP Swasta Masehi, Medan Tahun 1972 3. Tamatan SMA Negeri 3, Medan Tahun 1975 4. Tamatan Teknik Elektro USU Tahun 1982

PEKERJAAN

1. Pegawai PT. PLN

(10)

x

PENGHARGAAN

1. Pegawai Teladan Tahun 2008

2. Kesetian Kerja 3 windu Tahun 2007

Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.

Medan, 25 Februari 2011 Tertanda,

Yakub Ginting

(11)

xi

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ...……… i

ABSTRACT ………... ii

KATA PENGANTAR ………. iii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ……… v

DAFTAR ISI ……… vii

DAFTAR TABEL ………... x

DAFTAR GAMBAR ………... xii

DAFTAR LAMPIRAN ……… xiv

DAFTAR ISTILAH ……… xv

BAB 1 PENDAHULUAN ………..……….……….. 1

1.1. Latar Belakang Masalah ………....………... 1.2. Rumusan Masalah ………...…... 1 5 1.3. Batasan Masalah Penelitian.……….…. 1.4. Tujuan Penelitian ……….. 5

6 1.5. Manfaat Penelitian ……… 1.6. Sistematika Penulisan ………... 6 7 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ………. 8

2.1. Harmonisa ………. 8

2.2. Distorsi Harmonisa …...……… 2.3. Persamaan Harmonisa ……….. 9 9 2.4. Dampak Distorsi Harmonisa ………...…. 2.5. Standard Distorsi Harmonisa ... 11

14 2.6. Arus Lebih ………

2.7. Rele Proteksi ……….

2.8. Rele Proteksi Arus Lebih ………..

2.8.1. Rele proteksi arus lebih elektromekanis ………...……..

2.8.2. Rele proteksi arus lebih statis ………...………..

15 16 16 17 23

(12)

xii

2.8.2.1.Rele statis dengan waktu tunda ………..………...

2.8.2.2.Rele statis yang diteliti ……….………..………….

2.8.2.3.Prinsip kerja ……….………...

2.8.2.4.Kurva arus-waktu ………...…….

2.8.2.5.Penyetelan rele ………..……..

2.9. Alat Ukur Harmonisa (PQA) ………...……….

2.10. Beban ………...………...

2.10.1. Beban linier ……….

2.10.2. Beban non linier ………..

2.11. Indikator Harmonisa ………...………

2.11.1. Trip tepat ………...………..

2.11.2. Trip tidak tepat ………...……….

24 26 28 28 31 35 37 37 39 41 42 43 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ...

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ………...

3.2. Rancangan Penelitian ………

3.2.1. Umum ………...………..

3.2.2. Analisis dampak harmonisa terhadap It dan I1 ………...……….

3.2.3. Analisisdampak harmonisa terhadap kinerja operasi

rele dalam karakteristik arus-waktu Standard Inverse …....…...

3.2.4. Analisis dampak harmonisa terhadap kinerja operasi

rele dalam karakteristik arus-waktu Very Inverse ...

rele dalam karakteristik arus-waktu Extremely Inverse …....…..

rele dalam karakteristik arus-waktu Definite ….………

rele dalam karakteristik arus-waktu Inst …….………...

3.3. Variabel yang Diamati ……….……….

3.4. Populasi dan Sampel ……….

3.5. Instrumen Penelitian ……….

3.6. Pengumpulan Data ………

3.6.1. Rangkaian pengukuran ………..

3.6.2. Pengukuran I1 dan It pada THDi tetap ………..…..

3.6.3. Pengukuran THDi dan It pada I1 tetap ………...

3.6.4. Pengukuran THDi dan I1 pada It tetap ………....

3.6.5. Pengukuran THDi dan ttrip rele ………...….

3.7. Ketelitian Pengukuran ………..

44 44 44 44 45 46 47 48 48 49 50 50 50 52 52 53 54 55 56 58 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ………...………...

4.1. Umum ………...………...

62 62

(13)

xiii

4.2. Dampak Harmonisa Terhadap I1 dan It ………...……….

4.2.1. Pendahuluan ………....………

4.2.2. Data dan analisis ………...……

4.2.2.1. Data I1 dan It pada THDi tetap ………...…....

4.2.2.2. Data THDi dan It pada I1 tetap ………...

4.2.2.3. Data THDi dan I1 pada It tetap ………...

4.3. Data dan Analisa Dampak Harmonisa Terhadap ttrip Rele

………...

4.3.1. Pendahuluan ………...

4.3.2. Data dan analisis ………...……...

4.3.2.1. Pada karakteristik Standard Inverse (SI) ………...….

4.3.2.1.1. ttrip hitung dan ttrip ukur pada SI dan THDi 1,5%...

4.3.2.1.2. ttrip hitung dan ttrip ukur pada SI dan THDi 80 % ……….….

4.3.2.2. Pada Karakteristik Very Inverse (VI) ………...

4.3.2.2.1. ttrip hitung dan ttrip ukur pada EI dan THDi 1,5%...

4.3.2.2.2. ttrip hitung dan ttrip ukur pada EI dan

THD…...

4.3.2.3. Pada karakteristik Extremely Inverse (EI) …………....

4.3.2.3.1. ttrip hitung dan ttrip ukur pada EI dan THDi 1,5 %...

4.3.2.3.2. ttrip hitung dan ttrip ukur pada EI dan

THDi……….….

4.3.2.4. Pada karakteristik D dan Inst ……….………..

4.3.2.4.1. ttrip pada D dan Inst serta THDi 1,5 % …....

4.3.2.4.2. ttrip pada D dan Inst serta THDi 80% ……....

4.4. Analisis Dampak Harmonisa Terhadap ttrip Rele ………....

4.4.1 Dampak harmonisa terhadap karakteristik arus-waktu Inver…...

4.4.2 Dampak harmonisa terhadap karakteristik arus-waktu definite…

4.4.3 Dampak harmonisa terhadap karakteristik arus-waktu Inst …….

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ………....

5.1. Kesimpulan ………...

5.2. Saran ……….

DAFTAR PUSTAKA ...

62 62 63 63 67 70 74 74 75 75 75 79 84 84 87 92 92 95

100 100 104 109 109 110 112 113 113 114 115

(14)

xiv

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

1.1. Perbandingan penelitian Burack, dkk dan Tumira, dkk dengan

penelitian……….. 4

2.1. Rekapitulasi kerusakan transformator daya PLN P3BJB……... 12

2.2. Batas distorsi harmonisa arus menurut standar IEEE 519- 199……… 14

2.3. Batas distorsi harmonisa arus dalam % arus beban IL menurut standar IEC 61000-2005 ……….. 15

2.4. Perubahan I1 dan It sesuai perubahan THDi ……….... 20

2.5. Perubahan ttrip sesuai perubahan THDi ……….... 21

3.1. Nilai t untuk berbagai derajat kebebasan pada tingkat kepercayaan 99 % ……… 60

3.2. Nilai t untuk berbagai derajat kebebasan pada tingkat kepercayaan 95 % ………...…. 61

4.1. Data arus I1 dan It pada THDi tetap ……….… 64

4.2. Data THDi dan It pada I1 tetap ……….... 68

4.3. Data THDi dan I1 pada Ittetap ……….... 72

4.4. Data ttrip hitung dan ttrip ukur pada SI dan THDi 1,5% ……….... 77

4.5. Data ttrip hitung dan ttripukur pada SI dan THDi 80 % ……….... 81

4.6. Data ttrip hitung dan ttrip ukur pada VI dan THDi 1,5% ………... 85

4.7. Data ttrip hitung dan ttripukur pada VI dan THDi 80 % ………... 89

(15)

xv

4.8. Data ttrip hitung dan ttripukur pada EI dan THDi 1,5% ……….... 93

4.9. Data ttrip hitung dan ttripukur pada EI dan THDi 80 % ……….... 97

4.10. Data ttrip pada D dan Inst serta THDi 1,5% ……….... 101

4.11. Data ttrip pada D dan Inst serta THDi 80 % ………. 106

(16)

xvi

DAFTAR GAMBAR

2.1. Gelombang terdistorsi, fundamental, harmonisa ketiga ..……… 8

2.2. Arus cacat akibat harmonisa ………...……. 9

2.3. Penyebab gangguan transformator ………..… 13

2.4. Rele elektromekanis ……….… 17

2.5. Kurva THDi vs I1 ………. 20

2.6. Kurva THDi vs It ………..……… 21

2.7. Kurva ttrip vs I1(Inverse /rele elektromekanis) ………. 22

2.8. Rele proteksi arus lebih statis ………..……...……...….. 23

2.9. Blog diagram rele arus lebih dengan waktu tunda ….…………. 25

2.10. Rangkaian internal rele arus lebih statis ………..…….…….….. 27

2.11. Kurva arus-waktu rele arus lebih statis ……..………..…... 31

2.12. Persentase (%) distorsi harmonisa hasil pengukuran PQA ....…. 36

2.13. Signal harmonisa berpengaruh hasil pengukuran PQA …….…. 36

2.14. Arus efektif (It ) hasil pengukuran PQA ………...……….. 37

2.15. Kurva arus-tegangan beban linier ………..……..……. 38

2.16. Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier ……...…. 38

2.17. Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier …..….….. 39

2.18. Bentuk gelombang tegangan dan arus beban non linier …... 40

(17)

xvii

2.19. Jenis–jenis beban non linier ………..………..……. 41

3.1. Rangkaian pengukuran THDi, I1,It dan ttrip …..……… 52

3.2. Distribusi normal.σ = standard deviasi; μ = rata-rata …..…..….. 59

4.1. Kurva It vs I1 pada THDi tetap ………..……….……. 65

4.2. Kurva It vsTHDi pada I1tetap ……..……….….. 69

4.3. Kurva THDi vs I1 pada It tetap ………..……….… 73

4.4. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada SI dan THDi 1,5 % …..……….. 78

4.5. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada SI dan THDi 80 % …..………... 82

4.6. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada VI dan THDi 1,5 % …..……….……. 86

4.7. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada VI dan THDi 80 % …..…….……….. 90

4.8. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada EI dan THDi 1,5 % ……..………….. 94

4.9. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada EI dan THDi 80 % ……..…………... 98

4.10. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada D dan Inst , THDi 1,5 % …..….……. 102

4.11. Kurva ttrip vs I=It/Is pada D dan Inst , THDi 1,5 % …..………. 103

4.12. Kurva ttrip vs I=I1/Is pada D dan Inst , THDi 80 % …..……….. 107

4.13. Kurva ttrip vs I=It/Is pada D dan Inst , THDi 80 % …..……….. 108

(18)

xviii

DAFTAR LAMPIRAN

1 Dampak harmonisa terhadap I1 dan It: I1dan It pada THDi

tetap………. 117

2 Dampak harmonisa terhadap I1 dan It : THDi dan It pada

I1 tetap ……… 122

3 Dampak harmonisa terhadap I1 dan It : THDi dan I1 pada

It tetap ... 130 4 Dampak harmonisa terhadap ttrip rele: pada karakteristik

SI dan THDi 1,5 ……….……….... 138

5 Dampak harmonisa terhadap ttrip rele: pada karakteristik

SI dan THDi 80 % ….………. 141

VI dan THDi 1,5 % ……… 144

VI dan THDi 80 % ………. 147

EI dan THDi 1,5% ………. 150

EI dan THDi 80% ………. 153

10 Dampak harmonisa terhadap ttrip rele: pada D dan Inst

serta THDi 1,5% ……… 156

11 Dampak harmonisa terhadap ttrip rele: pada D dan Inst serta THDi 80% ……….

162

(19)

xix

DAFTAR ISTILAH

Simbol Judul A Ampere atau satuan arus listrik

AC Air Conditioning atau Pendingin Udara ac arus bolak balik

AT Autotransformator av average = rata-rata

Arus Pick-up Arus minimum yang dibutuhkan rele untuk mulai trip Arus Drop-off Arus maksimum yang dibutuhkan rele untuk mulai off CB Circuit Breaker atau Pemutus Tenaga

dc direct current atau arus searah D Karakteristik Arus waktu Definite DT Definite Time atau waktu tertentu EI Extremely Inverse

EM Electro Mechanics atau elektro mekanis Feeder Penyulang

GI Gardu Induk

Hz Heinrich Rudolf Hertz atau satuan frekuensi I Arus listrik

IEC International Electrotechnic Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

(20)

xx

I1 Arus fundamental

Ih Arus pada harmonisa ke h

It Arus root means square atau arus efektif yaitu arus fundamental dan arus harmonisa

Inst Karakteristik arus waktu Instantaneous (sesaat) IT Inverse Time atau waktu terbalik

Is Arus setting atau arus setelan kV kilo Volt atau satuan tegangan

LV Low Voltage atau tegangan rendah LHE Lampu Hemat Energi

msc milli seconds counter atau penghitung mili detik h Harmonisa ke h

N/HL Non Harmonics / Harmonics Load OCR Over Current Relay atau rele arus lebih Output keluaran

PCC Point of Common Coupling atau titik sambung bersama PLN Perusahaan Listrik Negara

PMT Pemutus Tenaga

PQA Power Quality Analyser atau analiser mutu daya P3BJB Pusat Penyaluran dan Pengaturan Beban Jawa Bali PT Perseroan Terbatas

Rating pengenal atau julat

(21)

xxi

Rms root means square atau akar pangkat dua rata-rata SD Standard Deviation = Standar Deviasi = σ

SI Standard Inverse Switching pensaklaran

t Derajat Kebebasan

ttrip waktu trip

THDi Total Harmonics Distortion arus Trafo Transformator

VA Volt Ampere atau satuan daya semu

VI Very Inverse

vs versus = terhadap