Bab 7 Beban Lebih dan Arus Hubung Pendek. PDF created with FinePrint pdffactory trial version

Aturan umum

n sesuai dengan aturan artikel IEC 364-434.2, 434.3 dan IEC 364-533.2, arus prospektif hubung pendek maksimum pada posisi awal sirkit dan arus

prospektif hubung pendek minimum pada posisi akhir sirkit harus ditentukan untuk setiap sirkit.

n arus prospektif hubung pendek maksimum menentukan :

q kapasitas pemutusan tertinggi(Icu) pemutus daya (Icu ≥ prospektif Icc), q kapasitas penutupan gawai proteksi.

q ketahanan thermis dan elektrodinamis pipa kabel dan perangkat hubung bagi .

n prospektif arus hubung pendek minimum menentukan :

q pemilihan unit trip (kurva) dan pengaman lebur,

q pengaman terhadap manusia tergantung sistem pembumian (TN-IT), q kabel terlalu panjang,

q sumber dg impendansi besar (gen-set).

n dalam semua kasus, pengaman harus disesuaikan dengan kemampuan tekanan thermis kabel.

n apapun jenis arus hubung-pendek (min. or max.), gawai pengaman harus memutuskan arus tersebut (Isc) dalam waktu t < 5 dt yang bersesuaian dengan tekanan thermis yang dapat ditahan oleh kabel yg dilindungi.

• ∫ I2_dt ≤ k2_.S2

S2

t = k2 I2

q t = durasi dalam dt

q S = luas penampang dalam mm2

q I = nilai r.m.s arus hubung-pendek dalam ampere

q k = faktor yg tergantung kepada resistivitas, faktor temperatur dan kapasitas panas dari pada material konduktor, dan temperatur awal dan akhir.

Aturan umum

n nilai k untuk beberapa material umum, untuk perhitungan pengaruh arus hubung-pendek. Material konduktor pvc 60°C karet 85°C karet 90°C thermosetting kertas resap mineral - penghantar

- sleeves and seals pvc 60°C karet 85°C karet 90°C thermosetting kertas resap batas temperatur akhir °C batas temperatur awal °C

q note : diberikan 2 nilai batas temperatur akhir dan k, nilai terendah berhubungan kabel yang memiliki luas penampang lebih besar dari 300 mm.

70 60 85 90 80 70 105 70 60 85 90 80 160/140 200 220 250 160 160 250 160/140 200 220 250 160 115/103 141 134 143 108 115 135 76/68 93 89 94 71 k Material isolasi tembaga Aluminium

Prosedur perhitungan arus hubung pendek

nilai nominal transformator TT/TR nilai nominal beban - faktor daya, - faktor kebetulan, - faktor tugas - faktor pengembangan yg dpt diduga karakteristik penghantar nbusbars : qpanjang, qlebar, qketebalan. nkabel : qjenis isolasi

qinti tunggal atau inti banyak, qpanjang,

qluas penampang. nlingkungan : qsuhu ruang, qmetode instalasi,

qjumlah sirkit yg berdekatan.

sisi atas

daya hubung pendek Scc

Usc (%)

Isc pd terminal transformator

Isc dr keluaran perangkat kendali utama TR

Isc pd kepala perangkat kendali kedua

Isc pd kepala perangkat kendali akhir Isc pd ujung keluaran akhir - feeder - nilai nomi-nal arus - jatuh tegangan kapasitas pemutusan inst. trip setting

pemutus daya utama main LV switchboard distribution circuit breaker pemutus daya distribusi kedua pemutus daya distribusi akhir kapasitas pemutusan

inst. trip setting

kapasitas pemutusan inst. trip setting

kapasitas pemutusan inst. trip setting

Definisi

n arus hubung pendek adalah arus lebih yang dihasilkan oleh gangguan dengan mengabaikan impendansi antara titik-titik pd potensial yang berbeda dalam kondisi layanan nomal.

ZI Zt U A B ZI Zt U q Zt = R2 _{+ X}2 U U q Icc₃ = = Z R2 _{+ X}2 R = ρ /A dlm Ω/m ρ = lihat Tabel 1 X = L ω = [15,7 + 144.44 Log (d/r)] mΩ/km = 0,3 Ω / km (saluran TR) = 0,4 Ω / km (saluran TM atau TT)

Definisi

Arus Resistivitas Nilai resistivitas

(Ω mm2/m)

Penghantar yang

Tembaga Aluminium dimaksud

Arus hubung pendek

maksimum ρ

1=1,25ρ20 0,0225 0,036 Ph-N

Arus hubung pendek minimum

ρ1=1,5ρ20 0,027 0,043 Ph-N

Arus gangguan dlm sistem TN dan IT

ρ1=1,25ρ20 0,0225 0,036 Ph-N

PE-PEN

Tegangan jatuh ρ1=1,25ρ20 0,0225 0,036 Ph-N

Arus lebih untuk uji kekuatan termal ρ1=1,5ρ20 0,027 0,043 Ph-N-PE bila tergabung dalam satu penghantar ρ1=1,25ρ20 0,0225 0,036 PE terpisah

n gangguan tiga-fase

Macam-macam arus hubung pendek

ZL ZL ZL ZL ZL ZSC V

~

ZSC U

~

ZSC n gangguan fase-fase Isc₃ = U / 3 Zsc I_sc2 = U 2. Zsc 3 = 0,86. Icc

n gangguan fase-netral

Macam-macam arus hubung pendek

n gangguan fase-bumi ZL ZLn ZL Z(0) ZSC V

~

Z(0) ZSC V

~

ZLn Isc₁ = U / 3 Zsc + Z_Ln Isc =₍₀₎ U / 3 Zsc + Z₍₀₎ 3 = 0,5. Icc

Akibat hubung pendek

Akibat hubung pendek tergantung pada variabel macam dan durasi gangguan, di titik instalasi dimana gangguan itu terjadi serta daya hubung pendek.

o pada lokasi gangguan, adanya busur api listrik menyebabkan: kerusakan isolasi

melelehnya penghantar api dan bahaya kebakaran o pada sirkit yang tergantung:

gaya elektrodinamik, yang menyebabkan: - perubahan bentuk busbar

- terputusnya kabel

Ÿ suhu yang berlebihan akan terus meningkat akibatnya rugi dalam Joule semakin besar pula, dengan resiko kerusakan isolasi

o di sirkit jaringan lainnya atau yang berdekatan dengan jaringan:

Ÿ tegangan menurun selama waktu yang dibutuhkan untuk menghapuskan gangguan, yang bervariasi dari beberapa milidetik ke beberapa ratus milidetik

ž mematikan sebagian jaringan, tingkat bagian tersebut tergantung pada rancangan jaringan dan tingkat diskriminasi yang diberikan oleh gawai pengaman

ž ketidakstabilan dinamis dan/atau rugi sinkronisasi mekanis ž gangguan kendali/pengamatan sirkit, dll

n “metoda impedansi” :

q digunakan untuk menghitung arus gangguan pd suatu titik instalasi dengan derajat ketelitian tinggi.

C . Un C . Un

Isc_k = = C = 1

3 R2 _{+ X}2 _{3 . Zk}

n metoda komposisi :

q biasanya digunakan bila karakteristik catu daya tidak diketahui

U Isc_B = Isc_A .

U + Zc . Isc_A

n metoda konvensional :

q digunakan bila impendansi atau Isc pd sisi atas instalasi sirkit yg diberikan tidak diketahui, untuk menghitung Isc pd titik akhir sirkit.

Bagaimana menghitung arus hubung pendek seimbang

Contoh : metoda impendansi

(1) Psc : daya hubung pendek jaringan sisi atas dlm VA (biasanya 500MVA) (2) Usc : tegangan hubung pendek (%) Sn : daya nyata transformator dlm kVA

(3) ρ = 22.5 (Cu) ρ = 36 (Al) L = panjang dlm m A = luas penampang dlm mm2 (4) jika ada beberapa kabel paralel sefase, bagilah resistans dan reaktans satu kabel

dengan jumlah kabel

(5) Uo = tegangan trafo fase ke fase tanpa beban

Reaktansi (milliohms) X = (1) X = Usc (2) X diabaikan X = 0.15 milliohms/m X = 0.08 milliohms/m n tentukan resistansi dan reaktansi setiap bagian instalasi

Resistansi (milliohms) R diabaikan R diabaikan utk S > 100 kVA R diabaikan R = ρ (3) R = ρ (3) Bagian instalasi

jaringan sisi atas Psc transforrmator Sn, Usc, U pemutus tenaga bar kabel (4) Diagram L A L A Uo2 Psc Uo2 Sn Uo 3 Rt2 + Xt2 Isc = kA

Contoh : metoda impendansi

Ssc = 500 MVA Transformator : S = 630 kVA U1=20kV Usc = 4%, Uo = 410 VAC Wc = 6500 W 3 kabel, @ A = 150mm2 Cu, L = 3 m

Pemutus daya cepat Bus bar (Cu) :

L = 2 m; 3 rel @ A = 150 mm2 M Motor P = 50 kW e = 25%

Diagram spesifikasi Resistansi mΩ Reaktansi mΩ

A

B

= rugi-rugi Cu pd trafo e = reaktansi putaran mesin

R1 = Uo2_{/Ssc . cos}ϕ_{; cos} ϕ _{= 0.15} R1 = 0,05 X1 = Uo2_{/Ssc . sin} ϕ_{; sin} ϕ_{= 0,98} X1 = 0,33 R2 = (Wc . Uo2_)/S2 R2 = 2,75 X2 = V((Usc.Uo2_/S)2 _{- R2}2₎ X2 = 10,31 R3 = ρL/3A; ρ= 0,0225 Ωmm2_/m R3 = 0,15 R4 = diabaikan X4 = diabaikan X3 = 0,08 L X3 = 0,24 R5 = ρL/3A; ρ= 0,0225 Ωmm2_/m R5 = 0,1 X5 = 0,15 L X5 = 0,3 3 kabel, @ A = 35mm2 Cu, L = 30 m R6 = ρL/3A; ρ= 0,0225 Ωmm2_/m R6 = 6,43 X6 = 0,08 L X6 = 2,4 R7 = 0,2 X7 R7 = 168 X7 = e Uo2_/P X7 = 840

Contoh : metoda impendansi

Gangguan Resistansi (mΩ) Reaktansi (mΩ) Isc (kA)

A R_TA = R1.(Uo/U1)2+R2+R4+R5 = 3 X_TA = X1.(Uo/U1)2+X2+X4+X5 = 10,85 I_scA = Uo/V3(R_TA2+X_TA2) = 21,03 B RTB = RTA + R6 = 9,43 XTB = XTA + X6 = 13,25 IscB = Uo/V3(RTB 2 +XTB 2 ) = 14,55 REVERSE CURRENT MOTOR RM = R6 + R7 = 174,43 XM = X6 + X7 = 842,4 IM = Uo/ V3(RM 2 +XM 2 ) = 0,275

Luas penampang kawat sesuai Isc

n kapasitas menghantarkan arus selama hubung singkat dan untuk waktu yang sangat singkat tergantung dari :

q isolasi konduktor (PVC, XLPE),

q material konduktor : tembaga atau aluminium,

q temperatur awal konduktor sebelum arus hubung pendek, q temperatur akhir konduktor setelah arus hubung pendek, q waktu operasi dari pada arus hubung singkat.

n kapasitas menghantarkan arus selama hubung pendek diberikan dalam tabel. Contoh dapat diambil dari manual pabrik kabel.

Tabel + rumus

θ_c - θ_i δ_i = k .

t

t = waktu operasi dari pada Isc

θ_c = suhu awal θ_i = suhu akhir Isc

S = δ_i

δ_i = kerapatan arus dalam A/mm2

q cara mudah menghitung luas penampang konduktor

Isc t k = 11 untuk Cu S = .

Tabel + rumus

n tembaga

waktu operasi Isc (S) suhu °C isolasi penghantar kertas resap Polythylene BD awal θi _akhir θ_c 446 424 335 458 436 351 537 538 439 PVC XLPE EPR 315 300 237 324 309 248 394 380 311 257 245 194 265 252 203 321 310 254 223 212 168 229 218 175 278 269 220 199 189 150 205 195 158 249 241 196 158 150 118 162 154 124 197 190 155 141 134 106 145 138 111 116 170 139 99 95 75 102 98 79 124 120 98 150 160 250 20 30 70 20 30 70 20 30 90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1 2

Tabel + formula

n aluminium

operating time of the Isc (S) temperatures °C insulation of conductors impregnated paper Polyethylene BD initial θi final θc 294 278 221 304 285 231 367 354 288 PVC XLPE EPR 208 197 157 215 201 163 259 250 203 170 161 128 175 164 133 212 204 166 147 139 111 152 142 115 183 177 144 131 125 99 135 127 103 164 158 129 104 99 78 107 101 82 130 125 102 93 88 70 96 90 73 116 112 91 66 63 49 68 64 52 82 79 65 150 160 250 20 30 70 20 30 70 20 30 90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1 2

Beberapa kasus transformator kerja paralel

n apa yg terjadi dg kapasitas pemutusan setiap pemutus tenaga

D1 D2

D4

D1 D2

D4

Kasus generator

n karakteristik generator set :

q arus hubung-pendek yg rendah tergantung pada transient reactance (2 s/d 5 ln), q ketahanan thermal terbatas.

n karakteristik pengaman :

q pengaman waktu lama beraksi cepat (<15s) untuk beben lebih 1.5 ln, q pengaman waktu singkat rendah (< 2ln).

load shedding non-priority priority 250 KVA 400 x’d = 30% G

n nilai arus hubung-pendek Icc3 pd terminal genarator set

Sn 1

Icc₃ = = transient reactance dinyatakan dalam (30%)

√3 Un X’d

Kasus generator

n reaktans subtransien : x”d dalam %

bila tidak ada informasi = 20 % X’’d = Un

2

Sn x.(x’’d)

bila tidak ada informasi = 30 % X’d = Un

2

Sn x.(x’d)

bila tidak ada informasi = 6 % Xο = Un

2

Sn

x.(xο)

n reaktans transient : x’d dalam %

Kasus generator

n perhitungan arus hubung-pendek tiga-fase minimum sistem (TN - IT)

level R X Z Icc generator Ra X'd duct 22,5 L 0,08 L S R X

√

R2 + X2

_√

3

.√

R2 + X2 V . 1.05 total level R X Z Icc generator Ra 2X'd + Xo duct 22,5 L (1+m) 0,08 x L x 2 SPN total

√

_R2 _{+ X}2 _√ 3

√

R2 + X2 V . 1.05 3 m = SPH SPE

n keuntungan memasang pemutus daya dg kemampuan pembatas arus :

q pemutus tenaga pembatas arus diharapkan mengurangi

pengaruh-pengaruh yg tidak diinginkan akibat arus hubung pendek pada instalasi. q pemanasan kabel dikurangi sehingga umur kabel lebih panjang.

q gaya elektrodinamik berkurang, sehingga sedikit kemungkinan kontak-kontak deformasi atau patah.

q pengaruh terhadap peralatan pengukuran dekat sirkit listrik dikurangi. q teknik kaskade menawarkan solusi penghematan cukup substansial

pada perlengkapan, pelingkup dan dirancang dgn menggunakan nilai nominal gawai lebih rendah pada sisi bawahnya.

Prinsip limitasi arus

Arus prospektif Arus yg dibatasi Tegangan busur Tegangan jaringan U busur i u aru s y g d iba_ta si t

Limitasi arus : bagaimana

n limiter block beroperasi dengan cara yang sama dengan kutub utama

pemutus daya tetapi tidak dihubungkan secara mekanis ke kutub utama atau ke mekanisme trip pemutus daya .

Hal ini menyebabkan kontak limiter block menutup kembali setelah gangguan diputuskan . Isolasi gangguan dilakukan oleh kontak utama pemutus daya

I I Fr Fm I I Fm

Apa itu limitasi arus : aplikasi dan penggunaan tabel

n kemampuan limitasi arus dari pemutus daya :

q kemampuan limitasi arus suatu pemutus daya adalah suatu karakteristik dimana hanya arus gangguan lebih kecil dari nilai prospektif yang diijinkan mengalir pada kondisi hubung pendek.

prospective Isc peak

prospective Isc

limited Isc limited Isc peak

t Isc tanpa limitasi dengan limitasi kA peak kA rms 30 0 25 55 q contoh : gangguan prospektif = 30 kA rms, 55 kA peak nilai dibatasi = 25 kA peak

total energi yang diteruskan selama 1/2 siklus tanpa limitasi I2_t

kA rms 30

0

6 x 106 energi yang diteruskan selama

1/2 siklus dengan limitasi 9 x 106

Definisi : diskriminasi

n diskriminasi (selektivitas), adalah koordinasi gawai pengaman otomatis

sedemikian rupa sehingga gangguan yg terjadi pada suatu titik dalam jaringan listrik dipadamkan oleh gawai pengaman yg diinstal langsung di atas

gangguan tersebut dan hanya oleh gawai tersebut saja.

n kenapa diskriminasi diperlukan ?

q Diskriminasi menjamin kontinuitas pelayanan sumber daya, terutama sangat diperlukan di industri, instalasi komersial atau institusional.

diskriminasi CB1 CB2 hanya CB2 buka tanpa diskriminasi CB1 CB2 CB1 dan CB2 buka

Diskriminasi arus

n dg membandingkan karakteristik kurva operasi :

q kurva limitasi dari pemutus tenaga sisi bawah (D1) :

q kurva energi tidak trip dari pemutus tenaga sisi atas (D2)

∫i dt ∫i dt tripping no-tripping D2 D1 2 2

Diskriminasi penuh atau terbatas

q diskriminasi penuh D2 D1 ƒi2 _dt D2 D1 I ƒi2 _dt D2 D1 Is I q diskriminasi terbatas Icc

Diskriminasi logik

n kawasan pemilih interlok

rele logik rele logik rele logik D1 D2 D3 I III

Diskriminasi antara pengaman lebur TM dan pemutus tenaga TR

TM pemutus-daya TM/TR transformator Icc +20% 10% imag D D ± 20% F ± 10% I I t tF tD ≥10ms arus aman IF ≥ 1.35 ICB waktu aman tF tCB ≥ 2 e.g. 0,1 = 2 0,05 Icc> arus pemutusan minimum pemutus daya TT

Definisi : kaskade

q kaskade adalah penggunaan kemampuan pembatasan arus (Icu) dari pemutus daya, sehingga diperkenankan memasang pemutus daya sisi bawah dengan kapasitas pemutusan lebih rendah.

q prinsip kaskade telah termaktub pada standar IEC 364-434.3

q kaskade hanya bisa diuji melalui uji laboratorium dan kombinasi kaskade hanya bisa ditetapkan oleh pabrik pembuatnya.

q komentar: pemutus daya sisi atas bertindak selaku back-up terhadap gangguan hubung pendek. Sehingga diperkenankan pemutus daya dengan kapasitas

pemutusan lebih rendah dari arus hubung pendek prospektif pada titik instalasi dimana pemutus tenaga tersebut dipasang.

Contoh 1 - kaskading

Dengan instalasi pemutus daya NS250L (dengan kapasitas pemutusan 150 kA) pada sisi atas.

Pada arus hubung pendek di rel 30 kA, dapat dipasang NC45H (dengan kapasitas pemutusan 10 kA)

Kaskading 2 tingkat : Jaringan 380 V

60A Isc=80kA

20A 30A 20A

Contoh 2 - kaskading

Pemutus daya A sisi atas digunakan NS250L (dengan kapasitas pemutusan 150 kA) untuk arus prospektif hubung pendek 80 kA.

Pemutus daya NS100N (dengan kapasitas pemutusan 25 kA) dapat digunakan untuk

pemutusan daya B untuk arus prospektif hubung pendek 50 kA, karena kapasitas pemutusan

dinaikkan NS250L dengan kaskading di sisi atas menjadi 150 kA.

NC60N (dengan kapasitas pemutusan 10 kA) dapat dipakai untuk pemutus daya C untuk arus prospektif hubung pendek 24 kA pada terminal keluarannya, karena kapasitas pemutusannya dinaikkan oleh NS250L dengan kaskading di sisi atas menjadi 30 A Kaskading 3 tingkat : Jaringan 380 V A NS250L 220A Isc=80kA C NS60N 25A B NS100N 63A Isc=50kA Isc=24kA sisi atas sisi baawah

gawai A dikoordinasikan untuk kaskading dengan kedua gawai B dan C.