PENDAHULUAN
Transformator merupakan peralatan yang sangat vital dalam penyaluran sistem tenaga listrik karena transformator merupakan peralatan yang menyalurkan energi listrik langsung ke konsumen baik konsumen tegangan tinggi, tegangan menengah maupun tegangan rendah. Dalam sistem penyaluran tidak menutup kemungkinan terjadi gangguan terutama gangguan yang disebabkan oleh alam. Gangguan yang sering terjadi antara lain kawat penghantar putus, kerusakan pada pembangkit, gangguan pada saluran transmisi akibat petir serta gangguan hubung singkat. Dengan adanya gangguan yang tidak dapat diprediksi maka diperlukan suatu peralatan pengaman (sistem proteksi) yang tepat dan
dapat diandalkan pada peralatan sistem tenaga listrik serta pengoperasian dan pemeliharaan yang baik. Relai proteksi harus dapat mengenal kondisi abnormal pada sistem tenaga dan melakukan langkah -langkah yang dianggap perlu untuk menjamin pemisahan gangguan dengan kemungkinan gangguan terkecil terhadap operasi normal (PT. PLN,2005c).
Relai Pengaman
Relai pengaman adalah suatu piranti baik elektrik maupun magnetik yang dirancang untuk mendeteksi suatu kondisi ketidaknormalan pada peralatan sistem tenaga listrik yang tidak diinginkan. Jika kondisi abnormal tersebut terjadi maka relai pengaman
ABSTRAK
Gangguan hubung singkat fasa ke tanah dan fasa-fasa merupakan salah satu permasalahan yang mungkin timbul dalam pengoperasian transformator daya dalam sebuah Gardu Induk. Gangguan yang disebabkan oleh adanya hubung singkat menimbulkan banyak kerugian, kerugian pada sistem transmisi kelistrikan maupun kerugian di pihak konsumen energi listrik. Salah satu cara untuk mengatasi gangguan ini adalah dengan cara memasang peralatan pengaman pada transformator. Relai arus lebih merupakan relai proteksi yang bekerja dengan Pemutus Tenaga (Circuit Breaker). Gangguan hubung singkat fasa ke tanah dan fasa-fasa menimbulkan arus gangguan hubung singkat yang besarnya melebihi seting arus pada relai arus lebih, sehingga relai arus lebih memicu Pemutus Tenaga bekerja sesuai dengan setting waktu yang diterapkan, sehingga resiko kerusakan pada sistem kelistrikan dapat dihindar.
Kata kunci: arus, hubung singkat, relai arus lebih, setting relai, transformator.
ABSTRACT
Short circuit phase to grounding and phase to phase were problems that may emerged in the power transformer operation at substation. Short circuit caused a lot of detriments, in the electrical transmission system and consumers. This fault could be eliminated by using electrical safety equipments that put in transformer. Over current relay was one of the electrical safety equipments that operated with Circuit Breaker (CB). The fault caused by short circuit would produced electrical current that exceed of current relay setting and time setting has been reach by the protection relay,then protection relay will send trip signal to the Circuit Breaker changed from Normally Cloce (NC) Condition to Normally Open (NO) condition. This new condition would eliminated risks in the electrical systems.
Key words: current, over current relay, relay setting, short circuit, transformer.
ANALISA PERHITUNGAN SETTING ARUS DAN WAKTU PADA
RELAI ARUS LEBIH (OCR)
SEBAGAI PROTEKSI TRAFO DAYA
DI GARDU INDUK CAWANG LAMA JAKARTA
Sutarti
secara otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga (circuit breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem normal. Di samping itu relai juga berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam gangguannya sehingga memudahkan evaluasi pada saat terjadi gangguan (Tjahjono, 2000).
Pada prinsinya relai pengaman yang terpasang pada sistem tenaga listrik mempunyai tiga macam fungsi, yaitu:
Mendeteksi, mengukur dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta memisahkan secepatnya.
Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu.
Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain, yang tidak terganggu di dalam sistem tersebut dan dapat beroperasi normal serta mencegah meluasnya gangguan.
Relai Arus Lebih
Proteksi arus lebih adalah proteksi terhadap perubahan parameter arus yang sangat besar dan terjadi pada waktu yang cepat, yang disebabkan oleh hubung singkat. Pada proteksi arus lebih ini, relai akan pick-up jika besar arus melebihi nilai seting (Tjahjono, 2000). Elemen dasar dari proteksi arus lebih adalah relai arus. Proteksi arus lebih meliputi proteksi terhadap gangguan hubung singkat yang dapat berupa gangguan hubung singkat fasa-fasa, satu fasa ke tanah serta hubung singkat antar fasa. Proteksi terhadap hubung singkat antar fasa dikenal sebagai proteksi arus lebih dan relai yang digunakan disebut relai arus lebih (over current relay). Jika arus gangguan mengalir melalui tanah, gangguan ini disebut gangguan hubung singkat ke tanah dan relai yang digunakan disebut proteksi hubung tanah (ground fault relay).
Pada proteksi transformator daya, relai arus lebih digunakan sebagai tambahan bagi relai differensial untuk memberikan tanggapan terhadap gangguan luar. Relai arus lebih yang digunakan adalah relai arus lebih tanpa perlambatan waktu, relai arus lebih dengan karakteristik waktu yang berbanding terbalik dengan besar arus dan relai arus lebih dengan komponen arah. Relai arus lebih terdapat beberapa karakteristik waktu yang dikelompokkan menjadi tiga jenis yaitu:
1. Relai arus lebih seketika (instantaneus)
Relai ini memberikan perintah trip pada pemutus tenaga (PMT) pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besar arus gangguannya mencapai arus settingnya (Is) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai relai bekerja sangat singkat tanpa tunda waktu (20 ms - 60 ms).
2. Relai arus lebih waktu tertentu
Relai ini akan memberikan perintah trip pada PMT pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besar arus gangguannya mencapai setting (IS) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai relai kerja diperpanjang dengan waktu tertentu tidak tergantung besarnya arus yang mengerjakan relai.
3. Relai arus lebih terbalik (inverse)
Relai ini akan memberikan perintah trip pada PMT pada saat terjadi gangguan bila arus gangguan mencapai nilai settingnya (IS) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai kerja relai diperpanjang berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan. Pada relai ini sumbu tegak merupakan waktu dalam detik dan sumbu datar adalah berapa kali besarnya arus gangguan yang melewati relai terhadap arus penyetelannya (n x Iset). Penyetelan waktu ditunjukkan dengan kurva yang sering digunakan dan disebut dengan Td (time dial) atau TMS (time multiple setting) yang dirumuskan sebagai berikut (PT. PLN, 2005c):
Relai Arus Lebih pada Transformator Daya Relai pengaman pada transformator dibedakan menjadi dua yaitu elektris dan mekanis. Relai-relai pengaman elektris yaitu relai differential, relai arus lebih untuk sisi primer dan sekunder, relai arus
I I
ck x Td TMS t
S
1 /
)
(
(1)
Tabel 1. Konstanta karakteristik OCR
No Deskripsi k c α
1 Definit time - 0-100
-2 Standart inverse 0,14 0 0,02
3 Very inverse 13,5 0 1
4 Extremely inverse 80 0 2
5 Long time inverse 120 0 1
terbatas (REF atau restricted earth fault) untuk sisi primer dan sekunder serta relai sisi netral (SBEF ataustand by earth fault) untuk melindungi resistor netral trafo pada saat terjadi gangguan ke tanah. Sedangkan untuk relai pengaman mekanis antara lain relai bucholz, relai jansen dan relai suddent pressuredi mana setiap relai pengaman mempunyai fungsi tersendiri.
Gangguan pada transfornator dibedakan menjadi dua yaitu gangguan internal dan eksternal. Untuk gangguan internal dapat dikelompokkan menjadi dua jenis gangguan yaitu gangguan incipien dan gangguan elektris. Gangguan incipien merupakan suatu gangguan yang dimulai gangguan yang kecil atau tidak berarti, namun secara lambat akan menimbulkan kerusakan. Gangguan jenis ini akan dideteksi oleh relai pengaman mekanis seperti relai bucholz, relai jansen dan relai sudden pressure. Sedangkan gangguan internal elektris merupakan gangguan elektris yang dideteksi oleh relai proteksi utama transformator yaitu relai differential dan relai hubung tanah terbatas (REF).
Gangguan yang sering terjadi pada transformator merupakan gangguan di luar daerah pengamanan transformator seperti hubung singkat satu fasa ke tanah ataupun gangguan antar fasa. Gangguan ini mempunyai pengaruh terhadap transformator daya sehingga transformator harus segera dikeluarkan dari sistem, bila gangguan tersebut terjadi hanya setelah waktu tertentu untuk memberi kesempatan relai pengaman daerah yang terganggu bekerja. Untuk kondisi gangguan di luar daerah pengamanannya misalnya gangguan hubung singkat pada di sisi 20 kV atau di penyulang 20 kV maka relai arus lebih dengan perlambatan waktu digunakan sebagai pengamannya. Koordinasi yang baik untuk pengaman cadangan transformator ini sangat diperlukan untuk memperoleh selektivitas yang tepat dengan daerah berikutnya yang terkait. Berikut ini merupakan skema proteksi pada transfomator daya (PT. PLN, 2005c).
Pemutus Tenaga (PMT)
Pemutus tenaga (PMT) atau lebih dikenal dengan istilah Circuit Breaker (CB) merupakan suatu piranti saklar mekanik yang secara otomatis akan membuka atau memutuskan rangkaian listrik apabila terjadi ketidaknormalan pada suatu sistem tanpa adanya kerusakan.
Pemutus tenaga terdiri atas kontak-kontak yang
dialiri arus listrik atau lebih dikenal dengan elektroda. Pada kondisi normal eletroda-elektroda tersebut dalam kondisi terhubung, sebaliknya pada kondisi abnormal maka elektroda-elektroda akan terpisah dan memutuskan hubungan listrik dari satu sisi ke sisi yang lainnya (PT. PLN, 2005a).
Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah Pada gangguan satu fasa ke tanah misal fasa A mengalami gangguan akan menyebabkan kenaikan arus pada fasa A dan drop tegangan di phasa A (menjadi nol) sedangkan arus pada phasa yang lain menjadi nol yang diikuti dengan kenaikan tegangan fasa yang lain (phasa B dan Phasa C tidak sama dengan nol sedangkan arus phasa B sama besarnya dengan phasa C yaitu nol ampere) (Tjahjono, 2000).
Gangguan tidak simetris menyebabkan arus tidak seimbang dalam sistem, sehingga dibutuhkan komponen simetris untuk perhitungannya sebagaimana uraian di atas. Rangkaian gangguan satu fasa ke tanah:
Dari persamaan arus untuk gangguan tidak simetris maka diperoleh:
Gambar 1. Skema sistem proteksi transformator
Gambar 2. Gangguan satu fasa ke tanah
Ia aIb a Ic
Ia1 2
3 1
Kondisi di titik gangguan: Ib = Ic = 0
Va = 0 dan Ia ≠ 0
sehingga:
Pada gangguan satu fasa ke tanah, rangkaian urutan positif, negatif dan urutan nol terhubung seri, seperti ditunjukkan pada rangkaian di bawah ini.
dimana:
Gangguan Hubung Singkat Fasa-fasa
Pada gangguan antar fasa fasa B dan fasa C mengalami gangguan akan menyebabkan kenaikan
arus pada fasa B dan C, sedangkan tegangan untuk fasa tersebut menjadi drop (menjadi nol). Diagram rangkaian untuk gangguan antar fasa ditunjukkan dalam gambar di bawah ini (Stevenson, 1984).
Kondisi pada saat gangguan adalah sebagai berikut:
Vb = VC Ia = 0 dan Ib = - Ic
Dengan VB = VC komponen-komponen simetri tegangan adalah sebagai berikut:
Karena IB = - IC dan Ia = 0, komponen-komponen simetri arus diperoleh dari persamaan berikut ini:
sehingga Ia0= 0 dan Ia2= - Ia1, dimana:
Gambar 5 merupakan gambar rangkaian pengganti untuk gangguan fasa-fasa.
Tujuan penelitian ini adalah mengetahui besar arus hubung singkat yang mengalir apabila terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah dan gangguan fasa-fasa pada incoming 20 kV Trafo #1 150/20 kV 60 MVA di GI Cawang
Gambar 3. Rangkaian urutan pada gangguan satu fasa ke tanah
(9)
Gambar 4. Diagram rangkaian gangguan fasa-fasa
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan cara mengumpulkan data-data spesifikasi transformator daya dan setting relai arus lebih, kemudian melakukan pengamatan dan pengambilan data Gardu Induk. Berdasarkan data-data yang ada, dilakukan analisa dan perhitungan besar arus gangguan terhadap relai proteksi sehingga relai arus bekerja dan mentripkan pemutus tenaga / CB (Circuit Breaker).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Spesifikasi Transformator Daya GI Cawang Lama
Gardu Induk Cawang Lama terdapat dua buah transformator daya dan dua buah transformator interbus. Tulisan ini hanya akan membahas mengenai Transformator Daya #1 150/20 kV 60 MVA dengan merk MEIDEN type BORSL-E. Data-data transformator adalah sebagai berikut :
Instalasi : Konventional Jumlah fasa : 3 fasa
Frekuensi : 50 Hz Impedansi : 12.83%
Daya pengenal : 60 MVA Tegangan sisi tinggi : 150kV Tegangan sisi rendah: 20 kV
Arus nominal sisi 150 kV : 231 Ampere Arus nominal sisi 20 kV : 1650 Ampere Vektor group : YnYn0
Setting Relai Arus Lebih Trafo #1 150/20 kV 60 MVA
Berikut ini diagram blok Trafo #1 150/20 kV 60 MVA di GI Cawang Lama beserta setting relai arus lebih yang terpasang padaincoming 20kV Trafo #1 dan penyulang yang menjadi beban di Trafo #1 150/20 kV 6 0 MVA.
Daftar penyulang Trafo #1 150/20 kV 60 MVA GI Cawang Lama :
1. Penyulang Jangka 4. Penyulang Arjuna 2. Penyulang Pensil 5. Penyulang Oplet 3. Penyulang Bima 6. Penyulang Tractor
Tabel 1 dan 2 merupakan data relai arus lebih padaincoming serta penyulang Trafo #1 150/20 kV 60 MVA sisi 20 kV GI Cawang Lama.
Spesifikasi Pemutus Tenaga Sisi 20 kV dan Penyulang
Tabel 3 merupakan data pemutus tenaga sisi 20 kV dan penyulang Trafo #1 150/20 kV 60 MVA GI Cawang Lama.
Perhitungan Arus Hubung Singkat
Perhitungan arus gangguan hubung singkat pada jaringan 20 kV Trafo #1 150/20 kV 60 MVA di GI Cawang Lama dengan panjang saluran dari sisi sekunder Trafo ke sel incoming 20 kV 100 meter dan impedansi Trafo sebesar 12,83% dengan asumsi beban 55 Mwatt.
Parameter Dasar
Et = 1
Sbase = 60 MVA Vbase = 20 kV
Gambar 6. Diagram Blok Trafo #1 GI Cawang Lama
Gambar 7.Single LineTrafo #1 dan Titik Gangguan
3
5
,
0
5
,
0
j
a
1 j
2 2
1
1
1
1
1
a
a
a
a
A
360
2
Tabel 2. Data seting OCR
Lokasi Merk/Type Relai Ratio CT Inom Iset Iprim Td Iinst
P. Jangka MCGG52 300/5 5 5 300 0,05 2220
P. Pensil MCGG52 300/5 5 5 300 0,05 2220
P. Bima MCGG52 300/5 5 5 300 0,05 2220
P. Arjuna MCGG52 300/5 5 5 300 0,05 2220
P. Oplet MCGG52 300/5 5 5 300 0,05 2220
P. Tractor MCGG52 300/5 5 5 300 0,05 2220
Tabel 3. Data seting GFR
Lokasi Merk/Type Relai Ratio CT Inom Iset Iprim Td Iinst
P. Jangka MCGG52 300/5 5 1.35 81 0.08 Blok
P. Pensil MCGG52 300/5 5 1.35 81 0.08 Blok
P. Bima MCGG52 300/5 5 1.35 81 0.08 Blok
P. Arjuna MCGG52 300/5 5 1.35 81 0.08 Blok
P. Oplet MCGG52 300/5 5 1.35 81 0.08 Blok
P. Tractor MCGG52 300/5 5 1.25 81 0.08 Blok
Tabel 4. Data pemutus tenaga
Lokasi Merk Media Ratio CT Imax
Incoming 20 kV Goldstar Vacuum 2000/5 2000
P. Jangka ABB SF6 300/5 300
P. Pensil Fuji Vacuum 300/5 300
P. Bima ABB SF6 300/5 300
P. Arjuna ABB SF6 300/5 300
P. Oplet ABB SF6 300/5 300
Nilai Impedansi
Ztotal1pu = 0,129 + 1,687i x 10-3pu Ztotal2pu = 0,129 +1,687i x 10-3pu Ztotal0pu = 0,13 + 5,062i x 10-4pu
Perhitungan gangguan satu fasa ke tanah Ib = 0
IФa = Ia.Ibase
= 1,339 x 104– 133,931i Ampere |IФa| = 1,339 x 104Ampere
= 13.390 Ampere
Besar arus gangguan satu fasa ke tanah sebesar 13.390 Ampere.
Perhitungan gangguan fasa – fasa IaФФ0 = 0
= 11.640 Ampere
Besar arus gangguan fasa-fasa ke tanah sebesar 11.640 Ampere.
Perhitungan Setting Relai Arus Lebih Sisi 150 kV
Arus nominal sisi 150 kV : 231 Ampere Ratio CT : 300/5 Ampere
1. Setting relai arus lebih(OCR) Arus setting sisi primer
= 1,2 x arus nominal trafo = 1,2 x 231
= 277,2 Ampere Dipilih 300 Ampere Arus setting sisi sekunder :
= 5 Ampere Tap relai = 5 / In relai = 1 2. Setting waktu rele OCR
Sesuai kaidah aturan yang diterapkan di lingkungan PT. PLN (persero) P3B Jawa Bali untuk waktu kerja rele OCR sisi 150 kV sebesar 0,55 detik sehingga penerapan setting waktunya sebagai berikut:
0,55 =TMS (Td)x 1,844
Setting relai gangguan tanah (GFR) Arus setting sisi primer
= 0,1 x arus nominal NGR = 0,1 x 1000
= 100 Ampere Dipilih 120 Ampere Arus setting sisi sekunder :
= 2 Ampere
Tap relai = 2 / In relai = 0,4 3. Setting waktu GFR
1,3 =TMS (Td)x 3,2319
Sisi 20 kV
Arus nominal trafo = 1650 Ampere Ratio CT : 2000/5 Ampere
1. Setting relai arus lebih(OCR) Arus setting sisi primer
= 1,2 x arus nominal trafo = 1,2 x 1650
= 1980 Ampere Dipilih 2000 Ampere
I I
cArus setting sisi sekunder :
= 5 Ampere
Tap relai = 5 / In relai = 1 2. Setting waktu rele OCR
0,9 =TMS (Td)x 3,9047
3. Setting relai gangguan tanah (GFR) Arus setting sisi primer
= 0,2 x arus nominal trafo = 0,2 x 1650
= 330 Ampere Dipilih 400 Ampere Arus setting sisi sekunder :
= 1 Ampere
Tap relai = 1 / In relai = 0,2 4. Setting waktu GFR
KESIMPULAN
Dari uraian di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Besar arus gangguan satu fasa ke tanah yang terjadi pada saluran kabel 20 kV menuju incoming 20 kV sebesar 13.390 Ampere dan gangguan fasa-fasa sebesar 11.640 Ampere sehingga arus gangguan hubung singkat fasa-fasa yang digunakan dalam perhitungan setting relai proteksi untuk memperoleh sensitivitas dan kehandalan relai, diharapkan dengan arus gangguan terkecil relai proteksi dapat mendeteksi gangguan tersebut.
2. Setting relai arus lebih (OCR) sisi 150 kV sebesar 300 Ampere untuk sisi primer, 5 ampere untuk sisi sekunder dengan tap pada relai 1 dan waktu kerja relai (TMS) atau time dial sebesar 0,3. Sedangkan untuk Ground fault relay(GFR) sebesar 120 Ampere untuk sisi primer, sisi sekunder sebesar 2 Ampere, tap relai 0,4 dan waktu kerja relai GFR (TMS) atau time dial sebesar 0,4.
3. Setting relai arus lebih (OCR) sisi 20 kV sebesar 2000 Ampere untuk sisi primer, 5 ampere untuk sisi sekunder dengan tap pada relai 1 dan waktu kerja relai (TMS) atau time dial sebesar 0,23. Sedangkan untuk Ground fault relay (GFR) sisi 20 kV sebesar 400 Ampere untuk sisi primer, sisi sekunder sebesar 1 Ampere, tap relai 0,2 dan waktu kerja relai GFR (TMS) atau time dial sebesar 0,3.
4. Setting yang diterapkan menggunakan sistem bertingkat dimulai dari sisi penyulang 20 kV, incoming 20 kV trafo dan terakhir sisi 150 kV sehingga pemadaman beban pada saat terjadi gangguan dapat diminimalisir, hanya sisi yang mengalami gangguan yang dipadamkan serta kehandalan operasi trafo tetap terjaga.
DAFTAR PUSTAKA
PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005a. ”Buku
Petunjuk Operasi dan Pemeliharaan Pemutus
Tenaga”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.
PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005b. ”Modul
Pelatihan Pengaman Transformator”.Badan Penerbit
PLN. Jakarta.
PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005c. ”Modul
Pelatihan Relai OCR”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.
Stevenson, William D. Jr.1984.”Analisa Sistem Tenaga
Listrik”. McGraw-Hill. Inc New York.
