SIMULASI PROTEKSI TRANSFORMATOR DAYA DENGAN RELAI DIFERENSIAL DUAL-BIAS PRESENTASE MENGGUNAKAN PERANGKAT
LUNAK PSCAD
SKRIPSI
Oleh:
WI’AM RIZQI TSANIY ARIF SATRIA NUR YAHYA 105 82 11170 17 105 82 11116 16
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR 2022
Simulasi Proteksi Trafo Dengan Relay Deferensial Dual- Bias Presentase Menggunakan Perangkat Lunak PSCAD
Skripsi
Diajukan sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana
Program Studi Teknik Elektro Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik
Oleh :
WI’AM RIZQI TSANIY ARIF SATRIA NUR YAHYA 105 82 11170 17 105 82 11116 16
PADA
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR 2022
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala, yang senantiasa melimpahkan Rahmat dan Hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik mungkin. Solawat dan salam semoga senantiasa dicurahkan kepada Nabi Muhammad Shalallaahu 'Alayhi Wasallam, keluarga, sahabat dan para pengikutnya.
Skripsi ini disusun sebagai salah satu persyaratan yang harus ditempuh dalam rangka penyelesain program studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar. Adapun judul skripsi kami adalah:
“SIMULASI PROTEKSI TRAFO DENGAN RELAY DIFERENSIAL DUAL-BIAS PRESENTASE MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK PSCAD”.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini mendapat banyak bantuan, bimbingan, saran-saran dari berbagai pihak, sehingga penyusunan skripsi ini dapat berjalan dengan lancar. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1. Ayah dan ibu tercinta, kami mengucapkan banyak terimakasih yang sebesar-besarnya atas segala limpahan kasih sayang, doa dan pengorbanan terutama dalam bentuk materi dalam menyelesaikan kuliah.
2. Bapak Prof. Dr. H. Ambo Asse, M.Ag. Selaku Rektor Universitas Muhammadiyah Makassar.
3. Ibu Dr. Ir. H. Nurnawati, M.T. Selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar.
4. Ibu Adriani, S.T.,M.T Selaku Ketua Prodi Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar.
5. Bapak Ir. Abdul Hafid, M.T. Selaku Pembimbing I dan Andi Faharuddin, S.T., M.T selaku Pembimbing II yang telah banyak meluangkan waktunya dalam membimbing kami.
6. Bapak/Ibu Dosen serta Staf Fakultas Teknik atas segala waktunya telah mendidik dan melayani kami selama mengikuti proses belajar mengajar di Universitas Muhammadiyah Makassar.
7. Saudara-saudaraku serta rekan-rekan mahasiswa Fakultas Teknik terkhususnya Akurasi 2017 Dan proyeksi 2016 yang dengan keakraban dan persaudaraan banyak membantu dalam menyelesaikan skripsi ini.
8. Wi’am Rizqi Tsaniy Arif , Terima kasih sudah kuat dan tidak pernah menyerah walau sering merasa kalah .
Penulis menyadari bahawa penyususnan skripsi ini masih banyak kekurangan, untuk itu kritik dan saran sangat penulis harapkan demi perbaikan skripsi ini. Akhirnya penulis harap semoga dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca umumnya.
Makassar, 4 Juli 2021
Penulis
SIMULASI PROTEKSI TRAFO DENGAN RELAY DIFERENSIAL DUAL-BIAS PRESENTASE MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK PSCAD
ABSTRAK
Abstrak; Wi’am Rizqi Tsaniy Arif dan Satria Nur Yahya (2022), Salah satu peralatan yang berperan penting dalam penyaluran daya listrik yaitu transformator daya. Transformator daya merupakan peralatan listrik yang sangat vital, oleh karena itu transfomator harus dipelihara agar dapat beroperasi secara maksimal dan jauh dari gangguan-gangguan yang dapat meyebabkan kegagalan transformator. Transformator dalam sistem tenaga membutuhkan tipe proteksi yang berbeda- beda. Salah satu relai yang akan digunakan untuk memproteksi transformator adalah relai differensial. Penelitian ini menunjukkan performa relai differensial terhadap transformator daya pada gangguan internal dan eksternal.
Ada tiga tipe gangguan yang akan disimulasikan di PSCAD/EMTDC yaitu gangguan satu fase ke tanah , dua fase dan tiga fase, dengan resisitansi gangguan 1 ohm, 5 ohm dan 10 ohm. Sistem yang dikaji pada penelitian ini memiliki sumber 230 kV, 3 fase, 50 Hz dengan transformator step up, 150 kV/20kV, Y-Y, 60 MVA . Simulasi gangguan hubung singkat dan relai pada transformator menggunakan software PSCAD (Power System Computer Aided Design). Hasil simulasi menunjukkan bahwa relai differensial mampu mengirimkan signal trip untuk semua gangguan internal dan tetap blok untuk semua gangguan eksternal.
Kata Kunci : Proteksi Transformator, Relai differensial, PSCAD
SIMULASI PROTEKSI TRAFO DENGAN RELAY DIFERENSIAL DUAL-BIAS PRESENTASE MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK PSCAD
ABSTRACT
Abstract; Wi’am Rizqi Tsaniy Arif and Satria Nur Yahya (2022), High voltage rail is equipment that has an important role in the distribution of electric power.
In the distribution of electric power, high-voltage rails are electrical equipment that has a vital role, therefore, high-voltage rails must be protected from disturbances that can interfere with the maximum function of the high-voltage rails. The type of protection that will be used to protect high-voltage rails is using a differential relay. In this research simulation will show the performance of differential relays in protecting high voltage rails against internal and external faults. This study shows the performance of differential relays on power transformers on internal and external faults. There are three types of faults that will be simulated in PSCAD/EMTDC namely single-phase to ground, two-phase and three-phase faults, with fault resistances of 2 ohms, 10 ohms and 20 ohms.
The system studied in this study has a source of 230 kV, 3 phase, 50 Hz with a step up transformer, 150 kV/20kV, Y-Y, 60 MVA. Simulation of short circuit and relay faults on transformers using PSCAD (Power System Computer Aided Design) software. The simulation results show that the differential relay is capable of sending a trip signal for all internal faults and remains blocked for all external faults.Simulation of short circuit and relay faults on high voltage rails using software PSCAD (Power System Computer Aided Design). The simulation results show that the differential relay is capable of sending trip signals for all internal faults and remains blocked for all external faults.
Keywords: High Voltage Rail Protection, Differential Relays, PSCAD
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL ... i
KATA PENGANTAR ... ii
ABSTRAK ... iv
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR LAMPIRAN ... xiii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
A. Latar Belakang ... 1
B. Rumusan Masalah ... 2
C. Tujuan Penelitian ... 2
D. Batasan Masalah ... 3
E. Manfaat Penelitian ... 3
F. Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
A. Transformator ... 5
B. Gangguan Pada Transformator ... 10
C. Sistem Proteksi ... 17
D. Relai Diferensial ... 22
E. Perangkat Lunak PSCAD ... 31
BAB III METODE PENELITIAN ... 34
A. Jenis Penelitian ... 34
B. Waktu Dan Tempat Penelitian ... 34
C. Alat Dan Bahan ... 34
D. Skema Penelitian ... 35
E. Data Primer ... 35
F. Langka Penelitian ... 36
BAB IV PEMBAHASAN ... 37
A. Permodelan Sistem Proteksi Trafo Dengan Relai Diferensial Dual Bias Menggunakan PSCAD ... 37
B. Hasil Simulasi ... 40
BAB V PENUTUP ... 69
A. Kesimpulan ... 69
B. Saran ... 70
DAFTAR PUSTAKA ... 71
LAMPIRAN ... 73
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Elektromagnetik Pada Trafo ... 5
Gambar 2.2 Inti Besi Transformator ... 6
Gambar 2.3 Kumparan Transformator ... 7
Gambar 2.4 Bushing Transformator ... 7
Gambar 2.5 Transformator Arus ... 9
Gambar 2.6 Kurva kejenuhan untuk pengukuran dan proteksi ... 9
Gambar 2.7 Gangguan hunbung singkat dua fasa ... 13
Gambar 2.8 Gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah ... 14
Gambar 2.9 Gangguan hubung singkat dua fasa ... 14
Gambar 2.10 Gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah ... 15
Gambar 2.11 Gangguan hubung singkat tiga fasa ... 15
Gambar 2.12 Hubung singkat tiga fasa ke tanah... 16
Gambar 2.13 Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah... 16
Gambar 2.14 Prinsip Kerja Relay Differensial ... 23
Gambar 2.15 Relay differensial saat arus normal ... 24
Gambar 2.16 Relay Differensial Keadaan Gangguan Internal ... 25
Gambar 2.17 Relay Diferensial Keadaan Gangguan Eksternal ... 26
Gambar 2.18 Karakteristik Relay Differensial Longitudinal ... 28 Gambar 2.19. Peningkatan Kestabilan Akibat Transient Bias saat kondisi CT
saturasi: (a) CT Saturasi, (b) Arus diferensial dan ambang trip tanpa penambahan arus transient bias, (c) Arus transient bias,
dan (d) Arus diferensial dan ambang trip dengan penambahan
arus transient bias. ... 30
Gambar 3.1. Diagram Balok Skema Penelitian ... 35
Gambar 3.2. Data Trafo ... 35
Gambar 3.3 Flowchart penelitian ... 36
Gambar 4.1 Rangkaian Simulasi PSCAD V 4.2.0 Student version (a) Kondisi normal (b) Gangguan Internal (c) Gangguan Eksternal ... 38
Gambar 4.2 Model Relai ... 38
Gambar 4.3 Monitor, arus dan respon relai ... 39
Gambar 4.4 Gelombang arus relai A kondidi normal (a) tampilan respond arus relai tiga fase (b) tampilan respond relai Arus fase A ... 41
Gambar 4.5 Gelombang arus relai B kondidi normal (a) tampilan respond arus relai tiga fase (b) tampilan respond relai Arus fase A ... 42
Gambar 4.6 Monitor keluaran nilai magnitudo dan sudut fase ... 42
Gambar 4.7. Karakteristik desain setelan Relai ... 46
Gambar 4.8 Gelombang arus relai A gangguan internal dua fase, Rf = 1 ohm; (a) tampilan respond arus relai dua fase AB (b) tampilan respond relai Arus fase A... 49
Gambar 4.9 Gelombang arus relai B gangguan internal dua fase, Rf=1 ohm; (a) tampilan respond arus relai dua fase AB (b) tampilan respond arus relai B fase A ... 50
Gambar 4.10 Monitor keluaran nilai magnitudo dan sudut fase ... 51
Gambar 4.11 Monitor Relai Primer dan Sekunder... 52
Gambar 4.12 Gelombang arus relai-A gangguan internal Tiga-fase, Rf=1 ohm; (a) tampilan arus tiga fase; (b) tampilan arus fase A. .... 54 Gambar 4.13 Gelombang arus relai-B gangguan internal Tiga-fase, Rf=1
ohm; (a) tampilan arus tiga fase; (b) tampilan arus fase A. .... 54 Gambar 4.14 Monitor keluaran nilai magnitudo dan sudut fase ... 55 Gambar 4.15 Respon relai A dan B terhadap gangguan intenal 3 fase ... 57 Gambar 4.16 Gelombang arus relai-A gangguan Eksternal dua-fase, Rf=1
ohm; (a) tampilan arus tiga fase; (b) tampilan arus fase A. .... 58 Gambar 4.17 Gelombang arus relai-B gangguan Eksternal dua-fase, Rf=1
ohm; (a) tampilan arus tiga fase; (b) tampilan arus fase A. .... 59 Gambar 4.18 Monitor keluaran nilai magnitudo dan sudut fase. ... 60 Gambar 4.19 Respon relai A dan B terhadap gangguan ekternal 2 fase. ... 61 Gambar 4.20 Gelombang arus relai-A gangguan Eksternal tiga-fase, Rf=1
ohm; (a) tampilan arus tiga fase; (b) tampilan arus fase A. ... 63 Gambar 4.21 Gelombang arus relai-B gangguan Eksternal tiga-fase, Rf=1
ohm; (a) tampilan arus tiga fase; (b) tampilan arus fase A. ... 63 Gambar 4.22 Gelombang Arus Pada Gangguan Internal AB dengan Rf = 2
ohm (a) Arus Primer (b) Arus Sekunder (c) Arus Gangguan (d) arus CT1 (e) Arus CT2 (f) Arus Differensial (g) Pick Up Respon Relai. ... 66
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Macam-macam Pendingin Pada Trafo ... 8
Tabel 4.1 Data spesifikasi setelan relai ... 40
Tabel 4.2 Hasil setelan relai ... 46
Tabel 4.3 Performa relai terhadap gangguan internal dua-fase (AB) ... 53
Tabel 4.4 Performa relai terhadap gangguan internal Tiga-fase (ABC) ... 57
Tabel 4.5 Performa relai terhadap gangguan eksternal dua-fase (AB) ... 62
Tabel 4.6 Hasil simulasi dan perfoma relai terhadap gangguan eksternal tiga-fase (ABC) ... 68
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Gambar A.1. Bentuk komponen Sumber Tiga-Fase ... 74
Gambar A.2. Bentuk komponen transmision lines. ... 74
Gambar A.3. Bentuk komponen multimeter ... 74
Gambar A.4. bentuk komponen FFT. ... 75
Gambar A.5 Bentuk komponen konverter polar - rektanguler dan rektanguler - polar ... 75
Gambar A.6. Bentuk komponen Summing/Diffrencing Junctions ... 75
Gambar A.7 bentuk komponen output Channel ... 76
Gambar A.8. Bentuk komponen gangguan jaringan tiga fasa ... 76
Gambar A.9. Bentuk komponen Timed Fault Logic ... 76
Gambar A.10. Bentuk komponen Three phase resistive load and Three phase inductive load. ... 77
Gambar A.11. Bentuk komponen Signal Name ... 77
Gambar A.12. Bentuk komponen Marges Data Signal Into an Array ... 78
Gambar A.13. Bentuk komponen Datatape ... 78
Gambar A.14. Bentuk komponen detektor arus lebih ... 79
Gambar B.1. Single Line Gardu Induk Panakkukang ... 81
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Suatu sistem kelistrikan terdiri dari tiga bagian yaitu lapisan pembangkitan, saluran transmisii dan sistem distribusi. Saluran transmisiimerupakan penghubung antara generator dengan sistem distribusiitenaga listrik, merupakan saluran yang saling berhubungan dengan sistem lainnya. Oleh karena itu, saluran transmisi merupakan bagian terpenting dari sistem kelistrikan (Stevenson, 1990).
Sistem transmisii adalah proses penyaluran energi listrik dari suatu pusat pembangkit listrik dengan level tegangan tertentu ke level yang lebih tinggii, kemudian masuk kegardu induk. Pada umumnya gardu induk memiliiki berbagai kelengkapan berupa transformator daya, separator, circuit breaker, bus bar dan isolator, alat ukur, relai dan sistem pengaman, serta pentanahan.
Salah satu perangkat yang berperan penting dalam pendistribusian daya adalah transformator daya. Trafo daya merupakan peralatan listrik yang sangat penting, sehingga harus dijaga agar dapat berfungsi dengan baik dan jauh dari gangguan yang dapat menyebabkan kegagalan trafo.
Dari adanya gangguan tersebut, maka transformator membutuhkan suatu proteksi yang dapat melindungi trafo jika terjadi gangguan, sehingga trafo dapat terhindar dari kerusakan. Transformator dalam sistem tenaga membutuhkan tipe proteksi yang berbeda-beda. Proteksi ini disediakan oleh
berbagai jenis relai, baik elektromagnetik maupun statik. Relai yang akan digunakan untuk memproteksi transformator adalah realai differensial. Relay ini bekerja ketika ada perbedaan arus Current Transformer (CT ) sisi primer dan sekunder (Syukriyadin dkk, 2011 ). Jika gangguan terjadi di luar zona proteksi, relai tidak akanbekerja. Relai tidakdapat menghilangkan kemungkinan adanya gangguan, tetapi akan bekerja setelah terjadi gangguan.Maka dari itu untuk melihat perfomasi dari relai differenasial untuk transformator dilakukan simulasi menggunakan software PSCAD (Power System Computer Aied Design)
B. Rumusan Masalah
Pada penelitian ini penulis menguraikan beberapa permasalahan antara lain:
1) Bagaimana model sistem daya yang terdiri atas transformator daya, gangguan, dan relai diferensial presentase dual-bias?
2) Bagaimana kinerja relai diferensial presentase dual-bias terhadap gangguan internal dan eksternal?
C. Tujuan Penelitian
Berdasarkan rumusan masalah diatas, maka tujuan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk memperoleh model sistem daya yang terdiri atas transformator daya, gangguan, dan relai diferensial presentase dual-bias?
2. Untuk memperoleh performansi relai diferensial presentase dual-bias terhadap gangguan internal dan eksternal
D. Batasan Masalah.
Adapun batasan masalah penelitian ini adalah:
1) Trafo yang akan disimulasikan adalah trafo daya 60 MVA.
2) Relai yang ditinjau hanya relai yang berada di fase A.
3) Resistansi gangguan hanya resistif.
4) Gangguan yang dibahas hanya tiga jenis gangguan yaitu gangguan satufasa ke tanah(Ag), dua fasa(AB) dan tiga fasa(ABC), dengan tiga hambatan gangguan masing-masing 40 Ohm.
5) Gangguan internal yang ditinjau berlokasi di terminal transformator.
E. Manfaat Penelitian
1. Penelitian ini dapat menjadi bahan informasi dalam pengembangan ilmu pengetahuan, khususnya di bidang Teknik Elektro.
2. Dengan penelitian ini penulis dan pembaca dapat menambah wawasan mengenai transformator, relai diferensial presentase dual-bias dan penggunaan software PSCAD.
F. Sistemastika Penulisan.
1. Bab Pertama.
Pada bab ini menguraikan latar belakaang, rumusan. masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitiian. yang dilakukan dan sistematika penuliisan.
2. Bab kedua
Pada bab ini menguraikan teori pendukung yang berhubungan dengan penelitian.
3. Bab Ketiga
Pada bab ini menguraikan tentang waktu dan tempat penelitian, bahan penelitian, alat penelitian , diagram skema penelitian, gambar rangkaian trafo dan metodologi penelitian yang memuat langka-langka dalam proses penelitian.
4. Bab Keempat
Pada bab ini menguraikan hasil analisis peneliitian, perhitungan serta penjelasan yang berkaitan dengan judul penelitian..
5. Bab Kelima
Pada bab ini memuat kesimpulan yang berkaitan dengan penelitian, serta memuat saran yang di perlukan dari penulisan.
6. Daftar Pustaka.
Bab ini mengenai kumpulan sumber penulisan, dalam menentukan teori yang berkaitan dengan penelitian.
7. Lampiran.
Lampiran beriskan hasil dokumentasi hasil penelitian dan instrumen yang digunakan dalam penelitian
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA A. Transformator
1. Transformator Daya
Transformator daya adalah perangkat listrik statis, yang digunakan untuk mentransfer daya dari satu rangkaian ke rangkaian lain, dengan mengubah tegangan, tanpa mengubah frekuensi. Dalam bentuknya yang paling sederhana, transformator terdiri dari kumparan dan induktansi timbal balik. Kumparan primer adalah yang menerima daya, dan kumparan sekunder terhubung ke beban. Kedua kumparan dililitkan pada inti yang terdiri dari bahan magnetik yang dilaminasi.
Dasar fisik transformator adalah induktansi timbal balik antara dua sirkuit yang dibutuhkan oleh fluks magnet umum yang melewati jalur reluktansi rendah. Kedua kumparan memiliki induktansi timbal balik yang tinggi.
Ketika satu kumparan dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik, fluks bolak-balik terjadi pada inti berlapis, yang sebagian besar terikat pada kumparan lainnya, dan di mana gaya gerak listrik (ggl).
Gambar 2.1 Elektromagnetik Pada Trafo
2. Bagian – bagian Transformator
Transformator pada umumnya memiliki beberapa bagian-bagian, diantaranya adalah :
a. inti besi
Inti besi digunakan sebagai media aliran fluks yang timbul dari induksi arus bolak-balik pada kumparan yang mengelilingi inti besi sehingga dapat menginduksi kembalinya ke kumparan lainnya. Dibentuk dari pelat besi berisolasi tipis dengan maksud untuk mengurangi arus eddy yaitu arus yang bersirkulasi pada inti besi yang diinduksi oleh medan magnet, dimana arus tersebut akan menimbulkan rugi-rugi (Losses ).
Gambar 2.2 Inti Besi Transformator b. Kumparan Transformator
Belitan terdiri dari batang tembaga berisolasi yang mengelilingi inti besi, dimana pada saat arus bolak-balik mengalir pada belitan tembaga, inti besi akan terinduksi dan menimbulkan fluks magnet.
Gambar 2.3 Kumparan Transformator c. Bushing
Merupakan sarana penghubung antara lilitan dengan jaringan luar. Bushing terdiri dari konduktor yang dikelilingi oleh isolator. Isolator berfungsi sebagai isolator antara konduktor busing dan badan trafo tangki utama.
Gambar 2.4 Bushing Transformator d. Pendingin
Temperatur operasi transformator akan dipengaruhi oleh kualitas tegangan jaringan, rugi-rugi pada transformator itu sendiri dan temperatur lingkungan. Temperatur operasi yang tinggi akan menyebabkan kerusakan pada isolasi kertas pada trafo. Oleh karena itu
pendinginan yang efektif diperlukan. Oli isolasi trafo selain sebagai media isolasi juga berfungsi sebagai pendingin. Saat oli bersirkulasi, panas dari belitan akan dibawa oli sesuai jalur sirkulasinya dan akan didinginkan di sirip-sirip radiator. Proses pendinginan dapat dibantu dengan adanya kipas dan pompa sirkulasi untuk meningkatkan efisiensi pendinginan.
Tabel 2.1 Macam-macam Pendingin Pada Trafo
No Macam sistem pendingin
Media
Di dalam transformator Di luar trasnformator Sirkulasi
alami
Sirkulasi paksa
Sirkulasi alami
Sirkulasi paksa
1. AN - - Udara -
2. AF - - - Udara
3. ONAN Minyak - Udara -
4. ONAF Minyak - - Udara
5. OFAN - Minyak Udara -
6. OFAF - Minyak - Udara
7. OFWF - Minyak - Air
8. ONAN/ONAF Kombinasi 3 dan 4
9. ONAN/OFAN Kombinasi 3 dan 5
10. ONAN/OFAF Kombinasi 3 dan 6
11. ONAN/OFWF Kombinasi 3 dan 7
3. Transformator Arus
Trafo arus (CT) adalah peralatan pada sistem tenaga listrik yang berupa trafo yang digunakan untuk pengukuran arus yang besarnya mencapai ratusan ampere dan arus yang mengalir pada jaringan tegangan tinggi. Di samping untuk pengukuran arus, trafo arus juga digunakan untuk pengukuran daya dan energi. Dibutuhkan juga untuk keperluan telemeter dan relay proteksi. Kumparan primer trafo arus dihubungkan seri dengan jaringan atau peralatan yang akan diukur arusnya, sedangkan
kumparan sekunder dihubungkan dengan meter atau relay proteksi. Pada umumnya peralatan ukur dan relay membutuhkan arus 1 atau 5 A.
Gambar 2.5 Transformator Arus
CT dalam sistem tenaga listrik digunakan untuk keperluan pengukuran dan proteksi. Perbedaan mendasar pada kedua pemakaian di atas adalah pada kurva magnetisasinya.
Gambar 2.6 Kurva kejenuhan untuk pengukuran dan proteksi a. Untuk pengukuran, memiliki kejenuhan sampai dengan 120 % arus
rating tergantung dari kelasnya, hal ini untuk mengamankan meter pada saat gangguan
b. Untuk proteksi, memiliki kejenuhan cukup tinggi sampai beberapa kali arus rating.
B. Gangguan Pada Transformator 1. Gangguan
Gangguan adalah suatu kelainan (interferes) pada sistem tenaga listrik yang mengakibatkan ketidakseimbangan aliran arus pada sistem tiga fasa.
Gangguan disebabkan oleh gangguan pada rangkaian yang mengganggu aliran arus normal (Stevenson, 1990)
Gangguan hubung singkat dapat dikasisfikasikan menjadi beberapa kelompok, yaitu :
a. Berdasarkan kesimetrisannya
1) Gangguan simetris, merupakan gangguan yang mengakibatkan tegangan san arus yang mengalir pada setiap fasanya menjadi tidak seimbang, gangguan ini terdiri dari :
a) Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah, yakni gangguan yang disebabkan karena salah satu fasa terhubung singkat ke tanah atau graund.
b) Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa, yakni gangguan yang disebabkan karena fasa dan fasa antar kedua fasa terhubung singkat dan tidak terhubung ke tanah.
c) Gangguan Hubung Singkat Dua fasa ke Tanah, yakni gangguan yang terjadi ketika kedua fasa terhubung singkat ke tanah.
2) Gangguan Simetris, merupakan gangguan yang terjadi pada semua
fasanya sehingga arus maupun tegangan setiap fasanya tetap seimbang setelah gangguan terjadi. Gangguan ini terdiri dari :
a) Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa, yang gangguan yang terjadi ketika ketiga fasa saling terhubung singkat.
b) Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa ke Tanah, yakni gangguan yang terjadi ketika ketiga fasa terhubung singkat ketanah.
Semua gangguan hubung singkat diatas, arus gangguan dihitung dengan menggunakan rumus dasar yaitu :
𝐼 =𝑉 𝑍 (1) Dimana :
I = Arus (A)
V = Tegangan Sumber (V)
Z = Impedansi jaringan, nilai ekivalen dari seluruh impedansi di dalam jaringan dari sumber tegangan sampai gangguan (Ohm).
Yang membedakan antara gangguan hubung singkat tiga fasa, dua fasa dan satu fasa ke tanah adalah impedansi yang terbentuk sesuai dengan macam gangguan itu sendiri, dan tegangan yang memasok arus ke titik gangguan.
Impedansi yang terbentuk dapat ditunjukkan seperti berikut ini :
Z untuk gangguan tiga fasa, Z = Z1
Z untuk gangguan dua fasa, Z = Z1 + Z2 Z untuk satu fasa, Z = Z1 + Z2 + Z0
Dimana :
Z1 = Impedansi urutan positif (Ohm) Z2 = Impedansi urutan negatif (Ohm) Z3 = Impedansi urutan nol (Ohm)
b. Berdasarkan lama terjadinya gangguannya
1) Gangguan Transient (temporer), merupakan gangguan yang hilang dengan sendirinya pabila pemutus tenaga terbuka dari saluran transmisi untuk waktu yang singkat dan setelah itu dihubungkan kembali.
2) Gangguan permanen, merupakan gangguan yang tidak hilang atau tetap ada apabila pemutus tenaga terbuka pada saluran transmisi untuk waktu yang singkat dan setelah itu dihubungkan kembali.
2. Studi Gangguan Hubung Singkat
Studi hubung singkat dilakukan untuk menentukan besarnya arus yang mengalir melalui sistem tenaga listrik pada berbagai jarak setelah gangguan berubah menurut waktu sampai mencapai kondisi tetap. Selama kondisi gangguan, sistem proteksi diperlukan untuk mendeteksi, menghilangkan dan mengisolasi gangguan tersebut. Hal ini dapat
dilakukan pada bermacam-macam gangguan (tiga fasa simetris, fasa ke fasa, dan fasa ke tanah, satu fasa ke tanah, dan tiga fasa ke tanah). Arus hubung singkat yang begitu besar sangat berbahaya bagi peralatan, jadi untuk peralatan dari kerusakan hubung singkat, sambungan listrik ke bagian yang rusak harus diputuskan dengan pemutus arus Cicuit Breaker (CB). Selain itu, perhitungan hubungan singkat juga sangat penting dalam menetukan kemampuan pemutus tenaga untuk kordinasi pemasangan relay proteksi.
a) Hubung singkat dua fasa
Hubung singkat dua fasa atau yang biasa disebut hubung singkat fasa ke fasa adalah kondisi dimana antara fasa ke fasa saling terhubung singkat.
Pada gangguan hubung singkat fasa ke fasa, arus saluran tidak mengandung komponen urutan nol dikarenakan tidak ada gangguan yang terhubung ke tanah. Gangguan bhubung singkat dua fasa ini dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.7 Gangguan hubung singkat dua fasa b) Hubung singkat dua fasa ke tanah
Gangguan dua fasa ke tanah terjadi ketika dua buah fasa dari sitem teanga listrik terhubung singkat ke tanah. Gangguan dua fasa ke tanah dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Gambar 2.8 Gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah c) Hubung singkat dua fasa
Hubung singkat dua fasa atau yang biasa disebut hubung singkat fasa ke fasa adalah kondisi dimana antara fasa ke fasa saling terhubung singkat.
Pada gangguan hubung singkat fasa ke fasa, arus saluran tidak mengandung komponen urutan nol dikarenakan tidak ada gangguan yang terhubung ke tanah. Gangguan bhubung singkat dua fasa ini dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.9 Gangguan hubung singkat dua fasa d) Hubung singkat dua fasa ke tanah
Gangguan dua fasa ke tanah terjadi ketika dua buah fasa dari sitem teanga listrik terhubung singkat ke tanah. Gangguan dua fasa ke tanah dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Gambar 2.10 Gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah e) Hubung singkat tiga fasa
Hubung singkat tiga fasa termasuk dalam klasifikasi gangguan simetris, dimana arus maupun tegangan setiap fasanya tetap seimbang setelah gangguan terjadi. Sehingga pada sistem seperti ini dapat dianaliasa dengan mengguanakan urutan postif saja. Gangguan hubung singkat tiga fasa dapat dilihat seperti gambar di bawah ini :
Gambar 2.11 Gangguan hubung singkat tiga fasa
f) Hubung singkat tiga fasa ke tanah
Gangguan hubung singkat tiga fasa ke tanah trejadi ketika ketiga fasa dari sistem tenaga listrik terhubung singkat ke tanah. Gangguan tiga fasa ke tanah dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.12 Hubung singkat tiga fasa ke tanah g) Hubung singkat satu fasa ke tanah
Gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik merupakan gangguan asimetris sehingga memerlukan metode komponen simetris untuk menganilsa tegangan dan arus pada saat terjadi gangguan. Gangguan yang terjadi dapat dianalisa dengan menghuung singkatkan semua sumber tegangan yang ada pada sistem dan mengganti titik (node) gangguan dengan sebuah sumber tegangan yang besarnya sama dengan tegangan sesaat sebelum terjadinya gangguan di titik gangguan tersebut. Dengan menggunka na metode ini sistem tiga fasa tidak seimbang dapat dipreserntasian dengan menggunakan teori kompon simetris yaitu berdasarkan komponen urutan positif, komponen urutan negatif, komponen urutan nol. Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah dapat dilihat pada gamabar di bawah ini
Gambar 2.13 Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah 3. Konsekuensi yang Disebabkan oleh Gangguan Hubungan Singkat
Besarnya arus hubung singkat tergantung pada sistem, metode rangkaian trafo netral, jarak gangguan dari unit pembangkit, peringkat gawai
pengaman.
Akibat yang dapat ditimbulkan akibat korsleting antara lain:
a) Pengurangan stabilitas system tenaga.
b) Kerusakan peralatan akibat arus besar atau tegangan rendah yang disebabkan oleh gangguan hubung singkat.
c) Mengganggu kontinuitas pelayanan tenaga listrik kepada konsumen apabila gangguan tersebut menyebabkan terputusnya suatu rangkaian (circuit) atau menyebabkan lepasnya suatu unit pembangkit.
d) Ledakan-ledakan yang mungkin terjadi pada peralatan yang mengandung minyak isolasi sehingga menimbulkan kebakaran dan membahayakan orang di sekitarnya.
e) Ledakan yang mungkin terjadi pada peralatan yang mengandung minyak isolasi sehingga menimbulkan kebakaran dan membahayakan orang- orang di sekitarnya.
C. Sistem Proteksi
Untuk meminimalisir kerusakan pada sistem tenaga listrik maka bagian terjadi gangguan secepat mungkin dipisahkan. Sistem proteksi merupakan suatu peralatan yang dirancang untuk dapat merasakan atau mengukur adanya gangguan atau mulai melarasakan adanya ketidak normalan pada peralatan atau bagian sistem tenaga listrik (sensor) dan segera secara otomatis relay proteksi memberi peritah untuk membuka dan memutus tegangan cicuit breaker (CB) untuk memisahkan peralatan atau bagaian dari sistem terganggu.
Sistem proteksi tidak mencegah munculnya gangguan, namun hanya dapat
melakukan tindakan setelah terjadinya gangguan.
Sistem proteksi suatu tenaga listrik yang membentuk pola pengaman tidak hanya relay pengaman tetapi juga Current Transformator (CT) dan Volteg Transformator (VT) yang merupakan perangkat instrumen pada relay observasi, sumber daya DC adalah sumbernya untuk mengoperasikan relay pengaman dan pemutus daya PMT akan menerima perintah terakhir dari relay pengaman.
Jadi sistem preoteksi/pengaman tenaga listrik adalah satu kesatuan antara CT, VT, relay, sumber DC, dan PMT. Adanya kesalahan dari salah satu komponen tersebut akan berakibat sistem tersebut tidak jalan.
Relay proteksi merupakan salah satu peralatan proteksi yang berfungsi untuk merasakan atau melihat adanya gangguan pada peralatan yang diamankan dengan mengukur atau membandingkan besaran-besaran yang diterima, misalnya arus, tegangan, daya, sudut fase, frekuensi, impedansi, dan sebagainya dengan besaran yang sudah ditentukan, kemudian mengambil keputusan seketikan atau dengan perlambatan waktu untuk membuka CB ataupun hanya membe ri tanda tanpa membuka pemutus tenaga. CB umumnya dipasang untuk generator, transformator daya, saluran transmisi, saluran distribusi, dan sebagainya agar masing-masing bagian sistem dapat dipisahkan sedemikian rupa sehingga sistem lainnya tetap dapat beroperasi secara normal (ram dan Vishwakarma, 1995).
Relay proteksi dapat merasakan gangguan pada peralatan yang tidak berbeda dengan mengukur atau membandingkan besaran yang diterimanya,
misalnya arus, tegangan, daya, sudut fasa, frekuensi, impedansi dan sebagainya, dengan besaran yang telah ditentukan, kemudian segera mengambil keputusan pada saat diputus.
1. Fungsi sitem proteksi
Sistem proteksi harus mampu mendeteksi perubahan parameter sistem, meningkatkan jumlah perubahan parameter dan membandingkannya dengan besaran pokok yang telah ditentukan, serta perintah untuk melakukan proses pemutusan untuk memisahkan bagian-bagian tertentu dari sistem.
Fungsi utama dari sistem proteksi adalah untuk mencegah bahaya pada manusia, membatasi kerusakan pada peralatan, dengan memutuskan peralatan yang terputus dari atau ketika mulai beroperasi dalam kondisi tidak normal.
Jadi, sistem proteksi harus memisahkan bagian yang terganggu dari sistem lainnya, dengan risiko tinggi dan downtime dan pemutusan minimum. Sejak kerusakan bagian yang rusak, kerusakan lebih lanjut, dan arah penyebaran gangguan dalam sistem adalah fungsi dari relay pelindung yang terkait dengan pemutus sirkuit (Mason, 1979).
Fungsi sekunder sistem proteksi adalah memberikan indikasi tentang lokasi gangguan dan jenis gangguan. Data ini tidak hanya membantu dalam mempercepat perbaikan tetapi juga dapat dimanfaatkan untuk dibandingkan dengan hasil pengamatan operator dan hasil pencatatan alat pendeteksi gangguan (fault detector). Hasilnya dapat digunakan untuk analisis efektivitas pencegahan gangguan.
2. Daerah Proteksi
Kawasan proteksi adalah bagian dari sistem yang dijaga oleh suatu sistem proteksi yang pada umumnya mengandung satu elemen (maksimal dua) dari sistem tersebut. Untuk memastikan semua komponen dan agar sistem keamanan selektif, sistem tenaga listrik di area keamanan. Setiap area keamanan umumnya terdiri dari satu atau lebih elemen sistem tenaga listrik.
Mengingat bahwa semua sistem ini harus ada, tidak ada pilihan lain selain area keamanan ini harus tumpang tindih (overlap) (Ram dan Vishwakarma, 1995).
3. Relay Proteksi Transformator
Berberapa jenis relay proteksi tansformator, yaitu : 1) Relay Bucholz
Relay ini digunakan untuk mendeteksi dan mendeteksi trafo terhadap gangguan pada trafo yang menyebabkannya. Gas yang timbul sebagai akibat korsleting pada kumparan, busur antara laminasi dan busur listrik karena kontak yang kurang baik.
Relay Bucholz dipasang di antara tangki transformator dan kondensor.
Relay ini memberikan indikasi alarm jika terjadi gangguan yang relatif kecil pada trafo dan akan memberikan sinyal triping jika gangguan pada trafo parah (cukup berbahaya). Relay ini biasanya digunakan pada trafo yang memiliki rating kapasitas 750 KVA.
2) Relay suhu
Relay ini digunakan untuk transformasi dari kerusakan yang disebabkan oleh suhu yang berlebihan.
Ada 2 jenis relay suhu pada trafo, yaitu:
a. Relay Suhu Minyak b. Relay Suhu Kumparan
3) Relay Gangguan Tanah (Graund Fault Relay)
Relay gangguan tanah berfungsi untuk melindungi transformator dari kerusakan akibat gangguan tanah. Relay ini dilengkapi dengan trafo arus, koil kerja relay dan koil tripping. Dalam kondisi normal, di mana tidak ada gangguan pada transformator, jumlah arus fase ketiga sama dengan nol sehingga jumlah fluks dalam inti transformator sama dengan nol. Jika terjadi gangguan tanah, maka fluks total pada inti transformator tidak lagi nol.
4) Relay Beban Lebih (Over Current Relay)
Relay ini berfungsi untuk mengamankan trafo dari kerusakan akibat beban (arus) yang melebihi nilai tertentu. Overload jika dibiarkan terlalu lama akan menyebabkan panas pada kumparan transformator sehingga dapat terlihat kerusakan pada kumparan transformator. Sensor relay ini umumnya berbentuk bimetal yang mendapat sinyal atau arus masukan dari trafo arus. Arus sinyal input diubah menjadi panas untuk menggerakkan elemen bimetal (termal).
5) Relay Tekanan Lebih
Relay tekanan lebih digunakan sebagai pengaman trafo untuk mendeteksi kelebihan tekanan akibat gangguan pada trafo. Relay II adalah relay mekanis yang menggunakan jenis membran atau pelat yang akan
putus karena tekanan atau desakan jarum pemecah (breakaing needle) akibat gangguan pada trafo.
6) Relay Diferensial
Penggunaan relay diferensial sebagai pengaman trafo diharapkan mampu mendeteksi gangguan internal trafo. Gangguan tersebut antara lain hubung singkat pada kumparan dan hubungan pendek antar kumparan.
Prinsip kerja rel diferensial pada transformator didasarkan pada sirkulasi input atau perbandingan arus sisi primer dengan arus sisi sekunder.
D. Relay Diferensial
Perkembangan suatu sistem tenaga listrik berbanding lurus dengan kemajuan teknologi. Dengan teknologi yang lebih modern, sistem proteksi yang handal akan digunakan untuk daya trafo.
Proteksi trafo daya pada prinsipnya bekerja dengan mencegah trafo daya mengalami panas yang berlangsung dalam jangka waktu yang lama. Hal ini membuktikan bahwa transformator daya harus diisolasi agar tidak terjadi interferensi.
1. Prinsip Kerja Relay Diferensial
Relay diferensial merupakan salah satu relay pengaman utama pada sistem tenaga listrik yang bekerja tanpa koordinasi dari relay sekitarnya sehingga waktu kerja dapat dibuat secepat mungkin. Sebuah relay diferensial didefinisikan sebagai relay yang bekerja ketika perbedaan fasor dari dua atau lebih listrik melebihi jumlah yang ditentukan. Hampir seluruh tipe relay, ketika dihubungkan dengan cara tertentu dapat bekerja menjadi relay diferensial.
Relay differensial bekerja dengan membandingkan nilai arus pada CT sisi kumparan primer dan CT sisi kumparan sekunder. Apabila selisih antara kedua CT tersebut melebihi nilai setelan maka relay akan trip (Syukriyadin dkk, 2011).
Gambar 2.14 menunjukkan prinsip kerja relay differensial pada transformator :
Gambar 2.14 Prinsip Kerja Relay Differensial
Arus primer I1 dan I2 dideteksi oleh CT1 dan CT2, dalam keadaan normal atau ada gangguan diluar daerah pengamanannya (diantara dua CT), arus yang mengalir di CT1 sama dengan arus yang mengalir di CT2. Jadi kalau kedua trafo arus itu identik (mempunyai rasio yang sama), I2’ sama besar dan sefasa dengan I2”, sehingga diff = 0 dan relay-relay tidak akan bekerja. Jika diff ≠ 0 maka relay akan bekerja (Baharuddin dan Ridwan Kurniawan, 2012).
Daerah proteksi dibatasi oleh pasangan trafo arus dimana relay diferensial tidak dapat digunakan sebagai pengaman cadangan untuk daerah selanjutnya.
Prinsip ini didasarkan pada hukum Kirchhoff, yaitu besarnya arus yang masuk ke I primer (Ip) sama dengan arus yang keluar dari sekunder (Is).
Dimana :
Id = Arus Diferensial (A)
Ip = Arus Masuk (A)
Is = Arus Keluar Samping(A)
Gambar 2.15 Relay differensial saat arus normal
Id = Ip + Is = 0 A ... (2) Idif = IP + IS = 0 A ... (3) Maka tidak ada tegangan yang melintasi coil relay dan tidak ada arus yang mengalir pada relay tersebut, sehingga relay differensial tidak bekerja.
2. Relay Differensial Keadaan Ganguan Internal
Gangguan internal adalah gangguan yang terjadi pada daerah aman relay diferensial (Gambar 2.16). Ketika gangguan terjadi di zona aman relay diferensial, arus akan mengalir menuju titik gangguan. Sehingga arus yang mengalir pada CT2 akan berbalik arah dari arah normalnya ke titik gangguan.
Gangguan tersebut mengakibatkan keselamatan trafo pada saat trafo bekerja dan membuat sistem menjadi tidak seimbang. Asumsi sederhananya ada pada gambar 2.16:
Gambar 2.16 Relay Differensial Keadaan Gangguan Internal Id = Ip + Is> 0 A ... (4) Idif = Ip + Is > 0 A ... (5) Karena Id ≠ 0, maka relay diferensial harus bekerja dengan memberikan sinyal trip ke CB karena dapat menyebabkan kerusakan pada trafo jika interferensi tersebut dibiarkan.
3. Relay Differensial Keadaan Gangguan Eksternal
Gangguan eksternal adalah gangguan yang terjadi di luar daerah pengamanan realai differensial (Gambar 2.17), seperti gangguan hubung singkat pada saluran transmisi dan gangguan lainnya. Pada saat terjadi gangguan diluar daerah pengaman relay differensial, relay differensial tidak akan bekerja. Karena arus yang mengalir pada CT1dan CT2 besarnya sama tapi arahnya berlawanan. Asumsi sederhananya ada pada gambar 2.17 :
Gambar. 2.17 Relay Diferensial Keadaan Gangguan Eksternal Id = Ip + Is= 0 A………(6) Idif = Ip + Is = 0 A………..(7) 4. Jenis Relay Differensial
a. Relay differensial longitudinal
Relay differnsial longitudinal biasa dikenal sebagai circulatig current type. Dalam keadaan normal, maka gangguan yang terjadi diluar pengamanan (zone) mengakibatkan tidak ada arus atau bahakan sangat kecil yang mengalir pada operating coil.
Nilai setting relay differensial longitudinal adalah : 𝑖𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔= ∆i = 𝑖1− 𝑖2
Dimana :
Isetting,∆i = nilai setting relay differensial longitudinal (A) i1 = Arus CT sisi primer (A)
i2 = Arus CT sisi sekunder (A)
Relay differensial longitudinal meggunakan susunan relay arus lebih yang terhubung untuk beroperasi sebagai relay diferensial. Elemen sistem
ini bisa berupa rangkaian panjang, sebagian bus atau belitan generator atau transformator. Sepasang CT dipasang pada kedua ujung bagian yang akan dilindungi. Sekunder CT dihubungkan secara seri dengan bantuan kabel pilot sedemikian rupa sehingga mereka membawa arus yang diinduksi ke arah yang sama. Koil operasi dari relay arus lebih terhubung di seluruh sirkuit sekunder CT.
Biasanya ketika tidak ada kesalahan atau ada kesalahan eksternal, arus dalam kedua CT sekunder sama dan kumparan operasi relay, oleh karena itu, tidak membawa arus apa pun.
Aliran pada satu sisi saja, atau bahkan beberapa arus yang mengalir dari satu sisi sementara arus yang lebih besar memasuki sisi lain akan menyebabkan arus diferensial mengalir melalui koil operasi relay. Dengan kata lain, arus relay diferensial akan sebanding dengan perbedaan fasor antara arus yang masuk dan meninggalkan elemen yang dilindungi; dan, jika arus diferensial melebihi nilai pengambilan relay, relay akan beroperasi.
b. Relay differensial persentase
Relay differensial persentase muncul karena kelemahan relay differnsial longitudinal yakni arus setting harus dibuat lebih besar dari arus operasi dalam keadaan normal untuk mengatasi arus inrush dan gangguan yang cukup besar berada diluar daerah proteksinya.
Relay differnsial persentase mempunyai restain coil yang di tap pada bagian tengahnya, sehingga membentuk dua bagian dengan jumlah lilitan
yang sama, Nr/2. Restraining coil, dihubungkan pada bagian arus yag bersirkulasi, sehingga menerima arus gangguan yang lewat.
5. Karakteristik Relay Differensial Longitudinal
Setiap relay differensial dilengkapi dengan nilai pengaturannya dan memberikan karakteristik tripping tertentu. Inilah yang akan mengenali jenis gangguan.
Gambar 2.18 Karakteristik Relay Differensial Longitudinal
Relay ini akan bekerja sketika tanpa nilai waktu tunda ketika nilai Idiff melebihi nilai setting relay, relay ini kan bekerja beberapa milli detik (10-20 ms).
6. Pertimbangan Relay Diferensial
Menurut Bonar Panjaitan, (2012), dalam penerapan prinsip pengaman diferensial suatu trafo daya, terdapat beberapa pertmbangan yang perlu diperhatikan, yaitu sebagai berikut :
a. Koreksi trafo terhadap kemungkinan terjadinya pergeseran sudut fasa kumparan trafo.
b. Pengaruh jenis sistem pentanahan dan arrangement kumparan.
c. Koreksi terhadap kemungkinan ketidakseimbangan arus dari trafo arus (koreksi rasio).
d. Pengaruh inrush magnetisasi pada waktu awal pemberian tegangan.
Kemungkinan terjadinya magnetiasi berlebihhan (over fluxxing).
7. Relai Diferensial Dengan Arus Bias
Karena CT selalu memiliki sebuah permasalahan, diferensial arus tidak pernah nol ketika arus pembebanan sudah mengalir. khususnya dalam kondisi gangguan hubung singkat yang mengakibatkan magnitude arus yang besar, diferensial arus akan sangat tinggi disebabkan oleh permasalahan CT.
Disamping itu, on load tap changer pada transformer memberikan penambahan masalah disebabkan oleh proses pergantian rasio pada belitan transformer mengingat sensitivitas yang diinginkan dari penyetelan pada proteksi diferensial, maka pemutusan yang tidak diinginkan akan terjadi. oleh karena itu, perlu adanya penambahan untuk menstabilkan proteksi diferensial dengan menggunakan arus bias.
8. Transient Bias
Metode ini digunakan untuk meningkatkan batas ambang trip dari rele diferensial (IDIFF.THR). Dimana peningkatan ambang trip diperoleh dari penambahan arus bias (IBIAS) dan arus transient bias (ITR.BIAS) seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.19 sebagai berikut :
Gambar 2.19. Peningkatan Kestabilan Akibat Transient Bias saat kondisi CT saturasi: (a) CT Saturasi, (b) Arus diferensial dan ambang trip tanpa penambahan arus transient bias, (c) Arus transient bias, dan (d) Arus diferensial dan ambang trip dengan penambahan arus transient bias.
Dari gambar 2.7 dapat dilihat pengaruh penambahan arus transient bias terhadap batas ambang trip dari rele diferensial. Dimana arus transient bias (ITR.BIAS) didasarkan pada algoritma :
∆ IDIFF(n) = IDIFF(n) − IDIFF(n − 1) (8)
∆ IBIAS(n) = IBIAS(n) − IBIAS(n − 1) (9) R = ∆ IDIFF(n) /∆ IBIAS(n) (10) If R < Ki and ∆ IBIAS(n) > 0 (11)
ITR.BIAS(n) = D. ITR.BIAS(n − 1) + S. ∆ IBIAS(n) (12) else
ITR.BIAS(n) = D. ITR.BIAS(n − 1) (13)
(IDIFF.THR) baru = (ITR.BIAS) + (IBIAS) + (IDIFF.THR) lama (14) IBIAS = 1 2 ⁄ ( |I1| + |I2| )
Dimana :
IDIFF adalah arus diferensial. IBIAS adalah arus bias. K adalah nilai dari slope yang nilainya arus diferensial dibagi arus bias. S adalah scaling coefficient. D adalah dari decay coefficient.
E. Perangkat Lunak PSCAD/EMTDC
PSCAD (Power Systems ComputerAided Design) adalah antar muka pengguna grafis yang kuat dan fleksibel untuk mesin solusi EMTDC yang terkenal di dunia. PSCAD memungkinkan pengguna untuk membuat skema sirkuit, menjalankan simulasi, menganalisis hasil, dan mengelola data dalam lingkungan grafis yang terintegrasi penuh. Perencanaan online, kontrol dan fungsi meter juga disertakan, sehingga pengguna dapat mengubah parameter sistem selama simulasi, dan melihat hasil secara real time (Muller, 2005).
PSCAD dilengkapi dengan perpustakaan model yang telah diprogram dan diuji, mulai dari elemen pasif sederhana dan fungsi kontrol, hingga model yang lebih kompleks, seperti mesin listrik, perangkat FACTS, saluran transmisi, dan kabel. Jika model tertentu tidak ada, PSCAD memberikan fleksibilitas untuk membuat model kustom, baik dengan merakitnya secara grafis menggunakan model yang ada, atau dengan memanfaatkan Editor Desain yang dirancang secara intuitif (Muller, 2005).
PSCAD dan mesin simulasi EMTDC, telah dikembangkan selama hampir 30 tahun, terinspirasi oleh ide dan saran dari pengguna mereka yang terus berkembang di seluruh dunia. Di atas adalah filosofi dasar pengembangannya
(Muller, 2005).
PSCAD/EMTDC adalah simulasi domain waktu dan alat profesional untuk mempelajari perilaku transien jaringan listrik. PSCAD adalah antarmuka pengguna grafis dan EMTDC adalah mesin simulasi. PSCAD/EMTDC adalah yang paling cocok untuk mensimulasikan respons domain waktu, yaitu transien elektromagnetik sistem kelistrikan. Ini dapat digunakan untuk semua aspek melakukan simulasi sistem tenaga termasuk sirkuit, kontrol runtime, analisis dan pelaporan (Wilson, P.L.)
PSCAD/EMTDC juga menyediakan beberapa cara untuk membuat model dan komponen kustom yang tidak ada di perpustakaan. EMTDC mendukung model yang ditulis dalam FORTRAN/C (Wilson, P.L.)
Dijelaskan dalam Muller, (2005), pengguna PSCAD termasuk insinyur dan ilmuwan dari utilitas, produsen, konsultan, lembaga penelitian dan akademisi.
Hal ini digunakan dalam perencanaan, operasi, desain, commissioning, persiapan spesifikasi tender, pengajaran dan penelitian. Berikut ini adalah contoh jenis penelitian yang rutin dilakukan dengan menggunakan PSCAD:
a. Studi kontingensi jaringan AC yang terdiri dari mesin berputar, exciters, governor, turbin, trafo, saluran transmisi, kabel, dan beban
b. Relay koordinasi c. Efek saturasi trafo
d. Koordinasi isolasi transformator, pemutus dan penangkap
e. Pengujian impuls transformer
f. Studi resonansi sub-sinkron (SSR) jaringan dengan mesin, saluran transmisi, dan sistem HVDC
g. Evaluasi desain filter dan analisis harmonik Kontrol desain sistem dan koordinasi FACTS dan HVDC; termasuk STATCOM, VSC dan cycloconvertersa
h. Desain parameter pengontrol yang optimal i. Investigasi sirkuit baru dan konsep control
j. Sambaran petir, kesalahan atau operasi pemutus arus k. Pembelajaran steep front and fast front
l. Investigasi efek pulsing mesin diesel dan turbin angin pada jaringan listrik.
PSCAD/EMTDC digunakan oleh Washington Group International untuk melakukan studi transfer bus cepat di IPEC Energy Center Indian Point 2 (IP2) Entergi Corp. Model simulasi terdiri dari sekitar 50 motor induksi pada level tegangan 6,9kV dan 480V dengan beban dinamis torsi, sembilan transformator, tap changer, skema transfer bus, gangguan bus, urutan beban, lebih dari 70 pemutus, kabel dan saluran transmisi.
BAB III
METODE PENELITIAN.
A. Jenis Penelitian
Penelitian ini menggunakan metode eksperimental untuk membuat rangkaian sistem tenaga menggunakan program aplikasi PSCAD/EMTDC, kemudiian menerapkan. modell gangguan sistem tenaga dan relai pada sistemi tenaga serta melakukan analisis simulasi data daya sistem, gangguan.
dan relai dalam sistem tenaga listriik.
B. Waktu. dan Tempat.
Waktu. : Juni 2021-Agustus 2021
Lokasi : Fakultas Tekniik Universita Muammadiyah Makassar, Jln, Sultan Alauddin 259 Makassar.
C. Alat. Dan. Bahan.
1. Alat.
Alat. yang. digunakan dalam penelitian ini adalah:
a. Spesifikasi komputer notebook ASUS A455L :
Prosesor. : Intel Core i3-4005 1.7GHz.
Prosesor grafis : Intel HD Graphics.
Memori RAM. : 4GB DDR3
Memorii Hard Disk : 500 GB
Sistem. operasii : Windows 10 Pro 64 biit b. Software. PSCAD.
2. Bahan.
Materi yang digunakan.untuk penelitian. ini adalah buku-buku, jurnal.
dan sumber data trafo.
D. Skema Penelitian.
Skema penelitian yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
ZONA EKSTERNAL ZONA INTERNAL ZONA EKSTERNAL
Gambar 3.1. Diagram Balok Skema Penelitian E. Data Primer
Gambar 3.2. Data Trafo
Rel ~ Beban
3Ф
CT -1 Trafo Daya
60 MVA
CT -2
Monitor Relai
Diferensial Monitor
Trip/Blok
G
CT 1 CT 2
300/5A 1000-
20000/5A
150/20 kV REL
150 kV
REL 20 kV
40 Ω (NGR) 60 MVA
PAWWES
F. Langkah Penelitian
Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini di tunjukkan pada flowchart penelitian berikut :
*
*
Tidak
Ya
Gambar 3.3 Flowchart penelitian Mulai
Mengidentifikasi masalah
Studi pustaka
Permodelan rangkaian pada sofware
a. Model Kondisi Normal
b. Model Kondisi Gangguan Internal
c. Model Kondisi Gangguan Ekternal
Pengujian
Model berfungsi?
Pengambilan data
Kesimpulan dan saran
Selesai
Kondisi Gangguan Internal
• 2 Fase : - RF = 1 Ω - RF = 5 Ω - RF = 10 Ω
• 3 Fase : - RF = 1 Ω - RF = 5 Ω - RF = 10 Ω Kondisi Gangguan Eksternal
• 2 Fase : - RF = 1 Ω - RF = 5 Ω - RF = 10 Ω
• 3 Fase : - RF = 1 Ω - RF = 5 Ω - RF = 10 Ω
BAB IV PEMBAHASAN
A. Permodelan Sistem Proteksi Trafo Dengan Relai Diferensial Dual Bias Menggunakan PSCAD
Sistem tenaga listrik yang akan disimulasikan adalah sistem tenaga listrik berbeban terdiri dari satu sumber ekivalen 230 kV, 3 fase, 50 Hz, dan transformator yang digunakan pada simulasi ini adalah transformator step Down, 150 kV/20kV, ᴧ-Y, 60 MVA dengan tegangan tinggi (TT) berada pada sisi primer transformator dan tegangan rendah (TR) berada pada sisi sekunder dengan beban reaktif sebesar 75 MW, 25 MVAR dengan menggunakan perangkat lunak PSCAD V 4.2.0 Student Version. Ada tiga jenis Gambar rangkaian yang digunakan di bawah ini yaitu (a) Gambar kondisi normal, (b).
Gambar gangguan internal dan (c).Gambar gangguan eksternal, yang disimulasikan menggunakan software PSCAD V 4.2.0 Student Version.
(a). Gangguan normal
( b ). Gangguan internal
(c). Gangguan eksternal
Gambar 4.1 Rangkaian Simulasi PSCAD V 4.2.0 Student version (a) Kondisi normal (b) Gangguan Internal (c) Gangguan Eksternal.
Gambar 4.2 Model Relai
Pada Gambar 4.2 Model relai terdiri dari dua relai yang memiliki dua komponen utama. Yang terdiri dari Frekuensi scanner, Relai dual slop, output channel dan data signal lebel yang berfungsi untuk mengkonsversi arus ke magnitudo dan sudut fase. Relai dual slope mengubah data output FFT (sinyal magnitudo dan sinyal sudut fase) berfungsi untuk keluaran logika proteksi.
Gambar 4.3 Monitor, arus dan respon relai
Pada Gambar 4.3 Monitor menampilkan gelombang tegangan , gelombang arus dan juga menampilan nilai relai arus serta respon relai.
Model di atas disimulasikan dengan menggunakan PSCAD maka didapatkan hasil sebagai berikut:
B. Hasil Simulasi
1. Kondisi normal
Kondisi normal adalah dimana pada saluran trafo berada pada keadaan tidak tergangu. Dikatakan kondisi normal apabila arus dan sudut fasenya tidak berubah. Hasil simulasi berupa gelombang keluaran pscad. Nilai yang di peroleh merupakan nilai gelombang apabila tidak ada gangguan apapun.
a. Simulasi dan setelan arus diferensial
Relai deferensial merupakan pengaman-utama [main protection] untuk gangguan hubung-singkat antarfase [dua fase dan tiga fase]. Relai ini harus bekerja lebih cepat dari relai lain apabila terjadi gangguan hubung singkat antar fase di zona proteksinya [zona internal]. Berikut data setelan relai DDB :
Tabel 4.1 Data spesifikasi setelan relai
NO RELAI DIFERENSIAL
1 Arus normal 230 A
2 Setelan arus diferensial (Isl) 20%
3 Setelah arus difernsial (Is2) 200%
4 Setelan persentase (K1) 5%
5 Setelan persentase (K2) 150%
Setelan arus-diferensial didasarkan pada arus nominal pada jaringan trafo, dalam hal ini, arus yang merupakan masukan relai adalah arus dari sumber yang digunakan. berikut hasilnya :
(a). model relai arus fase
(b). model relai arus fase
Gambar 4.4 Gelombang arus relai A kondidi normal (a) tampilan respond arus relai tiga fase (b) tampilan respond relai Arus fase A
(a)
(b)
Gambar 4.5 Gelombang arus relai B kondidi normal (a) tampilan respond arus relai tiga fase (b) tampilan respond relai Arus fase A
Hasil simulasi keluaran gelombang arus pada relai A dapat dilihat pada gambar 4.4 (a) dan (b), dari hasil simulasi terlihat arus tetap normal dengan bernilai sekitar 0,256 kA
Sedangkan pada relai B dapat dilihat pada gambar 4.5 (a) dan (b), hasil simulasi terlihat sama pada relai A dengan nilai sekitar 0,256 kA.
Ini artinya bahwa tanpa adanya gangguan nilai arus tetap stabil pada kedua rilai sehingga di sebut kondisi normal. Berikut ini nilai kedua relai pada saat kondisi normal.
Gambar 4.6 Monitor keluaran nilai magnitudo dan sudut fase
Gambar 4.6 Monitor yaitu monitor keluaran magnitudo dan sudut fase arus dari hasil simulasi FFT, dari hasil tersebut maka arus nominal pada keadaan normal adalah 0,256 kA atau setara dengan 256 A dengan demikian dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut :
Is1 = 20%x IN Is1 = 20% x 256 Is1 = 51 A
Arus tersebut adalah nilai setelan pada relai. Jadi, nilai setelan arus Is1 adalah 51 Ampere. Sedangkan untuk setelan Is2 adalah sebagai berikut :
Is2 = 200% x IN Is2 = 200% x 256 Is2 = 512 A
Jadi, nilai setelan arus pada Is2 adalah 512 Ampere.
Nilai setelan slope K1 adalah nol. Namun demikian, menurut Thompson [2014], dengan pertimbangan kestabilan atas adanya kemungkinan Error Pengukuran Relai maka biasanya diambil batas error sebesar 5% dan karena itu, secara praktis, nilai setelan K1 yang aktual [K1_set], ditentukan dengan dasar pertimbangan faktor di atas, sehingga akan diperoleh seperti berikut:
K1_sett = (0+5)%
K1_sett = (5)%
Berdasarkan Tabel 4.1., nilai yang tersedia di rentang setelan persentase yang terdekat dengan hasil perhitungan adalah nilai setelan K1 sebesar 5%. Sementara itu, bila nilai setelan tersebut dinyatakan dalam setelan sudut slope, maka akan diperoleh sebagai berikut,
tan (α) = (K1_sett ) tan (α) = (5%) (α) = tan-1(5%) (α) = tan-1(0,05) (α) = 2,86o
Dengan demikian, sudut setelan aktual K1 adalah slope K1_set
yaitu 2,86o, terhadap sumbu modulus X setelah menentukan dan mendapatkan setingan arus dan sudut pada K1 maka selanjutkan untuk menentukan setelan pada K2 dapat menggunakan persamaan berikut :
Karena kemungkinan terjadinya error lebih besar daripada setingan K1 maka diambillah batasan error sebesar 150%. dan karena itu, secara praktis, nilai setelan K2 yang aktual [K2_set], ditentukan dengan dasar pertimbangan faktor di atas, sehingga akan diperoleh seperti berikut,
K2_sett = (0+150)%
K2_sett = (150)%
Nilai di atas adalah nilai setting pada K2 yang tersedia di rentang setelan persentase yang terdekat dengan hasil perhitungan adalah nilai setelan sebesar 150%. Sementara itu, bila nilai setelan
tersebut dinyatakan dalam setelan sudut slope, maka akan diperoleh sebagai berikut,
tan (α) = (K2_sett ) tan (α) = (150%) (α) = tan-1(150%)
Karena kemungkinan terjadinya error lebih besar daripada setingan K1 maka diambillah batasan error sebesar 150%. dan karena itu, secara praktis, nilai setelan K2 yang aktual [K2_set], ditentukan dengan dasar pertimbangan faktor di atas, sehingga akan diperoleh seperti berikut,
K2_sett = (0+150)%
K2_sett = (150)%
Nilai di atas adalah nilai setting pada K2 yang tersedia di rentang setelan persentase yang terdekat dengan hasil perhitungan adalah nilai setelan sebesar 150%. Sementara itu, bila nilai setelan tersebut dinyatakan dalam setelan sudut slope, maka akan diperoleh sebagai berikut,
tan (α) = (K2_sett ) tan (α) = (150%) (α) = tan-1(150%) (α) = tan-1(1,5) (α) = 56,30o
Dengan demikian, sudut setelan aktual K adalah slope K
yaitu 56,30o terhadap sumbu modulus pada K1. Berikut hasil data perhitungan setingan relai DDB :
Tabel 4.2 Hasil setelan relai
IS1 51 A
IS2 512 A
K1set <2,86o
K2set <56,30o
b. Grafik Karakteristik Relai DDB Jaringan Transformator
Karakteristik Relai DDB untuk jaringan transformator ditampilkan oleh Gambar 4.7. Gambar karakteristik ini adalah wujud grafis dari analisis setelan yang diperoleh pada bagian sebelumnya.
Grafik karakteristik, pada dasarnya membagi dua area atau wilayah pada karakteristik: Area TRIP dan Area BLOK. Kedua area tersebut terkonstruksi dari nilai setelan ambang arus- diferensial (Idiff) sebesar 20% IN [setara 51 Ampere] dan ( Ibias) sebesar 200% IN [setara 512 Ampere] serta setelan slope K1 = 5% [setara 2,86 derajat], K2 = 150%
[setara 56,30 derajat] dalam satuan persentase atau derajat geometris.
Gambar 4.7. Karakteristik desain setelan Relai
