BAB II LANDASAN TEORI

6

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Proteksi Distribusi Tenaga Listrik

Relai Proteksi merupakan bagian penting dalam sebuah sistem tenaga elektrik, tidak memiliki manfaat pada saat sistem berada dalam kondisi normal, namun sangat dibutuhkan bilamana sistem tengah mengalami gangguan dan kondisi tidak normal. Relai Proteksi dibutuhkan untuk menginisiasi pemutusan dan mengisolasi daerah yang mengalami gangguan dan menjaga agar daerah yang tidak mengalami gangguan tetap dapat menjalankan fungsinya.

2.1.1 Pengertian Sistem Proteksi

Secara umum pengertian sistem proteksi ialah cara untuk mencegah atau membatasi kerusakan peralatan akibat gangguan, sehingga kelangsungan penyaluran tenaga listrik dapat dipertahankan.

2.1.2 Tujuan sistem proteksi

Gangguan pada sistem distribusi tenaga listrik hampir seluruhnya merupakan gangguan hubung singkat, yang akan menimbulkan arus yang cukup besar. Semakin besar sistemnya semakin besar gangguannya. Arus yang besar bila tidak segera dihilangkan akan merusak peralatan yang dilalui arus gangguan. Untuk melepaskan daerah yang terganggu itu maka diperlukan suatu sistem

proteksi, yang pada dasarnya adalah alat pengaman yang bertujuan untuk melepaskan atau membuka sistem yang terganggu, sehingga arus gangguan ini akan padam.

Adapun tujuan dari sistem proteksi antara lain :

 Untuk menghindari atau mengurangi kerusakan akibat gangguan pada peralatan yang terganggu atau peralatan yang dilalui oleh arus gangguan.  Untuk melokalisir (mengisolir) daerah gangguan menjadi sekecil mungkin.  Untuk dapat memberikan pelayanan listrik dengan keandalan yang tinggi

kepada konsumen serta memperkecil bahaya bagi manusia.

2.2 Persyaratan Sistem Proteksi

Tujuan utama sistem proteksi adalah :

 Mendeteksi kondisi abnormal (gangguan).  Mengisolir peralatan yang terganggu dari sistem. Persyaratan terpenting dari sistem proteksi yaitu :

2.2.1 Kepekaan (sensitivity)

Pada prinsipnya relai harus cukup peka sehingga dapat mendeteksi gangguan di kawasan pengamanannya, termasuk kawasan pengamanan cadangan jauhnya, meskipun dalam kondisi yang memberikan deviasi yang minimum.

Untuk relai arus lebih hubung singkat yang bertugas pula sebagai pengaman cadangan jauh bagi seksi berikutnya, relai itu harus dapat mendeteksi arus gangguan hubung singkat dua fasa yang terjadi diujung akhir seksi berikutnya dalam kondisi pembangkitan minimum.

Sebagai pengaman peralatan seperti motor, generator atau trafo, relai yang peka dapat mendeteksi gangguan pada tingkatan yang masih dini sehingga dapat membatasi kerusakan. Bagi peralatan seperti tersebut diatas, hal ini sangat penting karena jika gangguan itu sampai merusak besi laminasi stator atau inti trafo, maka perbaikannya akan sangat sukar dan mahal.

Sebagai pengaman gangguan tanah pada SUTM, relai yang kurang peka menyebabkan banyak gangguan tanah, dalam bentuk sentuhan dengan pohon yang tertiup angin, yang tidak bisa terdeteksi. Akibatnya, busur apinya berlangsung lama dan dapat menyambar ke fasa lain, maka relai hubung singkat yang akan bekerja. Gangguan sedemikian bisa terjadi berulang kali di tempat yang sama yang dapat mengakibatkan kawat cepat putus. Sebaliknya, jika terlalu peka, relai akan terlalu sering trip untuk gangguan yang sangat kecil yang mungkin bisa hilang sendiri atau resikonya dapat diabaikan atau dapat diterima.

2.2.2 Keandalan (Reliability)

Ada 3 aspek :

a. Dependability

Yaitu tingkat kepastian bekerjanya (keandalan kemampuan bekerjanya). Pada prinsipnya pengaman harus dapat diandalkan bekerjanya (dapat mendeteksi dan melepaskan bagian yang terganggu), tidak boleh gagal bekerja. Dengan kata lain perkataan dependability-nya harus tinggi.

b. Security

Yaitu tingkat kepastian untuk tidak salah kerja (keandalan untuk tidak salah kerja). Salah kerja adalah kerja yang semestinya tidak harus kerja, misalnya karena lokasi gangguan di luar kawasan pengamanannya atau sama sekali tidak

ada gangguan atau kerja yang terlalu cepat atau terlalu lambat. Salah kerja mengakibatkan pemadaman yang sebenarnya tidak perlu terjadi. Jadi pada prinsipnya pengaman tidak boleh salah kerja, dengan lain perkataan security-nya harus tinggi.

c. Availabilty

Yaitu perbandingan antara waktu di mana pengaman dalam keadaan berfungsi/siap kerja dan waktu total dalam operasinya.

Dengan relai elektromekanis, jika rusak/tak berfungsi, tak diketahui segera. Baru diketahui dan diperbaiki atau diganti. Disamping itu, sistem proteksi yang baik juga juga dilengkapi dengan kemampuan mendeteksi terputusnya sirkit trip, sirkit sekunder arus, dan sirkit sekunder tegangan serta hilangnya tegangan serta hilangnya tegangan searah (DC voltage), dan memberikan alarm sehingga bisa diperbaiki, sebelum kegagalan proteksi dalam gangguan yang sesungguhnya, benar-benar terjadi. Jadi availability dan keandalannya tinggi.

2.2.3 Selektifitas (Selectivity)

Pengaman harus dapat memisahkan bagian sistem yang terganggu sekecil mungkin yaitu hanya seksi atau peralatan yang terganggu saja yang termasuk dalam kawasan pengamanan utamanya. Pengamanan sedemikian disebut pengaman yang selektif.

Jadi relai harus dapat membedakan apakah:

 Gangguan terletak di kawasan pengamanan utamanya dimana ia harus bekerja cepat.

 Gangguan terletak di seksi berikutnya dimana ia harus bekerja dengan waktu tunda (sebagai pengaman cadangan) atau menahan diri untuk tidak trip.

 Gangguannya diluar daerah pengamanannya, atau sama sekali tidak ada gangguan, dimana ia tidak harus bekerja sama sekali.

Untuk itu relai-relai, yang didalam sistem terletak secara seri, di koordinir dengan mengatur peningkatan waktu (time grading) atau peningkatan setting arus (current grading), atau gabungan dari keduanya.

Untuk itulah relai dibuat dengan bermacam-macam jenis dan karakteristiknya. Dengan pemilihan jenis dan karakteristik relai yang tepat, spesifikasi trafo arus yang benar, serta penentuan setting relai yang terkoordinir dengan baik, selektifitas yang baik dapat diperoleh.

Pengaman utama yang memerlukan kepekaan dan kecepatan yang tinggi, seperti pengaman transformator tenaga, generator, dan busbar pada sistem tegangan ekstra tinggi (TET) dibuat berdasarkan prinsip kerja yang mempunyai kawasan pengamanan yang batasnya sangat jelas dan pasti, dan tidak sensitif terhadap gangguan diluar kawasannya, sehingga sangat selektif, tapi tidak bisa memberikan pengamanan cadangan bagi seksi berikutnya. Contohnya pengaman differensial.

2.2.4 Kecepatan (speed)

Untuk memperkecil kerugian/kerusakan akibat gangguan, maka bagian yang terganggu harus dipisahkan secepat mungkin dari bagian sistem lainnya. Waktu total pembebasan sistem dari gangguan adalah waktu sejak munculnya gangguan, sampai bagian yang terganggu benar-benar terpisah dari bagian sistem lainnya.

Kecepatan itu penting untuk:

 Menghindari kerusakan secara thermis pada peralatan yang dilalui arus gangguan serta membatasi kerusakan pada alat yang terganggu.

 Mempertahankan kestabilan sistem.

 Membatasi ionisasi (busur api) pada gangguan disaluran udara yang akan berarti memperbesar kemungkinan berhasilnya penutupan balik PMT (reclosing) dan mempersingkat dead timenya (interval waktu antara buka dan tutup).

Untuk menciptakan selektifitas yang baik, mungkin saja suatu pengaman terpaksa diberi waktu tunda (td) namun waktu tunda tersebut harus sesingkat mungkin (seperlunya saja) dengan memperhitungkan resikonya.

2.3 Perhitungan Gangguan

Tipe gangguan yang penting yang sering terjadi dalam suatu sistem tenaga elektrik, antara lain:

a. Satu Fasa – Tanah b. Dua Fasa

c. Dua Fasa – Tanah

d. Tiga Fasa (tanpa atau melibatkan tanah)

Keempat tipe gangguan diatas disebut sebagai gangguan shunt tunggal karena hanya terjadi pada satu lokasi dan hubungan jaringan urutan sebagaimana gangguan yang terjadi sebagaimana kondisi gangguan tersebut. Dari persamaan awal dan diagram rangkaian dimungkinkan untuk menentukan besaran tegangan dan arus pada setiap cabang dari sistem tersebut. Dengan mengabaikan arus beban dan dengan asumsi gangguan yang terjadi tanpa melibatkan impedansi gangguan,

maka persamaan untuk mendefinisikan setiap gangguan dapat dinyatakan sebagai beikut:

a. Satu Fasa – Tanah (A – E)

2-1 b. Dua Fasa

2-2 c. Dua Fasa – Tanah

2-3 d. Tiga Fasa (tanpa atau melibatkan tanah)

2-4

Dari persamaan-persamaan diatas dapat dilihat bahwa setiap tipe gangguan terdapat tiga persamaan yang mendefinisikan setiap kondisi gangguan. Seluruh tegangan dan arus adalah besaran satu fasa (fasa – netral) dan diasumsikan tidak terdapat arus beban yang mengalir. Bila terdapat impedansi ganggua, maka besaran impedansi ini harus dimasukkan kedalam persamaan. Sebagai contoh, bila terjadi gangguan satu fasa – tanah yang melibatkan impedansi gangguan , maka persamaan 2-1 menjadi:

2.3.1 Gangguan Satu Fasa – Tanah (A – E)

Tinjau suatu gangguan yang didefinisikan oleh persamaan 2-1 dan diagram rangkaian pada Gambar 2.1. Konversi persamaan 2-1 kedalam besaran urutan, didapat:

2-5

2-6

Gambar 2.1 Representasi Gangguan satu fasa - tanah Dari persamaan 2-6 didapatkan:

Tetapi dari persamaan 2-5, dimana I1 = I2 = I0, oleh karena itu:

Batasan yang terdapt didalam persamaan 2-7 menunjukkan bahwa rangkaian pengganti untuk menunjukkan kondisi gangguan didapat dengan cara menghubungkan jaringan-jaringan urutan secara seri seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.1b.

2.3.2 Gangguan Dua Fasa (B – C)

Dari persamaan 2-2, didapat:

2-8

2-9

Gambar 2.2 Representasi Gangguan Dua Fasa (B-C) Persamaan 2-9 dapat ditulis menjadi sebagai berikut:

Dengan mensubstitusi harga I2 dari persamaan 2-8 didapat:

Batasan yang terdapat didalam persamaan 2-8 dan 2-10 menunjukkan bahwa dalam rangkaian pengganti untuk menunjukkan kondisi gangguan tidak terdapat jaringan urutan nol, dan jaringan urutan positif dan negatif terhubung secara paralel seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.2.

2.3.3 Gangguan Dua Fasa – Tanah (B – C – E)

Kembali, dari persamaan 2-3, didapat:

2-11 dan

2-12 Maka, dengan menggunakan persamaan 2-11, diperoleh:

2-13

2-14 Selanjutnya, mensetarakan dengan V1 dan V2, menghasilkan:

Atau

Substitusi I2 dari persamaan 2-14:

2-15 Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa gangguan dua fasa tanah dapat direpresentasikan dengan cara menghubungkan ketiga jaringan urutan secara paralel seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.3b.

Gambar 2.3 Representasi Gangguan dua Fasa Tanah (B –C - E)

2.3.4 Gangguan Tiga Fasa (A – B – C atau A – B – C – E)

Bila diasumsikan gangguan melibatkan tanah, dari persamaan 2-4, didapat:

2-16 Dan

2-17

sehingga:

dan

atau

2-19 Rangkaian pengganti untuk gangguan tiga fasa diperlihatkan dalam Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Representasi Gangguan Tiga Fasa (A - B –C atau A - B – C - E)

2.4 Proteksi Arus

Proteksi terhadap arus lebih merupakan sebuah sistem proteksi yang pertama dipergunakan. Dari sini dikembangkan prinsip-prinsip tingkatan arus lebih, yaitu suatu pemisahan proteksi gangguan. Hal ini seharusnya tidak dibingungkan dengan proteksi beban lebih, yang umumnya menggunakan Relai dengan waktu operasi didasarkan atas derajat kapabilitas termis dari elemen yang diproteksi. Sedangkan proteksi arus lebih secara langsung akan mengisolir gangguan, meski penyetelan umumnya tetap mengadopsi pengukuran dari proteksi beban lebih.

2.5 Prosedur Koordinasi

Agar aplikasi Relai arus dapat dilakukan secara benar diperlukan pengetahuan mengenai besarnya arus gangguan yang dapat mengalir pada setiap bagian dari jaringan sistem tenaga. Mengingat bahwa pengujian skala besar umumnya tidak dilakukan karena alasan praktis, maka digunakan analisis sistem. Pada umumnya dalam analisis sistem tenaga pemodelan menggunakan reaktansi transien dari mesin-mesin elektrik X’d dan bekerja pada arus simetris sesaat. Data yang dibutuhkan dalam studi penyetelan relai, antara lain:

a. Diagram segaris dari sistem yang menunjukkan rating dan tipe peralatan proteksi serta CT yang dipergunakan.

b. Impedansi dalam besaran ohmik, persen atau pu dari Transformator Daya, mesin-mesin berputar dan sirkit penyulang.

c. Besar arus gangguan minimum dan maksimum yang mungkin akan mengalir pada masing-masing peralatan proteksi.

d. Arus pengasutan dari Motor dan arus pengasutan serta waktu stalling dari Motor induksi.

e. Arus beban puncak maksimum yang akan melalui peralatan proteksi. f. Kurva kinerja Transformator Arus (CT)

Penyetelan Relai ditentukan pertama kali agar dapat memberikan waktu operasi pemutusan terpendek pada level gangguan maksimum dan kemudian diperiksa apakah operasi ini juga dapat memuaskan untuk arus gangguan minimum yang mungkin terjadi. Disarankan untuk selalu menggambarkan kurva Relai dan peralatan proteksi lainnya, seperti Fuse yang beroperasi secara seri pada skala yang sama. Umumnya lebih mudah bila dipergunakan suatu skala yang

berhubungan dengan kemungkinan arus yang terjadi pada dasar tegangan yang rendah atau menggunakan dasar tegangan yang dominan. Alternatif lain adalah dalam dasar MVA yang sama atau skala arus yang berbeda untuk setiap tegangan sistem. Aturan dasar untuk mendapatkan koordinasi Relai yang benar dapat dinyatakan sebagai berikut:

i. Bila memungkinkan, gunakan Relai yang memiliki karakteristik operasi yang sama bila Relai terpasang secara seri.

ii. Yakinkan bahwa Relai terjauh dari sumber memiliki setelan arus yang sama atau lebih rendah dari Relai dibelakangnya, mengingat arus primer yang dibutuhkan untuk mengoperasikan Relai didepan adalah sama atau lebih kecil dari arus primer yang diperlukan untuk mengoperasikan Relai berikutnya.

2.6 Standar Relai Arus Lebih I.D.M.T

Karakteristik pemutusan arus/waktu Relai I.D.M.T bervarisi sesuai dengan kebutuhan waktu pemutusan yang diperlukan dan karakteristik dari peralatan proteksi lain yang dipergunakan dalam jaringan. Untuk keperluan ini, IEC 60255 mendefinisikan sejumlah karakteristik standar sebagai berikut:

Standard Inverse (SI) Very Inverse (VI) Extremely Inverse (EI) Definite Time (DT)

Penjelasan matematis dari kurva diberikan dalam kurva berdasarkan penyetelan dasar arus dan penyetelan time multiplier 1 detik diperlihatkan dalam

Gambar 2.5(a). Karakteristik pemutusan untuk penyetelan TMS berbeda menggunakan kurva SI ditunjukkan dalam Gambar 2.6.

Tabel 2.1 Definisi Karakteristik Relai standard

Relay Characteristic Equation (IEC 60255)

IEEE Moderately Inverse

IEEE Very Inverse

Extremely Inverse (IE)

Longtime Standard Earth Fault Relay Characteristic to IEC 60255

Meskipun pada kurva hanya menunjukkan harga diskret dari TMS, penyetelan lanjut dapat dimungkinkan untuk Relai elektromekanis.

Gambar 2.5 Kurva Relai

Untuk tipe Relai lainnya, langkah penyetelan mungkin sangat terbatas untuk mendapatkan pengaturan yang kontinyu. Sebagai tambahan, pada umumnya hampir semua Relai arus lebih dilengkapi dengan elemen penyetelan instantaneous. Dalam banyak kasus, penggunaan kurva standar SI telah memberikan hasil yang memuaskan, namun bila diskriminasi yang diinginkan tidak dapat dicapai, maka dapat digunakan kurva VI atau EI, penjelasan lebih lanjut akan diberikan.

Gambar 2.6 Kurva TMS

Relai-Relai untuk desain ssistem tenaga bagi utilitas North American menggunakan kurva-kurva ANSI/IEEE. Dalam Tabel 2.1 diberikan penjelasan matematis dari karakteristik ini dan pada Gambar 2.5b diperlihatkan standar kurva pada time dial setting 1.

2.7 Relai Arus Lebih Very Inverse (VI)

Relai arus lebih very inverse cocok dipergunakan bilamana terdapat penurunan besar arus gangguan sebagai fungsi jarak letak gangguan, yaitu dimana terjadi kenaikan yang cukup substansial pada impedansi gangguan. Karakteristik operasi VI memperlihatkan penurunan waktu operasi hampir duakali lipat untuk penurunan arus dari 7 kali menjadi 4 kali seting arus Relai. Hal ini memungkinkan penggunaan TMS yang sama untuk beberapa Relai yang terpasang seri.

Gambar 2.7 memperlihatkan komparasi antara kurva Relai-Relai SI dan VI. Kurva VI lebih steeper dan karenanya lebih cepat bila dibandingkan dengan kurva SI untuk penurunan arus yang sama. Hal ini dapat memungkinkan untuk memperoleh margin diskriminasi dengan TMS rendah untuk seting arus yang sama dan karenanya waktu pemutusan pada sumber dapat diminimisasi.

Gambar 2.7 Komparasi antara SI dan VI

2.8 Relai Arus Lebih Extremely Inverse (EI)

Dengan karakteristik seperti ini, waktu operasi mendekati berbanding terbalik secara kuadratis terhadap arus. Hal ini sangat cocok dipergunakan untuk memproteksi penyulang distribusi yang kerap mengalami arus puncak pada saat pensaklaran sebagaimana sering terjadi pada sirkit yang dipergunakan untuk mensuplai refrigerator, pompa, pemanas air dan lainnya yang tetap terhubung

meski terjadi pemutusan yang cukup lama. Gambar 2.8 memperlihatkan kurva karakteristik dari Relai jenis ini.

Gambar 2.8 Kurva karakteristik Relai arus lebih extremely inverse

2.9 Relai Arus Lebih Independent (Definite) Time

Relai arus lebih pada umumnya juga dilengkapi dengan elemen-elemen yang memiliki karkateristik independent atau definite time. Karakteristik seperti ini memungkinkan Relai yang terpasang seri dikoordinasikan dalam situasi dimana besar arus gangguan yang terjadi sangat variatif akibat perubahan impedansi sumber. Karakteristik arus/waktu dari kurva seperti ini diperlihatkan dalam Gambar 2.9, bersama dengan karakteristik standar I.D.M.T untuk memperlihatkan bahwa waktu operasi singkat dapat diperoleh dengan Relai

inverse pada harga arus gangguan tinggi, dimana Relai definite time memiliki waktu operasi rendah untuk arus gangguan rendah. Garis vertikal T1, T2, T3 dan T4 memperlihatkan penurunan waktu operasi dapat diperoleh dengan Relai Inverse pada level arus gangguan tinggi

2.10 Perhitungan Penyetelan Relai Arus Lebih

Koordinasi yang benar dari Relai arus lebih pada suatu sistem tenaga memerlukan perhitungan dan penggambaran pada kertas log yang tepat dari perkiraan penyetelan Relai, berkenaan dengan arus atau waktu, untuk mendapatkan marjin tingkatan yang cocok antara Relai-Relai yang letaknya bersisian.

2.10.1 Relai-Relai Waktu Pasti

Pemilihan setelan bagi Relai waktu pasti menimbulkan sedikit kesulitan. Elemen arus lebih harus diberi penyetelan yang rendah dengan marjin yang cukup rasional daripada arus gangguan yang mungkin mengalir ketitik gangguan dari bagian sistem sampai kepada kebutuhan proteksi cadangan pada saat pelayanan minimum. Penyetelan harus cukup tinggi untuk menghindari operasi Relai pada saat beban maksimum, marjin yang cukup untuk melalukan arus pengasutan motor besar atau inrus peralihan Transformator.

2.10.2 Relai-Relai Waktu Terbalik

Apabila sistem tenaga terdiri dari beberapa seksi kabel yang terhubung seri sehingga total impedansinya rendah, besaran arus gangguan akan dikendalikan oleh impedansi Transformator atau Pembangkit dan tidak terlalu bervariasi terhadap lokasi gangguan.

EHV SUPPLY SOURCE 150 MVA 0.81 OHMS AT 11KV 120A 170A SYSTEM LOADS 80A 50A

400/5A 400/5A 200/5A 100/5A 420A 0.6 OHM 300A 0.95 OHM 130A 2.2 OHM 50A 1.1 OHM A B C D E

Gambar 2.10 Sistem Distribusi Radial 11 kV

Dalam kasus seperti ini, dimungkinkan untuk membuat tingkatan pada Relai waktu terbalik dengan cara Relai Waktu Pasti, namun demikian bilamana arus gangguan cukup bervariasi terhadap lokasi gangguan, dimungkinkan menggunakan fakta ini guna membuat tingkatan dalam arus dan waktu guna meningkatkan kinerja Relai. Hal ini merupakan salah satu kelebihan utama dari Relai Waktu Terbalik terhadap Relai Waktu Pasti bila digunakan pada sistem

dimana terdapat variasi yang cukup besar pada arus gangguan antara kedua ujung penyulang, karena waktu operasi tercepat dapat dicapai oleh Relai yang terdekat dengan sumber dimana level gangguan tertinggi terjadi.

Perhitungan dalam bentuk tabulasi merupakan cara terbaik dalam membuat tingkatan Relai arus lebih. Sistem distribusi dalam Gambar 2.10 adalah contoh sistem yang akan dipergunakan untuk memperlihatkan cara ini. Dalam contoh ini, Busbar A pada Gardu 11 kV dipasok oleh dua Transformator Grid yang terhubung pada sistem EHV yang impedansi sumber dapat diabaikan. Jadi daya hubung singkat pada busbar 11 kV pada Gardu A dengan kedua Transformator bekerja adalah 150MVA yang terhubung dengan impedansi sumber 0,81Ω .

Gardu A seperti diperlihatkan mensuplai Gardu B, C, D dan E melalui sistem distribusi Radial termasuk bagian-bagian penyulang dengan impedansi seperti dalam diagram. Beban masing-masing disuplai oleh Gardu yang bersesuaian, dengan distribusi arus sebagaimana diperlihatkan dalam diagram tersebut.

Data sebagai bahan analisis disajikan dalam Tabel 2.2. Impedansi total termasuk impedansi sumber, dari sumber menuju masing-masing Gardu diberikan dalam kolom kedua. Pada kolom ketiga diberikan besar impedansi yang berhubungan dengan hubung singkat busbar pada Gardu A menurun sampai asumsi harga minimum, dalam contoh ini harga minimum diperoleh dalam operasi sistem hanya dipasok dengan sebuah Transformator. Dalam kolom empat dan lima berisi data arus gangguan maksimum dan minimum. Arus beban maksimum yang ditransmit melalui masing-masing Gardu menuju penyulang berikutnya disajikan dalam kolom keenam.

Tabel 2.2 Data sistem dalam Gambar 2.10

Dari data ini dapat ditentukan ratio CT yang tepat dan pemilihan penyetelan Relai arus lebih. Perlu dicatat bahwa penyetelan arus primer harus diatas estimasi arus beban maksimum, dan juga mempertimbangkan kemungkinan peningkatan beban kedepan, beban tinggi yang tak diduga, peralihan beban puncak dan reset ulang Relai setelah gangguan, dengan prospektif sirkit pembawa arus beban maksimum. Penyetelan Relai harus berada dibawah arus gangguan minimum yang diberikan dalam kolom 5 dari Tabel 2.2.

Relai arus lebih diharapkan mempunyai tingkatan proteksi guna melindungi sistem terhadap gangguan dan tidak memberikan proteksi beban lebih yang akurat. Paling tidak pengukuran terhadap proteksi beban lebih ditujukan untuk melindungi kabel terhadap pembebanan lebih. Karena alasan ini penyetelan Relai primer tidak selalu dibuat setinggi mungkin jika hanya arus gangguan yang menjadi pertimbangan. Sekali setelah penyetelan arus Relai dipilih, berikutnya adalah menentukan dan menghitung penyetelan pengali waktu Relai (TMS) seperti diperlihatkan dalam Tabel 2.3 dan 2.4.

Tabel 2.3 Perhitungan PenyetelanWaktu Relai pada D dan C

Tabel 2.4 Perhitungan PenyetelanWaktu Relai pada B dan A

2.11 Proteksi Gangguan Tanah

Dalam deskripsi terlebih dahulu, perhatian sepenuhnya hanya kepada proteksi arus lebih. Proteksi yang lebih sensitif terhadap gangguan tanah dapat dilakukan menggunakan Relai yang hanya akan merespon terhadap adanya arus residu sistem, karena komponen residual hanya muncul bilamana arus gangguan mengalir ketanah. Oleh karena itu Relai gangguan tanah tidak terpengaruh sama sekali terhadap arus beban, baik dalam kondisi seimbang maupun tidak dan dapat disetel yang hanya dibatasi oleh desain peralatan.

Pernyataan ini hanya berlaku dengan syarat jika perhatian penyetelan hanya beberapa persen dari rating sistem, karena kebocoran tidak seimbang atau arus kapasitif menuju tanah mungkin menimbulkan besaran residu dalam orde ini.

Secara keseluruhan, penyetelan rendah memungkinkan bagi Relai Gangguan Tanah menjadi sangat berguna, tidak hanya terhadap gangguan tanah,

tetapi lebih jauh terhadap hampir semua gangguan, tetapi mungkin dibatasi magnitudnya oleh besarnya impedansi pentanahan atau oleh tahanan pentanahan. Komponen residual diekstrasi dengan cara menghubungkan CT jaringan secara paralel seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.11.

Hubungan sederhana seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.11a dapat diperluas dengan cara menghubungkan elemen-elemen aruslebih pada ujung-ujung terminal masing-masing phasa, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.11b dan menyisipkan Relai Gangguan Tanah diantara titik bintang dari group Relai Phasa dan CT.

Relai Arus lebih seringkali hanya dipasang pada dua dari tiga phasa yang ada, karena cara ini sudah cukup mendeteksi setiap gangguan phasa yang terjadi. Cara seperti ini tidak berpengaruh terhadap Relai Gangguan Tanah. Hubungan seperti ini diperlihatkan dalam Gambar 2.11c.

Gambar 2.11 Hubungan Residu dari CT untuk Relai Gangguan Tanah

2.11.1 Penyetelan Efektif Relai-Relai Gangguan Tanah

Penyetelan primer suatu Relai Aruslebih biasanya dapat diambil sebagai penyetelan Relai dikali dengan ratio CT. CT diasumsikan mampu bekerja dengan ratio ketelitian yang terjaga dan dinyatakan dengan persen rating arus, penyetelan primer akan sama dengan penyetelan Relai. Relai Gangguan Tanah mungkin

menggunakan elemen yang sama dengan yang dipergunakan dalam Relai Phasa dan akan memiliki konsumsi VA yang sama dalam penyetelan, tetapi akan memiliki burden yang lebih tinggi pada arus nominal atau rating, karena penyetelan yang rendah. Sebagai contoh, suatu Relai yang disetel pada 20% akan memiliki impedansi 25 kali lebih besar dibanding elemen yang sama yang disetel 100%. Seringkali burden ini melebihi rating burden dari CT. Hal ini tampaknya mengharuskan penggunaan CT yang lebih besar, tetapi hal ini mungkin tidak diperlukan, karena CT yang menangani burden phasa dapat mengoperasikan Relai Gangguan Tanah dan kenaikan kesalahan dapat ditolerir.

Tabel 2.5 Perhitungan Penyetelan Efektif

Tidak hanya itu, arus eksitasi yang sebanding untuk mengenergise CT juga meningkat akibat burden yang besar dari Relai Gangguan Tanah, tetapi tegangan jatuh pada Relai ini mempengaruhi CT lain yang terpasang dalam group paralel, baik Relai ini membawa arus primer atau tidak. Oleh karena itu arus eksitasi total adalah hasil perkalian antara susut dalam salah satu CT dengan jumlah CT yang terpasang paralel.

Gambar 2.12 Penyetelan Efektir Relai Gangguan Tanah

Penjumlahan susut permagnetan ini dapat lebih besar bila dibandingkan dengan arus operasi Relai, dan dalam kasus yang lebih ekstrim dimana seting arus rendah atau CT yang dipergunakan memiliki kinerja yang kurang baik, mungkin menyebabkan peningkatan Output pada Relai. Arus penyetelan efektif pada hubungan sekunder adalah penjumlahan arus penyetelan Relai dan susut total arus eksitasi. Dengan kata lain, penyetelan efektif adalah jumlah vektor arus penyetelan Relai dan total arus eksitasi, tetapi untuk Relai elektromagnetik lebih kurang adalah jumlah aritmatik sudah cukup mendekati, karena kesamaan faktor kerja. Sebagai pelajaran, dalam menghitung penyetelan efektif untuk range

besaran penyetelan dari sebuah Relai, proses diperlihatkan dalam Tabel 2.5 yang hasilnya disajikan dalam Gambar 2.12.

2.11.2 Contoh Relai Gangguan Tanah

Ratio CT 300/5A

Tegangan knee-point: 30 Volt Arus eksitasi pada knee-point: 1,5A Burden CT pada setelan: 3 VA

Dapat dilihat bahwa penyetelan optimum Relai pada contoh diatas adalah 13%, tetapi sedikit peningkatan dalam penyetelan efektif terjadi atas Relai pada penyetelan 20%. Mungkin terpikirkan bahwa batasan penyetelen Relai dapat dilaksanakan antara 10% sampai dengan 40%, penyetelan optimum dapat diketahui dengan melaksanakan pengujian sebelum pemasangan. Harus diingat bahwa, meski kemungkinan arus gangguan tanah dibatasi oleh impedansi pentanahan netral, namun Relai tetap akan merasakan arus yang cukup besar, khususnya jika CT memiliki harga emf saturasi yang tinggi. Dalam kasus ini Relai mungkin mengalami pemanasan selaman gangguan sistem. Semakin rendah penyetelan Tap, semakin tinggi tahanan belitan koil, sehingga pemanasan pada penyetelan Tap rendah cenderung tinggi. Berkenaan dengan hal tersebut, penyetelan Tap katakanlah pada 20% tidaklah sama jika diperoleh dari batasan 10% - 40% dengan pada batasan 10% - 80%. Hal ini berhubungan dengan lilitan yang digunakan, untuk batasan pertama memiliki jumlah belitan dua kali dari jumlah lilitan batasan kedua dan ukuran konduktor lebih kecil. Bila spemilihan Tap 20% dipilih dari batasan 10% - 40%, hanya setengah lilitan yang akan

dipergunakan dan tahanan belitan akan lebih besar jika dibanding dengan penetelan berdasarkan batasan 10% - 80%, dimana semua koil akan digunakan.

Batasan penyetelan tinggi cocok dipergunakan untuk aplikasi pada umumnya dan harus digunakan kecuali diketahui bahwa kondisi pelayanan memerlukan penyetelan rendah. Bilamana arus gangguan dapat dibatasi oleh tahanan pentanahan netral, penyetelan batasan rendah dapat dilakukan, meski pada umumnya tidak dilakukan. Pada daerah dimana tahanan pentanahan begitu tinggi dan sensitifitas tinggi diperlukan, penyetelan rendah harus digunakan dan digunakan CT dengan arus eksitasi rendah. Juga perlu dipertimbangkan besarnya arus gangguan tanah maksimum dan dipertimbangkan apakah diperlukan untuk mendesain CT guna membatasi arus Output maksimum akibat kejenuhan.

2.11.3 Tingkatan Waktu pada Relai-Relai Gangguan Tanah

Tingkatan waktu pada Relai-Relai Gangguan Tanah dapat diatur dengan cara yang sama seperti halnya pada Relai-Relai Gangguan Phasa. Karkateristik arus primer/waktu tidak dapat dijaga proporsional terhadap karakteristik Relai dengan sesuatu seperti ketelitian seperti halnya pada Relai gangguan phasa. Sebagaimana diperlihatkan diawal, kesalahan ratio dari CT pada penyetelan Relai mungkin sangat besar. Pengaruh impedansi Relai yang relatif tinggi dan penjumlahan susut eksitasi Relai pada rangkaian residual memperbesar kenyataan yang ada tersebut, pada penyetelan, kerapatan fluksi pada CT berhubungan dengan belokan bawah dari karakteristik eksitasi. Impedansi penguatan pada kondisi ini relatif rendah, mengakibatkan kesalahan ratio menjadi tinggi. Pada kenyataannya CT meningkat kinerjanya dengan kenaikan arus primer, sementara impedansi Relai menurun, dengan arus Input beberapa kali lebih besar dari

penyetelan primer, pengali arus seting pada Relai meningkat tinggi dibanding dengan pengali arus seting primer yang berlaku pada rangkaian primer, mengakibatkan waktu operasi Relai lebih singkat dari yang diharapkan.

Dengan jelas dapat dipahami bahwa tingkatan waktu pada Relai gangguan tanah tidaklah sesederhana seperti dalam prosedur yang dilaksanakan untuk Relai Phasa sebagaimana disajikan dalam Tabel 6-7a dan 6-7b. Meski faktor-faktor diatas telah dijadikan bahan pertimbangan dan kesalahan perhitungan pada level masing-masing arus, membuat proses menjadi lebih membosankan, atau marjin tingkatan yang lebih lama harus diperbolehkan.

2.11.4 Sensitivitas Proteksi Gangguan Tanah

Dalam beberapa daerah, resistivitas dari lintasan tanah mungkin sangat tinggi disebabkan kekeringan yang berlebihan dan sifat dari tanah itu sendiri. Gangguan sistem ke tanah tidak melibatkan konduktor tanah yang hanya menghasilkan aliran arus yang kecil, tidak cukup untuk mengoperasikan sistem proteksi normal. Kesulitan yang sama terjadi dalam kasus kerusakan pada konduktor jaringan yang setelah jatuh ke pagar atau kejalanan yang kering, akan tetap energise karena arus bocor yang rendah dan sangat membahayakan hidup manusia.

Untuk mengurangi bahaya ini diperlukan sistem proteksi gangguan tanah dengan suatu penyetelan yang lebih baik dari proteksi jaringan normal. Untuk mendapatkan tujuan ini, Relai tidak hanya diset pada arus rendah, tetapi juga dalam burden dasar rendah, seperti diperlihatkan dalam Gambar 6-13, penyetelan arus rendah bagi suatu Relai normal dapat berarti penyetelan efektif yang tak berguna.

Relai-Relai didesain untuk dapat memenuhi keperluan diatas. Menggunakan elemen polarisasi yang sensitif. Burden yang cukup rendah dari Relai yang selalu dapat energise oleh CT yang sama yang dipergunakan untuk rangkaian proteksi konvensional. Dapat dilihat secara jelas bahwa proteksi gangguan tanah yang memiliki penyetelan rendah tidak dapat dibuat bertingkat dengan sistem lain dan karena itu melahirkan aturan tambahan dengan menggunakan waktu tunda yang cukup lama, diatur diatas 10 atau 15s. Meskipun tingkatan dengan sistem proteksi yang lain tidak praktis, sensitifitas Relai gangguan tanah dapat diatur untuk membentuk sebuah sistem tingkatan independen meningkatkan beberapa stage pemisahan.

Arus jatuh peralihan dari residu hubungan CT dapat diharapkan melebihi penyetelan Relai selama gangguan phasa tetapi fungsi yang tidak diharapkan dicegah dengan memperpanjang waktu tunda.

Penggunaan Relai dibatasi oleh arus residual normal yang mungkin mengalir selama kondisi normal. Beberapa pengaruh residual dapat meningkat melebihi primer menimbulkan kebocoran tidak seimbang atau kapasitansi, atau dapat arus jatuh sekunder dari CT pada kondisi beban sistem normal. Besaran arus residu tunak yang terukur dilokasi dan Relai disetel pada besaran yang lebih rendah yang akan menghidarkan operasi dalam keadaan tunak dan juga guna meyakinkan bahwa akan terjadi penyetelan balik setelah operasi transien dari elemen pengukuran arus. Waktu tunda diatur melebihi waktu operasi untuk proteksi hubung singkat dan penyetelan Relai berturut-turut diatur dalam suatu urutan bertingkat.