KONSEP DASAR ANALISIS HUBUNG SINGKAT

KONSEP DASAR ANALISIS HUBUNG SINGKAT

Analisis Sistem Tenaga Pertemuan-11

Konsep dasar perhitungan hubung singkat

• Sistem tenaga yang besar, dengan wilayah yang luas, sangat rentan dengan kemungkinan terjadinya kerusakan peralatan akibat suatu gangguan hubung singkat, baik yang bersifat temporer, seperti penghantar udara terkena ranting patah atau layang-layang. Juga yang bersifat permanen seperti kawat penghantar yang putus atau juga petir dan proses switching (manuver jaringan) yang

menimbulkan tegangan berlebih yang bisa menyebabkan terjadinya flashover pada isolator

Konsep dasar perhitungan hubung singkat

Pemodelan Elemen Sistem Tenaga Listrik

• Busbar (kapasitas PMT)

• Pada simulasi hubung singkat kita memerlukan data MVA hubung singkat pada setiap busbar yang ada. Praktisnya, hal ini berkaitan ldengan kemampuan pemutusan arus (breaking capacity) dari PMT yang terdapat pada busbar tersebut.

Generator Sinkron

• Pada umumnya impedansi urutan positif, negatif, dan nol pada mesin serempak (sinkron) mempunyai nilai yang berbeda-beda.

• Besarnya impedansi urutan positif dari mesin sinkron dapat

ditentukan dari nilai reaktansi substransien (X”_d), transien (X’_d), atau reaktansi sinkronnya (X_d), tergantung pada asumsi waktu yang dilalui oleh gangguan awal (initial fault) yang terjadi secara tiba-tiba.

Generator Sinkron

Transformator daya

• Pada transformator, impedansi urutan positif dan negatifnya mempunyai nilai yang sama

Beban

• Rangkaian urutan nol untuk beban 3 fasa yang dihubung delta atau bintang dapat dilihat pada tabel

Latar belakang Komponen Simetri

• Sebenarnya sistem tiga fasa seimbang hanya ada dalam teori saja, kenyataannya kebanyakan sistem hanya mendekati kondisi seimbangnya sehingga

untuk mempermudah analisa maka sistem dianggap berada pada kondisi seimbang

• Fasor dari sistem tiga fasa yang tidak seimbang

dapat diselesaikan kedalam fasor dari tiga sistem

tiga fasa seimbang

Fasor dari sistem tiga fasa yang tidak seimbang dapat diselesaikan ke dalam fasor dari tiga sistem tiga fasa seimbang, yaitu :

a. Sistem urutan positif b. Sistem urutan negatif c. Sistem urutan nol

• Urutan nol, positif, dan negatif ditunjukkan oleh

subscript 0, 1, dan 2.

Sistem urutan positif

• Urutan ini digambarkan oleh fasor dari sistem seimbang yang

mempunyai urutan fasa yang sama dengan sistem tidak seimbang aslinya. Ketiga fasor dari urutan positif ini besarnya sama dan

terpisah satu sama lain dengan fasa sebesar 120°.

Sistem urutan negatif

• Sistem urutan ini digambarkan oleh fasor dari sistem seimbang yang mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan sistem aslinya. Nilai ketiga fasor urutan negatif ini besarnya sama dan terpisah satu sama lain dengan fasa sebesar 120°.

Sistem urutan nol

• Digambarkan oleh tiga fasor yang mempunyai magnitudo yang sama dan dengan pergeseran fasa sebesar 0° antara fasor yang satu dengan fasor yang lain.

(a) Fasor tegangan sistem tidak seimbang (b). Komponen urutan positif

(c). Komponen urutan negatif (d). Komponen urutan nol.

Phasor tegangan Va, Vb, dan Vc yang diset tidak setimbang yang dapat diekpresikan menjadi

komponen simetris sbb:

2 1

0 a a

a

a

V V V

V = + +

2 1

0 b b

b

b

V V V

V = + +

2 1

0 c c

c

c

V V V

V = + +

Operator komponen simetri (operator

“a”)

• Phasor unit atau operator akan memutar phasor lain 120^o searah jarum jam tanpa merubah magnitudo dari phasor.

Diagram fasor operator a

operator “a”

• Operator ini didefinisikan sbb:

( )

2 3 1 2

1

120 sin

120 cos

1

120 1

j a

j a

a

o o

o

+

−

=

+

=



=

− 1

= j

dimana

Kombinasi fungsi operator a.

Aplikasi Operator”a”

• Dalam aplikasi komponen simetris, biasanya digunakan phasa a sebagai referensi.

• Selanjutnya dengan menggunakan operator a, jaringan urutan positif, negatif dan nol dapat diekpresikan sbb :

Persamaan tegangan tiap phasa dalam fungsi tegangan jaringan urutan adalah sbb:

• Selanjutnya , dapat ditunjukan tegangan urutan dalam fungsi tegangan tiap phasa sbb:

Sebagai alternatif, persamaan sintesis dan analisis dapat ditulis sebagai persamaan matrik sbb:

• Dimana:

Persamaan matrik dari persamaan sintesis dan analisis dari arus urutan adalah sbb:

Hubungan Belitan Transformator

• Impedansi urutan positif/negatif dan urutan nol, untuk trafo dengan berbagai macam vektor group

SAMBUNGAN URUTAN NOL URTAN POSITIP&NEGATIP

L H

L H

L H

ZL ZH ZL ZH

3ZnH ZL ZH

ZL ZH

ZL ZH

ZL 3ZnL 3ZnH ZH ZL ZH

ZL ZH H

H

H

H

H

H L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

H

H

H

H

H

H

H

ZL ZH

L H

ZL ZH

L H

ZL ZH

L H

ZL ZH

L H

ZL ZH

L H

ZL ZH

L H

ZL ZH

L H

ZL ZH

L H

ZnL ZnH

ZnH

Hubungan Belitan Transformator

• Impedansi urutan positif/negatif dan urutan nol, untuk trafo dengan berbagai macam vektor group

SAMBUNGAN URUTAN NOL URUTAN POSITIP/NEGATIP

M L

H

M L

H

H

H

H

H L

L

L

L M

M

M

M

ZL

ZH 3ZnH

3ZnH ZH ZL

ZM

ZM L M

H H ZH ZM

ZL M L

3ZnM ZM

H M

L

ZL

ZH H M

L

3ZnH

ZH H

ZM ZL M

L

ZH H ZM

ZL M

L

ZH H ZM

ZL M

L

ZH H ZL

L

ZH H ZL

L

ZH H ZL

L

ZH H ZL

L

ZH H ZL

L

Formulasi Gangguan dan Diagram Jaringan

a) Gangguan 3 phasa b) Gangguan 2 phasa

c) Gangguan 2 phasa ke tanah d) Gangguan 1 phasa ke tanah

Jenis Hubung Singkat

• Harga impedansi ekivalen Ze tergantung pada jenisgangguan hubung singkat, yang besarnya adalah :

• Gangguan satu fasa – tanah : Ze =

• Gangguan antar fasa : Ze =

• Gangguan dua fasa – tanah : Ze =

• Gangguan tiga fasa : Ze = Z₁ + Z_f

3

Z 3 Z

Z

Z₁ + ₂ + ₀ + _f

3 Z Z

Z₁ + ₂ + _f

) aZ Z

3 Z

( 3

) Z 3 Z

)(

Z Z

( Z Z

2 f

0

f 0

2 1

2 1

+ +

+ +

+

Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah

• Gangguan satu fasa ke tanah

• (a) Representasi umum (b) Interkoneksi jaringan urutan

Zf Iaf Ibf= 0 Icf = 0

Vaf

a b c

n

V_a2 V_a1

I_a2 I_a1 I_a0

N₂ F₂ N₁ F₁ N₀ F₀

3Z_f

V_a0

Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah

• Persamaan umum perhitungan arus gangguan hubung singkat adalah :

• Berdasarkan gambar di atas masing-masing besarnya arus urutan positif, negatif dan nol yaitu :

• maka, nilai arus gangguan hubung singkat pada fasa a adalah :

 







 







 







 







=

 







 







2 1 0

2 2

1 1

1 1

1

a a a

cf bf a

I I I

a a

a a

I I I

f f

a a

a

Z Z Z Z

I V I

I

⁰

=

¹

=

²

=

₀

+

₁

+

₂

+ 3

2 1

0

2 1

0

3 3

3

_{a a a}

a f

a a

f a a

I I

I I

I I

I I

=

=

=

+ +

=

Hubung Singkat Dua Fasa

• Gangguan dua fasa

• (a) Representasi umum (b) Interkoneksi jaringan urutan

Z_f

I_af I_bf I_cf = 0

a b c

V_a2 Z_f

N₂ F₂

N₁ F₁

N₀ F₀

V_a1 V_a0

Hubung Singkat Dua Fasa

• Berdasarkan gambar di atas masing-masing besarnya arus urutan positif, dan negatif yaitu :

0

= 0 I

a

f f

a

a

Z Z Z

I V

I = − = + +

2 1

2 1

= 0

a f

I

o f a

f c

b

I I

I = − = 3

₁

 − 90

Hubung Singkat Dua Fasa Ke Tanah

• Gangguan dua fasa

• (a) Representasi umum (b) Interkoneksi jaringan urutan

I_af I_bf I_cf = 0 a

b c

Zg

Z_f Z_f

n

V_a2 I_a0

Z_f +3Zg

N₂ F₂

N1

F₁

V_a1 V_a0

Z_f Z_f

I_a1 I_a2

Hubung Singkat Dua Fasa

• Berdasarkan gambar di atas masing-masing besarnya arus urutan positif, dan negatif yaitu :

( ) ( )( )













+ +

+

+ +

+ + +

= 

g f

g f

f f

o a

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z

Z Z Z

I E

3 2

3 0

2 0

0 2

1 1

(

₀ ⁰

) (

₂

)

¹

2

3

3

a f

g f

g f

a

I

Z Z

Z Z

Z

Z Z

I Z

 





 





+ +

+ +

+

− +

=

(

₀ ²

) (

₂

)

¹

0 _f

3

_{g f} ^a

f

a

I

Z Z

Z Z

Z

Z I Z

 





 





+ +

+ +

= +

2 1

2

0 a a

f a

b

I a I aI

I = + + I

_{c f}

= I

_a0

+ aI

_a1

+ a

²

I

_a2

Hubung Singkat Tiga Fasa

• Gangguan dua fasa

• (a) Representasi umum (b) Interkoneksi jaringan urutan

I_af I_bf I_cf

Z_f

Z_f Z_f

Z_f

n

Va2

Ia0

N2

F2

N1

F1

F0

Va1

Va0

Ia1

Ia2

Zf+3Zg Zf Zf

Hubung Singkat Tiga Fasa

• Berdasarkan gambar di atas masing-masing besarnya arus urutan positif, dan negatif yaitu :

0

= 0

I

a

I

a₂

= 0

f f

a

Z Z

I V

= +

1 1

f o f a

a

Z Z

I E

I +

= 

=

1 1

0

f o f a

b

Z Z

I E a

I +

= 

=

1 1

2

240

f o f a

c

Z Z

I E a

I +

= 

=

1 1

. 120

STANDAR IEC 60909

• IEC 60909 adalah standar yang digunakan untuk menghitung besarnya arus hubung singkat yang dapat terjadi dalam suatu sistem tenaga listrik. Standar ini dapat diaplikasikan pada

seluruh bentuk jaringan, baik itu radial maupun jala-jala, dengan jangkauan tegangan pada sistem sampai 230 kV

• Besarnya arus hubung singkat yang dapat timbul pada sistem mempunyai nilai yang berbeda-beda, tergantung pada jenis gangguan yang terjadi

STANDAR IEC 60909

1. Gangguan tiga fasa

• Besarnya arus awal hubung singkat I_hs (initial short-circuit current) atau yang dikenal dengan I^”_k untuk jenis gangguan tiga fasa adalah sebagai berikut

1

"

Z I U

I

^k

=

_hs

=

^hs

3

n hs

U U = c

dengan

U_n = tegangan fasa-netral jaringan di titik gangguan

c = faktor tegangan yang nilainya dapat dilihat pada tabel

1

"

3 Z

U

I

^k

= c

ⁿ

STANDAR IEC 60909

1. Gangguan tiga fasa

• Nilai faktor tegangan c .

Nilai faktor tegangan c ditentukan berdasarkan pendekatan nilai rata-rata dari tegangan nominal sistem, yaitu + 5% untuk tegangan rendah (LV) dan + 10%

untuk tegangan tinggi (HV).

Rated voltage U_{n max min}

LV

230 - 400 V 1 0.95

Others 1.05 1

HV

1 to 230 kV 1.1 1

STANDAR IEC 60909 2. Gangguan fasa-fasa

• Berdasarkan IEC 60909, besarnya arus awal hubung singkat fasa- fasa (I^”_k) untuk jenis gangguan fasa-fasa adalah :

E_a adalah tegangan ekuivalen urutan positif di titik gangguan, sehingga

3

n a

U E = c

2 1

"

3 3

Z Z

U

I k c ⁿ

= +

2 1

"

Z Z

U I ^k c ⁿ

= +

STANDAR IEC 60909

3. Gangguan fasa-tanah

• Berdasarkan IEC 60909, besarnya arus awal hubung singkat fasa- fasa (I^”_k) untuk jenis gangguan fasa-tanah adalah :

c c

0 2

0 1 2

1

"

3

3 3

Z Z

Z

U c Z

Z Z

I E

I

k _a ^{a n}

+

= + +

= +

=

0 2

1

"

3

Z Z

Z

U

I

^k

c

ⁿ

+

= +

STANDAR IEC 60909

4. Gangguan fasa-fasa-tanah

• Berdasarkan IEC 60909, besarnya arus awal hubung singkat fasa- fasa (I^”_k) untuk jenis gangguan fasa-fasa tanah adalah :

2 1 2

0 1

0

" 2

3

3

Z Z Z

Z Z

Z

Z U I c

Ihs k ⁿ

+

= +

=

2 1 2

0 1

0

2

3

Z Z Z

Z Z

Z

Z U c

_n

+

= +

Arus hubung singkat maksimum dan minimum

• Perbedaan besarnya arus ini ditentukan oleh nilai faktor

tegangan c yang digunakan dalam menghitung besarnya arus hubung singkat

Arus hubung singkat maksimum dan minimum

• Arus hubung singkat maksimum digunakan untuk menentukan beberapa hal antara lain :

• • Kapasitas pengrusakan circuit breaker (CB)

• • Kapasitas pembuatan CB

• Kapasitas dari arus yang dapat ditahan CB

Arus hubung singkat maksimum dan minimum

• Arus hubung singkat minimum, sangat dibutuhkan dalam

menentukan kurva waktu kerja dari CB maupun fuse yang akan digunakan.

Arus awal hubung singkat (initial short-circuit current)

• Besarnya arus awal dari hubung singkat dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan-persamaan yang telah disebutkan di atas yang nilainya tergantung pada jenis gangguan yang terjadi pada sistem.

Pembentukan Diagram Urutan Positif Negatif dan Nol

• Jika diketahui suatu sistem sebagai berikut

G

₁

G

₂

F

G₁ G₂

F

Diagram Impedansi Urutan Positif

Diagram Impedansi Urutan Negatif

Diagram Impedansi Urutan Nol

WYD SN & Pri.K

ANALISA HUBUNG SINGKAT

TRANSFORMASI D - Y.

Z_A = Z_AB Z_CA Z_AB + Z_BC + Z_CA

Z_B = Z_BC Z_AB Z_AB + Z_BC + Z_CA Z_C = Z_CA Z_BC

Z_AB + Z_BC + Z_CA

Y_A = Y_ABY_CA + Y_BCY_AB + Y_CAY_BC Y_BC

Y_B = Y_ABY_CA + Y_BCY_AB + Y_CAY_BC Y_CA

Y_C = Y_ABY_CA + Y_BCY_AB + Y_CAY_BC Y_AB

Z_c (Y_C) Z_B(Y_B) Z_A (Y_A)

A B

C

WYD SN & Pri.K

ANALISA HUBUNG SINGKAT

TRANSFORMASI Y - D

Z_AB =

Z_C

Z_AZ_B + Z_BZ_C + Z_CZ_A

Z_BC =

Z_A

Z_AZ_B + Z_BZ_C + Z_CZ_A

Z_CA =

Z_B

Z_AZ_B + Z_BZ_C + Z_CZ_A

Y_AB = Y_A Y_B Y_A + Y_B+ Y_C Y_BC = Y_B Y_C

Y_A + Y_B+ Y_C

Y_CA = Y_C Y_A Y_A + Y_B+ Y_C Z_CA (Y_CA) Z_BC (Y_BC)

Z_AB (Y_AB)

A B

C

Terima Kasih

Tugas Pengayaan 11

• Simulasi Aliran Daya dengan ETAP. Kasus nya bebas sesuai tutorial yang kalian dapat (dijelaskan dalam video rekam layar).

• Rangkum poin-poin penting tulis tangan, Chapter 10 Hadi Saadat.

Kemudian di sub-chapter 10.2 s/d 10.9 (Ambil satu example

setiap sub-chapter, simulasikan di Matlab).