BAB 2
description
Transcript of BAB 2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terdahulu
Diah Risqiwati, Mauridhi Hery P., dan Ardyono Priyadi (2012) meneliti
tentang “ Metode Pendektesian Lokasi Gangguan pada Jaring Tiang Distribusi 20
KV” menyimpulkan bahwa pada metode berbasis impedansi yang membuat error
semakin besar ketika menjauhi sumber adalah faktor penambahan nilai Va pada
penambahan Bus/titik, sedangkan pada percobaan Va dihitung tetap untuk setiap bus.
Untuk validasi data jaringan distribusi tidak dapat sedetail jarak antar titik jaringan
transmisi, hal ini dikarenakan satuan yang digunakan pada jaringan distribusi adalah
meter, sehingga menghasilakn sinyal gelombang yang sangat kecil.
Karl Zimmerman dan David Costello (2004) meneliti tentang “ Impedance-
Based Fault Location Experience” menyimpulkan bahwa metode berbasis impedansi
One-Ended merupakan metode yang baik untuk mendeteksi lokasi gangguan dan
masih menghasilkan hasil yang sangat baik.
A.T. Giuliante, D.M MacGregor, A. & M. Makki, A.P. Napikoski (2004)
meneliti tentang “ Using Event Recording Verify Protective Relay Operations”
mengungkapkan bahwa akurasi perhitungan lokasi gangguan tergantung pada factor
bilangan. Beberapa diantaranya:
a. Akurasi impedansi urutan positif dan impedansi urutan nol
5
b. Akurasi CT dan PT
c. Metode perhitungan lokasi gangguan one-ended dan Two Ended
Informasi lokasi gangguan tidak akan diketahui hanya lokasi ujung; oleh
karena itu, teknik one-ended akan menggunakan determinan lokasi gangguan. Sejak
ujung saluran informasi lokasi gangguan tidak diketahui, akurasi perhitungan takagi
one ended tidak diketahui. Jika metode takagi menggunakan ukuran selama lokasi
gangguan pada gangguan awal, dimana mendapatkan error yang penting pada sistem
non-homogen
2.2 Pengertian Saluran Transmisi
Sistem transmisi adalah suatu sistem penyaluran energi listrik dari satu tempat
ke tempat lain, seperti dari stasiun pembangkit ke substation (gardu induk).
Pemakaian sistem transmisi didasarkan atas besarnya daya yang harus disalurkan dari
pusat‐pusat pembangkit ke pusat beban dan jarak penyaluran yang cukup jauh antara
sistem pembangkit dengan pusat beban tersebut. Sistem transmisi menyalurkan daya
dengan tegangan tinggi yang digunakan untuk mengurangi adanya rugi‐rugi akibat
jatuh tegangan [3].
Sistem transmisi dapat dibedakan menjadi sistem transmisi tegangan tinggi
(high voliage, HV), sistem transmisi tegangan ekstra tinggi (extra high voltage,
EHV), dan sistem transmisi ultra tinggi (Ultra high voltage, UHV). Besarnya
tegangan nominal saluran transmisi tegangan tinggi ataupun ekstra tinggi berbeda‐
6
beda untuk setiap negara atau perusahaan listrik di Negara tersebut, tergantung
kepada kemajuan tekniknya masing‐masing. Di Indonesia tegangan tinggi yang
digunakan adalah 150 kV dan tegangan ekstra tinggi adalah tegangan 500 kV yang
terinterkoneksi antara Jawa dan Bali. Sistem interkoneksi ekstra tinggi ini merupakan
bagian terpenting dari penyaluran daya di Indonesia sehingga kelangsungan dan
keandalan sistem ini harus selalu dijaga.
Gambar 2.1 Ilustrasi Sistem Tenaga Listrik.[3]
Saluran trasmisi merupakan suatu sistem yang kompleks yang mempunyai
karakteristik yang berubah‐ubah secara dinamis sesuai keadaan sistem itu sendiri.
Adanya perubahan karakteristik ini dapat menimbulkan masalah jika tidak segera
dapat diantlsipasi. Dalam hubungannya dengan system pengamanan suatu sistem
transmisi, adanya perubahan tersebut harus mendapat pertiatian yang besar mengingat
saluran transmisi mmiliki arti yang sangat penting dalam proses penyaluran daya [3].
Masalah‐rnasalah yang timbul pada saluran transmisi, diantaranya yang terutama
adalah:
1. Pengaruh perubahan frekuensi sistem
7
Frekuensi dari suatu sistem daya berubah secara terus menerus dalarn suatu
nilai batas tertentu. Pada saat terjadi gangguan perubahan frekuensi dapat merugikan
baik terhadap peralatan ataupun sistem transmisi itu sendiri. Pengaruh yang
disebabkan oleh perubahan frekuensi ini terhadap saluran transmisi adalah pengaruh
pada reaktansi. Dengan perubahan frekuensi dari ω1 ke ω1’ dengan kenaikan Δω1,
reaktansi dari saluran akan berubah dari X ke X' dengan kenaikan ΔX. Perubahan
reaktansi ini akan berpengaruh terhadap pengukuran impedansi sehingga impedansi
yang terukur karena adanya perubahan pada nilai komponen reaktansinya akan
berbeda dengan nilai sebenarnya.
2. Pengaruh dari ayunan daya pada sistem
Ayunan daya terjadi pada sistem paralel pembangkitan (generator) akibat
hilangnya sinkronisasi salah satu generator sehingga sebagian generator menjadi
motor dan sebagian berbeban lebih dan ini terjadi bergantian atau berayun. Adanya
ayunan daya ini dapat menyebabkan kestabilan sistem terganggu. Ayunan daya ini
harus segera diatasi dengan melepaskan generator yang terganggu. Pada saluran
transrnisi adanya ayunan daya ini tidak boleh rnembuat kontinuitas pelayanan
terganggu, tetapi perubahan arus yang terjadi pada saat ayunan daya bisa masuk
dalam jangkauan sistem pengamanan sehingga memutuskan aliran arus pada saluran
transmisi. Suatu sistem proteksi harus dapat membedakan adanya ayunan daya ini
dengan adanya gangguan.
3. Pengaruh gangguan pada sistem transmisi
8
Saluran transmisi mempunyai resiko paling besar bila mengalami gangguan,
karena ini akan berarti terputusnya kontinuitas penyaluran beban. Terputusnya
penyaluran listrik dari pusat pembangkitan ke behm tentu sangat rnerugikan bagi
pelanggan terutama industri, karena berarti terganggunya kegiatan operasi di industri
tersebut. Gangguan periyediaan listrik tidak dikehendaki oleh siapapun, tetapi ada
kalanya gangguan tersebut tidak bisa dihindari. Oleh karena itu dipeilukan usaha
untuk mengurangi akibat adanya gangguan tersebut atau memisahkan bagian yang
terganggu dari sistem. Gangguan pada saluran transmisi merupakan 80%-90% dari
seluruh gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik [8]. Diantara gangguan
tersebut gangguan yang terbesar frekuensi terjadinya adalah gangguan hubung
singkat satu fasa ke tanah, kaitu sekitar 85% dari totai gangguan pada transmisi
saluran udara. Suatu sistim proteksi harus dapat mendeteksi semua gangguan apakah
itu gangguan antar fasa atau gangguan satu fasa ke tanah. Karena sifat‐sifat gangguan
tersebut berbeda maka untuk mendapatkan pengukuran yang betul adalah dengan
mengukur impedansi yang berbeda‐beda untuk setiap gangguan.
2.3 Gangguan Hubung Singkat
Gangguan adalah suatu ketidaknormalan (interferes) dalam sistem tenaga
listrik yang mengakibatkan mengalirnya arus yang tidak seimbang dalam sistem tiga
fasa. Gangguan dapat juga didefinisikan sebagai semua kecacatan yang mengganggu
aliran normal arus ke beban [6]. Tujuan dilakukan analisa gangguan adalah :
9
1. Penyelidikan terhadap unjuk kerja rele proteksi
2. Untuk mengetahui kapasitas rating maksimum dari pemutus tenaga
3. Untuk mengetahui distribusi arus gangguan dan tingkat tegangan sistem
pada saat terjadinya gangguan.
Berikut ini adalah gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi dalam
jaringan sistem kelistrikan :
1. Gangguan hubung singkat tiga fasa
2. Gangguan hubung singkat dua fasa
3. Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah
Semua gangguan hubungan singkat diatas, arus gangguannya dihitung
dengan menggunakan rumus dasar, yaitu:[14]
I=VZ ......................................................................................................................[2.1]
Keterangan :
I = Arus yang mengalir pada hambatan Z (A)
V = Tegangan sumber (V)
Z = Impedansi jaringan dan nilai ekivalen dari seluruh impedansi di
dalam
jaringan dari sumber tegangan sampai titik gangguan (ohm)
Yang membedakan antara gangguan hubung singkat tiga fasa, dua
fasa dan satu fasa ke tanah adalah impedansi yang terbentuk sesuai dengan macam
10
gangguan itu sendiri, dan tegangan yang memasok arus ke titik gangguan. Impedansi
yang terbentuk dapat ditunjukan seperti berikut :
Z untuk gangguan tiga fasa, Z=Z1
Z untuk gangguan dua fasa, Z=Z1+Z2
Z untuk gangguan satu fasa, Z=Z1+Z2+Z0
Dimana :
Z1 = Impedansi urutan positif (ohm)
Z2 = Impedansi urutan negatif (ohm)
Z0 = Impedansi urutan nol (ohm)
2.3.1. Perhitungan Arus Gangguan Hubung Singkat
Perhitungan arus gangguan hubung singkat adalah analisa suatu sistem tenaga
listrik pada saat dalam keadaan gangguan hubung singkat, dimana nantinya akan
diperoleh besar nilai besaran-besaran listrik yang dihasilkan sebagai akibat gangguan
hubung singkat tersebut. Gangguan hubung singkat dapat didefinisikan sebagai
gangguan yang terjadi akibat adanya penurunan kekuatan dasar isolasi (basic
insulation strength) antara sesama kawat fasa, atau antara kawat fasa dengan tanah
yang menyebabkan kenaikan arus secara berlebihan atau biasa juga disebut gangguan
arus lebih. [15]
11
Perhitungan arus gangguan hubung singkat sangat penting untuk mempelajari
sistem tenaga listrik baik pada waktu perencanaan maupun setelah beroperasi.
Perhitungan arus hubung singkat dibutuhkan untuk :
Setting dan koordinasi peralatan proteksi
Menentukan kapasitas alat pemutus daya
Menentukan rating hubung singkat peralatan-peralatan yang digunakan
Menganalisa sistem jika ada hal-hal yang tidak baik yang terjadi pada waktu
sistem sedang beroperasi
Untuk menghitung arus gangguan hubung singkat pada sistem, dapat dilakukan
dengan beberapa tahap perhitungan, diantaranya :
1. Menghitung Impedansi
Ada tiga macam impedansi urutan, yaitu :
Impedansi urutan positif (Z1), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh
arus urutan positif
Impedansi urutan negatif (Z2), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh
arus urutan negative
Impedansi urutan nol (Z0), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh urutan
nol [14]
a) Impedansi Sumber
Persamaan Impedansi Sumber [23] [14] adalah
X s=KV 2
MVA .................................................................................................................[2.2]
12
Dimana :
XS = Impedansi Sumber (ohm)
KV2 = Tegangan sisi primer transformator daya (KV)
MVA = Data hubung singkat di bus (MVA)
b) Impedansi Transformator
Untuk perhitungan impedansi transformator yang diambil adalah nilai
reaktansinya, sedangkan tahanannya diabaikan karena nilainya kecil. Untuk
menghitung nilai reaktansi transformator dalam ohm pada 100% di sisi transmisi 70
kV, langkah pertama yaitu :
X t( pada 100% )= KV 2
MVA .............................................................................................[2.3]
Keterangan :
Xt = Reaktansi transformator tenaga (ohm)
KV2 = Tegangan sisi sekunder transformator tenaga (KV)
MVA= Kapasitas daya transformator tenaga (MVA)
Langkah selanjutnya yaitu menghitung nilai reaktansi tenaganya :
Untuk menghitung reaktansi urutan positif dan negatif (Xt1 = Xt2) digunakan
rumus :
X t=% yangdiketah ui x X t ( pada 100 % )
Sebelum menghitung reaktansi urutan nol (Xt0) terlebih dahulu harus
diketahui data transformator tenaga itu sendiri, yaitu data dari kapasitas
belitan delta yang ada dalam transformator :
13
Untuk transformator dengan hubungan belitan ∆-Y dimana kapasitas
belitan delta sama besar dengan kapasitas belitan Y, maka Xt0 = Xt1
Untuk transformator dengan hubungan belitan Y-∆ dimana kapasitas
belitan delta biasanya adalah sepertiga dari kapasitas belitan Y (belitan
yang untuk menyalurkan daya, sedangkan belitan delta tetap ada di dalam
tetapi tidak dikeluarkan kecuali satu terminal delta untuk ditanahkan),
maka nilai Xt0 = 3 x Xt1.
Untuk transformator dengan hubungan belitan Y-Y dan tidak mempunyai
belitan delta didalamnya, maka untuk menghitung besarnya Xt0 berkisar
antara 9 s/d 14 x Xt1 [15]
c) Impedansi Transmisi
Untuk menghitung impedansi penyulang, perhitungannya tergantung dari
besarnya impedansi per km dari penyulang yang akan dihitung, di mana besar
nilainya tergantung pada jenis penghantarnya, yaitu dari bahan apa penghantar terebut
dibuat dan juga tergantung dari besar kecilnya penampang dan panjang
penghantarnya. Disamping itu penghantar juga dipengaruhi perubahan temperatur dan
konfigurasi dari penyulang juga dapat mempengaruhi besarnya impedansi penyulang
tersebut. Besarnya bilai impedansi suatu penyulang biasanya Z = (R+jX), sehingga
untuk impedansi penyulang dapat ditentukan dengan menggunakan rumus :
Urutan positif dan urutan negatif
Z1 = Z2 = % panjang x panjang saluran (km) x Z1/Z2 (ohm) [14]
Dimana :
14
Z1 = Impedansi urutan positif (ohm)
Z2 = Impedansi urutan negatif (ohm)
Urutan nol
Z0 = % panjang x panjang saluran (km) x Z0 (ohm) [14]
Dimana :
Z0 = Impedansi urutan nol (ohm)
d) Impedansi Eqivalen Jaringan
Perhitungan yang akan dilakukan disini adalah perhitungan besarnya nilai
impedansi ekivalen positif, negative, dan nol dari titik gangguan sampai ke sumber.
Karena dari sejak sumber ke titik gangguan impedansi yang terbentuk adalah
tersambung seri maka perhitungan Z1eq dan Z2eq dapat langsung dengan cara
menjumlahkan impedansi tersebut, sedangkan untuk perhitungan Z0eq dimulai dari
titik gangguan sampai ke transformator tenaga yang netralnya ditanahkan. Akan
tetapi untuk menghitung impedansi Z0eq ini, harus diketahui dulu hubungan belitan
transformatornya. Sehingga untuk impedansi ekivalen jaringan dapat dihitung dengan
menggunakan rumus :
Urutan positif dan urutan negatif (Z1eq = Z2eq)
Z1 eq=Z2 eq=Z s1+Z t 1+Z1 ....................................................................................[2.4]
Keterangan :
Z1eq = Impedansi ekivalen jaringan urutan positif (ohm)
Z2eq = Impedansi eqivalen jaringan urutan negatif (ohm)
15
ZS1= Impedansi sumber (ohm)
Zt1 = Impedansi transformator tenaga urutan positif dan negatif
(ohm)
Z1 = Impedansi urutan positif dan negatif (ohm)
Urutan nol [14]
Z0eq=Z t 0+3 RN+Z0 ...........................................................................................[2.5]
Keterangan :
Z0eq = Impedansi ekivalen jaringan nol (ohm)
Zt0 = Impedansi transformator tenaga urutan nol (ohm)
RN = Tahanan tanah transformator tenaga (ohm)
Z0 = Impedansi urutan nol (ohm)
2.4 Gangguan Pada Saluran Transmisi
Gangguan pada rangkaian adalah semua kegagalan yang berhubungan dengan
aliran arus ke beban. Berikut ini adalah gangguan di saluran transmisi [3]:
1. Gangguan satu fasa ke tanah
Gangguan satu fasa ke tanah merupakan jenis gangguan yang sering terjadi.
Gangguan ini merupakan 85% dari total gangguan pada transmisi saluran udara.
Contoh gangguan satu fasa ke tanah adalah gangguan akibat adanya pohon yang
menimpa salah satu fasa pada saluran transmisi tenaga listrik. Pada saat terjadi
16
gangguan satu fasa ke tanah pada fasa a maka Ib = 0, Ic = 0 dan Va = 0, jika digambar
menjadi :
Gambar 2.2 Ilustrasi Gangguan satu fasa ke tanah.[3]
sehingga persamaan arus dan tegangannya menjadi seperti berikut :
maka diperoleh I a1=I a 2=I a 0
V a=V a0+V a 1+V a 2=−I a1 Z0+Ea−I a 1 Z1−I a 1 Z2=0
sehingga diperoleh [3]:
I a1=Ea
Z1+Z2+Z0
..................................................................................................[2.6]
Karena terdapat hubungan dengan tanah maka pada gangguan satu fasa ke
tanah mengali arus I a 0 . Sedangkan bila tidak terdapat hubungan dengan tanah
seperti gangguan dua fasa maka arus I a 0 tidak ada atau I a 0=0 .
2. Gangguan dua fasa
17
Gangguan dua fasa biasanya disebabkan oleh adanya kawat putus dan
mengenai fasa lain. Pada gangguan ini, fasa yang terganggu adalah fasa b dan fasa c.
Tetapi pada gangguan dua fasa ini tidak terhubung dengan tanah sehingga
arus urutan nol I 0 bernilai nol. Pada gangguan dua fasa yaitu fasa b dan fasa c yang
terganggu berlaku hubungan sebagai berikut Vb = Vc , Ia = 0, dan Ib = -Ic, jika
digambar menjadi:
Gambar 2.3 Ilustrasi Gangguan dua fasa.[3]
Dengan generator dihubungkan dengan tanah maka Z0 bernilai tertentu
sehingga V a 0=0 . Dengan menggunakan persamaan V a 1=V a 2 diperoleh
0=Ea−I a 1Z1−I a1 Z2sehingga dengan penyelesaian untuk I a1 diperoleh [3]:
I a1=Ea
Z1+Z2
.........................................................................................................[2.7]
3. Gangguan dua fasa ke tanah
Pada gangguan dua fasa ke tanah dengan fasa yang terganggu adalah fasa b
dan fasa c maka V b=0 , V c=0dan I a=0
18
Gambar 2.4 Ilustrasi Gangguan dua fasa ke tanah.[3]
Persamaannya menjadi sebagai berikut :
sehingga diperoleh : V a 1=V a 2=V a0
I a1+ I a2+ I a0=I a=0
Ea
Z0
−I a 1
Z1
Z0
+Ea
Z1
−I a1+Ea
Z2
−I a 1
Z1
Z2
=Ea
Z1
sehingga diperoleh [3] :
I a1=Ea
Z1+Z2 Z0/( Z2+Z0 )
......................................................................................[2.8]
19
Pada gangguan dua fasa ke tanah mengalir arus I a 0 karena terdapat hubungan
dengan tanah.
4. Gangguan gangguan tiga fasa.
Gangguan tiga fasa merupakan gangguan simetris, karena kesimetrisan
tegangan dan arus pada saat terjadinya gangguan. Jenis gangguan ini dapat
disebabkan oleh kegagalan isolasi pada peralatan atau adanya flashover pada saluran
yang disebabkan oleh petir atau kesalahan operasi dari petugas. Gangguan ini
merupakan jenis gangguan yang paling jarang terjadi namun harus diperhitungkan
dalam perencanaan, karena gangguan ini mengakibatkan mengalirnya arus yang
sangat tinggi pada peralatan proteksi sehingga harus dapat dideteksi oleh rele.
Sifat arus gangguan simetris ialah transien, artinya arus gangguan akan
menuju ke keadaan steady state, tetapi tetap terganggu. Pada gangguan tiga fasa,
karena kesimetrisannya maka secara teori tidak akan terdapat arus I0 dan I2, sehingga
persamaan arusnya menjadi :
I A=I A 1
I B=a2 I A 1
I C=a . I A 1
Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut :
20
Gambar 2.5 Ilustrasi Gangguan tiga fasa.[3]
Berdasarkan gambar 2.5 maka kita bisa mengambil kesimpulan bahwa :
I a+ I b+ I c=0
V a=V b=V c
Sehingga diperoleh [3]:
I=VZ
.....................................................................................................................[2.9]
2.5 Fungsi Analisis Gangguan
Syarat pertama untuk perangkat lunak analisis adalah bahwa hal itu harus
mampu membaca file COMTRADE. Kemudian, fungsi analisis gangguan harus
ekstrak dari COMTRADE yang mengajukan informasi berikut [16]:
1. Gangguan per fasa
2. Jenis Gangguan
3. Jumlah durasi Gangguan
4. Main 1 proteksi operasi waktu
21
5. Main 2 proteksi operasi waktu
6. Lokasi Gangguan
7. Resistansi gangguan
8. DC offset parameter
9. operasi waktu Breaker
10. Auto re-close time.
2.4.1 Sinyal Segmentasi
Tahap pertama dalam analisis sinyal non-stasioner, direkam selama gangguan,
adalah deteksi perubahan mendadak. Informasi ini digunakan untuk sinyal segmen di
bagian stasioner untuk analisa lebih lanjut. Bagian-bagian stasioner sesuai dengan
sistem, seperti pra gangguan, gangguan, open CB dan re-close CB. Teknik
segmentasi telah dipelajari oleh para peneliti di daerah yang berbeda, termasuk
pengolahan citra dan pemrosesan sinyal. Meskipun beberapa penulis mempelajari
sinyal segmentasi, hanya beberapa dari mereka dianggap deteksi perubahan
mendadak catatan gangguan dari IED. Salah satu teknik segmentasi menggunakan
deteksi perubahan mendadak diselidiki oleh Ukil dan Zivanovic [17, 18] dalam
artikel penelitiannya. Menyarankan bahwa pelaksanaan pencatatan tersegmentasi dan
bekerja pada segmen tertentu, seperti pra gangguan, gangguan dan setelah
pembukaan CB, sangat penting untuk meningkatkan tingkat penentuan gangguan dan
kualitas analisis otomatis. Algoritma segmentasi disajikan dalam artikel penelitian
diusulkan untuk operasi off-line. Namun, menyatakan bahwa akurasi dan kecepatan
22
operasi dari algoritma segmentasi dapat diterima. Selanjutnya, Bassevile dan
Nikoforov merangkum teknik deteksi perubahan mendadak.
Hal ini menunjukkan [17] bahwa hasil dari layanan segmentasi dapat
digunakan:
1. Untuk menyinkronkan catatan gangguan dari perangkat perekaman yang
berbeda, yang dipicu oleh gangguan yang sama;
2. Untuk mengambil data yang diperlukan untuk evaluasi kinerja sistem
perlindungan (misalnya durasi kesalahan, waktu operasi sistem proteksi,
waktu operasi pemutus, dll).
2.4.2 Klasifikasi Tipe Gangguan
Banyak jenis peralatan dapat hancur jika gangguan tidak diatasi dengan cepat.
Oleh karena itu, gangguan harus dibersihkan secepat mungkin. Hal ini dinyatakan
[19] bahwa sekitar 80-90% dari gangguan terjadi pada saluran transmisi overhead
sementara sisanya berlangsung pada peralatan gardu dan bus-bar gabungan. Biasanya,
gangguan pada sistem transmisi bisa terjadi karena beberapa penyebab, seperti arus
gangguan, isolasi penuaan atau penyebab eksternal [19].
1. Arus gangguan
Isolasi sehat dalam peralatan dapat dikenakan transien gangguan tegangan
lebih durasi waktu kecil karena switching dan petir pemogokan, langsung atau
tidak langsung. Kegagalan isolasi mungkin terjadi, sehingga arus gangguan yang
sangat tinggi. Saat ini mungkin lebih dari 10 kali nilai atau nominal arus
peralatan.
23
2. Isolasi penuaan
Penuaan peralatan listrik dapat menyebabkan kerusakan bahkan pada
tegangan frekuensi daya normal
3. Penyebab Eksternal
Benda eksternal seperti burung, tali layang-layang, atau cabang pohon
yang dianggap sebagai penyebab eksternal dari gangguan. Benda-benda ini
mungkin span satu konduktor dan tanah menyebabkan gangguan 1 fasa ke tanah
(fase-bumi) atau rentang dua konduktor menyebabkan gangguan fasa ke fasa
2.4.3 Lokasi Gangguan
Subyek lokasi gangguan telah cukup menarik untuk insinyur listrik dan
peneliti selama bertahun-tahun. Menemukan lokasi gangguan jaringan transmisi telah
menjadi tujuan utama sebagian besar penelitian yang dilakukan sampai saat ini.
Alasan utama untuk daerah ini dari penelitian ini adalah dampak dari gangguan
jaringan transmisi pada sistem tenaga dan fakta bahwa waktu yang dibutuhkan untuk
memeriksa secara fisik garis jauh lebih besar dari yang dibutuhkan untuk kesalahan
dalam sub-sistem transmisi dan distribusi. Tujuan dari kesalahan lokasi adalah untuk
menemukan gangguan dengan kemungkinan akurasi tertinggi. Letak gangguan akurat
diperlukan karena beberapa alasan seperti:
1. Menghindari patroli panjang dan mahal
2. Mempercepat perbaikan dan pemulihan.
3. Mendeteksi masalah pada tahap awal.
4. Mengurangi kehilangan pendapatan yang disebabkan oleh pemadaman.
24
2.6 Metode Komponen Simetris untuk Gangguan Hubung Singkat
Gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik umumnya merupakan
gangguan asimetris dimana gangguan tersebut mengakibatkan tegangan dan arus
yang mengalir pada setiap fasanya menjadi tidak seimbang. Pada tahun 1918 C.L
Fortusque membuktikan bahwa suatu sistem yang tidak seimbang yang terdiri dari
tegangan atau arus yang tidak seimbang antar fasanya dapat dipecah menjadi 3
komponen simetris dari sistem 3 fasa yang seimbang. Tiga komponen tersebut adalah
[6]:
1. Komponen Urutan Positif (positive sequence components)
Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya,
terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 1200, dan mempunyai urutan
fasa yang sama seperti fasor aslinya (ditandai dengan subscript 1). Saat sistem
berada dalam kondisi normal, hanya terdapat arus dan tegangan arus positif saja,
sehingga impedansi sistem pada kondisi normal adalah impedansi urutan positif.
Ketika terjadi gangguan, cabang yang terganggu pada sistem dapat digantikan
dengan perubahan tegangan ΔV =V −V 1 dan semua sumber tegangan yang ada
pada sistem dihubung singkat, sehingga akan diperoleh arus gangguan ΔI yang
mengalir ke dalam sistem yaitu :
ΔI=−(V−V 1 )
Z1
.....................................................................................................[2.10]
25
dan,
ΔI=I−I 1
.............................................................................................................[2.11]
Karena arus awal sistem terjadi gangguan adalah nol (I=0), maka arus
yang mengalir dicabang yang mengalami gangguan I 1=−ΔI sehingga di dapat
V 1=V−I 1 Z1
..........................................................................................................[2.12]
Persamaan di atas merupakan persamaan komponen positif arus dan
tegangan pada cabang yang mengalami gangguan.
2. Komponen Urutan Negatif(negative sequence components)
Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya
terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 1200, dan mempunyai urutan
fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya (ditandai dengan subscript 2). Jika
pada kondisi normal hanya terdapat komponen urutan positif, maka komponen
urutan negative hanya ada pada saat terjadi gangguan. Karena tidak ada
komponen urutan negatif sebelum terjadi gangguan, maka apabila terjadi
gangguan akan timbul perubahan tegangan sebesar −V 2 dan arus I 2 yang
mengalir dari sistem ke gangguan adalah
I 2=−V 2
Z2
..............................................................................................................[2.13]
26
V 2=−I 2 Z2
.............................................................................................................[2.14]
Z2 merupakan impedansi urutan negatif dan pada umumnya sama dengan
impedansi urutan positif.
3. Komponen Urutan Nol (zero sequence components)
Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan
tidak ada pergeseran fasa anatar fasor yang satu dengan yang lain (ditandai
dengan subscript 0). Persamaan untuk komponen urutan nol saat terjadi gangguan
yaitu:
I 0=−V 0
Z0
...............................................................................................................[2.15]
V 0=−I 0 Z0
.............................................................................................................[2.16]
Arus dan tegangan pada komponen urutan nol adalah sefasa. Oleh karena
iti, arus urutan nol untuk dapat mengalir di sistem memerlukan jalan balik (return
connection) melalui pentanahan netral sistem. Impedansi urutan nol umumnya
tidak sama dengan impedansi urutan positif dan tergantung dari beberapa faktor
seperti jenis peralatan sistem, cara menghubungkan belitan (( Δ atau Y), dan cara
pentanahan titik netral.
Gambar ketiga himpunan komponen simetris adalah sebagai berikut :
27
Gambar 2.6. Komponen-Komponen Simetris. [6]
Gambar 2.7 Rangkaian Komponen Urutan Positif, Negatif, dan Nol.[6]
Karena adanya pergeseran fasa pada komponen simetris tegangan dan arus
dalam sistem tiga fasa, akan mudah bila didapatkan metode penulisan yang dapat
langsung menunjukan perputaran fasor yang menunjukan perputaran sebesar 1200.
Operator a merupakan suatu operator fasor yang menyebabkan perputaran sebesar
1200 dalam arah yang berlawanan arah jarum jam (counterclockwise), dengan tidak
mengubah besar fasornya. Operator ini merupakan bilangan kompleks yang besarnya
satu dan sudutnya 1200 dan didefinisikan sebagai :
28
a=1∠1200=1 ei
2π3 =−0 . 5+ j 0 . 866
.....................................................................[2.17]
Jika operator a dikenakan pada fasor dua kali berturut-turut, maka fasor itu
akan berputar dengan sudut sebesar 2400 atau 1200. Untuk pengenaan tiga kali
berturut-turut fasor akan diputar dengan 3600 atau 00. Jadi,
a2=1∠2400=−0 .5− j 0.866..............................................................................[2.18]
dan
a3=1∠3600=1∠00=1.......................................................................................[2.19]
Telah disebutkan bahwa tiga fasor asimetris dapat direpresentasikan menjadi
tiga buah himpunan fasor simetris. Persamaannya adalah sebagai berikut:
Va=Va0+Va1+Va2
Vb=Vb0+Vb1+Vb2
Vc=Vc0+Vc1+Vc2
Dengan menggunakan himpunan fasor dari komponen-komponen simetris,
maka dapat diketahui bahwa :
Vb0=Vc0=Va0
Vb1=a2Va1 Vc1=aVa1
Vb2=aVa2 Vc2=a2Va2
29
Atau dalam bentuk matriks :
(Va ¿ ) (Vb ¿ )¿¿
¿¿
1a2
a
1)a)a2
¿
) (Va0 ¿) (Va1 ¿)¿¿
¿¿
Untuk lebih sederhana dituliskan kembali :
A=¿(1(1(1
(
1a2
a
1)a)a2
¿
)
dan
A−1=1/3¿(1(1(1
(¿
1aa2
1)a2
)a¿
)
Sehingga diperoleh persamaan:
(Va0 ¿) (Va1 ¿)¿¿
¿¿1/3¿(1(1(1
(¿
1aa2
1)a2
)a¿
) (Va ¿ ) (Vb ¿ )¿¿
¿¿
Va0=1 /3 (Va+Vb+Vc )
Va1=1/3(Va+aVb+a2Vc )
Va2=1/3(Va+a2Vb+aVc )
Persamaan diatas merupakan komponen simetris untuk tegangan. Persamaan
tersebut dapat juga dituliskan kembali pada persamaan komponen simetris untuk
arus:
Ia=Ia0+ Ia1+ Ia2
30
Ib=Ib0+ Ib1+ Iab 2=Ia0+a2 Ia1+aIa2
Ic=Ic0+ Ic1+ Ic2=Ia0+aIa1+a2 Ia2
Dalam bentuk matriks :
( Ia ¿ ) ( Ib ¿ ) ¿¿
¿¿
1a2
a
1)a)a2
¿
) ( Ia0 ¿) ( Ia1 ¿)¿¿
¿¿
Dengan mengikuti langkah-langkah yang sama seperti pada persamaan
komponen simetris untuk tegangan, maka dapat diperoleh persamaan komponen
simetris untuk arus :
Ia0=1/3( Ia+ Ib+ Ic)
Ia1=1/3( Ia+aIb+a2 Ic )
Ia2=1/3( Ia+a2 Ib+aIc )
Dalam sistem tiga fasa, jumlah arus dari setiap fasanya sama dengan arus In
dalam jalur balik ke netral
In=Ia+ Ib+ Ic....................................................................................................[2.20]
Sedangkan,
Ia0=1/3( Ia+ Ib+ Ic)..........................................................................................[2.21]
Sehingga dengan memperbandingkan kedua persamaan di atas, didapatkan :
31
In = 3 Ia0...............................................................................................................[2.22]
Jika tidaka ada saluran yang melalui netral dalam sistem tiga fasa, In adalah
nol dan arus saluran tidak mengandung komponen urutan nol. Hal ini berate suatu
beban hubungan Δ ataupun hubung Y yang tidak menyediakan jalur ke netral, maka
arus salurannya tidak dapat mengandung komponen urutan nol.
2.7 Metode Berbasis Impedansi dan Persyaratan Lokasi Gangguan
Metode berbasis Impedansi memerlukan pendekatan sebagai berikut [5] :
1. Ukur tegangan dan fasor arus .
2. Ekstrak komponen fundamental .
3. Tentukan fasor dan jenis gangguan .
4. Terapkan algoritma impedansi .
Metode impedansi one-ended dari lokasi gangguan adalah fitur standar di
sebagian besar relay numerik . Metode impedansi one - ended menggunakan
algoritma sederhana , dan saluran komunikasi dan remote Data tidak diperlukan (
kecuali bila saluran diperlukan untuk membawa estimasi lokasi gangguan ke
operator). Yang paling populer metode lokasi gangguan berbasis impedansi [5]
adalah
Metode reaktansi sederhana ( one-ended )
Metode Takagi ( one-ended )
32
Metode Takagi Modifikasi yang mengoreksi perbedaan sudut impedansi
sumber ( one-ended )
Pencari kesalahan berbasis impedansi one-ended menghitung lokasi gangguan
dari impedansi jelas dilihat dengan melihat ke dalam jaringan one-ended . Contoh
sistem satu baris ditampilkan dalam Gambar 2.6 . Untuk menemukan semua jenis
gangguan , tegangan fase ke tanah dan arus dalam setiap fase harus diukur . ( jika
hanya tegangan fasa ke fasa yang tersedia, kemungkinan untuk menemukan gangguan
fase-ke- fase ; jika sumber urutan impedansi nol , Z0 , diketahui, maka dapat
memperkirakan lokasi untuk gangguan fase ke tanah ) . Jika resistance gangguan
diasumsikan nol , kita dapat menggunakan salah satu dari perhitungan impedansi
dalam Tabel 1 untuk memperkirakan lokasi gangguan .
Tabel 2.1 Persamaan Impedansi sederhana [5]
dimana
k adalah (Z0 L−Z1 L)/3 Z1 L
33
Z0 L adalah impedansi urutan nol,
Z1 Ladalah impedansi urutan positif,
m adalah jarak gangguaan per unit ( misalnya : jarak gangguan dalam
kilometer dibagi dengan total panjang jaringan dalam kilometer ), I 0 adalah arus
urutan nol.
2.8 Penentuan Lokasi Gangguan dengan Metode Single-End
Sebagai kebocoran arus pada jalur transmisi listrik pendek (dengan panjang
kurang dari 100 km) dan jaringan distribusi yang diabaikan, bagian paralel dalam
rangkaian ekuivalen dari jaringan ini dapat dihilangkan, dan jaringan, dengan akurasi
yang cukup dapat dimodelkan hanya impedansi seri. Untuk induksi gangguan dalam
jaringan listrik, titik di jaringan harus terhubung ke tanah melalui resistensi kecil
(resistance kesalahan), gambar, 2.8 dan 2.9.
34
Gambar 2.8 Aliran daya single-ended.[25]
Gambar 2.9 Aliran daya double-endend.[25]
Untuk dapat mensimulasikan gangguan, pada suatu titik tertentu di jaringan,
maka perlu untuk mewakili jaringan dengan dua bagian, yang pertama dengan jarak
yang sama dengan jarak dari awal jaringan (di mana peralatan lokasi gangguan
terletak , titik A) untuk gangguan, dan kedua dengan jarak yang sama dengan total
panjang jaringan minus jarak gangguan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.10
dan 2.11.
Gambar 2.10 Representasi dari aliran daya single-ended dengan gangguan pada jarak
X dari point A.[25]
35
Gambar 2.11 Representasi dari aliran daya double-ended dengan gangguan pada jarak
X dari point A.[25]
ZS = impedansi sumber
ZL = impedansi jaringan
ZLoad = impedansi beban
L = panjang jaringan
x = panjang dari titik lokasi gangguan point A ke gangguan
V = tegangan yang di ukur
I = arus yang di ukur
Rf = resistansi gangguan
If = arus yang mengalir pada gangguan
ILoad = arus beban
n = panjang perunit dari titik yang di ukur point A ke gangguan, n=x/l
2.9 Perkembangan Algoritma Lokasi Gangguan
36
Untuk kasus dari single-ended, dapat di lihat pada gambar 2.10 [25]:
V=I . n. ZL+ I f . R f................................................................................................[2.23]
Dimana:
I f=I−I load.........................................................................................................[2.24]
Dari persamaan (2.23) dan (2.24), didapatkan:
V=I . n. ZL+( I−I Load ). Rf...................................................................................[2.25]
Jika ( I−I Load ) .R f dapat diganti dengan I . Rf 1 , dimana R f 1 representasi
kebalikan resistansi gangguam dengan gangguan yang di ukur.
R f 1=( I−I Load ). Rf
I=(1−
I Load
I ). R f
....................................................................[2.26]
Persamaan (2.25) menjadi:
V=I . n. ZL+ I . Rf 1.................................................................................................[2.27]
Persamaan ini umum yang kompleks dan jumlah yang akan digunakan
bervariasi dengan jenis gangguan. persamaan (2.27) adalah dalam bentuk yang
37
kompleks, dua persamaan dapat disimpulkan, satu per menyamakan bagian nyata dari
kedua persamaan dan yang lainnya dengan menyamakan bagian imajiner dari kedua
persamaan, atau:
V d=n .(I . Z L)d+R f 1 . I d........................................................................................[2.28]
dan :
V q=n.( I . ZL )q+R f 1 . I q.........................................................................................[2.29]
Pada persamaan ini, index d indikasi dari bilangan real dan index q indikasi
dari bilangan imajiner. Penggabungan Persamaan (2.28) dan (2.29) di dadapatkan
sebagai berikut:
V d . I q=n.( I . ZL )d . I q+R f 1 . I d . I q...........................................................................[2.30]
V q . I d=n.( I . ZL )q . I d+R f 1 . I q . I d...........................................................................[2.31]
Pengurangan persamaan (2.31) dari persamaan (2.30), di dapatkan :
V d . I q−V q . I d=n .[ I .ZL )d . I q−( I . ZL )q . I d ].............................................................[2.32]
Dari persamaan tersebut maka di dapatkan [25]:
38
n=V d . I q−V q . I d
( I . Z L )d . I q−( I .ZL )q . I d.................................................................................[2.33]
39