DIKTAT KULIAH
PROTEKSI SISTEM TENAGA
Disusun oleh: Ir. Zulkarnaen Pane, MT
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK USU
MEDAN 20014
i
DAFTAR ISI
Daftar Isi i
Bab 1 Pendahuluan 1
Bab 2 Rele Proteksi 11
Bab 3 Rele Arus Lebih 16
Bab 4 Rele Tegangan 25
Bab 5 Rele Diferensial 32
Bab 6 Rele Urutan Fasa Negatif 38
Bab 7 Rele Daya Balik 43
Bab 8 Rele Jarak 48
Bab 9 Pemutus Tenaga 83
Bab 10 Transformator Arus 87
1
I. PENDAHULUAN
1.1. Pengertian Proteksi (Pengaman)
Sistem proteksi tenaga listrik merupakan sistem pengamanan pada peralatan-
peralatan yang terpasang pada sistem tenaga listrik, seperti generator, busbar,
transformator, saluran udara tegangan tinggi, saluran kabel bawah tanah, dan lain
sebagainya terhadap kondisi abnormal operasi sistem tenaga listrik tersebut.
1.2. Fungsi Proteksi
Kegunaan sistem proteksi antara lain untuk :
1. Mencegah kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya
gangguan atau kondisi operasi tidak normal
2. Mengurangi kerusakan peralatan-peralatan pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya
gangguan atau kondisi operasi sistem yang tidak normal
3. Mempersempit daerah yang terganggu sehinggga gangguan tidak melebar pada sistem
yang lebih luas
4. Memberikan pelayanan tenaga listrik dengan keandalan dan mutu tinggi kepada
konsumen
5. Mengamankan manusia dari bahaya yang ditimbulkan oleh tenaga listrik
1.3. Gangguan Pada Sistem Tenaga Listrik
1.3.1. Faktor-Faktor Penyebab Gangguan
Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang melibatkan banyak komponen
dan sangat kompleks. Oleh karena itu, ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya
gangguan pada sistem tenaga listrik, antara lain sebagai berikut.
a. Faktor Manusia
Faktor ini terutama menyangkut kesalahan atau kelalaian dalam memberikan
perlakuan pada sistem. Misalnya salah menyambung rangkaian, keliru dalam
mengkalibrasi suatu piranti pengaman, dan sebagainya.
2
b. Faktor Internal
Faktor ini menyangkut gangguan-gangguan yang berasal dari sistem itu sendiri.
Misalnya usia pakai (ketuaan), keausan dan sebagainya. Hal ini bisa mengurangi
sensitivitas rele proteksi, juga mengurangi daya isolasi peralatan listrik lainnya.
c. Faktor Eksternal
Faktor ini meliputi gangguan-gangguan yang berasal dari lingkungan sekitar
sistem. Misalnya cuaca, gempa bumi, banjir, dan sambaran petir.
1.3.2. Jenis Gangguan
Jika ditinjau dari sifat dan penyebabnya, jenis gangguan dapat dikelompokkan
sebagai berikut :
1. Hubung singkat
Hubung singkat adalah terjadinya hubungan penghantar bertegangan atau penghantar
tidak bertegangan secara langsung tidak melalui media (resistor/beban) yang semestinya
sehingga terjadi aliran arus yang tidak normal (sangat besar). Hubung singkat merupakan
jenis gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik, terutama pada saluran udara
3 fasa. Semua komponen peralatan listrik selalu diisolasi dengan isolasi padat, cair
(minyak), udara gas, dan sebagainya. Namun karena usia pemakaian, keausan, tekanan
mekanis, dan sebab lainnya, maka kekuatan isolasi pada peralatan listrik bisa berkurang
atau bahkan hilang sama sekali. Hal ini akan mudah menimbulkan hubung singkat.
Pada bahan isolasi padat atau cair, gangguan hubung singkat biasanya mengakibatkan
busur api sehingga menimbulkan kerusakan yang tetap dan gangguan ini disebut gangguan
permanen. Pada isolasi udara yang biasanya terjadi pada saluran udara tegangan menengah
atau tinggi, jika terjadi busur api dan setelah padam tidak menimbulkan kerusakan, maka
gangguan ini disebut gangguan temporer . Arus hubung singkat yang begitu besar sangat
membahayakan peralatan.
Gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi pada sistem tenaga listrik 3 fasa
adalah sebagai berikut,
1) Hubung singkat tiga fasa,
2) Tiga fasa ke tanah,
3) Fasa ke fasa,
4) Satu fasa ke tanah,
5) Dua fasa ke tanah
6) Fasa ke fasa dan pada waktu bersamaan dari fasa ke tiga dengan tanah,
3
Dua jenis gangguan yang pertama menimbulkan arus gangguan hubung singkat
simetris sedangkan empat jenis gangguan terakhir menimbulkan arus gangguan tidak
simetris.
2. Beban lebih (OverLoad)
Beban lebih merupakan gangguan yang terjadi akibat konsumsi energi listrik melebihi
energi listrik yang dihasilkan pada pembangkit. Gangguan beban lebih sering terjadi
terutama pada generator dan transformator daya. Arus lebih ini dapat menimbulkan
pemanasan yang berlebihan sehingga bisa menimbulkan kerusakan pada isolasi.
3. Tegangan Lebih (OverVoltage)
Tegangan lebih merupakan suatu gangguan akibat tegangan pada sistem tenaga listrik
lebih besar dari yang seharusnya. Gangguan tegangan lebih dapat terjadi karena kondisi
eksternal dan internal
a) Kondisi Internal: Hal ini terutamakarena osilasi akibat perubahan yang
mendadak dari kondisi rangkaian atau karena resonansi. Misalnya operasi
hubung pada saluran tanpabeban.perubahan yang mendadak, operasi pelepasan
pemutus tenaga yang mendadak akibat hubung singkat pada jaringan,
kegagalan isolassi, dan sebagainya.
b) Kondidi Eksternal: Kondisi eksternal terutama akibat adanya sambaran petir.
3. Daya Balik (ReversePower)
Daya balik merupakan suatu gangguan yang terjadi pada generator-generator yang
bekerja paralel. Pada kondisi normal generator-generator tersebut secara paralel akan
bekerja secara serentak dalam membangkitkan tenaga listrik. Namun karena sesuatu sebab
misalnya terjadi gangguan pada penggerak mula maka generator dapat berubah fungsi
menjadi motor.
1.4. Pencegahan Gangguan
Sebagaimana telah dijelaskan di muka, ada beberapa jenis gangguan pada sistem
tenaga listrik yang memang tidak semuanya bisa dihindarkan. Untuk itu perlu dicari upaya
pencegahan agar bisa memperkecil kerusakan pada peralatan listrik, terutama pada
manusia akibat adanya gangguan.
Usaha memperkecil terjadinya gangguan ditempuh antara lain,
1) Membuat isolasi yang baik untuk semua peralatan;
4
20 kV
800/5 ACB
1
OCR
F
2) Membuat koordinasi isolasi yang baik antara kekuatan isolasi peralatan dan
penangkal petir;
3) Menggunakan kawat tanah dan membuat tahanan pentanahan pada kaki menara
sekecil mungkin, serta selalu mengadakan pengecekan;
4) Membuat perencanaan yang baik untuk mengurangi pengaruh luar mekanis dan
mengurangi atau menghindarkan sebab-sebab gangguan karena binatang, polusi,
kontaminasi, dan lainnya;
5) Pemasangan yang baik, artinya pada saat pemasangan harus mengikuti peraturan-
peraturan yangberlaku;
6) Menghindari kemungkinan kesalahan operasi, yaitu dengan membuat prosedur tata
cara operasional dan membuat jadwal pemeliharaan yang rutin;
7) Memasang lightning arrester untuk mencegah kerusakan pada peralatan akibat
sambaran petir.
1.5. Komponen-komponen Sistem Proteksi
Sistem proteksi terdiri dari :
1. Transformator instrument (CT dan PT)
2. Rele proteksi
3. Pemutus tenaga (CB, PMT)
Gambar 1.1.
Transformator instrument berfungsi untuk memonitor arus atau tegangan dan menurunkan besar kedua besaran tersebut ke suatu nilai yang sesuai
untuk keperluan rele,
Rele berfungsi untuk membandingkan besar arus atau tegangan yang diterimanya dari trafo instrument dengan nilai setelannya. Jika sinyal input
melebihi nilai setelan rele, maka rele akan trip dan memberikan sinyal ke
suatu pemutus tenaga
5
Pemutus Tenaga berfungsi untuk mengisolasi bagian yang terganggu dari sistem yang sehat.
Gambar 1.2. Trafo arus
6
Gambar 1.3. Air Circuit Breaker
Gbr 14. Oil Circuit Breaker 138 kV
7
Gambar 1.5. Rele proteksi berbasis mikroprosessor
Gambar 1.6. Tipikal rele mekanikal
8
Gambar 1.7. Diagram skematik dari rele pada Gambar 1.5.
9
10
11
II. RELE PROTEKSI
2.1. Pengertian Umum
Pada saat terjadi gangguan pada sistem tenaga listrik, misalnya adanya arus lebih,
tegangan lebih, dan sebagainya, maka perlu diambil suatu tindakan untuk mengatasi
kondisi gangguan tersebut. Jika dibiarkan, gangguan itu akan meluas ke seluruh sistem
sehingga bisa merusak semua peralatan sistem tenaga listrik yang ada. Untuk mengatasi
hal tersebut, mutlak diperlukan suatu sistem pengaman yang andal. Salah satu komponen
yang penting untuk pengaman tenaga listrik adalah rele proteksi.
Rele proteksi adalah susunan piranti, baik elektronik maupun magnetik yang
direncanakan untuk mendeteksi suatu kondisi ketidaknormalan pada peralatan listrik yang
bisa membahayakan atau tidak diinginkan. Jika bahaya itu muncul maka rele proteksi akan
segera otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga (circuit
breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem yang normal. Rele
proteksi dapat mengetahui adanya gangguan pada peralatan yang perlu diamankan dengan
mengukur atau membandingkan besaran-besaran yang diterimanya, misalnya arus
tegangan, daya, sudut fase frekuensi impedansi dan sebagainya sesuai dengan besaran
yang telah ditentukan. Alat tersebut kemudian akan mengambil keputusan seketika atau
dengan perlambatan waktu untuk membuka pemutus tenaga atau hanya memberikan tanda
tanpa membuka pemutus tenaga. Pemutus tenaga dalam hal ini harus mempunyai
kemampuan untuk memutus arus hubung singkat maksimum yang melewatinya dan harus
mampu menutup rangkaian dalam keadaan hubungan singkat yang kemudian membuka
kembali. Disamping itu rele juga berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam
gangguannya. Berdasarkan data dari rele maka akan memudahkan kita dalam menganalisis
gangguannya.
2.2. Fungsi Rele
Pada prinsipnya rele proteksi yang dipasang pada sistem tenaga listrik mempunyai
3 macam fungsi, yaitu
1. Merasakan, mengukur, dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta
memisahkan secepatnya;
2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu;
12
3. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang tidak
terganggu didalam sistem tersebut serta dapat beroperasi normal
Rele proteksi tidak mengantisipasi atau mencegah terjadinya gangguan yang pertama,
tetapi untuk gangguan berikutnya. Sebab rele proteksi bekerja hanya setelah terjadi
gangguan. Suatu pengecualian untuk rele Bucholf yang digunakan untuk proteksi trafo
daya. Rele ini bekerja karena terjadinya akumulasi gas yang terjadi di dalam minyak
transformator akibat panas yaang dibangkitkan dan dekomposisi isolasi minyak trafo atau
isolasi padat lainnya.
2.3. Persyaratan Rele Proteksi
Pada sistem tenaga listrik, rele memegang peran yang sangat vital. Pengaman
berkualitas yang baik memerlukan rele proteksi yang baik juga. Untuk itu ada beberapa
persyaratan yang harus dipenuhi oleh rele pengaman, seperti tersebut berikut ini.
1. Kepekaan (Sensitivity)
Rele harus mempunyai mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap besaran minimal
(kritis) sebagaimana direncanakan. Rele harus dapat bekerja pada awal terjadinya
gangguan. Oleh karena itu, gangguan lebih mudah diatasi pada awal kejadian. Hal ini
memberi keuntungan dimana kerusakan peralatan yang harus diamankan menjadi kecil.
Namun demikian, rele juga harus stabil, artinya
a. Rele harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum
b. Pada saat transformator daya dihubungkan ke sistem, rele tidak boleh bekerja
karena adanya arus inrush, yang besarnya seperti arus gangguan, yaitu 3-5 kali arus
beban maksimum;
c. Rele harus dapat membedakan adanya gangguan atau ayunan beban.
2. Keandalan (Reliability)
Pada kondisi normal atau tidak ada gangguan, mungkin selama berbulan-bulan atau
lebih rele tidak bekerja. Seandainya suatu saat terjadi gangguan maka rele tidak boleh
gagal bekerja dalam mengatasi gangguan tersebut. Kegagalan kerja rele dapat
mengakibatkan alat yang diamankan rusak berat atau gangguannya meluas sehingga
daerah yang mengalami pemadaman semakin luas.
Rele tidak boleh salah kerja, artinya rele yang seharusnya tidak bekerja, tetapi
bekerja. Hal ini menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya dan menyulitkan analisa
13
gangguan yang terjadi. Keandalan rele proteksi ditentukan dari rancangan, pengerjaaan,
beban yang digunakan dan perawatannya.
Gbr. 2.1 Keandalan dari suatu sistem proteksi
3. Selektivitas (Selectivity)
Selektivitas berarti rele harus mempunyai daya beda terhadap bagian yang
terganggu, sehingga mampu dengan tepat memilih bagian dari sistem tenaga listrik yang
terkena gangguan. Kemudian rele bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem
dalam jangkauan pengamanannya. Tugas rele untuk mendeteksi adanya gangguan yang
terjadi pada daerah pengamanannya dan memberikan perintah untuk membuka pemutus
tenaga dan memisahkan bagian yang terganggu. Letak pemutus tenaga sedemikian rupa
sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisahkan. Dengan demikian bagian dari sistem
lainnya yang tidak terganggu jangan sampai dilepas dan masih beroperasi secara normal,
sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan. Jika terjadi pemutusan atau pemadaman
hanya terbatas pada daerah yang terganggu. Contoh zona proteksi rele ditunjukkan pada
Gambar 2.2.
14
Gbr. 2.2 Diagram satu garis suatu sistem yang menunjukkan zona proteksi
4. Kecepatan Kerja
Rele proteksi harus dapat bekerja dengan cepat. Namun demikian, rele tidak boleh
bekerja terlalu cepat (kurang dari 10 ms). Disamping itu, waktu kerja rele tidak boleh
melampaui waktu penyelesaian kritis (critical clearing time). Pada sistem yang besar atau
luas, kecepatan kerja rele proteksi mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan
sistem agar tidak terganggu.
5. Ekonomis
Satu hal penting yang harus diperhatikan sebagai persyaratan rele proteksi adalah
masalah harga atau biaya. Rele tidak akan diaplikasikan didalam sistem tenaga listrik, jika
harganya sangat mahal. Persyaratan reliabilitas, sensitivitas, selektivitas, dan kecepatan
kerja rele tidak menyebabkan harga rele tersebut menjadi mahal.
2.4. Terminologi
Ada beberapa istilah (terminologi) yang perlu diketahui diantaranya adalah:
a. Rele adalah sebuah alat yang bekerja membuka dan menutup secara automatis
karena beroperasinya peralatan lain dibawah pengaruh besaran listrik,
15
b. Rele proteksi adalah sebuah alat listrik yang bekerja secara automatis mendeteksi
keadaan abnormal dalam rangkaian listrik dan memberikan sinyal ke PMT untuk
mengisolasi bagian yang terganggu. Dalam beberapa hal rele proteksi hanya cukup
memberikan alarm atau nyala lampu,
c. Waktu kerja rele (operating time) adalah waktu yang dibutuhkan oleh sebuah rele
proteksi sesaat setelah terjadi gangguan sampai output rele menutup kontaknya,
d. Setting adalah suatu nilai besaran yang ditetapkan sebelumnya agar rele bekerja
pada nilai tersebut,
e. Pick-up, suatu rele dikatakan pick-up apabila kontak output rele bergerak dari
posisi off ke posisi on. Nilai dari besaran perubahan minimum pada karakteristik
ini disebut nilai pick-up,
f. Dropout atau reset, sebuah rele dikatakan dropout apabila kontak outputnya
bergerak dari posisi on ke posisi off,
g. Proteksi utama (main protection) adalah suatu proteksi yang pertama kali
mengamankan begitu ada gangguan di daerah proteksinya,
h. Rele cadangan (Backup relay) adalah sebuah rele yang bekerja setelah beberapa
saat rele utama gagal bekerja,
i. Burden adalah daya yang diperlukan untuk mengoperasikan rele, dinyatakan dalam
volt amper (VA)
16
T1
T2
Th
R1
R2
C1
C2Pe
D
+VC
Input from CT
Aux transformerOr transactor
to c
ontro
l circ
uit C
B
AR
III. RELE ARUS LEBIH
Rele arus lebih merupakan suatu rele yang bekerjanya berdasarkan adanya
kenaikan arus yang melebihi suatu nilai pengaman tertentu dan dalam jangka waktu
tertentu. Rele arus lebih dikategorikan menjadi 3, yaitu
1) Rele arus lebih seketika (instantaneous over-current relay),
2) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu yang tidak tergantung
pada besarnya arus gangguan (definite time over current relay), dan
3) Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu terbalik (inverse time
over current relay).
3.1. Rele Arus Lebih Seketika
Rele arus lebih seketika adalah rele arus lebih yang bekerja tanpa penundaan waktu
(jangka waktu rele) mulai saat arusnya pick-up sampai selesai sangat singkat (sekitar 20
100 ms). Salah satu contoh rangkaian sederhana dari rele arus lebih seketika dapat dilihat
pada Gambar 3.1. Sedangkan sistem kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut.
Gbr. 3.1. Rele arus lebih seketika
Arus masukan dari CT (trafo arus) diumpankan ke suatu CT bantu (biasanya
berupa transactor yang merubah arus ke suatu tegangan) dengan beberapa sadapan pada
belitan sekundernya. Arus sekunder kemudian diumpankan ke suatu penyearah jembatan
gelombang penuh yang dilindungi terhadap tegangan lebih transient oleh filter R1-C1 .
Keluaran penyearah kemudian mengalir ke basis transistor T1. Keluaran tadi yang terdapat
17
50
10
3
1.00.5
0.11 10 20 100
Wak
tu k
erja
dal
am
detik
a. waktu tertentu
b. waktu terbalik
c. waktu sangat terbalik
d. waktu terbalik sekali
Multiples of Plug Setting
pada resistor R2 diratakan oleh kapasitor C2. Transistor T1 (npn) dan transistor T2 (pnp)
dalam keadaan off. Apabila tegangan basis T1 melebihi nilai pickup yang telah diset
melalui potensiometer Pe, maka T1 akan bekerja sehingga menyebabkan T2 dan rele output
AR akan bekerja pula. Thermistor Th pada kolektor T1 dimaksudkan sebagai kompensasi
suhu, sedangkan diode D sebagai pengaman rele output Tr. Besarnya arus pickup dapat
diatur melalui tap-tap transformator bantu dan potensiometer Pe.
Pada rele diatas ada kemungkinan terjadi sensitivitas yang berlebihan
(oversensitivity) pada saat terjadi arus gangguan transient dengan komponen-komponen
arus searah. Hal ini dapat dicegah dengan membuat transformator bantu (auxiliary
transformer) menjadi jenuh diatas nilai pick-up. Juga filter transient R1C1 diatas akan
mengurangi terjadinya oversensitivity.
3.2. Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu
Ada beberapa jenis rele arus lebih dengan tundaan waktu, hal ini tergantung pada
karakteristik waktu tundanya. Berdasarkan tundaan waktu kerjanya rele arus lebih dapat
dibedakan menjadi :
a. Waktu tertentu (definite time)
b. Waktu minimal tertentu terbalik (inverse definite minimum time/IDMT)
c. Sangat berbanding terbalik (very inverse)
d. Sangat berbanding terbalik sekali ( extremely inverse).
Gambar 3.2 merupakan diagram karakteristik rele arus lebih dengan tundaan waktu.
Gambar 3.2. Karakteristik Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu
18
Aux CT
Arus masukan
Detektor tingkat
beban lebih
Detektor tingkat
pewaktu
Rangkaian keluaran
keluaranAC to DCconverter
R1
P1
R2 R4
R3R5
R6
P2ARD
T2
C
+ Vc
Arus masukan
T3
to c
ontro
l circ
uit C
B
1T
Perbedaan mendasar antara rele arus lebih dengan tundaan waktu tertentu terhadap
rele arus lebih jenis inverse adalah pada pengisian kapasitor yang digunakan. Waktu
operasi dari rele arus lebih jenis definite time adalah tetap dan tidak tergantung pada
besanya arus gangguan. Fungsi dari arus input hanya untuk mengisi muatan kapasitor,
sesudah itu rangkaian akan bekerja untuk membuka pemutus tenaga. Dengan kata lain arus
masukan pada rele jenis definite time hanya mengontrol atau membandingkan dengan
besarnya arus pickup-nya, sedangkan pada rele jenis inverse arus masukan mengendalikan
tidak hanya arus pickup, tetapi juga tingkat tegangan pengisian kapasitor sehingga waktu
kerjanya tergantung pada besarnya arus masukan.
3.2.1 Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Tertentu Rele arus lebih dengan karakteristik tundaan waktu tertentu adalah suatu rele yang
jangka waktu mulai rele pickup sampai rele trip, diperpanjang dalam waktu tertentu. Blok
diagram dan rangkaian lengkap rele jenis ini bisa dilihat pada Gambar 3.3. dan Gambar
3.4, sedangkan alur kerjanya secara garis besar adalah sebagai berikut.
Gambar 3.3. Blok Diagram Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu
Gambar 3.4. Rangkaian Lengkap Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Tertentu
Arus masukan bolak-balik diubah menjadi tegangan searah melalui suatu CT bantu
(auxiliary CT) atau transactor dan penyearah jembatan. Tegangan ini kemudian
diumpankan ke transistor T1 melalui resistor R2. Pada kondisi normal, transistor T1 (npn)
19
P1R1
R2
R3
C T1
R4
P2
R5
R6 R7
T3
P3 AR D
+ Vc
Arus masukan
dalam keadaan konduksi (konduksi) karena adanya bias dari catu tegangan melalui resistor
R4 ini akan menghubungsingkatkan kapasitor C. Pada saat arus masukan melebihi nilai
setelan yang telah ditentukan oleh potensiometer P1 maka sambungan base- emitter T1
reverse biased sehingga T1 menjadi OFF. Pada kondisi ini kapasitor C mulai mengisi
muatan dari tegangan suplai melalui resistor R3. Pada saat tegangan kapasitor melebihi
tegangan emitter T2, sebagaimana telah ditentukan atau diatur oleh potensiometer P2, maka
transistor T2 konduksi dan akan menggerakkan T3 untuk konduksi pula dan selanjutnya
akan membuat rele output AR akan bekerja.
Pada saat arus masukan menurun maka dengan segera T1 konduksi dan melepaskan
muatan kapasitor C sehingga rangkaian direset dengan cepat. Dioda reverse-biased D
berfungsi untuk mengamankan transistor dari tegangan induksi yang cukup tinggi akibat
induktansi kumparan rele output. Disini potensiometer P1 berperan sebagai Plug setting
multipier (PMS) dan potensiometer P2 berperan sebagai Time multiplier setting (TMS).
Dari uraian diatas dapat dilihat bahwa pengisian kapasitor dilakukan oleh tegangan
suplai bantu, sedangkan arus masukan hanya menentukan/mengendalikan kondisi pickup
dari rele.
3.2.2 Rele Arus Lebih Dengan Tundaan Waktu Terbalik Rele arus lebih jenis inverse pada dasarnya hampir sama dengan rele arus lebih
jenis definite. Perbedaannya hanya pada waktu kerjanya. Gambar 3.5 merupakan contoh
rangkaian dasar rele arus lebih jenis inverse.
Gambar 3.5. Rele Arus Lebih dengan Tundaan Waktu Terbalik
Pada saat besar arus masukan bolak-balik rendah, transistor T1 dalam keadaan
konduksi sehingga menghubungsingkatkan kapasitor C. Apabila arus masukan melebihi
nilai settingnya yang diatur melalui potensiometer P2 dan taping pada sekunder
transformator, maka transistor T1 terbuka (off) sehingga kapasitor C terisi muatannya dari
20
arus masukan (melalui tegangan yang dibangkitkan pada resistor R2 ) melalui resistor R1
dan potensiometer P1. Pada saat tegangan kapasitor tersebut melebihi besarnya tegangan
yang disetting melalui potensiometer P3, maka transistor T2 konduksi sehingga transistor
T3 juga konduksi, yang selanjutnya menyebabkan rele output AR bekerja.
Pada rele ini Plug setting multiplier dilakukan melalui taping pada sekunder
transformator dan potensiometer P2. Time multiplier setting (TMS) ditentukan oleh
potensiometer P1 dan P3.
Rele diatas merupakan rangkaian dasar untuk rele arus lebih dengan tundaan waktu
terbalik. Untuk rele arus lebih jenis very inverse dan extremely inverse bisa diperoleh
dengan memodifikasi rangkaian pengisian kapasitor, yakni dengan menghubungkan suatu
dioda zener atau resistor peka tegangan (voltage sensitive resistor) pada R1 yang akan
memodifikasi karakteristik penundaan waktu.
Meskipun teknologi dibidang rele static telah mengalami kemajuan yang begitu
pesat, namun pemakaian rele arus lebih jenis magnetic atau mekanik masih banyak
digunakan, terutama di Indonesia.
3.3. Karakteristik Rele Arus Lebih Waktu Terbalik (inverse)
Waktu kerja (operating time) dari rele ini adalah berbanding terbalik dengan besarnya
arus masukan atau arus gangguan seperti yang terlihat pada Gambar 3.6. Karakteristik
waktu vs arusnya adalah sesuai dengan BS 142 : 1966 dan IEC 255-4. Secara matematis
hubungan antara tundaan waktu kerja rele dengan besarnya arus masukan atau arus
gangguan dinyatakan oleh persamaan :
t =
1fset
kII
detik (3.1)
di mana : t = tundaan waktu kerja rele (detik)
k = setelan skala pengali waktu (time multiplier setting)
If = arus masukan ke rele
Iset = nilai setelan arus lebih
Konstanta-konstanta dan menentukan tingkat atau derajat inversitas dari tundaan waktu rele dan menurut standar di atas nilainya adalah sebagai berikut :
21
t10 Normal Inverse (N) 0,02 0,14 3,0 s Very Inverse (V) 1,0 13,5 1,5 s Extremely Inverse (E) 2,0 80,0 0,8 s Dimana t10 menyatakan tundaan waktu kerja rele untuk besarnya arus masukan
sama dengan 10 kali nilai setelan arus rele (I>) dan dengan setelan skala pengali waktu
k = 1.
Gambar 3.6.a Karakteristik Normal Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi
2223 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.
22
Gambar 3.6.b Karakteristik Very Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi
2223 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu independent.
23
Gambar 3.6.c Karakteristik Extremely Inverse. Apabila arus masukan (energizing current) melebihi 2223 kali setelan I>, maka rele akan mengikuti karakteristik tundaan waktu
independent.
24
3.4. Pemasangan Rele Arus Lebih
Rele arus lebih merupakan rele yang banyak digunakan pada komponen-komponen
sistem tenaga listrik, yaitu mulai dari generator, transformator tenaga pada transmisi, bus
bar, saluran transmisi sampai pada saluran distribusi. Untuk pengamanan terhadap hubung
singkat pada generator, transformator, atau jaringan dengan pentanahan melalui
impedansi, rele dipasang pada dua fasa. Sedangkan untuk pentanahan langsung diperlukan
rele arus lebih untuk ketiga fase.
Gambar 3.8. Block dan Connection Diagram Rele Arus Lebih
Rele arus lebih berfungsi untuk merasakan adanya arus lebih karena gangguan
hubung singkat dan kemudian memberi perintah kepada PMT untuk membuka. Rele arus
lebih ini pada umumnya digunakan pada sistem tegangan rendah sampai tegangan tinggi.
25
IV. RELE TEGANGAN
4.1. Pendahuluan
Salah satu hal yang harus dihindari pada pengoperasian peralatan listrik ialah
kelebihan tegangan (overvoltage) ataupun kekurangan tegangan (undervoltage).
Kelebihan tegangan hampir dapat dipastikan akan merusak setiap peralatan listrik. Hal ini
umumnya akan menyebabkan timbulnya panas yang belebihan sehingga dapat
menyebabkan terbakarnya peralatan listrik tersebut. Sebaliknya, kekurangan tegangan
belum tentu merusak peralatan listrik. Pada beberapa peralatan listrik seperti lampu pijar
ataupun peralatan lain yang bersifat resistip, kekurangan tegangan tidak akan
membahayakan peralatan tersebut. Tetapi bagi beberapa peralatan lain seperti motor
induksi, kekurangan tegangan dapat menyebabkan faktor daya (cos-) yang terlalu rendah. Hal ini akan menyebabkan arus peralatan tersebut terlalu besar, sehingga menimbulkan
panas yang berlebihan dan pada akhirnya akan merusak peralatan tersebut. Untuk
menghindari hal-hal yang tidak diinginkan ini maka suatu panel distribusi tegangan rendah
umumnya dilengkapi dengan rele tegangan yang berfungsi untuk memantau tegangan
busbar. Jika nilai tegangan ini keluar dari batas-batas aman maka rele ini akan membuka
CB utama sehingga catuan daya ke panel tersebut akan diputus.
4.2. Prinsip Kerja Dasar
Rele tegangan elektronik ( Gambar 4.1) mendeteksi besarnya tegangan melalui
trafo tegangan atau yang lebih dikenal sebagai PT (potensial transformer). PT berfungsi
untuk menurunkan tegangan yang masuk ke rele dan sekaligus mengisolasi rele dari
tegangan rangkaian yang diukur. Masukan PT umumnya adalah 110V atau 220V
sedangkan keluarannya adalah tegangan yang berkisar antara 12V hingga 24V, tergantung
dari rangkaian yang digunakan. Tegangan keluaran PT ini terlebih dahulu disearahkan,
selanjutnya dibandingkan dengan dua tegangan acuan, sebut saja VA untuk tegangan acuan
atas dan VB untuk tegangan acuan bawah. Jika tegangan keluaran PT lebih besar dari VA
maka rele keluaran pertama akan diaktipkan. Sebaliknya jika tegangan keluaran PT lebih
kecil dari VB maka rele keluaran kedua yang akan diaktipkan
26
C1 R2
T1D1
D2
R1
INPUT220V
VS
C1 R2
T1D1
D2
R1
INPUT220V
T2D7
D8
C3
7812
C5 C6C4
+12VIC1
+
-A1
+
-A2
VA
VS
VR1
R4
R3
VR2VB
+12V
VR3
C2
D3
D4
N2
N3
N1
R5
R8
Q2
R9
D6 RL2
R6
Q1
R7
D5 RL1
+12V
Gambar 4.1 Rangkaian lengkap rele tegangan elektronik
Agar dapat mengabaikan kelebihan atau kekurangan tegangan yang berlangsung
sesaat (transient), maka rele tegangan biasanya dilengkapi dengan rangkaian tunda (delay)
yang dapat menunda kerja kontak keluaran. Lamanya tundaan waktu dapat diatur,
umumnya berkisar antara 0 hingga 10 detik.
4.3. Rangkaian Rele Tegangan
Rele tegangan terdiri dari beberapa rangkaian dasar yaitu:
1. Rangkaian masukan,
2. Rangkaian pembanding tegangan
3. Rangkaian tunda
4. Rangkaian penggerak rele keluaran
5. Rangkaian catu daya
4.3.1. Rangkaian masukan
Tegangan masukan diturunkan sekaligus diisolasi oleh trafo T1 dan disearahkan
oleh dioda D1 dan D2, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2. Rangkaian masukan
27
+
-A1
+
-A2
VA
VS
VR1
R4
R3
VR2VB
+12V
KERANGKAIAN
TUNDA
Selanjutnya tegangan ini ditapis oleh kapasitor C1 untuk menghilangkan kerut (ripple).
Besarnya tegangan jepit dari C1 adalah :
VC1 Vm 4fCIDC (4.1)
dan Vm 2 x VSEK (4.2) dimana
VSEK : tegangan sekunder trafo
IDC : arus beban
f : frekuensi jala-jala
C : kapasitansi C1
Sebelum diteruskan ke rangkaian pembanding, tegangan ini disesuaikan oleh tahanan R1
dan R2 yang membentuk rangkaian pembagi tegangan resisitip. Besarnya tegangan yang
diterima pembanding adalah :
VS = R2R1R2 . VC1 (4.3)
4.3.2. Rangkaian Pembanding Tegangan
Sebagai pembanding tegangan digunakan opamp yang mempunyai faktor
penguatan tegangan loop terbuka (AV) yang mendekati tak terhingga. Oleh karena itu jika
tegangan pada masukan tak-membalik sedikit lebih tinggi dari tegangan pada masukan
membaliknya maka keluaran pembanding akan jenuh tinggi dan bernilai mendekati nilai
VCC (tegangan catuan). Sebaliknya jika tegangan pada masukan membalik sedikit lebih
tinggi dari tegangan pada masukan tak-membaliknya maka keluaran pembanding akan
jenuh rendah sehingga tegangannya mendekati nol. Rangkaian dari pembanding tegangan
ini diperlihatkan pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3. Rangkaian
pembanding tegangan
28
VR3
C2
D3
D4
N2
N3
N1
R5
DARIKELUARAN
A1
DARIKELUARAN
A2
KEPENGGERAK
RELE RL1
KEPENGGERAK
RELE RL2
Penguat A1 membandingkan tegangan VS yang dihubungkan ke masukan tak
membaliknya (non-inverting input) dengan tegangan acuan VA yang dihubungkan ke
masukan membaliknya (inverting input). Tegangan acuan VA adalah ambang tegangan
maksimum yang diperkenankan. Tegangan ini diperoleh dari kontak geser (wiper)
potensiometer VR1. Jika VS > VA maka keluaran A1 akan jenuh positip sehingga
tegangan keluaran A1 akan mendekati tegangan catu, yaitu 12VDC. Sebaliknya jika VS <
VA maka keluaran A1 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan mendekati
nol.
Penguat A2 membandingkan tegangan VS yang dihubungkan ke masukan
membaliknya dengan tegangan acuan VB yang dihubungkan ke masukan tak membaliknya.
Tegangan acuan VB adalah ambang tegangan minimum yang diperkenankan. Tegangan
ini diperoleh dari kontak geser potensiometer VR2. Jika VS < VB maka keluaran A1 akan
jenuh positip sehingga tegangan keluaran A2 akan mendekati tegangan catu. Sebaliknya
jika VS > VB maka keluaran A2 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan
mendekati nol. Oleh karena itu agar tegangan keluaran dari penguat A1 dan A2 mendekati
nol maka besarnya tegangan VS haruslah :
VB < VS < VA (4.4)
Nilai tahanan R3, R4, VR1 dan VR2 ditentukan sedemikian rupa agar kisar
pengaturan VA memungkinkan kisar tegangan masukan dari 220V hingga 240V dan kisar
pengaturan VA memungkinkan kisar tegangan masukan dari 200V hingga 220V.
4.3.3. Rangkaian Tunda Agar dapat mengabaikan kenaikan atau penurunan tegangan yang berlaku sesaat
(transien), maka rele tegangan ini dilengkapi dengan rangkaian tunda. Untuk itu maka
keluaran dari rangkaian pembanding selain diteruskan ke rangkaian penggerak rele
keluaran, juga dilewatkan melalui suatu rangkaian tunda, seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Rangkaian tunda
29
R8
Q2
R9
D6 RL2
R6
Q1
R7
D5 RL1
+12V
+12V
DARIKELUARAN
N2
DARIKELUARAN
N3
Rangkaian tunda ini terdiri dari VR3, C2 dan N1. Jika bernilai tinggi, keluaran penguat
A1 dan A2 masing-masing akan meng-enable gerbang N2 dan N3. Selain itu, kedua
keluaran ini juga akan mengisi kapasitor C2 melalui dioda D3 dan D4 dan VR3.
Kapasitor C2 ini berfungsi untuk menunda pengaktipan (enable) gerbang-gerbang
N2 dan N3 melalui gerbang N1. Ketiga gerbang ini adalah gerbang AND dari keluarga
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Tujuan penggunaan CMOS adalah
untuk mendapatkan nilai hambatan masukan yang mendekati tak terhingga agar tidak
membebani kapasitor C2. Lamanya tundaan waktu adalah sama dengan waktu yang
dibutuhkan untuk mengisi kapasitor C2 agar tegangan jepitnya mencapai tegangan ambang
(treshold) logika tinggi dari gerbang N1. Lamanya tundaan waktu dapat dinyatakan
sebagai :
TD 0,7.VR3.C2 detik (4.5) Dengan mengatur nilai VR3 maka tundaan waktu ini dapat disesuaikan dengan kebutuhan.
4.3.4. Rangkaian Penggerak Rele Keluaran
Rele tegangan yang dibahas mempunyai dua buah rele keluaran. Satu untuk
menyatakan tegangan lebih dan satu untuk menyatakan tegangan kurang. Masing-masing
rele ini digerakkan oleh suatu transistor bipolar, seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 4.5.
Gambar 4.5. Rangkaian penggerak rele keluaran
30
Jika keluaran A1 bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini maka keluaran gerbang N2
akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada transistor Q1. Besarnya arus basis ini
adalah :
IB = R7V
R6VV BEBEOH (4.6)
dimana
VOH : Tegangan keluaran logika tinggi N2
VBE : Tegangan basis-emiter Q1
Hal ini akan menyebabkan Q1 menghantar sehingga pada kolektornya akan mengalir arus
sebesar :
IC = hFE.IB (4.7)
dimana hFE adalah faktor penguatan arus searah dari transistor yang digunakan. Arus
kolektor ini akan menyebabkan rele RL1 bekerja.
Sebaliknya jika keluaran A2 yang bernilai tinggi pada akhir tundaan waktu ini
maka keluaran gerbang N3 yang akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada
transistor Q2. Hal ini akan menyebabkan Q2 menghantar sehingga rele RL2 yang akan
bekerja.
Dengan demikian maka akan tersedia satu kontak untuk tegangan lebih dan satu
kontak untuk tegangan kurang. Untuk mendapatkan sinyal yang menyatakan keduanya
maka untuk rele-rele RL1 dan RL2 dapat digunakan rele dengan dua kontak, dimana kedua
kontak tersebut dihubungkan paralel atau seri, tergantung pada kebutuhan.
4.3.5. Rangkaian Catu Daya
Opamp umumnya membutuhkan catudaya ganda yang berkisar antara 6VDC
hingga 18VDC atau catu daya tunggal yang berkisar antara +12VDC hingga +36VDC.
Gerbang CMOS membutuhkan catudaya tunggal yang berkisar antara +3VDC hingga
+15VDC. Rele arus searah tersedia untuk tegangan-tegangan 6, 12, 24, 110, dan 220VDC.
Agar dapat mencatu seluruh komponen yang digunakan pada rangkaian maka catuan yang
dipilih adalah +12VDC. Untuk itu maka rele keluaran yang digunakan adalah rele dengan
kumparan 12VDC. Tegangan catuan sebesar +12VDC dapat diperoleh dari catudaya yang
diperlihatkan pada Gambar 4.6. Pada catudaya ini, tegangan jala-jala diturunkan oleh trafo
tegangan T2 ke nilai yang sesuai. Trafo ini sekaligus berfungsi untuk mengisolasi
rangkaian dari tegangan jala-jala. Selanjutnya tegangan sekunder dari T2 disearahkan oleh
31
T2D7
D8
C3
7812
C5 C6C4
+12VIC1
pasangan dioda D7 dan D8 yang membentuk penyearah gelombang penuh, untuk
selanjutnya ditapis oleh kapasitor C3 untuk menghilangkan kerut. Tegangan yang
dihasilkan masih dipengaruhi oleh pembebanan. Oleh karena itu untuk menstabilkan
tegangan ini digunakan regulator seri berupa suatu rangkaian terpadu atau IC (integrated
circuit) tipe LM7812.
Gambar 4.6. Rangkaian catudaya
IC regulator ini akan mempertahankan tegangan keluarannya sebesar +12VDC untuk
tegangan masukan yang berkisar dari +14VDC hingga +35VDC.
Daya yang hilang atau disipasi daya pada regulator adalah :
PD (VIN 12V).IL Watt (4.8) dimana
PD : disipasi daya
VIN : tegangan masukan regulator
IL : arus beban
Disipasi daya ini akan diubah menjadi panas. Agar regulator tidak menjadi terlalu panas
maka panas ini harus dibuang dengan menggunakan pendingin atau heatsink. Agar daya
yang hilang tidak terlalu banyak maka VIN harus dibuat serendah mungkin, namun dapat
mengantisipasi turun naiknya VIN disebabkan oleh perubahan arus beban dan turun
naiknya tegangan jala-jala.
Keluaran dari regulator ini ditapis lebih lanjut oleh kapasitor C6 untuk
menghiangkan kerut sehingga pada keluaran regulator akan diperoleh tegangan searah
sebesar +12VDC yang benar-benar stabil dan bebas kerut.
Kapasitor C4 dan C5 berfungsi untuk menjamin agar IC regulator tidak berosilasi,
sesuai dengan yang dianjurkan oleh pabrik pembuatnya.
32
V. RELE DIFERENSIAL
5.1. Pendahuluan
Rele differensial dirancang untuk melindungi generator, transformator dan motor-
motor tegangan tinggi dengan daya besar terhadap gangguan fasa ke fasa dan fasa ke
tanah. Suatu kelebihan dari rele differensial persentase (percentage differential relay atau
biased differential relay ) ini, selain tersedianya setelan arus differensial dasar, juga
tersedia setelan untuk tingkat bias (degree of bias) dari rele. Hal ini memberikan suatu
kemungkinan untuk mendapatkan kepekaan yang maksimum jika terjadi gangguan di
dalam daerah perlindungannya. Sebaliknya rele differensial tetap stabil untuk gangguan-
gangguan yang terjadi di luar daerah perlindungan.
2 Prinsip Kerja
Rele differensial bekerja berdasarkan perbedaan arus pada kedua sisi peralatan
yang dilindungi. Dalam kondisi kerja normal atau terjadi gangguan di luar daerah
perlindungan, arus sekunder trafo arus di kedua sisi generator adalah :
I1 - I2 = 0 (5.1)
Sedangkan untuk gangguan di dalam daerah yang dilindunginya, arus yang
mengalir adalah :
I1 - I2 = If (5.2)
dimana If adalah arus gangguan yang terlihat dari sisi sekunder trafo arus tersebut.
Perlu disadari bahwa karena kesalahan pada trafo arus, persamaan di atas tidak akan
sepenuhnya benar dalam praktek. Untuk memperhitungkan ketidak telitian ini, dapat
dipilih nilai arus pI yang rendah, sehingga untuk keadaan sistem yang normal dan untuk
di luar daerah perlindungan:
p21 I II (5.3) dan untuk gangguan di dalam daerah perlindungan:
p21 I II (5.4)
33
P1 P2
I1
S2S1
O
S1S2
I2
P1P2GENERATOR
O = Operating CoilB = Bias Coil
I1 I2
I1 I2
B1 B2
Gbr. 5.1 Prinsip kerja rele diferensial
Oleh karena itu, prinsip kerja rele tersebut dapat didefinisikan dengan :
p21 I II ................................ bertahan (5.5)
p21 I II ................................ bekerja (5.6)
Dari Gambar 5.1 dapat kita lihat bahwa arus yang melalui operating coil adalah I1 I2, dan
rele itu akan melindungi gulungan generator dengan mengoperasikan circuit breaker.
Seringkali kesalahan trafo arus akan bertambah dengan meningkatnya nilai I1 dan I2.
Untuk hal semacam ini, masih mungkin untuk membuat nilai pI tergantung pada harga
rata-rata dari I1 dan I2. Suatu rele dapat dirancang menurut model ini sehingga prinsip kerja
untuk rele ini menjadi :
2
IIk II 2121
....................... bekerja (5.7)
2
IIk II 2121
....................... bertahan (5.8)
dimana k adalah konstanta disain rele differensial itu.
34
Rele semacam ini dikenal sebagai rele differensial persentase. Arus (I1 + I2)/2 = Iv
dinamakan arus penahan (restraining current), dan arus (I1 I2) = ID adalah arus kerja
(tripping current) dari rele tersebut.
Dalam rele diferensial persentase elektromekanis, kumparan B1, B2, dan O
digulung pada inti magnetis bersama dengan arah sedemikian rupa sehingga arus yang
melalui B1 dan B2 menimbulkan mmf (gaya gerak magnet) yang berlawanan dengan yang
dihasilkan oleh arus pada kumparan O. Dalam rele elektronis karakteristik yang
dikehendaki diperoleh melalui faktor penguatan pada jalur sinyal yang bersesuaian.
Gbr. 5.2. Diagram proteksi diferensial
suatu gulungan generator
35
Disamping untuk proteksi generator, rele diferensial juga digunakan untuk proteksi
transformator daya. Transformator daya biasanya dilengkapi dengan setelan cabang
Gbr. 5.3. Diagram proteksi diferensial Transformator Daya
(tap) yang dapat diubah, yang memungkinkan tegangan sekundernya dapat diatur dalan
daerah tertentu. Pengaturan ini biasanya dapat diubah dalam beberapa langkah kecil dalam
daerah 10 persen dari perbandingan lilitan nimonal N1/N2. Jika setelan cabang menghasilkan perbandingan gulungan yang tidak normal, relenya akan melihat arus
diferensial pada saat keadaan beban normal. Untuk mencegah kerja yang tidak semestinya,
dalam hal ini harus digunakan rele diferensial persentase.
Transformator tiga fasa dengan gulungan Y/ (Gambar 5.3) memerlukan pembahasan lebih lanjut. Seperti telah diketahui bahwa arus primer dan sekunder dari
transformator semacam itu berbeda dalam magnitude dan sudut fasanya dalam keadaan
kerja normal. Oleh karena itu, transformator ini harus dihubungkan dengan cara
36
IV
ID
IV
ID
1 2
3
N
D
I
I
100% N
D
I
IP
% 100 100%I'
I' .
N
D
2 100% . I
I S
N
D1
ID = DIFFERENCE CURRENTIV = BIAS CURRENTIN = RELAY RATED CURRENT
3
sedemikian rupa sehingga arus saluran sekunder CT seperti yang terlihat oleh rele adalah
sama dalam keadaan normal (tanpa gangguan). Hubungan sudut fasa yang benar dperoleh
dengan menyambungkan CT pada sisi wye dari transformator dalam delta, dan yang pada
sisi delta dari transformator daya dalam wye. Dengan cara ini, sambungan CT meniadakan
pergeseran fasa yang ditimbulkan oleh transformator daya yang dihubungkan Y/ . 5.3. Karakteristik
Karakteristik bias yang ideal dari rele ditunjukkan pada Gambar 5.4. Terdapat tiga
daerah operasi pada karakteristik tersebut :
a. Rentangan bagian pertama meliputi Iv = 0 sampai dengan Iv = 0,5.IN. Besarnya arus
differensial yang diperlukan untuk mengoperasikan rele adalah konstan, yaitu sama
dengan setelan dasar p pada rele.
b. Rentangan bagian kedua meliputi Iv = 0,5.IN sampai dengan Iv = 2,5.IN, derajat
stabilisasi dapat diatur melalui pengaturan setelan bias s pada rele. Jadi dengan
adanya setelan s, besarnya arus diferensial yang dapat mengoperasikan rele ditentukan
oleh berbagai harga arus bias Iv.
c. Rentangan bagian ketiga meliputi Iv > 2,5.IN, derajat stabilisasi adalah konstan dan
100%, maksudnya kenaikan tertentu dari arus bias Iv menyebabkan arus kerja rele pun
naik dengan kenaikan yang sama dengan arus bias Iv.
Gbr. 5.4. Karakateristik Bias teoritis untuk rele differensial
37
5.4. Setelan Rele
a. Setelan arus diferensial dasar p%
p = 100% . II
N
D ; IN = arus rating rele
setelan ini menyatakan operating level dari rele dalam rentangan bagian pertama dari
karakteristik ideal rele. Harga p dapat diatur dari 10 sampai 25 persen dari arus rating
rele (IN).
b. Setelan tingkat bias (penahan) s%
s = 100% . I I
N
D
Harga setelan s dapat diatur dari 5 sampai 25 persen.
38
VI. RELE URUTAN FASA NEGATIF
6.1. Pendahuluan
Rele ini digunakan untuk proteksi generator dan motor-motor besar terhadap kerusakan
dan tekanan thermis yang diakibatkan oleh keadaan sistem yang tidak seimbang.
Dalam kondisi yang tidak seimbang, besaran-besaran jaringan dapat diuraikan
menjadi tiga buah komponen yang simetris, yaitu komponen urutan positif, negatif dan
nol. Komponen arus urutan fasa negatif menghasilkan rugi-rugi tambahan pada mesin-
mesin berputar, karena ia dapat menimbulkan medan putar berlawanan pada mesin-mesin
berputar. Medan putar berlawanan (Counter Rotating Field) ini menginduksikan arus
frekwensi ganda pada rotor sehingga dapat menimbulkan panas pada bagian rotor tersebut.
Disamping itu, arus urutan negatif dapat pula menimbulkan tegangan yang berbahaya dan
getaran pada rotor.
Kemampuan suatu generator untuk dialiri oleh arus urutan negatif secara kontinu
berbeda satu sama lain tergantung kepada konstruksi rotor, ukuran mesin dan sistem
pendinginannya.
Ganguan-gangguan tidak seimbang yang berbahaya adalah yang disebabkan oleh
gangguan-gangguan hubung singkat tidak simetris dan gangguan tanah, dan biasanya
gangguan-gangguan ini dapat dengan cepat diatasi oleh peralatan proteksi hubungan
singkat dan gangguan tanah. Tetapi keadaan beban yang tidak seimbang yang dapat
ditimbulkan oleh adanya kawat penghantar yang terputus atau beban yang terpasang pada
jaringan memang tidak seimbang dapat berlangsung dalam waktu yang lama. Oleh sebab
itu generator perlu dilengkapi dengan proteksi arus lebih urutan fasa negatif dimana
karakteristiknya dapat disesuaikan dengan kapasitas thermis dari mesin tersebut.
6.2. Prinsip Kerja
Rele arus urutan fasa negatif diberi masukan dari dua buah trafo arus seperti terlihat pada
Gambar 6.1. Dengan adanya suatu rangkaian filter pada rele, komponen arus urutan fasa
negatif I2 dapat dipisahkan. Arus urutan negatif I2 dapat dipandang sebagai suatu ukuran
untuk tingkat atau derajat ketidakseimbangan sistem.
39
Gbr. 6.1. Block Dan Connection Diagram Rele Urutan Fasa Negatif
Apabila komponen urutan fasa negatif ini melebihi nilai setelan k2 maka rele akan
diaktifkan dan starting output relay, terminal 11-15-19, akan bekerja (picks-up). Pada saat
yang sama rele mulai mengisi suatu digital accumulator, dimana kecepatan pengisiannya
berbanding langsung dengan harga kwadrat besar arus urutan negatif yang sebenarnya.
Apabila isi dari accumulator ini sama atau melebihi suatu harga tertentu, sesuai dengan
setelan k1, maka rele akan bekerja, yaitu output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan
bekerja dan indikator T akan menyala. Kemudian apabila besarnya arus urutan fasa negatif
menurun di bawah nilai setelan k2, starting output relay, terminal 11-15-19, dan delayed
output relay, terminal 4-8-12 dan 10-14-18 akan drops off. Jika rele sudah dalam kondisi
reset, accumulator yang menentukan waktu kerja rele akan mulai dikosongkan dengan
kecepatan pengosongan yang linier. Waktu pengosongan ini ditentukan oleh setelan tp. jadi
accumulator tidak langsung dikosongkan apabila rele telah reset.
40
6.3. Karakteristik
Waktu kerja (Operating Time) dari rele dinyatakan oleh persamaan berikut ini :
t = 12 22 2
100N
k
I kI
dimana : t = waktu kerja rele (detik)
I2 = arus urutan negatif jaringan
IN = arus rating rele (tergantung tipe rele yaitu 1A atau 5A)
k1 = konstanta mesin (konstanta I22t mesin, dinyatakan oleh pembuat
mesin)
k2 = ketahanan mesin terhadap arus urutan negatif kontinu, dinyatakan
oleh pembuat mesin
Seperti dapat dilihat dari persamaan di atas, waktu kerja dari rele adalah fungsi
kuadrat I2, kuadrat k2 dan konstanta k1, sehingga dengan demikian rele ini mempunyai
karakteristik waktu terbalik (Inverse Time Characteristic) seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 6.2. Tetapi karakteristik arus-waktu terbalik itu hanya berlaku untuk tingkat arus
urutan negatif I2/IN 0,7 saja. Untuk arus I2 yang lebih besar lagi, waktu kerja rele tidak lagi ditentukan oleh persamaan di atas, tetapi oleh tundaan waktu yang tertentu yang
nilainya tergantung kepada setelan k1.
41
Gbr. 6.2. Karakteristik Rele Arus Urutan Fasa Negatif
Apabila arus urutan negatif hanya sedikit melebihi setelan k2, waktu kerja rele
akan sangat lama. Untuk membatasi waktu kerja rele tersebut, rele dilengkapi dengan
suatu rangkaian pembatas waktu, yang akan mengoperasikan rele setelah 1200 detik atau
20 menit terhitung rele mulai diaktifkan.
6.4. Setelan Rele
a. Setelan tp, waktu pengosongan accumulator, rentangan setelan 5-50 detik.
b. Setelan k2 (%) : arus urutan fasa negatif I2 yang dapat ditahan oleh mesin secara
kontinyu tanpa kerusakan, dinyatakan dalam persen terhadap arus rating rele (IN),
yaitu :
k2 / % = NI
I2 x 100 %
Rentangan setelan = 2 sampai dengan 20 %.
42
Gbr. 6.3. Setelan Rele Arus Urutan Fasa Negatif
c. Setelan k1 : konstanta mesin, adalah kemampuan I22t dari mesin (Tabel 6.1) yaitu
menyatakan kemampuan rotor untuk menerima tambahan panas yang ditimbulkan
oleh arus urutan negatif. Setelan k1 ini menentukan waktu kerja rele pada kondisi arus
gangguan berbahaya yaitu pada keadaan :
NI
I2 0,7
Rentangan setelan 5 s/d 40
Tabel 6.1
Type Mesin Sinkron Nilai tI 22 yang diizinkan
Generator Berkutub Salient
Kondenser Sinkron
Generator Berotor Silinder Dengan Pendingin Langsung
Generator Berotor Silinder Tanpa Pendingin Langsung
40
30
20
10
43
VII. RELE DAYA BALIK
7.1. Pendahuluan
Rele Daya Balik digunakan untuk perlindungan generator dan penggerak mulanya
terhadap aliran daya balik jika penggerak mulanya mengalami gangguan sehingga dapat
dicegah generator berfungsi sebagai motor.
7.2. Prinsip Kerja
Rele daya balik mengukur tegangan fasa ke netral dan arus pada fasa yang sama.
Pengukuran daya dan penentuan arah aliran daya didasarkan pada perkalian arus fasa dan
factor daya yaitu I x cos . Rele menganggap tegangan sebagai suatu konstanta dan perubahan pada level tegangan hanya akan mempengaruhi keakuratan dari pengukuran
I x cos . Setelan daya rele di set sebagai suatu nilai perbandingan terhadap rating daya rele
yaitu P/PN yang dinyatakan dalam persen. Setelan rele akan akurat sepanjang tegangan
masukan ke rele sama dengan rating tegangan rele. Jika tegangan masukan rele berbeda
dengan rating tegangannya setelan rele harus dikoreksi dengan suatu faktor k.
Rele akan mulai start apabila daya melebihi nilai setelannya dan daya mengalir
pada arah yang diukur oleh rele, atau
% PP 100% .
U. I U. cos . I
NNN
N (6.1)
di mana : I = arus fasa
cos = faktor daya UN = tegangan nominal
IN = arus nominal
P = besar daya balik yang akan dibatasi
PN = daya nominal generator
44
(setting) % P
P
N
'I
I cos
daerah operasisebagai motor
sebagai generator
I
U
Gbr. 7.1. Karakteristik kerja rele daya balik
Ketika penggerak mula generator mengalami gangguan, aliran daya generator
berbalik, generator mulai beroperasi sebagai motor. Jika daya yang diambil oleh generator
melampaui setelan rele maka rele daya balik akan bekerja.
7.3. Pemasangan
Rele Daya Balik dilengkapi dengan dua masukan, satu untuk arusa fasa yaitu masukan 2-6,
satu lagi untuk tegangan fasa ke netral yaitu masukan 1-5 seperti yang ditunjukkan dalam
Gambar 7.2. Rating tegangan masukan adalah 100/ 3 Volt dan rating arusnya adalah 1A
untuk rele PBSP 1G1 J3 dan 5A untuk rele PBSP 1G5 J3. Tegangan suplai bantu diberikan
ke rele melalui terminal 16 dan 20.
Rele akan beroperasi (picks up) setelah tundaan waktu yang telah ditentukan
dicapai. Sinyal pemutusan dari rele diperoleh dari dua tahap keluaran. Keluaran tahap
pertama (terminal 11-15 dan 10-14-18) dipergunakan untuk sinyal pemutusan Circuit
Breaker generator dan shut down valve dari penggerak mula, sedangkan tahap kedua
(terminal 8-12 dan 9-13) digunakan sebagai cadangan.
45
Gbr. 7.2. Block Dan Connection Diagram Rele Daya Balik
7.4. Karakteristik
Karakteristik kerja dari rele daya balik diperlihatkan pada Gambar 7.1. Apabila penggerak
mula dari generator mengalami gangguan, aliran daya generator berbalik arah, jadi
generator mulai bekerja sebagai motor. Kalau daya yang diterima atau diserap oleh
generator dalam situasi ini melebihi setelan rele, maka rele daya balik akan bekerja.
46
7.5. Setelan Rele
a. Setelan tundaan waktu t1 dari keluaran tahap pertama
(first output stage).
Rentangan : 1 6 detik
b. Setelan tundaan waktu t2 dari keluaran tahap kedua
(second output stage).
Rentangan : 10 60 detik
c. Setelan batasan daya P/PN (Power Level Setting).
Setelan batasan daya disetel dalam persen dari rating
daya PN. Terbagi dalam dua rentangan, masing-
masing :
1. Untuk posisi selektor P x 1, rentangannya
0,5 5 %.
2. Untuk posisi selektor P x 10, rentangannya
5 50 %
Gbr. 7.3. Setelan Rele Daya Balik
Batasan operasi P dalam persen terhadap rating daya PN dapat disamakan dengan
rating daya rele yang ditetapkan oleh rating tegangan rele UN dan rating arus rele IN. Jadi
tegangan masukan dan arus masukan sebenarnya harus dipertimbangkan apabila rele akan
disetel.
CONTOH PENYETELAN :
Suatu generator dengan rating PN = 40 MW dan UN = 10 kV dilengkapi dengan sebuah
rele daya balik yang akan bekerja pada daya balik sebesar 3%. Perbandingan transformasi
dari trafo instrumen adalah 3000/5 A dan 10000 : 3 / 100 : 3 . Tentukan setelan batas
daya rele.
Penyelesaian
Setelan batas daya rele adalah :
47
3% . 3 . 10 . 10 . 3
10 . 40 3% . 3 . U. I
P % 43
6
NN
N NP
P = 2,3 %
Catatan :
Jika rele diberi masukan dari trafo tegangan dengan rating sekunder 110/ 3 V atau
lainnya, perhitungan untuk penyelesaian diatas harus dikoreksi dengan suatu faktor k yang
dinyakan sebagai :
k = NU
U
dimana :
U = rating sekunder dari tegangan masukan maksimum 110 V
UN = rating tegangan rele 100 : 3 V
Jadi setelan yang dikoreksi adalah :
k NP
P = 3:1003:110 . 2,3 % 2,5 %
48
VIII. TEORI UMUM RELE JARAK
8.1 UMUM
Pada umumnya, fungsi daripada rele adalah untuk membedakan antara kondisi normal dan
kondisi gangguan sehingga dapat mengirimkan sinyal ketika gangguan tersebut terjadi. Rele
bekerja dengan mengukur perbedaan fungsi fungsi yang ada (contoh : arus dan tegangan) dan
membandingkan di antara keduanya atau dari beberapa input yang berbeda, atau juga
membandingkan secara sederhana satu fungsi quantitas dengan nilai harga standarnya. Ada
beberapa pembanding (komparator) yang berbeda. Dua komparator yang umum digunakan adalah
komparator amplitudo dan phasa. Hubungan antara amplitudo dan phasa tergantung pada kondisi
sistem dan nilai sebelum gangguan dari hubungan ini, indikasi dari tipe tersebut dan lokasi
gangguan.
Untuk memperoleh persamaan umum dari komparator, dimisalkan konfigusai logika dari
rele diperoleh dari dua besaran dan sebuah komparator seperti pada Gambar 8.1(a), dengan
memisalkan S1 dan S2 sebagai sinyal input sehingga diperoleh :
1 1 2
1 2 3
S k A k B (8.1)S k A k B (8.2)
dimana k1, k2, k3, dan k4 didisain konstan, dalam bentuk bilangan komplek dapat ditulis sebagai
berikut :
1 1 2 1 2
2 3 4 3 4
S k A cos k B cos j k A sin k B sin (8.3)
S k A cos k B cos j k A sin k B sin (8.4)
pada Gambar 2.1(b) terlihat diagram phasor. S1 dan S2 adalah input dari komparator yang
menghasilkan sinyal pengetripan (operasi) ketika 2 1S S pada modus perbandingan amplitudo.
Komparator TripSignal
A
B
+
+
+
+S1
S2
(a)
49
Reference axisk3A
k1A
k2B
k4B
S2S1
(b) Gambar 8.1. Penggambaran umum komparator: (a) Blok Diagram; (b) Diagram Phasor
8.2 Komparator Amplitudo Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator amplitudo pada saat 2 1S S . Oleh
karena itu, modul modul rele akan mengalami kesetimbangan pada threshold operation,
sehingga 1 2S S atau perbedaan sudut phasa antara kedua besaran tersebut, sehingga threshold operation dapat dirumuskan sebagai berikut :
2 21 2 1 2
2 23 4 3 4
k A cos k B cos k A sin k B sin
k A cos k B cos k A sin k B sin (8.5)
jika disusun kembali maka diperoleh :
2 22 2 2 21 3 1 2 3 4 2 4k k A 2 k k k k A B cos k k B 0 (8.6) jika dibagi dengan 22 22 4k k A , 2 2 21 2 3 4 1 32 2 2 2
2 4 2 4
k k k k k kB B2 cos 0 (8.7)A A k k k k
dan dapat dituliskan :
2 2 20 02 cos r (8.8) dimana :
50
j
j1 2 3 40 02 2
2 4
1 4 2 32 21 3
B e (8.9)Ak k k k e (8.10)
k kk k k kr (8.11)
k k
Persamaan (8.8) memperlihatkan persamaan dari sebuah lingkaran dengan jari jari r dan titik
tengah berlokasi pada 0 pada kurva , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.1, berkoordinat pada 0 cos dan 0j sin atau dapat ditulis sebagai p dan jq, sehingga persamaan (8.6) jika dinyatakan dalam simbol alfa maka :
2 2 20 02 cos r (8.12) dimana :
j
1 2 3 40 2 2
2 4
1 4 2 32 21 3
B e (8.13)Ak k k k (8.14)
k kk k k kr (8.15)
k k
0
plane
r
q
p0
Gambar 8.2. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-
51
0
plane
r
q
p0 Gambar 8.3. Karakteristik Threshold dari komparator yang diplot pada kurva-
Persamaan (8.12) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari jari r dan titik tengah pada
0 pada kurva-, seperti pada Gambar 8.3, memiliki koordinat di 0 cos dan 0j sin dengan sumbu koordinat p dan jq.
8.3 Komparator Phasa Sinyal pengetripan dihasilkan oleh komparator phasa dari dua sinyal positif yaitu S1 dan
S2, sinyal tersebut ditunjukkan dengan persamaan (8.16) dan (8.17), seperti hal sebelumnya dapat
ditunjukkan sebagai :
1
2
j1 1
j2 2
S S e (8.16)
S S e (8.17)
S1 dan S2 bernilai maksimum ketika kedua phasor sefasa, sehingga pada threshold operation
berlaku :
1 2 90 (8.18)
jika diambil tangensial kedua sisinya diperoleh :
1 21 2
1 2
tan (8.19)
tan tan (8.20)1 tan tan
persamaan di atas akan menjadi benar jika :
1 21 tan tan 0 (8.21)
52
atau
12
1tan (8.22)tan
nilai 1tan dan 2tan dapat dihitung dari Persamaan (8.3) dan (8.4) sehingga diperoleh :
1 21
1 2
3 42
3 4
k A sin k B sintan (8.23)
k A cos k B cos
k A sin k B sintan (8.24)
k A cos k B cos
jika disubsitusikan Persamaan (8.23) dan (8.24) ke dalam Persamaan (8.22), diperoleh :
1 2 3 41 2 3 4
k A sin k B sin k A cos k B cos(8.25)
k A cos k B cos k A sin k B sin
atau
2 21 3 2 4 1 4 2 3k k A k k B k k k k A B cos 0 (8.26) jika dibagi dengan 22 4k k A
2 1 4 2 3 1 32 4 2 4
k k k k k kB B cos 0 (8.27)A A k k k k
atau dapat dituliskan :
2 2 20 02 cos r (8.28) dimana :
1 4 2 30
2 4
1 4 2 3
2 4
k k k k (8.29)2k k
k k k kr (8.30)2k k
Persamaan (8.28) menunjukkan persamaan sebuah lingkaran dengan jari jari r dan titik tengah
berlokasi di 0 pada kurva- dan berkoordinat di 0 cos dan 0j sin atau dapat ditulis sebagai p dan jq..Jika dinyatakan dalam simbol alfa maka :
53
2 2 20 02 cos r (8.31) dimana :
1 4 2 30
1 3
1 4 2 3
1 3
k k k k (8.32)2k k
k k k kr (8.33)2k k
Persamaan (2.31) menunjukkan persamaan dari lingkaran dengan jari jari r dan titik tengah pada
0 pada kurva-, memiliki koordinat di 0 cos dan 0j sin dengan sumbu koordinat p dan jq. Tabel 2.1 menunjukkan nilai dari r dan 0 untuk komparator amplitudo dan phasa untuk kurva-, sama halnya dengan Tabel 2.2 yang menunjukkan nilai dari r dan 0 untuk komparator amplitudo dan phasa untuk kurva-.
Tabel 8.1. Nilai R dan 0 dari komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva- Nilai Komparator Amplitudo Komparator Phasa
r 1 4 2 32 22 4
k k k kk k
1 4 2 3
2 4
k k k k2k k
0 1 2 3 42 22 4
k k k kk k
1 4 2 3
2 4
k k k k2k k
Tabel 8.2. Nilai R dan 0 dari komparator Amplitudo dan Phasa dari kurva- Nilai Komparator Amplitudo Komparator Phasa
r 1 4 2 32 21 3
k k k kk k
1 4 2 3
1 3
k k k k2k k
0 1 2 3 42 21 3
k k k kk k
1 4 2 3
1 3
k k k k2k k
54
8.4 Persamaan Umum Rele
Rele pada umumnya, sedikitnya satu dari konstanta k1, k2, k3, dan k4 adalah bernilai nol
dan dua daripadanya bernilai sama, sehingga menjadi lebih sederhana. Jika tidak lebih dari dua
jumlah konstanta yang dilibatkan, maka dapat dituliskan persamaan torsi umum dari rele :
2 2a b c sT k A k B k A B cos k (8.33) dimana : ka, kb , kc = konstanta skalar
ks = konstanta variable per (adjustable spring) yang
merupakan torsi pengendali mekanik
A , B = dua konstanta listrik yang akan dibandingkan
= sudut phasa antara A dan B
= karakteristik sudut rele
sehingga pada keadaan threshold operation, di bawah kondisi stabil (steady state) :
2 2a b c sk A k B k A B cos k 0 (8.34) persamaan di atas menunjukkan semua karakteristik lingkaran dan garis lurus yang diperoleh dari
dua input rele. Jika kedua konstanta yaitu arus I dan tegangan V sehingga diperoleh :
2 2a b c sk I k V k V I cos k 0 (8.35) sehingga arus pada belitan menghasilkan torsi sebesar 2ak I dan belitan tegangan menghasilkan
torsi sebesar 2
bk V , dimana torsi yang dihasilkan dari interaksi arus dan belitan potensial akan
sebesar VIcos . Pada rele dengan masukan tunggal, ks adalah konstan dan digunakan sebagai tingkat indikasi, sedangkan rele dengan dua masukan memiliki ks = 0 dan jika persamaan
(2.35) dibagi dengan 2bk I maka,
2 ca
b b
k cosk V V 0 (8.36)k I I k
jika kc = 1,
22 a
b b
cos kV V (8.37)I I k k
dengan menambahkan 2
b1/ 2k dari kedua sisi dari persamaan (8.37),
55
2 2 22 a
b b b b
cos kV V 1 1 (8.38)I I k 2k k 2k
Persamaan (8.38) di atas menunjukkan persamaan sebuah lingkaran pada koordinat polar (R-X
compleks) yang berkoordinat di V / I cos dan j V / I sin , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.4, lingkaran tersebut memiliki jari jari sebesar,
a bb
1 4k kr (8.39)
2k
dan titik tengahnya berlokasi di1/2kb dari titik nol dengan sudut dari sumbu referensi.
b
1c2k
a b
b
1 4k kr
2k
X
R0
Gambar 8.4. Karakteristik rele dengan dua input
8.5 Jenis jenis Rele Jarak
Sebuah rele jarak bereaksi terhadap jumlah masukan sebagai fungsi dari jarak
antara lokasi rele dengan titik gangguan dari suatu saluran transmisi, karena impedansi dari
saluran transmisi berbanding lurus dengan jaraknya, untuk pengukuran jarak sangatlah
cocok untuk mempergunakan rele jarak karena rele ini mampu mengukur besar impedansi
dari suatu saluran hingga titik tertentu. Rele ini didisain hanya bekerja untuk gangguan
yang di dalam daerah jangkauannya atau yang terjadi pada lokasi antara lokasi rele dan
titik yang ditentukan. Oleh karenanya, rele ini dapat membedakan jenis gangguan yang
mungkin terjadi antar bagian saluran yang berbeda dengan cara membandingkan antara
arus dan tegangan dari sistem daya sehingga dapat membedakannya gangguan yang terjadi
di dalam atau di luar zona kerja rele tersebut.
56
Rele jarak diklasifikasikan berdasarkan karakteristik polarnya, jumlah dari masukan yang
diperlukan, dan metode perbandingan yang digunakan. Untuk tipe umumnya hanya
mempergunakan dua jenis masukan yaitu besar atau fasa untuk memperoleh karakteristik baik
untuk saluran lurus (straight line) maupun saluran dengan siklis (circles line) sehingga nantinya
dapat digambarkan menggunakan diagram R-X seperti pada Gambar 8.2. Pada dasarnya rele jarak
dibedakan atas (1) Rele Impedansi, (2) Rele Reaktansi, (3) Rele Admitansi (Mho), (4) Rele
pergeseran Admitansi (Offset Mho / Modified Impedance), dan (5) Rele Ohm.
1. Rele Impedansi Berdasarkan komparator Amplitudo, dan permisalan bahwa hal ini berada pada kondisi
Threshold sehingga persamaan (8.6) dapat digunakan, sehingga,
2 22 2 2 21 3 1 2 3 4 2 4k k A 2 k k k k A B cos k k B 0 jika konstanta juga disetting sehingga sinyal input menjadi
1 1
2 4
S k V (8.40)S k I (8.41)
jika, k2 = k3 = 0, A = V, dan B = I, subtitusikan persamaan (8.40) dan (8.41) ke (8.6) sehingga,
2 22 21 4k V k I atau
41
kV kons tan (k) (8.42)I k
maka diperoleh,
Z kons tan (k) (8.43) Oleh karena itu, rele impedansi tidak memperhitungkan perbedaan sudut phasa antara arus
dan tegangan agar dapat bekerja, karena inilah jika karakteristik impedansi rele ini digambarkan
pada diagram R-X maka akan berupa suatu lingkaran dimana titik tengahnya berada pada titik (0,0)
dan jari jarinya tergantung dengan setting rele tersebut dalam ohm, seperti terlihat pada Gambar
8.5(b).
Operasi kerja rele untuk semua nilai imperdansi yang nilainya kurang dari nilai
settingannya, yaitu untuk semua daerah yang berada di dalam karakteristik lingkarannya, dan tidak
akan mendeteksi gangguan yang berada diluarnya. Rele impedansi seperti pada Gambar 8.5,
ditempatkan pada bus A dan tidak berarah, sehingga rele ini bekerja sepanjang vektor AB dan juga
untuk semua gangguan yang terjadi di belakang bus A dengan impedansi AC.
57
(a)
(b)
Gambar. 8.5. Karakteristik Rele Impedansi
2. Rele Reaktansi Berdasarkan komparator phasa, dan dimisalkan bahwa rele tersebut berada dalam kondisi
threshold sehingga Persamaan (8.26) dipergunakan,
2 21 3 2 4 1 4 2 3k k A k k B k k k k A B cos 0 jika sinyal input berupa,
1 a b
2 b
S k V k I (8.44)S k I (8.45)
maka, k1 = - ka, k2 = k4 = kb , k3 = 0, A = V, dan B = V, lalu subtitusikan persamaan (8.44) dan (8.45) ke persamaan (8.26),
22b a bk I k k V I cos 0 (8.46) atau
ba
kZcosk
(8.47)
58
jika 12
, maka
ba
kZsink
(8.48)
atau
ba
kX kons tan (k)k
(8.49)
sehingga,
X kons tan (k) dari Persamaan (8.49) di atas nampak jelas bahwa karakteristik rele pada diagram R-X
digambarkan sebagai garis lurus yang paralel dengan sumbu-R, seperti yang ditunjukkan oleh
Gambar 2.6(a). Perlu diingat bahwa komponen resistansi dari impedansi tidak berpengaruh pada
kerja rele dan rele reaktansi hanya berpengaruh pada komponen reaktansi saja, sehingga bekerja
pada semua titik di bawah garis karakteristik kerja rele.
Jika dalam Persamaan (8.47), kemudian karakteristik garis lurus tidak akan paralel dengan sumbu-R, untuk rele seperti ini sering disebut rele impedansi-sudut.
0 R
X
b
a
kXk
0 R
X
X
Protectedline
Mho startercharacteristic
Reactancecharacteristic
0 R
X
1X
2X
3X
A
B
Protected line
Zone 3
Zone 2
Zone 1
C
(a) (b)
(c)
Gambar 8.6. Karakteristik rele reaktansi (a) pada Diagram R-X; (b) Karakteristik kombinasi rele mho dan reaktansi; (c) aplikasi dari zona proteksi
59
Rele reaktansi tidak akan terpengaruh dengan kehadiran tahanan busur gangguan karena
rele tersebut hanya merespon komponen reaktansi dari sistem impedansi. Walaupun begitu pada
saat tahanan busur gangguan mencapai nilai yang besar, hal itu juga terjadi pada besarnya beban
dan arus gangguan, jangkauan dari rele akan berubah dikarenakan besar beban dan faktor dayanya
dan juga pada karakteristik di luar jangkauan atau di dalam jangkauan.
Oleh karena itu, untuk mendapatkan tanggapan berarah dan untuk mencegah rele bekerja
dalam kondisi beban normal, sebuah unit pengendali tegangan (contoh : pada rele mho)
dipergunakan pada rele tersebut. Seperti halnya rele modifikasi reaktansi (Modified Reactance
Rele) yang dikenal dengan rele starting. Gambar 8.6(b) nampak seperti kombinasi antara
karakteristik rele mho dan reaktansi. Gambar 8.6(c) menampakkan aplikasi zone proteksi dari rele
reaktansi.
Pada Gambar 8.6(c), 0 adalah lokasi rele, 0A adalah bagian dari garis awal, AB adalah
bagian dari garis kedua, BC adalah bagian dari garis ketiga, dan adalah sudut impedansi saluran.
3. Rele Admittansi (Mho) Berdasarkan komparator phasa dan memisalkan rele bekerja dalam kondisi threshold
sehingga Persamaan (8.26) dapat digunakan, sehingga :
2 21 3 2 4 1 4 2 3k k A k k B k k k k A B cos 0 (2.26) jika sinyal input berupa,
1 a b
2 a
S k V k I (8.50)S k V (8.51)
sehingga diperoleh, k1 = -ka, k2 = kb , k3 = ka, k4 = 0, A = V, dan B = I, lalu subtitusikan Persamaan (P.50) dan (P.51) ke Persamaan (8.26),
22a a bk V k k V I cos 0 (8.52) atau
ab
kI cosV k
(8.53)
atau
ab
kY cosk
(8.54)
Persamaan persamaan di atas menunjukkan karakteristik rele mho, jika digambarkan pada
diagram R-X, lingkarannya akan memotong titik awal, seperti yang ditujukkan pada Gambar
8.7(a). Jika digambarkan pada diagram admitansi (contoh : diagram G-B), karakteristiknya berupa
garis lurus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.7(b)
60
Karakteristik lingkaran tersebut memotong titik awal yang membuat rele tidak berubah
arahnya, sehingga rele ini mirip dengan karakteristik rele jarak dengan satu arah. Jika terdapat
kondisi busur gangguan, maka nilai dari R akan meningkat dengan meningkatnya tahanan
daribusur Rarc yang menyebabkan sudut gangguan akan berubah seperti pada Gambar 8.7(c). Nilai
pendekatan dari tahanan busur dapat dihitung dari rumus empiris dari Warrington yaitu,
1.4
8750 arc lR I (8.55) dimana l = panjang dari busur (ft) pada aliran udara yang konstan
I = arus busur dalam Ampere
X
R0
X
RA
D
b
a
kk
B
B
ZLRarc
a
b
kk
0 G
B
(a) (b)
(c)
Gambar 8.7. Karakteristik rele Mho: (a) Pada Diagram R-X; (b) Pada Diagram G-B; (c) Perubahan dari jangkauan rele akibat tahanan busur
4. Rele Offset Mho (Modifikasi impedansi) Dengan memisalkan sinyal input dari komparator phasa diberikan sebagai berikut :
1 a 2S k V k I (8.56) 2 a 4S k V k I (8.57)
sehingga diperoleh, k1 = -ka, k2 = k2 , k3 = ka, k4 = k4 , A = V, dan B = I, jika Persamaan (8.56) dan (8.57) disubtitusikan ke Persamaan (8.26) sehingga,
2 2 2a 2 4 a 2 4k V k k I k k k VIcos 0 (8.58)
61
jika dibagi dengan I2,
2 2a 2 4 a 2 4k Z k k k Z k k cos 0 (8.59) karena Z2 = R2 + X2 dan dibagi dengan 2ak ,
2 2 2 4 2 42a a
k k k kR X R cos Xsin 0k k
(8.60)
atau
2 2 22 4 2 4 2 4
a a a
k k cos k k sin k kR X2k 2k 2k
(8.61)
X
R0
2
a
kk
(a) (b)4a
kk
R
X
Line impedancelocus
Buszone
Gambar 8.8. Karakteristik rele mho: (a) Karakteristik umum; (b) Aplikasi back-up zona proteksi
Karakteristik rele ini pada diagram R-X diwujudkan dengan sebuah lingkaran yang
berpusat di 2 4 ak k / 2k dan berjari jari 2 4 ak k / 2k , seperti yang terlihat pada Gambar 2.8(a). Rele Offset Mho digunakan bersama dengan unit pengukur Mho yang berfungsi
sebagai pendeteksi gangguan dan unit pengukur pada zona 3, dan dengan jangkauan balik yang
menjangkau sampai zona bus, rele offset mho menyediakan cadangan (back-up) untuk proteksi
gangguan pada bus, seperti yang nampak pada Gambar 8.8(b).
5. Rele Ohm Karakteristik rele ohm ditunjukkan pada persamaan (8.47), yaitu berupa garis lurus ketika
digambarkan pada diagram R-X, oleh karena itu, rele reaktansi merupakan bentuk khusus dari rele
ohm. Rele ini juga dikenal sebagai rele impedansi sudut dan rele ini digunakan sebagai blinder
yang digunakan untuk mencegah rele jarak dari perngetripan akibat ayunan daya power swings
pada saluran panjang dan untuk menghindari pengetripan secara kaskade. Selama kondisi ayunan
daya dari sistem yang tidak dapat dipulihkan, pelayanan daya yang normal hanya dapat diperoleh
jika sumber ayunan dapat dihilangkan.
62
Untuk meminimalkan gangguan dari sistem, sebuah sistem pengetripan out-of-step
mempergunakan unit unit ohm. Sistem ini umumnya mempergunakan dua unit ohm, sehingga
karakteristik yang dihasilkan nampak seperti garis vektor impedansi yang paralel, seperti pada
Gambar 2.9, dengan berubahnya nilai impedansi selama ayunan daya, titik yang merepresentasikan
impedansi berpindah sepanjang tempat kedudukan (locus) ayunan daya, memasuki ke dalam zona
antara kedua blinder yang dihasilkan oleh unit ohm O1 dan O2, setelah unit ohm bekerja.
X
R0
O1 O2
Blinders
Line Impedance
Mho unit
Locus ofpower swing
Gambar 8.9. Penggunaan unit rele ohm sebagai blinders untuk membatasi cakupan sudut pada saat terjadi ayunan
8.6 Rele Jarak tipe RAZOA Dalam percobaan ini penulis mempergunakan rele jarak dengan jenis rele impedansi
dengan tipe RAZOA. Rele jarak tipe RAZOA adalah jenis rele statis dengan kecepatan tinggi yang
dapat melindungi keseluruhan daerah fasa banyak dari berbagai jenis gangguan hubung singkat
antar fasa atau fasa ke tanah pada saluran hantaran udara maupun kabel bawah tanah yang
diproteksi. Rele jarak tipe RAZOA mempunyai kelambatan waktu yang berbeda beda dan
terpasang dengan operasi impedansi kurang (underimpedance start) atau operasi arus lebih
(overcurrent start). Waktu operasi minimumnya adalah 20 ms. Rele ini mempunyai tiga daerah
impedansi terarah dan satu daerah keempat sesuai dengan elemen start yang setelannya terarah atau
tidak terarah.
Besar impedansi (Z) saluran dapat dinyatakan sebagai perbandingan V/I. Besarnya
impedansi ini merupakan perbandingan tegangan dan arus pada lokasi rele. Untuk rele jarak yang
terpasang dengan under impedance start tipe RGZB 030 bekerja berdasarkan impedansi terukur di
terminal rele, apabila impedansi yang terukur di terminal rele jatuh di bawah harga setelan yang
ditentukan maka rele diaktifkan, sedangkan di luar harga setelan rele tidak diaktifkan. Jadi rele ini
63
akan bereaksi terhadap impedansi di antara lokasi rele dan titik gangguan, seperti yang
diperlihatkan dalam Gambar 2.10. Impedansi ini sebanding dengan jarak ke gangguan, karenanya
rele itu dinamakan rele jarak (distance Rele), dan tidak tergantung pada tingkat arus gangguan.
Waktu operasinya akan meningkat dengan meningkatnya perbandingan ini.
Pada Gambar 8.10. memperlihatkan prinsip pengukuran jarak dimana rele jarak
ditempatkan pada rel A dengan batas setelan impedansi Zb.
Untuk gangguan di F (batas pengamanan) tegangan yang terukur di terminal rele adalah
f bV = I .Z , dengan If adalah arus gangguan yang melalui rele. Perbandingan tegangan dan arus di
rele A adalah :
f bb
f f
I ZV ZI I
. (8.62)
kondisi rele dalam batas keseimbangan dan rele bekerja.
(a) Diagram satu garis saluran transmisi dengan proteksi jarak
(b) Hubungan antara Waktu operasi dengan Impedansi dari Rele Jarak tipe Impedansi
64
(b) Hubungan antara tegangan dengan jarak gangguan
Gambar 8.10. Prinsip Pengukuran jarak
Untuk gangguan di F1, di dalam daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal
rele adalah 11 f 1
V I Z. , dengan 1f
I adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z1 adalah
impedansi antara rel A ke titik gangguan F1. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah
1
1 1
f 111
f f
I ZV ZI I
. (8.63)
karena V1< V dan 1f
I > fI maka Z1 < Zb, sehingga rele akan bekerja.
Untuk gangguan di F2, di luar daerah pengamanan, tegangan yang terukur di terminal
adalah 22 f 2
V I Z. , dengan 2f
I adalah arus gangguan yang melalui rele dan Z2 adalah impedansi
antara tempat rel A ke titik gangguan F2. Perbandingan tegangan dan arus di rel A adalah :
2
2 2
f 222
f f
I ZV ZI I
. (8.64)
karena V2< V dan 2f
I > fI maka Z2 < Zb, sehingga rele tidak akan bekerja.
Rele jarak tipe RAZOA mempunyai tiga daerah pengukuran impedansi terarah, sehingga
hanya akan bekerja untuk gangguan yang terjadi pada arah yang telah ditentukan, biasanya arah ke
depan atau keluar dari rel (busbar) dan satu daerah empat sesuai dengan elemen startnya yang
dapat dibuat terarah atau tidak terarah.
Unit impedansi kurang tipe RGZB 030 mempunyai dua karakteristik yang berbeda yang
dapat dipilih yaitu karakteristik lingkaran (circular) dan karakteristik oval seperti gambar berikut
ini :
65
(a) Karakteristik operasi lingkaran (b) Karakteristik operasi oval
Gambar 8.11. Karakteristik operasi unit RGZB 030
Pada umumnya rele jarak tipe RAZOA menggunakan karakteristik lingkaran, tetapi
kadang kadang untuk impedansi saluran panjang yang dibebani atau perbandingan X/R
yang tinggi karakteristik oval lebih sesuai.
Untuk mendapatkan perlindungan yang baik rele jarak tergabung atas unit unit
berikut :
Tabel 8.1. Unit unit yang tergabung dalam rele jarak tipe RAZOA
No. Rancangan Tipe
1 Saklar Test RTXP 18
2 Konverter DC-DC RXTUG
3 Unit Input RGKC 070
4 Unit start impedansi kurang (underimpedance) RGZB 030
5 Unit pemilih fasa RGGB 030
6 Unit setelan arus RGAA 030
7 Unit setelan tegangan RGAB 030
8 Unit kelambatan waktu RGTA 030
9 Ruang untuk unit pengukuran tambahan RGZA 030
10 Unit rangkaian memori RGLA 030
11 Unit pengukuran dan pengindikasian RGSB 030
12 Unit pemrograman data dan ruang untuk test board
13 Unit keluaran RGKD 050
14 Tripping Rele RXMS 1
66
No. Rancangan Tipe
15 Unit Transformator RTTG
Posisi unit unit di atas ditunjukkan pada Gambar berikut :
Gambar 8.12. Tampak depan unit pembangun rele jarak tipe RAZOA
8.6.1 UNIT UNIT YANG TERGABUNG DALAM RELE JARAK TIPE RAZOA
Rele jarak tipe RAZOA tersusun dari beberapa unit modul yang kompleks seperti terlihat
pada Gambar 8.12, adapun modul modul tersebut adalah sebagai berikut :
a. Saklar Penguji (Test Switch) tipe RTXP 18
Sebagian besar masukan masukan dan keluaran keluaran rele ini dihubungkan ke
terminal terminal pada bagian luar sakelar dengan soket tembaga 20 A. hubungan
hubungan yang lain dapat dibuat dengan soket tembaga 10 A langsung ke terminal terminal
pada terminal dasar, secondary test yang lengkap dapat dilakukan dengan menggunakan Saklar
penguji ini.
b. Konverter DC/DC tipe RXTUG
Unit ini mengkonversikan suplai tegangan dc menjadi tegangan ac yang nantinya akan
ditransformasikan ke level tertentu lalu dengan penyearah setengah gelombang disearahkan
sehingga akan menghasilkan 12 V dc yang lebih rata (smooth), sehingga dengan proses ini, tegangan dc pada terminal baterai dapat disesuaikan dengan unit unit rele yang berbeda level
tegangannya termasuk rele itu sendiri.
67
c. Unit Masukan Kendali Antarmuka (Input Control Interface) tipe RGKC 070
Unit ini terdiri dari 7 (tujuh) Dry-Reed Rele dengan waktu operasi yang singkat
untuk fungsi fungsi sinyal input yaitu : CRA, CRB, RESET, BC, ZR , dan ZT seperti yang
terlihat pada Gambar 8.13. Saat switch ditutup secara manual, daya disuplai ke masukan BC,
kemudian ke rele jarak dengan suatu program dapat dibuat trip seketika, untuk mengopersikan
elemen startnya. Saat sinyal telekomunikasi diterima, daya suplai ke masukan CRA, hal ini
tergantung dari bagaimana rele jarak diprogram, sehingga diperoleh untuk berbagai skema
sistem.
Masukan CRB mempunyai dua fungsi, pertama untuk blok eksternal dan juga untuk
starting, pengukuran atau fungsi tripping sesuai yang diprogram dan yang kedua untuk skema
blok telekomunikasi. Masukan reset akan bekerja saat reset di luar indikasi diberikan, sedang
masukan berupa ZR, ZS, dan ZT digunakan ketika rele start oleh impedansi start rele yang lain.
Gambar 8.13. Sinyal masukan
Top Related