Jurnal ELTEK, Volume 05 Nomor 01, April 2007 ISSN 1693-4024

114

APLIKASI TEKNOLOGI SIMULASI RELE DIFFERENSIAL DAN RELE BUCHOLZ PADA SISTEM

PENGAMAN TRANSFORMATOR 3 PHASA

Harrij Mukti K*)

Abstrak

Sebuah transformator daya yang digunakan untuk mengatur level tegangan yang terdapat pada gardu induk seringkali mengalami beberapa gangguan. Baik gangguan yang disebabkan oleh transformator itu sendiri maupun dari sistem yang dapat merusak atau mengganggu kerja transformator, maupun merusak atau mengganggu sistem pada gardu induk. Tujuan teknologi simulasi ini adalah membuat sistem pengaman pada transformator dengan memanfaatkan alat bantu berupa rele Differensial. Alat ini merupakan pengaman utama (main protection) dari trafo, dengan sifat selektif dan reaksi cepat terhadap adanya gangguan. Rele Bucholz sebagai saklar pengatur untuk memberikan sinyal kepada triping coil agar dapat mematikan CB (Circuit Breaker). Hasil pengaturan rele differensial terhadap arus gangguan pada trafo 3phase untuk F1(sisi incoming trafo) dan F2 (sisi outgoing trafo) akan tampak perbandingannya dengan gangguan saat terjadi tegangan rendah (9.5411kA). Rele Bucholz memanfaatkan gas yang dihasilkan oleh minyak transformator akan muncul apabila terjadi over heating oleh kumparan transfomator. Apabila minyak transformator terlalu sering mengalami over heating akan mengurangi tingkat isolasi pengaman trafo.

Kata-kata kunci: rele differensial, rele bucholz, transformator

Abstract

A power transformer is used to manage voltage level in Watchman station is frequently trouble whether it is from transformer or the system that can damage work of transformer. The purpose of thsimulation technology is to make the security system in transformator by using differential rele. The instrument is the main protection from transformer with the nature of selective and reacts quickly to trouble existence. Rele Bucholz is as switch of regulator to give signal to triping of coil in order to can kill CB (Circuit Breaker). Result of arrangement of rele differential to current of trouble at transformer 3phase for F1(side incoming transformer) and F2 ( side of outgoing transformer) will see its comparison with trouble of moment when there is low tension ( 9.5411kA). Rele Bucholz exploit gas is yielded by oil of transformer will emerge in the event of over heating by bobbin transfomer. If oil of transformer is frequently over heatin, it will decrease level of insulation of transformer peacemaker.

Keywords: relay differensial, relay bucholz, transformer 1. PENDAHULUAN Gardu induk sebagai pensuplai tenaga listrik ke gardu-gardu distribusi mempunyai peranan penting dalam sistem kelistrikan di Indonesia. Dari gardu induk ini berfungsi sebagai penurun tegangan dari tegangan tinggi menjadi tegangan menengah atau tegangan rendah, alat untuk fungsi tersebut adalah transformator daya. Listrik umumnya dibangkitkan dengan pembangkit AC disebut “alternator” pada pembangkit daya termal, air

atau nuklir pada 50 atau 60 siklus per detik. Biasanya listrik dibangkitkan pada sekitar 9 hingga 13 KV di terminal pembangkitnya. Daya yang dihasilkan oleh satu pembangkit (dikenal juga dengan istilah UNIT) berada pada kisaran 67,5 MW, 110 MW, 220 MW, 500 MW, dan ada juga yang mencapai 1000 MW atau lebih. Daya yang dihasilkan disalurkan ke pengguna melalui jaringan transmisi dan distribusi, yang terdiri dari trafo, jalur transmisi dan peralatan kontrol.

*) Harrij Mukti, Dosen Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang

Harrij Mukti K, Aplikasi Simulasi Teknologi Rele Differensial, Halaman 114 – 124

115

Gambar 1. Pembangkitan, Transmisi dan Distribusi Daya Listrik*)

*)Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org

Selanjutnya pemakaian tegangan pada

untuk konsumen yang tidak terkontrol dengan batas-batas toleransi yang diijinkan akan mengganggu dan merusak peralatan konsumen. Perubahan tegangan pada dasarnya disebabkan oleh adanya hubungan antara tegangan dan daya reaktif. Sebuah transformator daya yang digunakan untuk mengatur level tegangan yang terdapat pada Gardu Induk seringkali mengalami beberapa gangguan. Hal ini menyebabkan klasifikasi gangguan antara gardu induk dengan transformator yaitu antara lain: 1). Gangguan internal 2). Gangguan eksternal Gangguan internal dapat berupa gangguan yang disebabkan oleh transformator itu sendiri yang kemudian dapat merusak atau mengganggu sistem pada gardu induk. Sedangkan gangguan eksternal dapat berupa gangguan yang disebabkan oleh sistem yang dapat merusak atau mengganggu kerja transformator. Dari gangguan-gangguan tersebut diatas diperlukan adanya tindakan pengamanan (proteksi) pada transformator. Sistem pengamanan (proteksi) pada tarfo Gardu Induk biasanya dilakukan dengan memanfaatkan peralatan Bucholz Relay dan Differential Relay.

Bucholz Relay beroperasi berdasarkan tinggi rendahnya level minyak pada sebuah transformator yang mengalami gangguan. Misalnya hubung singkat dalam kumparan, maka akan menimbulkan gas. Gas yang terbentuk akan berkumpul dalam rele pada saat perjalanan menuju tangki konservator, sehingga level minyak dalam rele turun dan akan mengerjakan kontak alarm (kontak pelampung atas). Sebaliknya bila level minyak transformator turun secara perlahan-lahan akibat dari suatu kebocoran, maka pelampung atas akan memberikan sinyal alarm dan bila penurunan minyak tersebut

terus berlanjut, maka pelampung bawah akan memberikan sinyal trip. Sedangkan Differensial Relay merupakan rele pengaman utama (main protection) dari trafo, yang memiliki sifat selektif sehingga tidak perlu dikoordinir oleh rele yang lain, sifat lain yang dimiliki oleh rele differensial adalah reaksi terhadap gangguan yang sangat cepat . Pemakaian fungsi kerja kedua relay tersebut antara lain untuk mengatur system proteksi pada sebuah trafo yang mengalami ketidakseimbangan arus dan tegangan diluar kondosi kerja normal . Pada penulisan ini masalah dibatasi hanya pada:

1) Perencanaan dan desain simulasi dari sistem pengaman transformator dengan memanfaatkan Differential dan Bucholz relay.

2) Perencanaan tranduser dan rangkaian pengkondisi sinyal dengan memanfaatkan pengubah data suhu ke bentuk tegangan analog dari trafo arus yang dikontrol dengan mikrokontroler AT89C51.

3) Menganalisa hasil dari keluaran gangguan arus sekunder trafo yang sesuai dengan angka transformasinya dari pemanfaatan Defferential dan Bucholz relay.

Tujuan dalam penulisan ini adalah mendesain dan menganalisa simulasi dari prinsip kerja serta cara pemasangan peralatan pengaman trafo gardu induk menggunakan Bucholz dan Differential Relay. 2. TINJAUAN PUSTAKA Dalam teori listrik dikenal adanya besaran dan satuan listrik yaitu: Tegangan Listrik (beda potensial antara dua penghantar yang bermuatan listrik dalam Volt), sedangkan arus listrik (muatan lsitrik yang mengalir pada suatu penghantar dari yang berpotensial tinggi ke rendah dalam Ampere), Frekuensi (banyaknya siklus atau periode gelombang berjalan arus listrik Bolak-balik selama satu detik dalam Hertz), Hambatan/ tahanan hal-hal yang dapat menghambat proses mengalirnya arus listrik dalam Ohm). Daya Listrik (Daya semu dalam va, Daya nyata/aktif dalam watt, Daya reatif dalam var), Beban Listrik (Beban Resistif contoh lampu pijar, Beban induktif contoh transformator, motor listrik, Beban kapasitif contoh kapasitor). dari ketiga Daya tersebut

Jurnal ELTEK, Volume 05 Nomor 01, April 2007 ISSN 1693-4024

116

terdapat suatu hubungan yang dapat ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Segi Tiga Daya*)

*)Hasyim Asy’ari, 2003

Perbandingan antara besar daya aktif

dengan daya semu disebut faktor daya (cos θ), θ adalah sudut yang dibentuk antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya ini terjadi karena adanya pergeseran fasa yang disebabkan oleh adanya beban induktif/kumparan dan atau beban kapasitif. Dalam teori listrik arus bolak-balik penjumlahan daya dilakukan secara vektoris, yang dibentuk vektornya merupakan segitiga siku-siku, yang dikenal dengan segitiga daya. Sudut θ merupakan sudut pergeseran fasa, semakin besar sudutnya, semakin besar Daya Semu (S), dan semakin besar pula Daya Reaktif (Q), sehingga faktor dayanya (cosθ)semakin kecil. Daya reaktif adalah daya yang hilang, atau daya rugi-rugi sehingga semakin besar sudutnya atau semakin kecil faktor dayanya maka rugi-ruginya semakin besar.

(1) 2.1. Sistem Distribusi Daya Listrik Sistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang terpadu oleh hubungan-hubungan peralatan dan komponen listrik seperti: generator, transformator, jaringan tenaga listrik dan beban-beban listrik atau pelanggan. Pendistribusian tenaga listrik adalah bagian dari suatu proses sistem tenaga listrik yang secara garis besar dapt dibagi menjadi tiga tahap yaitu: 1) Proses produksi di pusat-pusat

pembangkit tenaga listrik (PLTA, PLTG, PLTU)

2) Proses penyaluran daya/transmisi dengan tegangan tinggi (30, 70, 150, 500 KV) dari pusat-pusat pembangkit ke gardu-gardu induk.

3) Proses pendistribusian tenaga listrik dengan tegangan menengah/melalui

jaringan Distribusi primer (misal 11 atau 20 KV) dan tegangan rendah/jaringan distribusi sekunder (110, 220, 380 V).

Jaringan distribusi adalah semua bagian dari suatu sistem yang menunjang pendistribusian tenaga listrik yang berasal dari gardu-gardu induk. Sedangkan komponen-komponen jaringan distribusi adalah Jaringan distribusi primer (suatu jaringan dengan system 20 KV), gardu distribusi (suatu sistem dengan peralatan utama trafo untuk menurunkan tagangan), jaringan Distribusi sekunder (suatu jaringan dengan system tegangan 110 V, 220 V, 380 V). Klasifikasi jaringan distribusi menurut strukturnya antara lain:

1) Struktur jaringan radial 2) Struktur jaringan loop 3) Struktur jaringan spindel

2.2. Teori Dasar Trafo Transformator merupakan suatu alat untuk memindahkan daya listrik arus bolak – balik dari suatu rangkain ke rangkaian lainnya secara induksi magnetik. Dalam sistem tenaga listrik, trafo digunakan untuk memindahkan energi dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya tanpa mengubah frekuensinya. Biasanya dapat menaikkan atau menurunkan tegangan maupun arus, sehingga memungkinkan transmisi ekstra tinggi. 2.2.1. Konstruksi Konstruksi trafo secara umum terdiri dari: a) Inti yang terbuat dari lembaran-lembaran

plat besi lunak atau baja silikon yang diklem jadi satu.

b) Belitan dibuat dari tembaga yang cara membelitkan pada inti dapat konsentris maupun spiral.

c) Sistem pendingan pada trafo-trafo dengan daya yang cukup besar.

2.2.2. Jenis Trafo Berdasarkan Letak

Kumparan 1) Core type (jenis inti) yakni kumparan

mengelilingi inti. 2) Shell type (jenis cangkang) yakni inti

mengelilingi belitan 2.2.3. Pemodelan Trafo Daya Pemodelan sebuah trafo daya meliputi varibel yang berhubungan dengan sisi elektrikal dan magnetic. Pada Gambar 3,

Harrij Mukti K, Aplikasi Simulasi Teknologi Rele Differensial, Halaman 114 – 124

117

ditampilkan hubungan geometris dari trafo terhadap bahan inti magneticnya.

Gambar3. Penampang Lintang Lilitan*) *) Francis Calmom,1996 2.2.4. Transformator Daya

Transformator daya (tenaga) merupakan suatu peralatan listrik yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga atau daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya dengan kopling elektromagnetis. Transformator daya dapat digunakan untuk menaikkan tegangan yaitu dari pusat pembangkit, dari tegangan keluaran generator ke tegangan transmisi yang dapat berupa tegangan tinggi atau ekstra tinggi, atau untuk menurunkan tegangan dari tegangan ekstra tinggi ke tegangan tinggi, atau dari tegangan tinggi ke tegangan menengah pada GI dan dari tegangan menengah ke tegangan rendah pada jaringan distribusi. Pada transformator daya terdapat elemen pendukung antara lain:

a) Inti Besi b) Kumparan Transformator c) Bushing d) Tangki Transformator e) Minyak Transformator

2.2.5. Transformator Arus Transformator arus digunakan untuk

menurunkan besar arus dengan perbandingan yang diketahui dan arus yang telah diperkecil ini digunakan untuk pengukuran, sehingga tidak akan merusak alat ukur (amperemeter).Dalam pemakaiannya, transformator arus memiliki beberapa macam hubungan. Misalnya hubungan bintang, transformator arus diletakkan pada masing-masing phasa dengan sekunder transformator arus untuk mendeteksi arus gangguan. Arus sekunder sephasa dengan arus primer. Hubungan tersebut tampak pada gambar 4 di bawah ini.

R

CT 1

S T

CT 2 CT 3

Gambar 4. Transformator Arus Hubungan Bintang*)

*) Francis Calmom,1996

2.3. Rele Pengaman Rele merupakan salah satu dari perangkat proteksi pada sistem tenaga listrik selain PMT (pemutus tenaga), transformator arus (CT), transformator tegangan (PT), baterai dan pengawatan (kabel kontrol). Jika terjadi gangguan atau kondisi kerja abnormal, maka rele akan merasakan gangguan tersebut dan akan segera melakukan pemutusan atau penutupan pelayanan penyaluran setiap elemen sistem tenaga listrik, sehingga peralatan pada sistem dapat dilindungi dari kerusakan ataupun mengurangi kerusakan yang terjadi pada peralatan. Bentuk hubungan dari suatu rele pengaman tampak pada Gambar 5.

Gambar 5. Diagram Blok Relay Pengaman*)

*)Titarenko M and I Noskow Dikelsky, Protection Relaying ini Electrical Power System: 16.

2.3.1. Rele Bucholz Selama transformator beroperasi normal, rele akan terisi penuh dengan minyak. Pelampung akan berada pada posisi awal. Bila terjadi gangguan yang kecil di dalam tangki transformator, misalnya hubung singkat dalam kumparan, maka akan menimbulkan gas. Gas

Sensi

Com

Cont

A

B

ke Alarm

Jurnal ELTEK, Volume 05 Nomor 01, April 2007 ISSN 1693-4024

118

yang terbentuk akan berkumpul dalam rele pada saat perjalanan menuju tangki konservator, sehingga level minyak dalam rele turun dan akan mengerjakan kontak alarm (kontak pelampung atas). Bila level minyak transformator turun secara perlahan-lahan akibat dari suatu kebocoran, maka pelampung atas akan memberikan sinyal alarm dan bila penurunan minyak tersebut terus berlanjut, maka pelampung bawah akan memberikan sinyal trip. Bila terjadi busur api yang besar, kerusakan minyak akan terjadi dengan cepat dan timbul surya tekanan pada minyak yang bergerak melalui pipa menuju ke relay Bocholz kondisi kerja rele tampak pada Gambar6. Pada kecepatan aliran tertentu, pelampung bawah akan menutup kontak untuk trip.

A

B

CD E F

G

Gambar 6. Bentuk Rele Bucholz

2.3.2. Rele Differential Rele Differensial yang tampak pada Gambar7 merupakan rele pengaman utama (main protection) dari trafo, karena rele pengaman memiliki sifat selektif sehingga tidak perlu dikoordinir oleh rele yang lain, sifat lain yang dimiliki oleh rele differensial adalah reaksi terhadap gangguan yang sangat cepat.

I 1 I 2

i 1 i 2

Daerah Pengamanan

i d

Gambar 7. Bentuk Rele Differential

Prinsip kerja dari rele ini adalah membandingkan vektor arus I1 dan I2 atau i1 dan i2, CT1 dan CT2 harus memiliki rasio perbandingan sedemikian rupa agar i1=i2, serta sambungan CT1 dan CT2 haruslah benar didalam penyambungan dan polaritasnya. Pemasangan komponen ini bertujuan apabila angka perbandingan arus berubah maka telah terjadi kerusakan pada trasformator dan secara otomatis relay akan memberi sinyal kepada

CB untuk memutuskan sistem dengan tujuan agar kerusakan pada transformator tidak merusak sistem yang lainnya. 2.4. Karakteristik Beban

Sifat umum beban, karakteristiknya ditentukan oleh faktor kebutuhan beban maksimum (demand factor), faktor beban (load factor) dan faktor diversitas. Dalam praktek listrik diperjual belikan berdasarkan kebutuhan yang dalam kenyataan kebutuhan rata-rata yang tercatat pada periode tertentu biasanya 15, 30, 60 menit. Periode 30 menit sering disarankan karena tidak ada denda yang besar untuk kelalaian puncak untuk waktu yang pendek dan adanya bermacam-macam konstanta waktu pemanasan peralatan listrik seperti misalnya motor listrik. Kebutuhan maksimum/beban puncak suatu instalasi/sistem biasanya dinyatakan sebagai harga terbesar tingkat kebutuhan 30 menit pada periode tertentu. Faktor Beban adalah jumlah satuan yang dipakai pada suatu periode yang ditentukan dibagi kebutuhan maksimum dikali jam pada periode yang sama.

2.5. Perhitungan CT

Pada perhitungan CT dimisalkan pemakaian transformator tiga fasa 20 MVA dengan tegangan primer 70 KV dan tegangan sekunder 20 KV. Untuk menentukan arus tegangan tinggi maupun rendah menggunkan persamaan (2) dan (3), sehinggga persamaannya sebagai berikut :

Arus tegangan tinggi =3KVpx

MVA (2)

Arus teganganrendah =3KVpx

MVA (3)

2.5.1. Arus Hubung Singkat Kuantitas bersama-sama antara ampere dan ohm sering juga dinyatakan sebagai persentase atau per unit dari suatu nilai dasar atau referensi yang ditentukan untuk masing-masing. Definisi nilai per unit untuk suatu kuantitas adalah perbandingan kuantitas tersebut terhadap nilai dasar yang dinyatakan dalam desimal. Perbandingan (ratio) dalam persentase adalah 100 kali nilai dalam per unit. Untuk hubungan tegangan, arus kilovolt ampere dan impedansi karena digunakan untuk menentukan nilai dasar kuantitas

Harrij Mukti K, Aplikasi Simulasi Teknologi Rele Differensial, Halaman 114 – 124

119

lainnya. Jika dasar dari arus dan tegangan sudah dipilih, maka nilai dasar impedansi dan kilovolt-ampere dapat ditentukan. Impedansi dasar adalah impedansi yang akan menimbulkan jatuh tegangan padanya sendiri sebesar tegangan dasar jika arus yang mengalirinya sama dengan arus dasar. Jadi untuk system fasa tunggal atau system tiga fasa dimana istilah arus berarti arus saluran, istilah tegangan berarti tegangan ke netral, dan istilah kilovoltampere per fasa, berlaku rumus-rumus berikut ini untuk hubungan bermacam-macam kuantitas :

baseahsebenarnyaahunitper

argarg

= (4)

, ( )dasar kVAarus dasar

tegangan dasar kV LN= (5)

, ( ),

tegangan dasar V LNimpedansi dasararus dasar A

= (6)

(3 ), ( ) 3

kVA fasa dasararus dasartegangan dasar kV LL x

= (7)

Persamaan diatas digunakan untuk satu fasa, sedangkan untuk tiga fasa adalah :

( , ( )) 2(3 )

tegangan dasar V LLimpedansi dasarMVA fasa dasar

= (8)

2.6. Tranduser Untuk mengetahui besarnya arus yang melewati saluran digunakan transformator arus (CT), pemakaian tranduser untuk mendeteksi besarnya arus yang ada pada sekunder transformator arus, maka arus pada sisi sekunder transformator arus diubah menjadi menjadi tegangan. Untuk mengubah arus ke dalam tegangan pada sisi sekunder transformator dipasang resistor secara pararel, kemudian dioda dipasang secara seri untuk menghasilkan penyearah setengah gelombang. Gambar 8 sensor arus tampak dibawah ini.

50 A

1,1

ohm

/ 30

W

5 A

5 V

olt

Dioda 5 A

Gambar 8. Gambar Sensor Arus

3. METODOLOGI 3.1. Pendekatan Pada penelitian ini dilakukan proses perencanaan desain system pengaman tranformator menggunakan rele differensial sesuai dengan blok diagram gambar 9. Perencanaan dengan menggunakan Differensial Relay kareana pada rele ini merupakan pengaman utama (main protection) dari trafo yang digunakan pada penelitian ini.

TRANDUCER ADC 0809

MCU 8951DRIVER

TRIPPING COIL CIRCUIT BREAKER

CURRENTTRANSFORMER

Gambar 9. Blok Diagram Rele Differensial

Single line diagram pada rele differensial tampak pada Gambar10. sebagai berikut :

CB

ReleDifferensial

CT 1

CT 2

CT 3

CT 4

CT 5

CT 6

TRAFOY

TeganganTinggi

TeganganRendah

Yr

ST

st

RCB

TC TCACT ACT

Gambar 10. Single Line Diagram Rele

Differensial Dari blok diagram Gambar 9 dilakukan perhitungan CT untuk menentukan ukuran arus tegangan tinggi dan rendah. Pada penelitian ini menggunakan transformator tiga fasa 20 MVA dengan tegangan primer 70 KV sedangkan tegangan sekunder 20 KV. Untuk menentukan nilai arus pada sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah sebagai berikut :

Arus tegangan tinggi = 3KVpx

MVA

= 164,96 A

Arus teganganrendah = 3KVpx

MVA

= 577,36 A Arus yang diperoleh dari perhitungan diatas adalah yang 164,96 A(tegangan tinggi) dan 577,36 A(tegangan rendah). Pemakaian trafo yang sesuai dengan hasil arus tersebut adalah trafo dengan perbandingan 200/5 pada sisi tegangan tinggi (CT1) dan 600/5 pada sisi tegangan rendah (CT2). Maka arus yang mengalir pada sisi sekunder trafo arus adalah :

Jurnal ELTEK, Volume 05 Nomor 01, April 2007 ISSN 1693-4024

120

Arus sekunder CT1=Arus Primer CT1 x rasio CT1 = 164,96 A x 5/200 = 4,124 A Arus sekunder CT2=Arus Primer CT1 x rasio CT1 = 577,36 A x 5/600 = 4,814 A Dari perhitungan di atas, masih terdapat selisih antara arus pada sekunder CT1 dan CT2, sehingga untuk menyamakannya harus digunakan ACT (Auxiliary Current Transformator). ACT 1 adalah merubah dari 4,124 A menjadi 5 A. = (5-4,124)/4,124x 100 % = 21,24 % ACT 2 adalah merubah dari 4,814 A menjadi 5 A. = (5-4,814)/4,814x 100 % = 3,86 % Dari perhitungan diatas, maka ACT yang digunakan adalah ACT dengan perbandingan 5 ± 4%. Pada ACT1, input ACT1 diletakkan pada tab yang ke-5, sehingga penambahan arus sebesar 20%. Sedangkan untuk ACT2 dimasukkan pada tab yang ke-1, sehingga penambahan arus pada ACT2 adalah sebesar 4%. Penambahan arus yang disebabkan oleh ACT adalah sebesar : ACT1 = 20% x 4,124 A = 0,8248 A ACT2 = 4% x 4,814 A = 0,1858 A Sehingga arus yang keluar dari output ACT adalah sebesar : ACT1 = 4,124 + 0,8248 = 4,948 A ACT2 = 4,814 + 0,1858 = 4,999 A 3.2. Perencanaan Tranduser Untuk mengetahui besarnya arus yang melewati saluran digunakan transformator arus (CT), dimana pada perencanaan ini digunakan tranduser dapat mendeteksi besarnya arus yang ada pada sekunder transformator arus, maka arus pada sisi sekunder transformator arus diubah menjadi menjadi tegangan.

Untuk mengubah arus ke dalam tegangan pada sisi sekunder transformator dipasang resistor secara pararel, kemudian dioda dipasang secara seri untuk menghasilkan penyearah setengah gelombang Tegangan output yang diinginkan adalah 5 V, karena tegangan masukan dari ADC 0809 maksimal adalah 5 V. Sehingga diperoleh

harga R = 1,14 Ω Daya dari resistor tersebut P = I2 . R = 52 . 1,14 = 28,5 W

Pemilihan nilai resistor sebesar 1,14 Ω disesuaikan dengan perolehan daya minimum 28,5 W. Ketentuan resistor tersebut di pasaran tidak ada, maka disesuaikan dengan resistor yang tersedia dipasaran sebesar 2,2 Ω / 15 W sebanyak 2 buah dirangkai secara pararel.

3.3. Rangkaian Pengubah Data Analog ke

Digital (ADC) Data suhu yang diperoleh dari tranduser dan rangkaian pengkondisi sinyal akan berupa besaran tegangan analog, selanjutnya data suhu tersebut harus diubah ke bentuk data digital 8 bit agar dapat dibaca oleh mikrokontroler. Proses kontrol pengubah digunakan konverter analog ke digital ADC 0809. Konverter ADC ini mempunyai 8 masukan analog yang dimultipleks menjadi data digital 8 bit. Untuk menyeleksi sebuah masukan pada seluruh alamat yang ada, maka ADC0809 dihubungkan pada mikrokontroler AT89C51. Dengan frekuensi detak tipikal 640 kHz. Dengan tegangan referensi Vref sebesar 5 V bobot 1 LSB adalah 20 mV pada Vref = 5,12 V. Tegangan keluaran tranduser suhu yang terukur cukup kecil sehingga tingkat resolusi dari ADC 0809 diharapkan cukup kecil. Tingkat resolusi ADC 0809 adalah : Resolusi = Vreferensi / (28 – 1) Resolusi = 5/(28 – 1) = 0,0195 V Jadi besarnya resolusi merupakan nilai pendekatan sebesar 0,0195 V ≈ 0,02 V 3.4. Rele Bucholz Pada perencanaan simulasi rele Bucholz maka dapat dibuat simulasi seperti pada gambar 11.

Gambar 11. Simulasi Rele Bucholz

D A

30

40 Cm 20 Cm

B

C

E

Harrij Mukti K, Aplikasi Simulasi Teknologi Rele Differensial, Halaman 114 – 124

121

Keterangan: A. Saklar Air Raksa (Mercury Switch) B. Pompa Tangan C. Simulasi Box Trafo D. Simulasi Tangki Minyak Trafo (Conservator) E. Pipa Saluran Minyak Trafo Rangkaian kontrol tampak pada Gambar 12 untuk rele Bucholz ,

K2 K3K1

220V AC6V DC9V DC

--N

K1 K2 K3S1 K2

K3

K2K1

Al

L1 L2

MS

S0

F

Gambar 12. Rangkaian Kontrol Rele

Bucholz

Keterangan gambar :

K1 : Rele 1 K2 : Rele 2 K3 : Rele 3 S0 : Saklar Reset S1 : Saklar Alarm Off L1 : Lampu Tanda 1 L2 : Lampu Tanda 2

Pada simulasi rele Bucholz menggunakan saklar air raksa (mercury switch). Saklar ini dapat bekerja apabila tabung saklar miring dengan kemiringan-kemiringan tertentu, dan kemiringan dari tabung saklar diakibatkan oleh tekanan yang diberikan oleh pompa tangan. Kemiringan saklar air raksa dapat menyebabkan bekerjanya kontrol rele Bucholz. Pengaturan saklar untuk memberikan sinyal kepada triping coil agar dapat mematikan CB (Circuit Breaker). Pada saat saklar mengalami kemiringan yang pertama alarm dapat dimatikan mengunakan tombol tekan alarm off, tanpa memadamkan lampu tanda pertama. Setelah saklar kembali pada posisi normal, tombol reset dapat ditekan untuk mengembalikan ke kondisi asal, akan tetapi apabila saklar masih pada posisi kemiringan maka tombol reset tidak akan dapat mengembalikan kontrol pada posisi semula.

4. PEMBAHASAN 4.1. Hasil Penelitian

Berdasarkan perhitungan nilai impedansi pada sisi trafo tegangan tinggi, dengan data sebagai berikut : MVA sumber (dasar) = 1500 MVA Tegangan dasar = 70 kV Arus dasar =

KV 70 . 3MVA 1500

base KV . 3baseMVA

= =12,38 kA

Impedansi dasar =

150070

baseMVA base) (KV 22

= = 3,26 Ω

4.1.1. Reaktansi Pengganti Pada Sumber

(Xs) Untuk menentukan impedansi sumber, maka harus diketahui MVA sumber yaitu pada sisi busbar incoming transformator sebesar 1500 MVA, sehingga dapat dihitung impedansi sumber pengganti (Xs)nya.

Xs = MVAKV2

= 1500702

= j 3,26 Ω

Perlu diingat bahwa impedansi sumber yang dihasilkan diatas adalah pada sisi 70 KV. 4.1.2. Reaktansi Trafo (Xtr) Pada data trafo, impedansi lama trafo adalah 7,5 %. Maka impedansi baru adalah :

= lamaMVA baruMVA 2

baru kVlama kV lama X baru X

= j 5,625 PU

=

201500

2

7070 0.075 baru trafo X

Xtr11 = Xtr12 = Xtr10 = j 5,625 PU Dengan : Xtr11 = impedansi trafo urutan positif Xtr12 = impedansi trafo urutan negatif Xtr10 = impedansi trafo urutan nol Karena trafo tersebut hubungannya Y- Y, dimana kumparan sisi sekunder diketanahkan dengan tahanan tinggi Rn = 500Ω

Xn = Zbase

Rn

Jurnal ELTEK, Volume 05 Nomor 01, April 2007 ISSN 1693-4024

122

= 26,3

500= 153,37 PU

4.1.3. Reaktansi Saluran (Xsal) Pada saluran distribusi digunakan penghantar AAAC dengan luas penampang 150 mm2 yang mempunyai impedansi sebesar 0,216Ω/km sepanjang 20 KM dan 0,269Ω /km sepanjang 80 KM. Saluran distribusi ini mempunyai dua feeder yang menuju beban. Dengan demikian, besar impedansi saluran adalah : Xsal = [0,216 x 20] + [0,269 x 80] = 4,32 + 21,52 = 25,84 Ω

Xsal.tot = 2

25,84

= 12,92 Ω

Xsal PU = ZbaseZsal

= 3,26

12,92= 3,96 PU

4.1.4. Reaktansi Pengganti Pada Saluran Distribusi (Xtot) Dalam perhitungan ini dicari impedansi urutan positif, negatif dan nol yang terdiri dari impedansi pengganti sumber, impedansi trafo dan impedansi saluran. Nilai perhitungan impedansi total berdasarkan gangguan disalah satu titik yaitu pada incoming trafo. a) Reaktansi Urutan Positif X1 tot = X1s // X1tr + X1sal = j 3,26 // (j 5,625 + j 3,96) = j 3,26 // j 9,585

= 9,585 j 3,26 j9,585 j x 3,26 j

+

= 12,85

25,31j

j

= j 2,43 PU X1tot = X2 tot = j 2,43 PU b) Reaktansi Urutan Nol X0tot = X0s = 3,26 = 3,26 ∠ 90o

Tabel 1. Hasil Perhitungan Impedansi Total Gangguan pada titik

X1tot =X2tot urutan positif sama dengan urutan

negatif

Xotot urutan nol

F1 j 2,43 PU j 3,26 PU

F2 j 2,73 PU j 3,96 PU

4.1.5 Arus Hubung Singkat 1 Fasa ke

Tanah

Gambar 13. Rangkaian Pengganti Arus Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah

Sedang hubung singkat 1 fasa ke tanah adalah Iao = Ia1 = Ia2. Untuk arus hubung singkat satu fasa ke tanah maksimum, Zf = 0Ω

Iao = 3Zf Zo Z2 Z1

Ea+++

=

(3.0) 903,26 902,43 902,430 1

+°∠+°∠+°∠°∠

= 0,1 ∠ -90o Ia = 3 Iao = 3 (0,1 ∠ -90o) = 0,3 ∠ -90o Jadi arus hubung singkat simetrical adalah : Iao = 0,3∠ -90o x 12,38 KA =

3,714 ∠ -90o KA Ib = 0 Ic = 0

Dengan cara seperti di atas, maka untuk arus hubung singkat pada titik F1 (sisi incoming trafo) dan titik F2 (sisi outgoing trafo) akan tampak hasilnya pada table 2. sebagai berikut:

3

Z1 Z2 Z0

Ea

Harrij Mukti K, Aplikasi Simulasi Teknologi Rele Differensial, Halaman 114 – 124

123

Tabel 2. Arus Gangguan Hubung Singkat Simetri

No Gangguan Arus

Macam Gangguan

3 phasa 2 phasa 1 phasa ke tanah

Arus (kA) Sudut Arus (kA) Sudut Arus (kA) Sudut

1 F1 IA 5,07 -90 0 0 3.714 -90

IB 5,07 150 4,456 180 0 0

IC 5,07 30 4,456 0 0 0

2 F2 IA 9.5411 -90 0 0 5.1287 -90

IB 9.5411 150 8.2626 180 0 0

IC 9.5411 30 8.2626 0 0 0

Dari tabel 2 dapat dilihat arus gangguan terhadap phase 3,2 dan 1 ke tanah sehingga F1(sisi incoming trafo) dan F2(sisi outgoing trafo) akan tampak perbandingannya pada titik mana gangguan terbesar sehingga dapat dikontrol dengan pemakaian rele Differensial. Pada Gambar 14. grafik perbadingan arus gangguan dari F1 dan F2 dimisalakan pada trafo 3phase. Pada trafo 3phase terdapat gangguan arus terbesar saat terjadi tegangan rendah(9.5411kA).

Gambar 14. Iterasi Hasil Dari ARus Gangguan F1 dan F2

4.1.6. Perhitungan Setting Relay Diferensial Dari perhitungan trafo berdasarkan perencanaan dengan spesifikasi sebagai berikut :

Daya trafo = 20 MVA In (LV) = 164,96 A In (HV) = 577,36 A

Arus sisi primer trafo arus (CT) adalah : Ir (LV) = 4,124 A Ir(HV) = 4,814 A

Maka pembiasan sebesar :

V = %100xIrestId

= %100)21(5,0

21II

II+

−

= )124,4814,4(5,0

124,4814,4+

−x 100%

= 15,43 % Sehingga setting rele diferensial ditetapkan sebesar 15 %. Pada grafik Gambar 15 tampak hasil iterasi dari setting pembiasan rele diferencial.

Gambar15. Grafik Persentase Iterasi Setting Pembiasan

4.1.7. Analisa Rele Diferensial Untuk menyamakan arus sekunder trafo arus pada perencanaan rele diferensial, maka harus menggunakan ACT yang disesuaikan dengan kebutuhan angka transformasinya. Dengan demikian arus yang masuk ke dalam rele akan sama dalam kondisi normal. Pada daerah tersebut arus akan mengalami ketidakseimbangan maksimum sehingga rele tidak akan bekerja. Berdasarkan perhitungan, arus gangguan yang terbesar adalah pada saat terjadi gangguan tiga fasa pada sisi tegangan rendah, yaitu sebesar 9.5411 kA. Hal ini disebabkan karena pada sisi tegangan rendah arus yang mengalir lebih besar dari pada arus yang mengalir pada sisi tegangan tinggi. Sedangkan untuk arus hubung singkat yang terkecil adalah pada saat gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah,

Jurnal ELTEK, Volume 05 Nomor 01, April 2007 ISSN 1693-4024

124

yaitu sebesar 0,1802 kV. Jadi pada saat terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah, maka akan terjadi ketidakseimbangan arus antara sisi tegangan tinggi dan sisi teganan rendah. Dengan demikian maka akan mengaktifkan rele diferensial, dan akan mengirimkan sinyal ke triping koil untuk mengetripkan cirkuit breaker. 4.1.8. Rele Bucholz Pada rele Bucholz gas yang menyebabkan mercury switch bekerja berasal dari memanasnya minyak transformator memiliki unsur-unsur kimia sebagai berikut:

1) C2H6. 2) CO2 3) CO 4) H2 5) C2H2

Gas–gas yang dihasilkan oleh minyak transformator akan muncul apabila terjadi over heating oleh kumparan transfomator. Apabila minyak transformator terlalu sering mengalami hal tersebut maka minyak transformator akan berkurang tingkat isolasinya. Ketika terjadi short circuit antar kumparan pada transformator,dan dengan semakin rendahnya tingkat isolasi pada minyak, maka dapat mengakibatkan terjadinya aliran minyak dalam tangki trafo yang nantinya akan mengaktifkan rele bochloz dan akan mengirimkan sinyal ke triping koil untuk mengetripkan circuit breaker. 5. PENUTUP

Kesimpulan yang dapat diambil dari pembahasan adalah sebagai berikut: 1) Hasil iterasi gangguan pada arus terbesar

pada kondisi trafo 3phase, sedangkan pembiasan setting rele persentasi terbaik pada 15%.

2) Rele Differensial digunakan untuk mengamankan transformator dengan menggunakan prinsip membandingkan arus pada sisi primer dan arus pada sisi sekunder.

3) Arus yang dapat diatasi oleh rele differensial adalah arus tidak seimbang yang disebabkan oleh hubung singkat kumparan transformator, arus hubung singkat pada bussing transformator dan arus hubung singkat antar kumparan pada transformator.

4) Pada rele Bucholz, terjadinya gangguan di dalam transformator yang dapat berupa gangguan phasa ke tanah, hubung singkat antar belitan sehingga menimbulkan panas

5) Apabila gangguan pada transformator tersebut terus terjadi, maka aliran dari gelembung-gelembung udara tersebut semakin keras, akan dapat dimanfaatkan sebagai pemutus CB (circuit breaker).

6) Gas yang dihasilkan oleh minyak transformator akibat dari over heating kumparan transformator adalah C2H6, CO2, CO, H2, C2H2.

Saran terhadap penelitian selanjutnya

adalah pemeriksaan terhadap setting rele differensial sebagai pengaman transformator hendaknya diperhatikan secara seksama, hal ini dikarenakan rele tersebut merupakan rele pangaman utama dari transformator. Seringkali terjadi gas yang dihasilkan oleh minyak transformator akan berakibat over heating oleh kumparan transfomator. Oleh karena itu perlu diatur adanya aliran minyak yang murni dalam tangki trafo untuk mengaktifkan rele bochloz sehingga mudah mengirimkan sinyal ke triping koil untuk mengetripkan circuit breaker.

6. DAFTAR PUSTAKA Parker Smith, Elektrical Engineering Design

Manual, 2nd Edition Reversed, Chapman And Hall Ltd, London, 1950.

Ravindranath, Power System Protection And SwitchtGear, 1997

Arief Budianto, Perencanaan Simulasi Pengaman Transformator, 2002

Shanmugasundaram. A, Gangdaran. G,Palni.R, Electrical Machine Design Data Book, Wliley East Tern Limited, NewDelhi.

Singh Barbir, Elektrical Machine Design, Vakas PublisingHouse PVT, Bombay.