BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian Terdahulu

Diah Risqiwati, Mauridhi Hery P., dan Ardyono Priyadi (2012) meneliti

tentang “ Metode Pendektesian Lokasi Gangguan pada Jaring Tiang Distribusi 20

KV” menyimpulkan bahwa pada metode berbasis impedansi yang membuat error

semakin besar ketika menjauhi sumber adalah faktor penambahan nilai Va pada

penambahan Bus/titik, sedangkan pada percobaan Va dihitung tetap untuk setiap bus.

Untuk validasi data jaringan distribusi tidak dapat sedetail jarak antar titik jaringan

transmisi, hal ini dikarenakan satuan yang digunakan pada jaringan distribusi adalah

meter, sehingga menghasilakn sinyal gelombang yang sangat kecil.

Karl Zimmerman dan David Costello (2004) meneliti tentang “ Impedance-

Based Fault Location Experience” menyimpulkan bahwa metode berbasis impedansi

One-Ended merupakan metode yang baik untuk mendeteksi lokasi gangguan dan

masih menghasilkan hasil yang sangat baik.

A.T. Giuliante, D.M MacGregor, A. & M. Makki, A.P. Napikoski (2004)

meneliti tentang “ Using Event Recording Verify Protective Relay Operations”

mengungkapkan bahwa akurasi perhitungan lokasi gangguan tergantung pada factor

bilangan. Beberapa diantaranya:

a. Akurasi impedansi urutan positif dan impedansi urutan nol

5

b. Akurasi CT dan PT

c. Metode perhitungan lokasi gangguan one-ended dan Two Ended

Informasi lokasi gangguan tidak akan diketahui hanya lokasi ujung; oleh

karena itu, teknik one-ended akan menggunakan determinan lokasi gangguan. Sejak

ujung saluran informasi lokasi gangguan tidak diketahui, akurasi perhitungan takagi

one ended tidak diketahui. Jika metode takagi menggunakan ukuran selama lokasi

gangguan pada gangguan awal, dimana mendapatkan error yang penting pada sistem

non-homogen

2.2 Pengertian Saluran Transmisi

Sistem transmisi adalah suatu sistem penyaluran energi listrik dari satu tempat

ke tempat lain, seperti dari stasiun pembangkit ke substation (gardu induk).

Pemakaian sistem transmisi didasarkan atas besarnya daya yang harus disalurkan dari

pusat‐pusat pembangkit ke pusat beban dan jarak penyaluran yang cukup jauh antara

sistem pembangkit dengan pusat beban tersebut. Sistem transmisi menyalurkan daya

dengan tegangan tinggi yang digunakan untuk mengurangi adanya rugi‐rugi akibat

jatuh tegangan [3].

Sistem transmisi dapat dibedakan menjadi sistem transmisi tegangan tinggi

(high voliage, HV), sistem transmisi tegangan ekstra tinggi (extra high voltage,

EHV), dan sistem transmisi ultra tinggi (Ultra high voltage, UHV). Besarnya

tegangan nominal saluran transmisi tegangan tinggi ataupun ekstra tinggi berbeda‐

6

beda untuk setiap negara atau perusahaan listrik di Negara tersebut, tergantung

kepada kemajuan tekniknya masing‐masing. Di Indonesia tegangan tinggi yang

digunakan adalah 150 kV dan tegangan ekstra tinggi adalah tegangan 500 kV yang

terinterkoneksi antara Jawa dan Bali. Sistem interkoneksi ekstra tinggi ini merupakan

bagian terpenting dari penyaluran daya di Indonesia sehingga kelangsungan dan

keandalan sistem ini harus selalu dijaga.

Gambar 2.1 Ilustrasi Sistem Tenaga Listrik.[3]

Saluran trasmisi merupakan suatu sistem yang kompleks yang mempunyai

karakteristik yang berubah‐ubah secara dinamis sesuai keadaan sistem itu sendiri.

Adanya perubahan karakteristik ini dapat menimbulkan masalah jika tidak segera

dapat diantlsipasi. Dalam hubungannya dengan system pengamanan suatu sistem

transmisi, adanya perubahan tersebut harus mendapat pertiatian yang besar mengingat

saluran transmisi mmiliki arti yang sangat penting dalam proses penyaluran daya [3].

Masalah‐rnasalah yang timbul pada saluran transmisi, diantaranya yang terutama

adalah:

1. Pengaruh perubahan frekuensi sistem

7

Frekuensi dari suatu sistem daya berubah secara terus menerus dalarn suatu

nilai batas tertentu. Pada saat terjadi gangguan perubahan frekuensi dapat merugikan

baik terhadap peralatan ataupun sistem transmisi itu sendiri. Pengaruh yang

disebabkan oleh perubahan frekuensi ini terhadap saluran transmisi adalah pengaruh

pada reaktansi. Dengan perubahan frekuensi dari ω1 ke ω1’ dengan kenaikan Δω1,

reaktansi dari saluran akan berubah dari X ke X' dengan kenaikan ΔX. Perubahan

reaktansi ini akan berpengaruh terhadap pengukuran impedansi sehingga impedansi

yang terukur karena adanya perubahan pada nilai komponen reaktansinya akan

berbeda dengan nilai sebenarnya.

2. Pengaruh dari ayunan daya pada sistem

Ayunan daya terjadi pada sistem paralel pembangkitan (generator) akibat

hilangnya sinkronisasi salah satu generator sehingga sebagian generator menjadi

motor dan sebagian berbeban lebih dan ini terjadi bergantian atau berayun. Adanya

ayunan daya ini dapat menyebabkan kestabilan sistem terganggu. Ayunan daya ini

harus segera diatasi dengan melepaskan generator yang terganggu. Pada saluran

transrnisi adanya ayunan daya ini tidak boleh rnembuat kontinuitas pelayanan

terganggu, tetapi perubahan arus yang terjadi pada saat ayunan daya bisa masuk

dalam jangkauan sistem pengamanan sehingga memutuskan aliran arus pada saluran

transmisi. Suatu sistem proteksi harus dapat membedakan adanya ayunan daya ini

dengan adanya gangguan.

3. Pengaruh gangguan pada sistem transmisi

8

Saluran transmisi mempunyai resiko paling besar bila mengalami gangguan,

karena ini akan berarti terputusnya kontinuitas penyaluran beban. Terputusnya

penyaluran listrik dari pusat pembangkitan ke behm tentu sangat rnerugikan bagi

pelanggan terutama industri, karena berarti terganggunya kegiatan operasi di industri

tersebut. Gangguan periyediaan listrik tidak dikehendaki oleh siapapun, tetapi ada

kalanya gangguan tersebut tidak bisa dihindari. Oleh karena itu dipeilukan usaha

untuk mengurangi akibat adanya gangguan tersebut atau memisahkan bagian yang

terganggu dari sistem. Gangguan pada saluran transmisi merupakan 80%-90% dari

seluruh gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik [8]. Diantara gangguan

tersebut gangguan yang terbesar frekuensi terjadinya adalah gangguan hubung

singkat satu fasa ke tanah, kaitu sekitar 85% dari totai gangguan pada transmisi

saluran udara. Suatu sistim proteksi harus dapat mendeteksi semua gangguan apakah

itu gangguan antar fasa atau gangguan satu fasa ke tanah. Karena sifat‐sifat gangguan

tersebut berbeda maka untuk mendapatkan pengukuran yang betul adalah dengan

mengukur impedansi yang berbeda‐beda untuk setiap gangguan.

2.3 Gangguan Hubung Singkat

Gangguan adalah suatu ketidaknormalan (interferes) dalam sistem tenaga

listrik yang mengakibatkan mengalirnya arus yang tidak seimbang dalam sistem tiga

fasa. Gangguan dapat juga didefinisikan sebagai semua kecacatan yang mengganggu

aliran normal arus ke beban [6]. Tujuan dilakukan analisa gangguan adalah :

9

1. Penyelidikan terhadap unjuk kerja rele proteksi

2. Untuk mengetahui kapasitas rating maksimum dari pemutus tenaga

3. Untuk mengetahui distribusi arus gangguan dan tingkat tegangan sistem

pada saat terjadinya gangguan.

Berikut ini adalah gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi dalam

jaringan sistem kelistrikan :

1. Gangguan hubung singkat tiga fasa

2. Gangguan hubung singkat dua fasa

3. Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah

Semua gangguan hubungan singkat diatas, arus gangguannya dihitung

dengan menggunakan rumus dasar, yaitu:[14]

I=VZ ......................................................................................................................[2.1]

Keterangan :

I = Arus yang mengalir pada hambatan Z (A)

V = Tegangan sumber (V)

Z = Impedansi jaringan dan nilai ekivalen dari seluruh impedansi di

dalam

jaringan dari sumber tegangan sampai titik gangguan (ohm)

Yang membedakan antara gangguan hubung singkat tiga fasa, dua

fasa dan satu fasa ke tanah adalah impedansi yang terbentuk sesuai dengan macam

10

gangguan itu sendiri, dan tegangan yang memasok arus ke titik gangguan. Impedansi

yang terbentuk dapat ditunjukan seperti berikut :

Z untuk gangguan tiga fasa, Z=Z1

Z untuk gangguan dua fasa, Z=Z1+Z2

Z untuk gangguan satu fasa, Z=Z1+Z2+Z0

Dimana :

Z1 = Impedansi urutan positif (ohm)

Z2 = Impedansi urutan negatif (ohm)

Z0 = Impedansi urutan nol (ohm)

2.3.1. Perhitungan Arus Gangguan Hubung Singkat

Perhitungan arus gangguan hubung singkat adalah analisa suatu sistem tenaga

listrik pada saat dalam keadaan gangguan hubung singkat, dimana nantinya akan

diperoleh besar nilai besaran-besaran listrik yang dihasilkan sebagai akibat gangguan

hubung singkat tersebut. Gangguan hubung singkat dapat didefinisikan sebagai

gangguan yang terjadi akibat adanya penurunan kekuatan dasar isolasi (basic

insulation strength) antara sesama kawat fasa, atau antara kawat fasa dengan tanah

yang menyebabkan kenaikan arus secara berlebihan atau biasa juga disebut gangguan

arus lebih. [15]

11

Perhitungan arus gangguan hubung singkat sangat penting untuk mempelajari

sistem tenaga listrik baik pada waktu perencanaan maupun setelah beroperasi.

Perhitungan arus hubung singkat dibutuhkan untuk :

Setting dan koordinasi peralatan proteksi

Menentukan kapasitas alat pemutus daya

Menentukan rating hubung singkat peralatan-peralatan yang digunakan

Menganalisa sistem jika ada hal-hal yang tidak baik yang terjadi pada waktu

sistem sedang beroperasi

Untuk menghitung arus gangguan hubung singkat pada sistem, dapat dilakukan

dengan beberapa tahap perhitungan, diantaranya :

1. Menghitung Impedansi

Ada tiga macam impedansi urutan, yaitu :

Impedansi urutan positif (Z1), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh

arus urutan positif

Impedansi urutan negatif (Z2), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh

arus urutan negative

Impedansi urutan nol (Z0), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh urutan

nol [14]

a) Impedansi Sumber

Persamaan Impedansi Sumber [23] [14] adalah

X s=KV 2

MVA .................................................................................................................[2.2]

12

Dimana :

XS = Impedansi Sumber (ohm)

KV2 = Tegangan sisi primer transformator daya (KV)

MVA = Data hubung singkat di bus (MVA)

b) Impedansi Transformator

Untuk perhitungan impedansi transformator yang diambil adalah nilai

reaktansinya, sedangkan tahanannya diabaikan karena nilainya kecil. Untuk

menghitung nilai reaktansi transformator dalam ohm pada 100% di sisi transmisi 70

kV, langkah pertama yaitu :

X t( pada 100% )= KV 2

MVA .............................................................................................[2.3]

Keterangan :

Xt = Reaktansi transformator tenaga (ohm)

KV2 = Tegangan sisi sekunder transformator tenaga (KV)

MVA= Kapasitas daya transformator tenaga (MVA)

Langkah selanjutnya yaitu menghitung nilai reaktansi tenaganya :

Untuk menghitung reaktansi urutan positif dan negatif (Xt1 = Xt2) digunakan

rumus :

X t=% yangdiketah ui x X t ( pada 100 % )

Sebelum menghitung reaktansi urutan nol (Xt0) terlebih dahulu harus

diketahui data transformator tenaga itu sendiri, yaitu data dari kapasitas

belitan delta yang ada dalam transformator :

13

Untuk transformator dengan hubungan belitan ∆-Y dimana kapasitas

belitan delta sama besar dengan kapasitas belitan Y, maka Xt0 = Xt1

Untuk transformator dengan hubungan belitan Y-∆ dimana kapasitas

belitan delta biasanya adalah sepertiga dari kapasitas belitan Y (belitan

yang untuk menyalurkan daya, sedangkan belitan delta tetap ada di dalam

tetapi tidak dikeluarkan kecuali satu terminal delta untuk ditanahkan),

maka nilai Xt0 = 3 x Xt1.

Untuk transformator dengan hubungan belitan Y-Y dan tidak mempunyai

belitan delta didalamnya, maka untuk menghitung besarnya Xt0 berkisar

antara 9 s/d 14 x Xt1 [15]

c) Impedansi Transmisi

Untuk menghitung impedansi penyulang, perhitungannya tergantung dari

besarnya impedansi per km dari penyulang yang akan dihitung, di mana besar

nilainya tergantung pada jenis penghantarnya, yaitu dari bahan apa penghantar terebut

dibuat dan juga tergantung dari besar kecilnya penampang dan panjang

penghantarnya. Disamping itu penghantar juga dipengaruhi perubahan temperatur dan

konfigurasi dari penyulang juga dapat mempengaruhi besarnya impedansi penyulang

tersebut. Besarnya bilai impedansi suatu penyulang biasanya Z = (R+jX), sehingga

untuk impedansi penyulang dapat ditentukan dengan menggunakan rumus :

Urutan positif dan urutan negatif

Z1 = Z2 = % panjang x panjang saluran (km) x Z1/Z2 (ohm) [14]

Dimana :

14

Z1 = Impedansi urutan positif (ohm)

Z2 = Impedansi urutan negatif (ohm)

Urutan nol

Z0 = % panjang x panjang saluran (km) x Z0 (ohm) [14]

Dimana :

Z0 = Impedansi urutan nol (ohm)

d) Impedansi Eqivalen Jaringan

Perhitungan yang akan dilakukan disini adalah perhitungan besarnya nilai

impedansi ekivalen positif, negative, dan nol dari titik gangguan sampai ke sumber.

Karena dari sejak sumber ke titik gangguan impedansi yang terbentuk adalah

tersambung seri maka perhitungan Z1eq dan Z2eq dapat langsung dengan cara

menjumlahkan impedansi tersebut, sedangkan untuk perhitungan Z0eq dimulai dari

titik gangguan sampai ke transformator tenaga yang netralnya ditanahkan. Akan

tetapi untuk menghitung impedansi Z0eq ini, harus diketahui dulu hubungan belitan

transformatornya. Sehingga untuk impedansi ekivalen jaringan dapat dihitung dengan

menggunakan rumus :

Urutan positif dan urutan negatif (Z1eq = Z2eq)

Z1 eq=Z2 eq=Z s1+Z t 1+Z1 ....................................................................................[2.4]

Keterangan :

Z1eq = Impedansi ekivalen jaringan urutan positif (ohm)

Z2eq = Impedansi eqivalen jaringan urutan negatif (ohm)

15

ZS1= Impedansi sumber (ohm)

Zt1 = Impedansi transformator tenaga urutan positif dan negatif

(ohm)

Z1 = Impedansi urutan positif dan negatif (ohm)

Urutan nol [14]

Z0eq=Z t 0+3 RN+Z0 ...........................................................................................[2.5]

Keterangan :

Z0eq = Impedansi ekivalen jaringan nol (ohm)

Zt0 = Impedansi transformator tenaga urutan nol (ohm)

RN = Tahanan tanah transformator tenaga (ohm)

Z0 = Impedansi urutan nol (ohm)

2.4 Gangguan Pada Saluran Transmisi

Gangguan pada rangkaian adalah semua kegagalan yang berhubungan dengan

aliran arus ke beban. Berikut ini adalah gangguan di saluran transmisi [3]:

1. Gangguan satu fasa ke tanah

Gangguan satu fasa ke tanah merupakan jenis gangguan yang sering terjadi.

Gangguan ini merupakan 85% dari total gangguan pada transmisi saluran udara.

Contoh gangguan satu fasa ke tanah adalah gangguan akibat adanya pohon yang

menimpa salah satu fasa pada saluran transmisi tenaga listrik. Pada saat terjadi

16

gangguan satu fasa ke tanah pada fasa a maka Ib = 0, Ic = 0 dan Va = 0, jika digambar

menjadi :

Gambar 2.2 Ilustrasi Gangguan satu fasa ke tanah.[3]

sehingga persamaan arus dan tegangannya menjadi seperti berikut :

maka diperoleh I a1=I a 2=I a 0

V a=V a0+V a 1+V a 2=−I a1 Z0+Ea−I a 1 Z1−I a 1 Z2=0

sehingga diperoleh [3]:

I a1=Ea

Z1+Z2+Z0

..................................................................................................[2.6]

Karena terdapat hubungan dengan tanah maka pada gangguan satu fasa ke

tanah mengali arus I a 0 . Sedangkan bila tidak terdapat hubungan dengan tanah

seperti gangguan dua fasa maka arus I a 0 tidak ada atau I a 0=0 .

2. Gangguan dua fasa

17

Gangguan dua fasa biasanya disebabkan oleh adanya kawat putus dan

mengenai fasa lain. Pada gangguan ini, fasa yang terganggu adalah fasa b dan fasa c.

Tetapi pada gangguan dua fasa ini tidak terhubung dengan tanah sehingga

arus urutan nol I 0 bernilai nol. Pada gangguan dua fasa yaitu fasa b dan fasa c yang

terganggu berlaku hubungan sebagai berikut Vb = Vc , Ia = 0, dan Ib = -Ic, jika

digambar menjadi:

Gambar 2.3 Ilustrasi Gangguan dua fasa.[3]

Dengan generator dihubungkan dengan tanah maka Z0 bernilai tertentu

sehingga V a 0=0 . Dengan menggunakan persamaan V a 1=V a 2 diperoleh

0=Ea−I a 1Z1−I a1 Z2sehingga dengan penyelesaian untuk I a1 diperoleh [3]:

I a1=Ea

Z1+Z2

.........................................................................................................[2.7]

3. Gangguan dua fasa ke tanah

Pada gangguan dua fasa ke tanah dengan fasa yang terganggu adalah fasa b

dan fasa c maka V b=0 , V c=0dan I a=0

18

Gambar 2.4 Ilustrasi Gangguan dua fasa ke tanah.[3]

Persamaannya menjadi sebagai berikut :

sehingga diperoleh : V a 1=V a 2=V a0

I a1+ I a2+ I a0=I a=0

Ea

Z0

−I a 1

Z1

Z0

+Ea

Z1

−I a1+Ea

Z2

−I a 1

Z1

Z2

=Ea

Z1

sehingga diperoleh [3] :

I a1=Ea

Z1+Z2 Z0/( Z2+Z0 )

......................................................................................[2.8]

19

Pada gangguan dua fasa ke tanah mengalir arus I a 0 karena terdapat hubungan

dengan tanah.

4. Gangguan gangguan tiga fasa.

Gangguan tiga fasa merupakan gangguan simetris, karena kesimetrisan

tegangan dan arus pada saat terjadinya gangguan. Jenis gangguan ini dapat

disebabkan oleh kegagalan isolasi pada peralatan atau adanya flashover pada saluran

yang disebabkan oleh petir atau kesalahan operasi dari petugas. Gangguan ini

merupakan jenis gangguan yang paling jarang terjadi namun harus diperhitungkan

dalam perencanaan, karena gangguan ini mengakibatkan mengalirnya arus yang

sangat tinggi pada peralatan proteksi sehingga harus dapat dideteksi oleh rele.

Sifat arus gangguan simetris ialah transien, artinya arus gangguan akan

menuju ke keadaan steady state, tetapi tetap terganggu. Pada gangguan tiga fasa,

karena kesimetrisannya maka secara teori tidak akan terdapat arus I0 dan I2, sehingga

persamaan arusnya menjadi :

I A=I A 1

I B=a2 I A 1

I C=a . I A 1

Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut :

20

Gambar 2.5 Ilustrasi Gangguan tiga fasa.[3]

Berdasarkan gambar 2.5 maka kita bisa mengambil kesimpulan bahwa :

I a+ I b+ I c=0

V a=V b=V c

Sehingga diperoleh [3]:

I=VZ

.....................................................................................................................[2.9]

2.5 Fungsi Analisis Gangguan

Syarat pertama untuk perangkat lunak analisis adalah bahwa hal itu harus

mampu membaca file COMTRADE. Kemudian, fungsi analisis gangguan harus

ekstrak dari COMTRADE yang mengajukan informasi berikut [16]:

1. Gangguan per fasa

2. Jenis Gangguan

3. Jumlah durasi Gangguan

4. Main 1 proteksi operasi waktu

21

5. Main 2 proteksi operasi waktu

6. Lokasi Gangguan

7. Resistansi gangguan

8. DC offset parameter

9. operasi waktu Breaker

10. Auto re-close time.

2.4.1 Sinyal Segmentasi

Tahap pertama dalam analisis sinyal non-stasioner, direkam selama gangguan,

adalah deteksi perubahan mendadak. Informasi ini digunakan untuk sinyal segmen di

bagian stasioner untuk analisa lebih lanjut. Bagian-bagian stasioner sesuai dengan

sistem, seperti pra gangguan, gangguan, open CB dan re-close CB. Teknik

segmentasi telah dipelajari oleh para peneliti di daerah yang berbeda, termasuk

pengolahan citra dan pemrosesan sinyal. Meskipun beberapa penulis mempelajari

sinyal segmentasi, hanya beberapa dari mereka dianggap deteksi perubahan

mendadak catatan gangguan dari IED. Salah satu teknik segmentasi menggunakan

deteksi perubahan mendadak diselidiki oleh Ukil dan Zivanovic [17, 18] dalam

artikel penelitiannya. Menyarankan bahwa pelaksanaan pencatatan tersegmentasi dan

bekerja pada segmen tertentu, seperti pra gangguan, gangguan dan setelah

pembukaan CB, sangat penting untuk meningkatkan tingkat penentuan gangguan dan

kualitas analisis otomatis. Algoritma segmentasi disajikan dalam artikel penelitian

diusulkan untuk operasi off-line. Namun, menyatakan bahwa akurasi dan kecepatan

22

operasi dari algoritma segmentasi dapat diterima. Selanjutnya, Bassevile dan

Nikoforov merangkum teknik deteksi perubahan mendadak.

Hal ini menunjukkan [17] bahwa hasil dari layanan segmentasi dapat

digunakan:

1. Untuk menyinkronkan catatan gangguan dari perangkat perekaman yang

berbeda, yang dipicu oleh gangguan yang sama;

2. Untuk mengambil data yang diperlukan untuk evaluasi kinerja sistem

perlindungan (misalnya durasi kesalahan, waktu operasi sistem proteksi,

waktu operasi pemutus, dll).

2.4.2 Klasifikasi Tipe Gangguan

Banyak jenis peralatan dapat hancur jika gangguan tidak diatasi dengan cepat.

Oleh karena itu, gangguan harus dibersihkan secepat mungkin. Hal ini dinyatakan

[19] bahwa sekitar 80-90% dari gangguan terjadi pada saluran transmisi overhead

sementara sisanya berlangsung pada peralatan gardu dan bus-bar gabungan. Biasanya,

gangguan pada sistem transmisi bisa terjadi karena beberapa penyebab, seperti arus

gangguan, isolasi penuaan atau penyebab eksternal [19].

1. Arus gangguan

Isolasi sehat dalam peralatan dapat dikenakan transien gangguan tegangan

lebih durasi waktu kecil karena switching dan petir pemogokan, langsung atau

tidak langsung. Kegagalan isolasi mungkin terjadi, sehingga arus gangguan yang

sangat tinggi. Saat ini mungkin lebih dari 10 kali nilai atau nominal arus

peralatan.

23

2. Isolasi penuaan

Penuaan peralatan listrik dapat menyebabkan kerusakan bahkan pada

tegangan frekuensi daya normal

3. Penyebab Eksternal

Benda eksternal seperti burung, tali layang-layang, atau cabang pohon

yang dianggap sebagai penyebab eksternal dari gangguan. Benda-benda ini

mungkin span satu konduktor dan tanah menyebabkan gangguan 1 fasa ke tanah

(fase-bumi) atau rentang dua konduktor menyebabkan gangguan fasa ke fasa

2.4.3 Lokasi Gangguan

Subyek lokasi gangguan telah cukup menarik untuk insinyur listrik dan

peneliti selama bertahun-tahun. Menemukan lokasi gangguan jaringan transmisi telah

menjadi tujuan utama sebagian besar penelitian yang dilakukan sampai saat ini.

Alasan utama untuk daerah ini dari penelitian ini adalah dampak dari gangguan

jaringan transmisi pada sistem tenaga dan fakta bahwa waktu yang dibutuhkan untuk

memeriksa secara fisik garis jauh lebih besar dari yang dibutuhkan untuk kesalahan

dalam sub-sistem transmisi dan distribusi. Tujuan dari kesalahan lokasi adalah untuk

menemukan gangguan dengan kemungkinan akurasi tertinggi. Letak gangguan akurat

diperlukan karena beberapa alasan seperti:

1. Menghindari patroli panjang dan mahal

2. Mempercepat perbaikan dan pemulihan.

3. Mendeteksi masalah pada tahap awal.

4. Mengurangi kehilangan pendapatan yang disebabkan oleh pemadaman.

24

2.6 Metode Komponen Simetris untuk Gangguan Hubung Singkat

Gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik umumnya merupakan

gangguan asimetris dimana gangguan tersebut mengakibatkan tegangan dan arus

yang mengalir pada setiap fasanya menjadi tidak seimbang. Pada tahun 1918 C.L

Fortusque membuktikan bahwa suatu sistem yang tidak seimbang yang terdiri dari

tegangan atau arus yang tidak seimbang antar fasanya dapat dipecah menjadi 3

komponen simetris dari sistem 3 fasa yang seimbang. Tiga komponen tersebut adalah

[6]:

1. Komponen Urutan Positif (positive sequence components)

Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya,

terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 1200, dan mempunyai urutan

fasa yang sama seperti fasor aslinya (ditandai dengan subscript 1). Saat sistem

berada dalam kondisi normal, hanya terdapat arus dan tegangan arus positif saja,

sehingga impedansi sistem pada kondisi normal adalah impedansi urutan positif.

Ketika terjadi gangguan, cabang yang terganggu pada sistem dapat digantikan

dengan perubahan tegangan ΔV =V −V 1 dan semua sumber tegangan yang ada

pada sistem dihubung singkat, sehingga akan diperoleh arus gangguan ΔI yang

mengalir ke dalam sistem yaitu :

ΔI=−(V−V 1 )

Z1

.....................................................................................................[2.10]

25

dan,

ΔI=I−I 1

.............................................................................................................[2.11]

Karena arus awal sistem terjadi gangguan adalah nol (I=0), maka arus

yang mengalir dicabang yang mengalami gangguan I 1=−ΔI sehingga di dapat

V 1=V−I 1 Z1

..........................................................................................................[2.12]

Persamaan di atas merupakan persamaan komponen positif arus dan

tegangan pada cabang yang mengalami gangguan.

2. Komponen Urutan Negatif(negative sequence components)

Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya

terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 1200, dan mempunyai urutan

fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya (ditandai dengan subscript 2). Jika

pada kondisi normal hanya terdapat komponen urutan positif, maka komponen

urutan negative hanya ada pada saat terjadi gangguan. Karena tidak ada

komponen urutan negatif sebelum terjadi gangguan, maka apabila terjadi

gangguan akan timbul perubahan tegangan sebesar −V 2 dan arus I 2 yang

mengalir dari sistem ke gangguan adalah

I 2=−V 2

Z2

..............................................................................................................[2.13]

26

V 2=−I 2 Z2

.............................................................................................................[2.14]

Z2 merupakan impedansi urutan negatif dan pada umumnya sama dengan

impedansi urutan positif.

3. Komponen Urutan Nol (zero sequence components)

Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan

tidak ada pergeseran fasa anatar fasor yang satu dengan yang lain (ditandai

dengan subscript 0). Persamaan untuk komponen urutan nol saat terjadi gangguan

yaitu:

I 0=−V 0

Z0

...............................................................................................................[2.15]

V 0=−I 0 Z0

.............................................................................................................[2.16]

Arus dan tegangan pada komponen urutan nol adalah sefasa. Oleh karena

iti, arus urutan nol untuk dapat mengalir di sistem memerlukan jalan balik (return

connection) melalui pentanahan netral sistem. Impedansi urutan nol umumnya

tidak sama dengan impedansi urutan positif dan tergantung dari beberapa faktor

seperti jenis peralatan sistem, cara menghubungkan belitan (( Δ atau Y), dan cara

pentanahan titik netral.

Gambar ketiga himpunan komponen simetris adalah sebagai berikut :

27

Gambar 2.6. Komponen-Komponen Simetris. [6]

Gambar 2.7 Rangkaian Komponen Urutan Positif, Negatif, dan Nol.[6]

Karena adanya pergeseran fasa pada komponen simetris tegangan dan arus

dalam sistem tiga fasa, akan mudah bila didapatkan metode penulisan yang dapat

langsung menunjukan perputaran fasor yang menunjukan perputaran sebesar 1200.

Operator a merupakan suatu operator fasor yang menyebabkan perputaran sebesar

1200 dalam arah yang berlawanan arah jarum jam (counterclockwise), dengan tidak

mengubah besar fasornya. Operator ini merupakan bilangan kompleks yang besarnya

satu dan sudutnya 1200 dan didefinisikan sebagai :

28

a=1∠1200=1 ei

2π3 =−0 . 5+ j 0 . 866

.....................................................................[2.17]

Jika operator a dikenakan pada fasor dua kali berturut-turut, maka fasor itu

akan berputar dengan sudut sebesar 2400 atau 1200. Untuk pengenaan tiga kali

berturut-turut fasor akan diputar dengan 3600 atau 00. Jadi,

a2=1∠2400=−0 .5− j 0.866..............................................................................[2.18]

dan

a3=1∠3600=1∠00=1.......................................................................................[2.19]

Telah disebutkan bahwa tiga fasor asimetris dapat direpresentasikan menjadi

tiga buah himpunan fasor simetris. Persamaannya adalah sebagai berikut:

Va=Va0+Va1+Va2

Vb=Vb0+Vb1+Vb2

Vc=Vc0+Vc1+Vc2

Dengan menggunakan himpunan fasor dari komponen-komponen simetris,

maka dapat diketahui bahwa :

Vb0=Vc0=Va0

Vb1=a2Va1 Vc1=aVa1

Vb2=aVa2 Vc2=a2Va2

29

Atau dalam bentuk matriks :

(Va ¿ ) (Vb ¿ )¿¿

¿¿

1a2

a

1)a)a2

¿

) (Va0 ¿) (Va1 ¿)¿¿

¿¿

Untuk lebih sederhana dituliskan kembali :

A=¿(1(1(1

(

1a2

a

1)a)a2

¿

)

dan

A−1=1/3¿(1(1(1

(¿

1aa2

1)a2

)a¿

)

Sehingga diperoleh persamaan:

(Va0 ¿) (Va1 ¿)¿¿

¿¿1/3¿(1(1(1

(¿

1aa2

1)a2

)a¿

) (Va ¿ ) (Vb ¿ )¿¿

¿¿

Va0=1 /3 (Va+Vb+Vc )

Va1=1/3(Va+aVb+a2Vc )

Va2=1/3(Va+a2Vb+aVc )

Persamaan diatas merupakan komponen simetris untuk tegangan. Persamaan

tersebut dapat juga dituliskan kembali pada persamaan komponen simetris untuk

arus:

Ia=Ia0+ Ia1+ Ia2

30

Ib=Ib0+ Ib1+ Iab 2=Ia0+a2 Ia1+aIa2

Ic=Ic0+ Ic1+ Ic2=Ia0+aIa1+a2 Ia2

Dalam bentuk matriks :

( Ia ¿ ) ( Ib ¿ ) ¿¿

¿¿

1a2

a

1)a)a2

¿

) ( Ia0 ¿) ( Ia1 ¿)¿¿

¿¿

Dengan mengikuti langkah-langkah yang sama seperti pada persamaan

komponen simetris untuk tegangan, maka dapat diperoleh persamaan komponen

simetris untuk arus :

Ia0=1/3( Ia+ Ib+ Ic)

Ia1=1/3( Ia+aIb+a2 Ic )

Ia2=1/3( Ia+a2 Ib+aIc )

Dalam sistem tiga fasa, jumlah arus dari setiap fasanya sama dengan arus In

dalam jalur balik ke netral

In=Ia+ Ib+ Ic....................................................................................................[2.20]

Sedangkan,

Ia0=1/3( Ia+ Ib+ Ic)..........................................................................................[2.21]

Sehingga dengan memperbandingkan kedua persamaan di atas, didapatkan :

31

In = 3 Ia0...............................................................................................................[2.22]

Jika tidaka ada saluran yang melalui netral dalam sistem tiga fasa, In adalah

nol dan arus saluran tidak mengandung komponen urutan nol. Hal ini berate suatu

beban hubungan Δ ataupun hubung Y yang tidak menyediakan jalur ke netral, maka

arus salurannya tidak dapat mengandung komponen urutan nol.

2.7 Metode Berbasis Impedansi dan Persyaratan Lokasi Gangguan

Metode berbasis Impedansi memerlukan pendekatan sebagai berikut [5] :

1. Ukur tegangan dan fasor arus .

2. Ekstrak komponen fundamental .

3. Tentukan fasor dan jenis gangguan .

4. Terapkan algoritma impedansi .

Metode impedansi one-ended dari lokasi gangguan adalah fitur standar di

sebagian besar relay numerik . Metode impedansi one - ended menggunakan

algoritma sederhana , dan saluran komunikasi dan remote Data tidak diperlukan (

kecuali bila saluran diperlukan untuk membawa estimasi lokasi gangguan ke

operator). Yang paling populer metode lokasi gangguan berbasis impedansi [5]

adalah

Metode reaktansi sederhana ( one-ended )

Metode Takagi ( one-ended )

32

Metode Takagi Modifikasi yang mengoreksi perbedaan sudut impedansi

sumber ( one-ended )

Pencari kesalahan berbasis impedansi one-ended menghitung lokasi gangguan

dari impedansi jelas dilihat dengan melihat ke dalam jaringan one-ended . Contoh

sistem satu baris ditampilkan dalam Gambar 2.6 . Untuk menemukan semua jenis

gangguan , tegangan fase ke tanah dan arus dalam setiap fase harus diukur . ( jika

hanya tegangan fasa ke fasa yang tersedia, kemungkinan untuk menemukan gangguan

fase-ke- fase ; jika sumber urutan impedansi nol , Z0 , diketahui, maka dapat

memperkirakan lokasi untuk gangguan fase ke tanah ) . Jika resistance gangguan

diasumsikan nol , kita dapat menggunakan salah satu dari perhitungan impedansi

dalam Tabel 1 untuk memperkirakan lokasi gangguan .

Tabel 2.1 Persamaan Impedansi sederhana [5]

dimana

k adalah (Z0 L−Z1 L)/3 Z1 L

33

Z0 L adalah impedansi urutan nol,

Z1 Ladalah impedansi urutan positif,

m adalah jarak gangguaan per unit ( misalnya : jarak gangguan dalam

kilometer dibagi dengan total panjang jaringan dalam kilometer ), I 0 adalah arus

urutan nol.

2.8 Penentuan Lokasi Gangguan dengan Metode Single-End

Sebagai kebocoran arus pada jalur transmisi listrik pendek (dengan panjang

kurang dari 100 km) dan jaringan distribusi yang diabaikan, bagian paralel dalam

rangkaian ekuivalen dari jaringan ini dapat dihilangkan, dan jaringan, dengan akurasi

yang cukup dapat dimodelkan hanya impedansi seri. Untuk induksi gangguan dalam

jaringan listrik, titik di jaringan harus terhubung ke tanah melalui resistensi kecil

(resistance kesalahan), gambar, 2.8 dan 2.9.

34

Gambar 2.8 Aliran daya single-ended.[25]

Gambar 2.9 Aliran daya double-endend.[25]

Untuk dapat mensimulasikan gangguan, pada suatu titik tertentu di jaringan,

maka perlu untuk mewakili jaringan dengan dua bagian, yang pertama dengan jarak

yang sama dengan jarak dari awal jaringan (di mana peralatan lokasi gangguan

terletak , titik A) untuk gangguan, dan kedua dengan jarak yang sama dengan total

panjang jaringan minus jarak gangguan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.10

dan 2.11.

Gambar 2.10 Representasi dari aliran daya single-ended dengan gangguan pada jarak

X dari point A.[25]

35

Gambar 2.11 Representasi dari aliran daya double-ended dengan gangguan pada jarak

X dari point A.[25]

ZS = impedansi sumber

ZL = impedansi jaringan

ZLoad = impedansi beban

L = panjang jaringan

x = panjang dari titik lokasi gangguan point A ke gangguan

V = tegangan yang di ukur

I = arus yang di ukur

Rf = resistansi gangguan

If = arus yang mengalir pada gangguan

ILoad = arus beban

n = panjang perunit dari titik yang di ukur point A ke gangguan, n=x/l

2.9 Perkembangan Algoritma Lokasi Gangguan

36

Untuk kasus dari single-ended, dapat di lihat pada gambar 2.10 [25]:

V=I . n. ZL+ I f . R f................................................................................................[2.23]

Dimana:

I f=I−I load.........................................................................................................[2.24]

Dari persamaan (2.23) dan (2.24), didapatkan:

V=I . n. ZL+( I−I Load ). Rf...................................................................................[2.25]

Jika ( I−I Load ) .R f dapat diganti dengan I . Rf 1 , dimana R f 1 representasi

kebalikan resistansi gangguam dengan gangguan yang di ukur.

R f 1=( I−I Load ). Rf

I=(1−

I Load

I ). R f

....................................................................[2.26]

Persamaan (2.25) menjadi:

V=I . n. ZL+ I . Rf 1.................................................................................................[2.27]

Persamaan ini umum yang kompleks dan jumlah yang akan digunakan

bervariasi dengan jenis gangguan. persamaan (2.27) adalah dalam bentuk yang

37

kompleks, dua persamaan dapat disimpulkan, satu per menyamakan bagian nyata dari

kedua persamaan dan yang lainnya dengan menyamakan bagian imajiner dari kedua

persamaan, atau:

V d=n .(I . Z L)d+R f 1 . I d........................................................................................[2.28]

dan :

V q=n.( I . ZL )q+R f 1 . I q.........................................................................................[2.29]

Pada persamaan ini, index d indikasi dari bilangan real dan index q indikasi

dari bilangan imajiner. Penggabungan Persamaan (2.28) dan (2.29) di dadapatkan

sebagai berikut:

V d . I q=n.( I . ZL )d . I q+R f 1 . I d . I q...........................................................................[2.30]

V q . I d=n.( I . ZL )q . I d+R f 1 . I q . I d...........................................................................[2.31]

Pengurangan persamaan (2.31) dari persamaan (2.30), di dapatkan :

V d . I q−V q . I d=n .[ I .ZL )d . I q−( I . ZL )q . I d ].............................................................[2.32]

Dari persamaan tersebut maka di dapatkan [25]:

38

n=V d . I q−V q . I d

( I . Z L )d . I q−( I .ZL )q . I d.................................................................................[2.33]

39