6

BAB I I

LANDASAN TEORI

2.1 Pengantar

Sistem Distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem

distribusi ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya

listrik besar sampai ke konsumen. Jadi fungsi distribusi tenaga listrik

adalah:

1. Pembagian atau penyaluran tenaga listrik ke beberapa tempat (pelanggan)

2. Merupakan sub sistem tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan

pelanggan, karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani

langsung melalui jaringan distribusi.

Tenaga listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik besar dengan

tegangan dari 11 kV sampai 24 kV dinaikan tegangannya oleh gardu induk

dengan transformator penaik tegangan menjadi 70 kV ,154kV, 220kV atau

500kV kemudian disalurkan melalui saluran transmisi. Tujuan menaikkan

tegangan ialah untuk memperkecil kerugian daya listrik pada saluran

transmisi, dimana dalam hal ini kerugian daya adalah sebanding dengan

kuadrat arus yang mengalir (I R). Dengan daya yang sama bila nilai

tegangannya diperbesar, maka arus yang mengalir semakin kecil sehingga

kerugian daya juga akan kecil pula.

Dari saluran transmisi, tegangan diturunkan lagi menjadi 20 kV

dengan transformator penurun tegangan pada gardu induk distribusi,

kemudian dengan sistem tegangan tersebut penyaluran tenaga listrik

dilakukan oleh saluran distribusi primer. Dari saluran distribusi primer

inilah gardu-gardu distribusi mengambil tegangan untuk diturunkan

tegangannya dengan trafo distribusi menjadi sistem tegangan rendah, yaitu

220/380 Volt. Selanjutnya disalurkan oleh saluran distribusi sekunder ke

6

7

konsumen-konsumen. Dengan ini jelas bahwa sistem distribusi

merupakan bagian yang penting dalam sistem tenaga listrik secara

keseluruhan.

Pada sistem penyaluran daya jarak jauh, selalu digunakan tegangan

setinggi mungkin, dengan menggunakan trafo-trafo step-up. Nilai

tegangan yang sangat tinggi ini (HV,UHV,EHV) menimbulkan beberapa

konsekuensi antara lain: berbahaya bagi lingkungan dan mahalnya harga

perlengkapan-perlengkapannya, selain menjadi tidak cocok dengan nilai

tegangan yang dibutuhkan pada sisi beban. Maka, pada daerah-daerah

pusat beban tegangan saluran yang tinggi ini diturunkan kembali dengan

menggunakan trafo-trafo step-down. Akibatnya, bila ditinjau nilai

tegangannya, maka mulai dari titik sumber hingga di titik beban, terdapat

bagian-bagian saluran yang memiliki nilai tegangan berbeda-beda.

Gambar 2.1 Penyaluran Tenaga Listrik [5]

8

Untuk kemudahan dan penyederhanaan, lalu diadakan pembagian

serta pembatasan - pembatasan seperti pada Gambar diatas:

Daerah I : Bagian pembangkitan (Generation)

Daerah II : Bagian penyaluran (Transmission), bertegangan tinggi

(HV,UHV,EHV)

Daerah III: Bagian Distribusi Primer, bertegangan menengah (6 atau

20kV).

Daerah IV: (Di dalam bangunan pada beban/konsumen), Instalasi,

bertegangan rendah.

Berdasarkan pembatasan-pembatasan tersebut, maka diketahui bahwa

porsi materi Sistem Distribusi adalah Daerah III dan IV, yang pada

dasarnya dapat dikelasifikasikan menurut beberapa cara, bergantung dari

segi apa klasifikasi itu dibuat. Dengan demikian ruang lingkup Jaringan

Distribusi adalah:

a. SUTM, terdiri dari : Tiang dan peralatan kelengkapannya, konduktor

dan peralatan perlengkapannya, serta peralatan pengaman dan pemutus.

b. SKTM, terdiri dari : Kabel tanah, indoor dan outdoor termination dan

lain-lain.

c. Gardu trafo, terdiri dari : Transformator, tiang, pondasi tiang, rangka

tempat trafo, LV panel, pipa-pipa pelindung, Arrester, kabel-kabel,

transformer band, peralatan grounding, dan lain-lain.

d. SUTR dan SKTR, terdiri dari : sama dengan perlengkapan / material

pada SUTM dan SKTM. Yang membedakan hanya dimensinya.

2.2 Klasifikasi Saluran Distribusi Tenaga Listrik

Secara umum, saluran tenaga Listrik atau saluran distribusi dapat

diklasifikasikan sebagai berikut :

1 Menurut nilai tegangannya:

a. Saluran distribusi Primer, Terletak pada sisi primer trafo distribusi,

yaitu antara titik Sekunder trafo substation (Gardu Induk) dengan titik

primer trafo distribusi. Saluran ini bertegangan menengah 20 kV.

9

Jaringan listrik 70 kV atau 150 kV, jika langsung melayani pelanggan,

bisa disebut jaringan distribusi.

b. Saluran Distribusi Sekunder, Terletak pada sisi sekunder trafo

distribusi, yaitu antara titik sekunder dengan titik cabang menuju

beban

2 Menurut bentuk tegangannya:

a. Saluran Distribusi DC (Direct Current) menggunakan sistem tegangan

searah.

b. Saluran Distribusi AC (Alternating Current) menggunakan sistem

tegangan bolak-balik.

3 Menurut jenis/tipe konduktornya:

a. Saluran udara, dipasang pada udara terbuka dengan bantuan

penyangga (tiang) dan perlengkapannya, dan dibedakan atas:

Saluran kawat udara, bila konduktornya telanjang, tanpa isolasi

pembungkus.

Saluran kabel udara, bila konduktornya terbungkus isolasi.

b. Saluran Bawah Tanah, dipasang di dalam tanah, dengan menggunakan

kabel tanah (ground cable).

c. Saluran Bawah Laut, dipasang di dasar laut dengan menggunakan

kabel laut (submarine cable).

4 Menurut susunan (konfigurasi) salurannya:

a. Saluran Konfigurasi horizontal, bila saluran fasa terhadap fasa yang

lain/terhadap netral, atau saluran positif terhadap negatif (pada sistem

DC) membentuk garis horisontal.

b. Saluran Konfigurasi Vertikal, bila saluran-saluran tersebut

membentuk garis vertikal

c. Saluran konfigurasi Delta, bila kedudukan saluran satu sama lain

membentuk suatu segitiga (delta).

10

5 Menurut Susunan Rangkaiannya

Dari uraian diatas telah disinggung bahwa sistem distribusi di bedakan

menjadi dua yaitu sistem distribusi primer dan sistem distribusi sekunder.

a. Jaringan Sistem Distribusi Primer

Sistem distribusi primer digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik

dari gardu induk distribusi ke pusat-pusat beban. Sistem ini dapat

menggunakan saluran udara, kabel udara, maupun kabel tanah sesuai

dengan tingkat keandalan yang diinginkan dan kondisi serta situasi

lingkungan. Saluran distribusi ini direntangkan sepanjang daerah yang

akan di suplai tenaga listrik sampai ke pusat beban.

Terdapat bermacam-macam bentuk rangkaian jaringan distribusi

primer, yaitu:

Jaringan Distribusi Radial, dengan model: Radial tipe pohon,

Radial dengan tie dan switch pemisah, Radial dengan pusat beban

dan Radial dengan pembagian phase area.

Jaringan distribusi ring (loop), dengan model: Bentuk open loop

dan bentuk Close loop.

Jaringan distribusi Jaring-jaring (NET)

Jaringan distribusi spindle

Saluran Radial Interkoneksi

b. Jaringan Sistem Distribusi Sekunder

Sistem distribusi sekunder digunakan untuk menyalurkan tenaga

listrik dari gardu distribusi ke beban-beban yang ada di konsumen.

Pada sistem distribusi sekunder bentuk saluran yang paling banyak

digunakan ialah sistem radial. Sistem ini dapat menggunakan kabel

yang berisolasi maupun konduktor tanpa isolasi. Sistem ini biasanya

disebut sistem tegangan rendah yang langsung akan dihubungkan

kepada konsumen/pemakai tenaga listrik dengan melalui peralatan-

peralatan sbb:

Papan pembagi pada trafo distribusi.

Hantaran tegangan rendah (saluran distribusi sekunder).

11

Saluran Layanan Pelanggan (SLP) (ke konsumen/pemakai).

Alat Pembatas dan pengukur daya (kWh meter) serta fuse atau

pengaman pada pelanggan.

Gambar 2.2 Komponen Sistem Distribusi [5]

Sistem proteksi harus bekerja mengamankan peralatan yang berada di

dalam sistem tenaga listrik pada saat terjadinya suatu gangguan. Peralatan

proteksi merupakan peralatan yang mengidentifikasi gangguan dan

memisahkan bagian jaringan yang terganggu dari bagian lain yang tidak

terganggu serta mengamankan bagian yang tidak terganggu dari kerusakan

atau kerugian yang lebih besar.

Bila ditinjau dari segi lamanya waktu gangguan pada sistem tenaga

listrik ada yang bersifat temporer (gangguan sementara) dan ada juga yang

bersifat permanen (gangguan stationer). Untuk gangguan temporer

(gangguan sementara) ditandai dengan normalnya kerja dari PMT setelah

dimasukkan kembali. Sedangkan gangguan permanen (gangguan stationer)

ditandai dengan jatuhnya PMT setelah dimasukkan kembali, biasanya

dilakukan hingga tiga kali.

Pada gangguan permanen, PMT dapat bekerja normal kembali setelah

gangguan tersebut dapat diatasi. Sedangkan gangguan yang bersifat

temporer, penyebab gangguan akan hilang dengan sendirinya setelah PMT

jatuh atau trip. Untuk gangguan permanen terjadi dikarenakan adanya

kerusakan pada sistem tenaga listrik, sehingga gangguan in baru bisa

diatasi setelah kerusakan pada peralatan tersebut sudah diperbaiki.

12

2.3 Faktor Penyebab Gangguan

Gangguan hubung singkat pada jaringan listrik, dapat terjadi antara

phasa dengan phasa (2 phasa atau 3 phasa) dan gangguan antara phasa ke

tanah. Timbulnya gangguan bisa bersifat temporer (non persistant) dan

gangguan yang bersifat permanent (persistant).

Gangguan yang bersifat temporer, timbulnya gangguan bersifat

sementara, sehingga tidak memerlukan tindakan. Gangguan tersebut akan

hilang dengan sendirinya dan jaringan listrik akan bekerja normal kembali.

Jenis gangguan ini ialah timbulnya flashover antar penghantar dan tanah

(tiang, traverse atau kawat tanah) karena sambaran petir, flashover dengan

pohon-pohon, dan lain sebagainya.

Gangguan yang bersifat permanent (persistant), yaitu gangguan yang

bersifat tetap. Agar jaringan dapat berfungsi kembali, maka perlu

dilaksanakan perbaikan dengan cara menghilangkan gangguan tersebut.

Gangguan ini akan menyebabkan terjadinya pemadaman tetap pada

jaringan listrik dan pada titik gangguan akan terjadi kerusakan yang

permanen. Contoh: menurunnya kemampuan isolasi padat atau minyak

trafo. Di sini akan menyebabkan kerusakan permanen pada trafo, sehingga

untuk dapat beroperasi kembali harus dilakukan perbaikan.

Faktor-faktor yang dapat menyebabkan terjadinya gangguan pada

sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik antara lain :

a. Surja Petir

Mengingat saluran transmisi dan distribusi tersebar luas dan panjang

membentang serta beroperasi pada kondisi tempat yang cuacanya

berbeda-beda, maka kemungkinan terjadinya gangguan yang

disebabkan oleh petir besar sekali, terutama pada musim hujan.

Gangguan yang disebabkan oleh petir ini sangat berbahaya karena

dapat merusak isolasi peralatan.

b. Surja Hubung

Yang dimaksud dengan surja hubung adalah kenaikan tegangan pada

saat dilangsungkan pemutusan arus oleh PMT. Kenaikan tegangan

13

yang disebabkan oleh adanya gangguan surja hubung ini dapat

merusak isolasi peralatan.

c. Polusi Debu

Debu-debu yang menempel pada isolator, bila udara lembab maka

debu tersebut merupakan konduktor yang dapat menyebabkan

terjadinya loncatan bunga api yang pada akhirnya dapat menyebabkan

gangguan hubung singkat phasa ke tanah.

d. Adanya pohon-pohon yang tidak terawat

Pohon-pohon yang dekat dengan saluran transmisi dan distribusi bila

tidak terawat dan rantingnya masuk ke daerah bebas saluran transmisi

dan distribusi, hal ini dapat mengakibatkan terjadinya gangguan

hubung singkat phasa ke tanah.

e. Isolator yang rusak

Isolator yang rusak karena sambaran petir atau karena usia yang sudah

tua bisa menyebabkan terjadinya gangguan hubung singkat antar

phasa atau gangguan hubung singkatan dari phasa ke tanah.

f. Daun-daun/sampah yang menempel pada isolator

Daun-daun/sampah yang terbang terbawa angin dan kemudian

menempel pada isolator akan mengakibatkan jarak bebas berkurang

sehingga dapat mengakibatkan terjadinya loncatan bunga api. Hal ini

bisa mengakibatkan terjadinya gangguan hubung singkat antar phasa

atau gangguan hubung singkat dari phasa ke tanah.

g. Angin kencang

Terjadinya angin kencang, sehingga menimbulkan gesekan pohon

dengan jaringan listrik.

h. Kesadaran masyarakat yang kurang

Misalnya bermain layang-layang dengan menggunakan benang yang

bisa dilalui aliran listrik. Ini sangat berbahaya jika benang tersebut

mengenai jaringan listrik.

14

i. Kualitas peralatan atau material yang kurang baik

Misalnya pada JTR yang memakai Twested Cable dengan mutu yang

kurang baik, sehingga isolasinya mempunyai tegangan tembus yang

rendah, mudah mengelupas dan tidak tahan panas. Hal ini juga akan

menyebabkan hubung singkat antar phasa.

j. Pemasangan jaringan yang kurang baik

Pemasangan konektor pada JTR yang memakai TC, apabila

pemasangannya kurang baik akan menyebabkan timbulnya bunga api

dan akan menyebabkan kerusakan phasa yang lainnya. Akibatnya

akan terjadi hubung singkat.

k. Terjadinya hujan, adanya sambaran petir, karena terkena galian (kabel

tanah), umur jaringan (kabel tanah) sudah tua yang mengakibatkan

pengelupasan isolasi dan menyebabkan hubung singkat dan

sebagainya.

2.4 Relai Pengaman

Relai pengaman adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk

mendeteksi adanya suatu gangguan atau merasakan adanya kondisi tidak

normal yang mungkin terjadi pada peralatan atau bagian sistem tenaga

listrik.

Relai proteksi dapat mendeteksi adanya gangguan pada peralatan yang

diamankan dengan mengukur besaran-besaran listrik yang diterimanya dan

membandingkan antara besaran pada saat kondisi normal dengan besaran

pada saat kondisi gangguan. Besaran-besaran yang berubah harganya pada

kondisi gangguan tersebut misalnya arus, tegangan, daya, sudut fasa,

impedansi, frekuensi, dan lain sebagainya.

Relai secara otomatis akan membuka pemutus tenaga (PMT) untuk

memisahkan peralatan atau bagian dari sistem yang terganggu dan

memberikan isyarat berupa lampu dan alarm (bel) yang menandakan pada

sistem telah terjadi gangguan.

15

2.4.1 Fungsi Relai Pengaman

Dari uraian di atas, dapat disimpulkan bahwa relai proteksi mempunyai

fungsi sebagai berikut :

a. Merasakan, mengukur, dan menentukan bagian sistem yang

terganggu serta memisahkan secepatnya, sehingga sistem lainnya

yang tidak terganggu dapat beroperasi secara normal.

b. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang

terganggu.

c. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem lain yang

tidak terganggu di dalam sistem tersebut serta mencegah meluasnya

gangguan.

d. Memperkecil bahaya bagi manusia atau operator.

e. Menunjukan lokasi dan macam gangguan.

2.4.2 Persyaratan Relai Proteksi

Relai proteksi dirancang untuk dapat merasakan atau mengukur adanya

gangguan pada bagian suatu sistem tenaga listrik yang kemudian secara

otomatis akan membuka Pemutus Tenaga. Relai proteksi harus

memenuhi persyaratan sebagai berikut :

1. Dapat diandalkan ( Reliable )

Dalam keadaan normal (tidak ada gangguan) relai tidak boleh

bekerja. Tetapi bila suatu saat terjadi gangguan yang mengharuskan

relai bekerja, maka relai tidak boleh gagal bekerja untuk mengatasi

gangguan tersebut. Kegagalan kerja relai dapat mengakibatkan

kerusakan yang berat bagi alat atau sistem yang diamankan atau

gangguan menjadi meluas sehingga daerah yang mengalami

pemadaman akan meluas. Disamping itu relai tidak boleh salah

bekerja, sehingga menimbulkan pemadaman yang tidak seharusnya

ataupun menyulitkan analisa gangguan yang terjadi. Dalam hal ini

yang harus dapat diandalkan tidak hanya relainya sendiri tetapi mulai

16

dari trafo arus, trafo tegangan serta rangkaiannya, baterai serta

pemutus tenaganya.

2. Selektif

Relai bertugas mengamankan peralatan atau bagian sistem dalam

daerah pengamannya. Letak PMT (Pemutus Tenaga) sedemikian

rupa sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisahkan. Maka

tugas relai adalah mendeteksi adanya gangguan yang terjadi pada

daerah pengamanannya dan memberi perintah untuk membuka PMT

(Pemutus Tenaga) untuk memisahkan bagian dari sistem pada daerah

yang terganggu. Dengan demikian bagian sistem lainnya yang tidak

terganggu jangan sampai dilepas, dan masih beroperasi normal

sehingga tidak terjadi pemutusan pelayanan. Dengan kata lain

pengamanan dinyatakan selektif bila relai dan PMT (Pemutus

Tenaga) yang bekerja hanyalah pada daerah yang terganggu saja.

3. Waktu kerja relai cepat

Relai pengaman harus dapat bekerja dengan cepat segera setelah

merasakan adanya gangguan pada sistem guna mengurangi

kerusakan yang lebih parah dari peralatan atau bagian sistem yang

terganggu.

4. Peka

Relai pengaman harus cepat merasakan adanya arus gangguan yang

melebihi arus settingnya. Relai dikatakan peka (sensitif) apabila

dapat bekerja dengan masukan dari besaran yang dideteksi kecil.

Jadi relai dapat bekerja pada awal kejadian gangguan atau dengan

kata lain gangguan dapat diatasi pada awal kejadian. Hal ini

memberi keuntungan dimana kerusakan peralatan yang diamankan

akibat gangguan menjadi kecil. Namun demikian relai harus stabil,

yang artinya relai harus dapat membedakan antara arus gangguan

dan arus beban maksimum.

17

5. Ekonomis dan sederhana

Penggunaan relai pengaman harus dipertimbangkan sisi

ekonomisnya tanpa mempengaruhi fungsi relai tersebut.

2.5 Prinsip Kerja Transformator

Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang dapat

memindahkan dan mengubah energi listrik bolak – balik ( arus dan

tegangan) dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain

dengan nilai yang sama maupun berbeda besarnya (lebih kecil atau lebih

besar) pada frekuensi yang sama, melalui suatu gandengan magnet dan

berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Pada umumnya transformator

terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis, dan dua buah

kumparan, yaitu kumparan primer, dan kumparan sekunder. Rasio

perubahan tegangan akan bergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua

kumparan itu. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit

seputar “kaki” inti transformator.

Apabila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan bolak-balik

maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena

kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus

primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer

terjadi induksi.

Pada dasarnya prinsip kerja transformator adalah berdasarkan hukum

Ampere dan hukum Faraday, yaitu: arus listrik dapat menimbulkan medan

magnet dan sebaliknya medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Jika

pada salah satu kumparan pada transformator diberi arus bolak-balik maka

jumlah garis gaya magnet berubah-ubah. Akibatnya pada sisi primer terjadi

induksi. Sisi sekunder menerima garis gaya magnet dari sisi primer yang

jumlahnya berubah-ubah pula. Maka di sisi sekunder juga timbul induksi,

akibatnya antara dua ujung terdapat beda tegangan [1].

18

e = - N ∅

= - N ∅ ω

= - N ω∅m Cos ωt

= 2π f N ∅m ................................................................ (2.1)

Harga efektif dari tegangan induksi adalah [1] :

Eeff = √

= ∅

√ = 4,44 f N∅m (volt)................ (2.2)

2.6 Perhitungan Arus Beban Penuh pada Transformatur

Daya transformator bila ditinjau dari sisi tegangan tinggi (primer) dapat

dirumuskan sebagai berikut [2]:

푆 = √3 .푉 . 퐼 .............................................................. (2.3)

Dimana :

S = daya transformator (kVA)

V= tegangan sisi primer trafo (kV)

I = arus jala-jala (A)

Sehingga untuk menghitung arus beban penuh (full load) dapat

menggunakan rumus [2] :

퐼 = √ .

................................................................ (2.4)

Dimana :

IFL : arus beban penuh (A)

S : daya transformator (kVA)

V : tegangan sisi sekunder trafo (kV)

19

2.7 Losses (rugi-rugi) Akibat Adanya Arus Netral Pada Penghantar

Transformator

Sebagai akibat dari ketidakseimbangan beban antara tiap-tiap phasa

pada sisi sekunder transformator (phasa R, phasa S, phasa T) mengalirlah

arus netral transformator. Arus yang mengalir pada penghantar netral

transformator ini menyebabkan losses (rugi-rugi). Losses pada penghantar

netral transformator ini dapat dirumuskan sebagai berikut [2] :

PN = IN2.RN .............................................................. (2.5)

dimana :

PN : losses pada penghantar netral transformator (watt)

IN : arus yang mengalir pada netral transformator (A)

RN : tahanan penghantar netral transformator (Ω)

Sedangkan losses yang diakibatkan karena arus netral yang mengalir ke

tanah (ground) dapat dengan perumusan sebagai berikut [2] :

PG = IG .RG .............................................................. (2.6)

PG : losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah (watt)

IG : arus netral yang mengalir ke tanah (A)

RG : tahanan pembumian netral transformator (Ω)

20

2.8 Sistem 3 Fasa Seimbang

Pada sistem tenaga listrik 3 phasa, idealnya daya listrik yang

dibangkitkan, disalurkan dan diserap oleh beban semuanya seimbang, P

pembangkitan = P pemakain, dan juga pada tegangan yang seimbang. Pada

tegangan yang seimbang terdiri dari tegangan 1 phasa yang mempunyai

magnitude dan frekuensi yang sama tetapi antara 1 phasa dengan yang

lainnya mempunyai beda phasa sebesar 120° listrik, sedangkan secara fisik

mempunyai perbedaan sebesar 60°, dan dapat dihubungkan secara bintang

(Y) atau segitiga (delta, Δ, D).

Gambar 2.3 Sistem 3 Phasa [7]

Gambar diatas menunjukkan fasor diagram dari tegangan phasa. Bila

fasor-fasor tegangan tersebut berputar dengan kecepatan sudut dan dengan

arah berlawanan jarum jam (arah positif), maka nilai maksimum positif dari

phasa terjadi berturut-turut untuk phasa V1, V2 dan V3. Sistem 3 phasa ini

dikenal sebagai sistem yang mempunyai urutan phasa a – b – c . Sistem

tegangan 3 phasa dibangkitkan oleh generator sinkron 3 phasa.

21

2.8.1 Hubungan Segitiga

Pada hubungan segitiga (delta, Δ) ketiga phasa saling dihubungkan

sehingga membentuk hubungan segitiga 3 phasa.

Gambar 2.4 Hubungan Segitiga (Δ) [6]

Dengan tidak adanya titik netral, maka besarnya tegangan saluran

dihitung antar phasa, karena tegangan saluran dan tegangan phasa

mempunyai besar magnitude yang sama, maka:

Vline = Vphasa

Tetapi arus saluran dan arus phasa tidak sama dan hubungan antara

kedua arus tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan hukum

kirchoff, sehingga [6] :

Iline = √3 Iphasa = 1,73 Iphasa ........................ (2.7)

2.8.2 Hubungan Bintang

Pada hubungan bintang (Y), ujung-ujung tiap phasa dihubungkan

menjadi satu dan menjadi titik netral atau titik bintang. Tegangan

antara dua terminal dari tiga terminal a – b – c mempunyai besar

magnitude dan beda phasa yang berbeda dengan tegangan tiap

terminal terhadapa titik netral. Tegangan Va, Vb dan Vc disebut

tegangan “phasa” atau Vf.

22

Gambar 2.5 Hubungan Bintang (Y) [6]

Dengan adanya saluran / titik netral maka besaran tegangan phasa

dihitung terhadap saluran / titik netralnya, juga membentuk sistem

tegangan 3 phasa yang seimbang dengan magnitudenya (akar 3

dikali magnitude dari tegangan phasa) [6].

Vline = √3 Vphasa = 1,73 Vphasa. ........................ (2.8)

Sedangkan untuk arus yang mengalir pada semua phasa mempunyai

nilai yang sama [6],

Iline = Iphasa

Ia = Ib = Ic ........................................................ (2.9)

2.9 Sistem 3 Fasa Tidak Seimbang

Pada sistem yang tidak seimbang, arus setiap komponen dapat

memberikan kenaikan arus atau tegangan urutan komponen yang lain.

Suplai dari sumber tegangan dan arus pada phasa banyak selalu di desain

pada sistem seimbang, dalam hal ini, maka keadaan sistem tidak seimbang

terjadi karena adanya beban atau impedansi yang tidak seimbang yang

harus dipikul oleh sistem suplai tersebut.

23

Gambar 2.6 Vektor Diagram Arus [3]

Gambar 2.6 (a) menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang.

Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT) adalah

sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (IN). Sedangkan pada

Gambar 2.6 (b) menunjukkan vektor diagram arus yang tidak seimbang. Di

sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT) tidak sama

dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus netral (IN) yang

besarnya bergantung dari seberapa besar faktor ketidakseimbangannya.

2.9.1 Beban 3 Phasa Tidak Seimbang Hubungan Bintang

Terdapat dua macam hubungan bintang pada sistem phasa banyak,

yaitu :

2.9.1.1 Dengan Saluran Netral

Beban tidak seimbang hubungan bintang dengan saluran netral

merupakan yang paling mudah analisisnya, karena sistem ini

dapat dirinci menjadi beban tiap phasa yang disuplai oleh

tegangan antara phasa dan netralnya. Sistem ini pada suplai tiga

phasa disebut juga sistem 4 kawat. Pada hubungan bintang

empat kawat beban tak seimbang, penghantar netral akan

24

mengalirkan arus dan tegangan pada masing-masing beban

impedansi sama dengan tegangan line ke netral. Arus line tidak

sama dan tidak akan mempunyai perbedaan phasa 120o.

Gambar 2.7 Beban Hubungan Bintang 4 Kawat Tidak Seimbang [6]

2.9.1.2 Tanpa Saluran Netral

Pada beban sistem hubungan bintang tanpa saluran netral, maka

titik netral akan mengambang yang menyebabkan perubahan

tegangan titik netral tegangan akan bergeser, suatu hal yang

tidak dikehendaki.

Gambar 2.8 Beban Hubungan Bintang 3 Kawat Tidak Seimbang [6]

Ir

InZa

ZcZbIs

It

Ir

Za

ZcZbIs

It

25

2.9.2 Beban 3 Phasa Tidak Seimbang Hubungan Segitiga

Beban 3 phasa tidak seimbang hubungan segitiga ditunjukan oleh

gambar dibawah ini:

Gambar 2.9 Beban Hubungan Delta Tidak Seimbang [6]

2.10 Arus Netral Karena Beban Tidak Seimbang

Arus netral dalam sistem distribusi tenaga listrik dikenal sebagai arus

yang mengalir pada kawat netral di sistem distribusi tegangan rendah 3

phasa 4 kawat. Arus netral ini akan muncul jika kondisi beban tidak

seimbang atau karena adanya arus harmonisa akibat dari beban non linear

yang semakin berkembang digunakan saat ini.

Arus yang mengalir pada kawat netral yang merupakan arus balik untuk

sistem distribusi 3 phasa 4 kawat adalah penjumlahan vektor dari ketiga

arus phasa dalam komponen simetris.

Pada kondisi beban tak seimbang, perhitungan nilai arus netral dapat

diketahui melalui metode komponen simetris. Dengan menggunakan

notasi-notasi yang sama seperti pada tegangan akan didapatkan

persamaan-persamaan untuk arus-arus phasanya sebagai berikut [3] :

Ia = I1 + I2 + I0 .......................................................... (2.10)

Ib = a² I1 + a I2 + I0 ................................................... (2.11)

Ic = a I1 + a² I2 + I0 ................................................... (2.12)

26

Dengan tiga langkah yang telah dijabarkan dalam menentukan tegangan

urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol terdahulu, maka arus-arus

urutan juga dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga kita

dapatkan juga [3] :

I1 = 1/3 ( Ia + a Ib + a² Ic ) .................................................. (2.13)

I2 = 1/3 ( Ia + a² Ib + a Ic ) .................................................. (2.14)

I0 = 1/3 ( Ia + Ib + Ic ) ........................................................ (2.15)

Disini terlihat bahwa arus urutan nol (I0) adalah merupakan sepertiga

dari arus netral atau arus baliknya akan menjadi nol jika dalam sistem tiga

phasa empat kawat. Dalam sistem tiga phasa empat kawat ini jumlah arus

saluran sama dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral, jadi [3] :

Ia + Ib + Ic = IN ................................................................. (2.16)

Dengan mensubstitusikan persamaan 2.15 ke 2.16 diperoleh

IN = 3I0 .............................................................................. (2.17)

Dalam sistem tiga phasa empat kawat ini jumlah arus saluran sama

dengan arus netral yang kembali lewat kawat netral. Jika arus-arus

phasanya seimbang maka arus netralnya akan bernilai nol, tapi jika arus-

arus phasanya tidak seimbang akibat pembebanan yang tak seimbang,

maka akan ada arus yang mengalir dikawat netral sistem ( arus netral akan

mempunyai nilai dalam arti tidak nol ).

27

2.11 Standard Ketidakseimbangan Beban (IEEE std 446 – 1980)

Berikut ini adalah standar atau batas toleransi ketidakseimbangan beban

2.12 Karakteristik Relai Arus Waktu

Berdasarkan karakteristik arus terhadap waktu kerja, relai arus lebih

terbagi atas beberapa jenis, antara lain:

2.12.1 Relai Arus Lebih Karakteristik Waktu Sesaat/Moment

(Instantaneous).

Adalah relai yang bekerja seketika. Setiap arus pick-up, maka

relai akan langsung memberi perintah pada CB untuk memutus sirkit

pada saat itu juga. Biasanya relai ini dipakai bersama dengan relai arus

lebih karakteristik lainnya, misalnya relai arus lebih karakteristik

waktu terbalik. Keuntungan pemakaian relai seketika akan tampak

jelas pada saluran panjang atau trafo daya, yang disuplai oleh

pembangkitan yang besar. Untuk gangguan didekat relai, dimana arus

28

gangguan sangat besar, waktu pemutusannya akan seketika, sehingga

peralatan yang dilindungi menjadi aman dari kerusakan

I(Ampere)Im

t

I

Gambar 2.10 Karakteristik Relai Arus Lebih Waktu Seketika (Instantaneous) [6]

2.12.2 Relai Arus Lebih Karakteristik Waktu Tertentu (Definite Time)

Karakteristik arus waktu definite time (waktu tertentu) waktu

pemutusannya tetap, besar arus gangguan tidak mempengaruhi

kecepatan pemutusan. Sehingga relai jenis ini cocok dipakai pada

sistem tenaga listrik yang arus gangguannya sangat bervariasi akibat

perubahan kapasitas pembangkitan. Selain itu pula relai ini sangat

baik digunakan pada jaringan yang panjang, dimana gangguan pada

seksi tersebut baik diujung maupun dipangkalnya, diamankan dengan

waktu kerja yang tetap, tetapi relai jenis ini tidak cocok dipakai pada

jaringan yang mempunyai seksi didepannya, karena bila

dikoordinasikan dengan baik, maka relai didekat sumber

pembangkit/trafo daya akan memiliki waktu kerja relai yang sama,

padahal arus gangguannya semakin besar.

29

Gambar 2.11 Karakteristik Relai Arus Lebih Waktu Tertentu (Definite Time) [6]

2.12.3 Relai Arus Lebih Karakteristik Waktu Terbalik (Invers Time)

Adalah relai arus lebih yang mempunyai elemen pengukur waktu

dependent terhadap arus yang dideteksi. Besarnya waktu kerja relai

berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan yang dideteksi,

makin besar arus gangguan, maka makin cepat waktu kerja relai dan

sebaliknya.

Gambar 2.12 Karakteristik Relai Arus Lebih Waktu Terbalik (Inverse Time) [6]

30

Gambar 2.13 Kurva karakteristik waktu IEC

31

2.13 Konstruksi Relai Arus Lebih OCR & GFR tipe ABB SPAM 150C

Gambar 2.14 Konstruksi Relai Arus Lebih tipe ABB SPAM 150C [4]

Keterangan :

1. Phasa R 25. Arus Netral

2. current transformer In = 5 A 26. Rating Arus 5 A

3. current transformer In = 1 A 27. Rating Arus 1 A

4. Phasa S 61. Auxiliary tegangan ( + )

5. current transformer In = 5 A 61. Auxiliary tegangan ( - )

6. current transformer In = 1 A 70. Internal Relay Fault signal NC

7. Phasa T 71,72. Internal Relay Fault signal NO

8. current transformer In = 5 A 74,75. Output Relay ke CB

9. current transformer In = 1 A 77,78. Indikator keadaan Overload

10,11 control input 80,81. Prior Alarm Signal 2

63. grounding 65,66. Trip output Relai

32

2.14 Perhitungan Pengaturan Relai

Pengaturan relai digunakan untuk menyelaraskan simulasi yang

sudah dibuat untuk diterapkan dalam kehidupan sehari-hari artinya

diterapkan dijaringan ataupun suatu sistem yang melibatkan relai ini

digunakan.

Setelah mengetahui besaran atau nilai beban dari simulator beban

yang sudah kita atur sesuai dengan kebutuhan pengujian, dari situ kita

dapat mengitung untuk pengaturan atau setting dari relai tersebut agar

bekerja.

Untuk setting karakteristik GFR [4] :

I0 = 100% . In ...................................................... (2.18)

In = 1 A I0 = Pengaturan arus untuk proteksi unit earth-faulth dalam persen

dari relai ratting arus In

Untuk Pengaturan GFR pada ketidakseimbangan beban [4] :

I0 = 5 % . In .............................................................. (2.19)

Alasan pengaturan GFR menggunakan 5% karena setelah dihitung

perser ketidakseimbangan suatu sistem ternyata hasil dari nilai tersebut

mencapai hasil 6,6 %. Nilai tersebut melebihi ketidakseimbangan arus

dalam peraturan IEEE std 446 – 1980. Dalam peraturan tersebut ratting

load unbalance 5 – 20 %.

Rata – rata ketidakseimbangan (%) [2] :

= | | | | | | ...................................... (2.20)

33

Tabel 2.1 Indikator Operasi

Indikasi Keterangan

1. = level thermal telah melampauai set level prior

alaram

2. = unit termal sudah terputus

3.

= restart termal menjaga tingkat berlebih

waktu start up atau mencegah sinyal ekternal aktif

4. = setting tripping arus lebih

5. = Ketidakseimbangan / salah urutan fase trip

6. = proteksi bagian unit utama terputus

7. = gangguan ke tanah trip

8. = undercurrent trip

9. = trip eksternal sudah dilakukan

34

2.15 Petunjuk Pemograman Relai

Tabel 2.2 Contoh cara mensetting relai

No Langkah-langkah Gambar

1 Tekan tombol ”STEP” berulang kali sampai ke lampu LED pada simnol I> menyala, kemudian nilai arus start akan tertera di display

RESET

STEP

2 Tekan tombol “PROGRAM” lebih dari satu detik kemudian lepas, untuk memasuki sub menu dari I>. Muncul angka 1 berwarna merah yang berkedip-kedip. Ini menunjukan posisi sub menu pertama, dan tiga angka warna hijau menunjukan nilainya.

PROGRAM

3 Untuk mengubah nilai setelan sub menu pertama tersebut, tekan tombol “PROGRAM” kemnbali selama 5 detik, sampai semua berkedip

PROGRAM

4 Tekan tombol “PROGRAM” selama 1 detik, untuk mengubah nilai setting paling kanan.

PROGRAM

5 Nilai tersebut bisa diganti dengan menekan tombol “RESET/STEP” sampai ke nilai yang diinginkan.

PROGRAM

35

6 Tekan tombol “PROGRAM” , untuk mengubah nilai nilai berikutnya.

PROGRAM

7 Ubah nilai tersebut ke nilai yang diinginkan, dengan menekan tombol “RESET/STEP”

PROGRAM

8 Tekan tombol “PROGRAM” kembali, sampai angka warna hijau paling kiri berkedip.

PROGRAM

9 Ubah ke nilai yang diinginkan dengan menekan tombol “RESET/STEP”

RESET/ STEP

10 Tekan “PROGRAM” kembali, untuk mengedipkan titik maksimal.

PROGRAM

11 Jika perlu, pindahkan titik desimal ke nilai yang diinginkan dengan menekan tombol”STEP”.

RESET

STEP

36

12 Tekan tombol “PROGRAM” untuk membuat semua angka berkedip. Pada posisi ini, kita bisa melihat nilai yang baru sebelum di save. Jika ingin mengubah nilainya, tekan tombol “PROGRAM”

PROGRAM

13 Jika nilai yang telah kita masukan benar, tekan tombol “RESET/STEP” dan “PROGRAM” secara bersamaan. Dengan cara ini berarti nilai setting pada sub menu telah di save.

RESET

STEP

14 Apabila tidak ingin memasukkan nilai yang baru pada salah satu sub menu tersebut, hanya tinggal menekan tombol “PROGRAM” selama 5 detik.

PROGRAM

15 Jika ingin mengubah nilai setelan pada sub menu kedua dari I>, tekan “STEP” selama 1 detik, lalu angka 1 warna merah akan digantikan dengan 2.

RESET

STEP

37

2.16 Setting Relai

Nilai pengaturan ditunjukkan oleh tiga digit paling kanan pada layar.

Indikator dekat dengan simbol nilai pengaturan yang menunjukkan kelompok

pengaturan nilai saat ini ditunjukkan pada layar.

Tabel 2.3 Pengaturan Relai

Setting Parameter Setting range

p

Motor beban penuh arus Iɵ sebagai

kelipatan dari relay ratting arus In. Tripping

akan dilakukan jika arus melebihi nilai yang

ditetapkan lebih dari 5% dengan nilai yang

lama.

Maksimum stall waktu yang aman operasi

waktu dalam detik pada motor dingin di

enam kali beban penuh Iɵ

Pembobotan faktor untuk kurva thermal unit

Sebelum alarm untuk tingkat kelebihan

beban termal mendekati dalam persen dari

tingkat trip

Restart mencegah tingkat untuk kondisi

kelebihan beban termal dalam persen dari

tingkat trip

2.0...120 s

20...100% (50%)

50...100% of trip level

20...80% of trip level

38

I>>

t>>

I0

t0

∆I

t∆

I<

t<

faktor reduksi Pendinginan untuk motor

terhenti dibanding dengan waktu pemanasan

konstan

pengaturan Motor start sebagai kelipatan

dari relay ratting arus In

Pengaturan start Motor, waktu dalam

hitungan detik *)

Pengaturan unit set arus lebih sebagai

kelipatan dari relay ratting Pada arus In

Setting waktu pada arus lebih dalam detik

Pengaturan start arus untuk unit eart-fault

dalam persen dari relay ratting arus In

Operasi waktu unit earth-fault dalam detik

Mengatur ∆I untuk perlindungan

ketidakseimbangan beban dalam persen dari

arus fasa

Mengoperasikan waktu di tingkat awal

dalam hitungan detik, waktu terbalik

Mengoperasikan waktu untuk perlindungan

urutan fase yang tidak sesuai

Menjalankan nilai unit undercurrent dalam

persen dari motor saat penuh beban

Operasi waktu unit undercurrent dalam

detik

1...64 x heating t.c.

1.0...10.0 x In

0.3...80 s (2 s)

0.5...20 x In

0.04...30 s

1.0...100% In

0.05...30 s

10...40% IL

20...120 s

< 1s

30...80% Iɵ and off

2…600 s

39

SGF

SGB

SGR

Time-based start inhibit counter pengaturan

dalam detik*)

Countdown tingkat counter start dalam

hitungan detik per jam

Checksum dari pemilih switchgroups SGF,

SGB,

SGR1 dan SGR2 ditunjukkan pada layar

saat indikator berdekatan dengan simbol

switchgroup di panel depan menyala.

incluence dari posisi switch yang berbeda

pada operasi relay dijelaskan dalam paragraf

terpisah.

5...500 s

2...250 s/h

*) Start-up didefinisikan sebagai suatu kondisi ketika arus fasa dalam waktu

kurang dari 60 ms melebihi tingkat 1,5 Iɵ dari keadaan terhenti I <0,12. Kondisi

start-up berakhir ketika arus fase lagi menujui lebih rendah dari 1,25 Iɵ. Untuk

unit perlindungan start-up stall, penghitungan waktu dihentikan ketika saklar

kecepatan perubahan kondisinya, jika fasilitas digunakan. Dalam hal ini ts

pengaturan preferrably harus sama dengan waktu te motor.

40

2.17 Programing Switching

Fungsi tambahan yang dibutuhkan dalam berbagai aplikasi yang dipilih

dengan cara kelompok saklar SGF, SGB, SGR1 dan SGR2 ditunjukkan pada

panel depan. Selanjutnya, pelindung motor modul relai berisi saklar software

kelompok SG4, yang terletak di submenu empat dari register A. penomoran dari

switch, 1 ... 8, dan posisi saklar 0 dan 1 ditunjukkan saat menetapkan

switchgroups. Dalam layanan normal hanya checksum yang akan ditampilkan.

Pemrograman fungsional saklar kelompok SGF

Saklar pemilih dari SGF switchgroup digunakan untuk mendefinisikan fungsi-

fungsi tertentu dari relay dan diidentifikasi sebagai SGF / 1 sampai SGF / 8.

Switch Fungsi Factory

Default

User

Settin

g

Weight

Value

SGF/1

SGF/2

SGF/3

SGF/4

High-set overcurrent unit inhibited or in use

0 = High-set stage inhibited (setting displayed "- - -")

1 = High-set stage yang digunakan

Mengatur tinggi set tingkat arus lebih dua kali lipat

selama motor start-up

0 = dua kali lipat tidak

1 = dua kali lipat fitur aktif

Earth-Fault trip on overcurrent lebih tinggi tinggi

dari kelipatan dipilih dari FLC Motor saat beban

penuh sebagai berikut:

SGF/3 = 0 SGF/3 =1

SGF/4 = 0 no inhibit inhibit at

1

1

0

0

1

2

4

8

41

SGF/5

SGF/6

SGF/7

SGF/8

four times

FLC

SGF/4 = 1 inhibit at six times FLC inhibit at

eight times

FLC

Seleksi atau deselection dari ketidakseimbangan

perlindungan

0 = tidak digunakan (pengaturan ditampilkan "---")

1 = operatif

Perlindungan Salah urutan Fasa inhibited atau

digunakan

0 = tidak digunakan

1 = operatif

Stall perlindungan berdasarkan pengawasan

tegangan termal Is2 x ts atau fungsi arus lebih waktu

tertentu Is & ts.

0 = arus lebih waktu tertentu;

1 = pemantauan termal tekanan

Seleksi atau deselection perlindungan undercurrent

0 = tidak digunakan (pengaturan ditampilkan "---")

1 = operatif

1

1

1

0

16

32

64

128

Checksum untuk setelan pabrik SGF 115

42

Pemblokiran dan kendali input pemilih switchgroup SGB

Saklar pemilih dari SGB switchgroup digunakan untuk mendefinisikan fungsi-

fungsi tertentu dari input kontrol eksternal dari relay dan diidentifikasi sebagai

SGB / 1 sampai SGB / 8.

Switch Fungsi Factory

setting

Checksum

value

SGB /1

SGB /2

SGB /3

SGB /4

Stall informasi untuk relay dari switch kecepatan

pada motor (1). Fitur ini terutama digunakan untuk

EXE-jenis drive motor dimana motor tidak harus

terhenti untuk waktu yang melebihi motor start-up.

Restart motor dihambat oleh perintah eksternal (1).

Dapat digunakan untuk mengikat motor restart

untuk suatu peralatan otomatisasi eksternal.

Ketika SGB / 3 = 1, fase ketidakseimbangan unit

diblokir oleh sinyal input BS. Pada deblocking, unit

dioperasikan dengan waktu beroperasi normal.

Dapat digunakan misalnya untuk menghambat

operasi selama start-up ketika motor terhubung ke

soft-starter.

Ketika SGB / 4 = 1, unit earth-fault diblokir oleh

sinyal input BS. Pada deblocking, unit dioperasikan

dengan waktu pengoperasian normal. Dapat

digunakan misalnya untuk menghindari gangguan

trippings mungkin selama start-up karena CTs soft-

starter atau jenuh

0

0

0

0

1

[

2

4

[[

8

43

SGB/5

SGB/6

SGB/7

SGB/8

Perintah trip eksternal dilakukan untuk relay output

A (1).

Relay pelindung eksternal dapat terhubung ke jalur

trip menggunakan fitur ini.

Perhatikan! Sinyal perjalanan tidak ditangani oleh

modul SPCJ-dan harus diatur menggunakan kontak

pada relay pelindung eksternal.

Relai reset eksternal (1) memungkinkan untuk

memiliki manual Master tombol reset luar relai

Tombol yang sama dapat melayani semua relay di

stasiun. Kemungkinan lain adalah untuk

menghubungkan reset untuk otomatisasi beberapa.

Latching relay output untuk arus pendek, earth-fault

atau menyeimbangkan trip.

Ketika SGB / 7 = 0, sinyal trip kembali ke keadaan

awal, yaitu output relay drop off, ketika sinyal

pengukuran menyebabkan operasi turun di bawah

tingkat awal. Ketika SGB / 7 = 1, sinyal trip tetap

menyala, yaitu output relay dioperasikan meskipun

sinyal pengukuran jatuh di bawah tingkat awal.

Kemudian sinyal trip harus diatur ulang dengan

menekan tombol PROGRAM, dengan menekan

PROGRAM RESET dan tombol secara bersamaan

atau dengan remote control melalui bus SPA atau

masukan kontrol eksternal.

Latching (1) relay output untuk apapun, trip

indepen den penyebabnya.

Ketika SGB / 8 = 0, sinyal trip kembali ke keadaan

awal, yaitu output relay drop off, ketika sinyal

0

0

0

0

16

32

64

128

44

mengukur menyebabkan operasi turun di bawah

tingkat awal.

Ketika SGB / 8 = 1, sinyal trip tetap menyala, yaitu

keluaran relay energize, meskipun sinyal

pengukuran turun di bawah mulai tingkat. Sinyal

trip harus diatur ulang dengan menekan

PROGRAM tombol push, dengan menekan

PROGRAM dan RESET push-tombol secara

bersamaan atau dengan remote control

bus SPA atau masukan kontrol eksternal.

Checksum untuk setelan pabrik SGB 0