1

DASAR DAN PRINSIP PERENCANAAN PROTEKSI

1. Pendahuluan Teknik proteksi terbaik sekarang dan lebih dari 50 tahun dikenal dengan proteksi differensial.

Dalam hal ini jumlah listrik yang masuk dan meninggalkan zone atau area yang dilindungi dibandingkan menggunakan transformator arus (CTs). Jika jaringan antara semua sirkit adalah nol, itu diasumsikan bahwa tidak ada gangguan atau terjadi masalah yang tidak dapat ditoleransi. Bilamana, jika jaringan tidak nol, terjadi masalah internal dan pembagi arus dapat mengoperasikan relai yang terhubung. Secara umum, gangguan internal memerlukan arus opersai yang signifikan, untuk menyalakan lampu gangguan.

Pengaman diferensial secara universal dapat diaplikasikan pada semua bagian-bagian dari system

power : generator-generator, motor-motor, bus-bus, trafo-trafo, kabel, kapasitor-kapasitor, reaktor-reaktor, dan kadang-kadang kombinasi dari semuanya ini. Semenjak pengaman setiap bagian dari system power dibahas, perlindungan diferensial menjadi pertimbangan pertama, dan sering juga menjadi pilihan untuk perlindungan utama.

2. Prinsip Differensial

Teknik dasar ini digambarkan pada gambar 1, dan untuk mudahkan, hanya dua sirkuit di zona proteksi yang akan ditampilkan. Untuk sirkuit banyak mungkin ada, tetapi prinsipnya sama.

Gambar 1. Skema dasar ilustrasi arus differensial untuk pengaman suatu area dengan dua sirkuit : (a) kondisi normal, (b) gangguan internal Jumlah arus yang mengalir masuk dasarnya sama dengan jumlah arus yang mengalir keluar selama operasi normal.

2

Untuk operasi normal dan semua gangguan luar, arus sekunder di gambar 1a pada relay proteksi adalah perbedaan arus yang ada pada transformator arus yang dihubungkan secara diferensial. Arus distribusi perunit juga ditunjukan pada gambar. Sebagai contoh, Ip adalah arus primer pada input line atau meninggalkan area perlindungan. Ip–Ie adalah amper sekunder dan adalah jumlah arus primer dibagi dengan arus tranformator kurang arus sekunder yang timbul. Bahkan dengan rasio yang sama persis dan jenis trafo arus, arus relay IOP akan kecil, tapi tidak pernah nol. Hal ini karena kerugian dalam kawasan pengaman dan perbedaan kecil antara sesama CTs. Ini mengasumsikan bahwa tidak ada arus jenuh transformator yang signifikan untuk maksimum ac simetris seluruh arus. Dengan CTs berbeda dan rasio, terjadi perbedaan yang lebih besar itu harus dikurangi atau pickup dari relay harus diatur sehingga tidak beroperasi pada kondisi apapun.

Selama gangguan eksternal kinerja peralihan dari beberapa CTs dihasilkan dari peningkatan

mendadak arus dan komponen DC yang dapat menghasilkan lebih besar arus operasi sementara. Jadi, sulit dan tidak praktis untuk menerapkan relay seketika. Relay waktu tunda dapat digunakan dengan perlakuan khusus.

Untuk gangguan dalam, gambar 1b menujukan arus operasi relay diferensial pada dasarnya adalah

jumlah dari umpan arus input gangguan. Ini adalah arus gangguan total pada ampere sekunder. Kecuali untuk gangguan internal sangat ringan, pembedaan baik tersedia untuk mendeteksi masalah (gangguan) dalam zona diferensial. Agar relay diferensial beroperasi, tidak perlu untuk semuasirkuit untuk memasok arus gangguan jika tidak ada arus yang diberikan pada gangguan.

Gambar 2. Relay persentase diferensial (a) gangguan luar (b) gangguan dalam

Untuk memberikan sensitivitas tinggi pada informasi gangguan internal dengan keamanan tinggi untuk gangguan eksternal, banyak relay diferensial merupakan tipe diferensial persentase. Gambar 2 adalah skema yang disederhanakan dari jenis relay untuk dua sirkuit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Sekunder dari CTs tersambung ke pembatas gulungan R dan arus dalam menghambat operasi. Terkait dengan lilitan penahan adalah operasi belitan OP. Arus dalam belitan cenderung untuk mengoperasikan relay. Diferensial relay dapat berupa tetap atau variabel yang cenderung untuk mengoperasikan relay. Relay diferensial mungkin salah satu tetap atau persentase variabel, dan karakteristik khas diilustrasikan pada Gambar 3. Absis adalah pembatas arus. Hal ini dapat berupa arus kecil (𝐼𝑅′′) atau arus lebih besar (𝐼𝑅′ ) tergantung pada desain. Ordinat adalah arus (𝐼𝑂𝑃) yang diperlukan untuk mengoperasikan relay. Relay persentase tetap ada di antara 10% dan 50% dan mungkin banyak tidak memiliki tap untuk mengubah persentase.

3

Gambar 3. Karakteristik arus dari berbagai jenis relay tipe diferensial

Tipe persentase Jenis variabel tidak punya tap persentase. Pada arus rendah lewat persentase rendah karena pada tingkat ini kinerja trafo arus biasanya cukup handal. Pada arus gangguan yang tinggi lewat, di mana kinerja CT mungkin tidak dapat diandalkan, karakteristik persentase yang tinggi tersedia. Ini memberikan peningkatan sensitivitas dengan keamanan yang lebih tinggi.

Adalah penting untuk mengenal karakteristiknya, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 3, hanya

berlaku untuk gangguan eksternal atau dilewati aliran arus. Relay diferensial sangat sensitif terhadap gangguan internal ketika arus masuk ke belitan pembatas berada dalam arah yang berlawanan atau salah satu pembatas arus adalah nol, seperti dalam gamar 2. Relay ini dikalibrasi dengan satu pembatas dan mengoperasikan belitan dengan tidak ada arus melalui pembatas lain. arus pickup untuk relay diferensial kurang dari 0,14-3,0 A, tergantung pada jenis, tap, dan aplikasinya.

Seperti yang telah dilihat, prinsip diferensial membandingkan output dari trafo arus di semua input

sirkuit dan output dari bagian atau zona proteksi. Untuk peralatan, seperti generator, bus, transformer, motor, dan lainya, CTs biasanya sama di area umum, sehingga tidak terlalu sulit untuk interkoneksi sekunder dengan relay. Untuk baris terminal dan CTs dipisahkan oleh jarak yang cukup, tidak praktis menggunakan relay diferensial seperti yang dijelaskan sebelumnya. Namun, prinsip diferensial memberikan perlindungan yang terbaik dan masih banyak digunakan. Khususnya pada tegangan yang lebih tinggi. Sebuah kanal komunikasi, seperti kawat pilot (kawat atau kabel serat optik), garis daya pembawa (frekuensi radio), nada audio melalui kabel, atau microwave digunakan untuk perbandingan informasi antara berbagai terminal. 3. Relay jarak Arus Lebih dan Masalah Dasar Pengamanan

Saat diferensial tidak digunakan, relay arus lebih atau jarak memungkinkan untuk pengaman utama. Karena gangguan menghasilkan kenaikan di phase atau pentanahan, atau keduanya, pengaman arus lebih diterapkan secara luas disemua level tegangan dalam system. Relay jarak yang beroperasi pada kenaikan arus input dan penurunan tegangan input digunakan dasar pada level tegangan tinggi.

4

Pengoperasian dari relay arus lebih atau jarak di perbatasan zona perlindungan tidak seperti pengaman diferensial. Oleh karena itu, mungkin baik di bawah atau di atas gangguan di dekat perbatas ini. Jadi, situasi ini menjadi masalah pengaman. Hal ini diilustrasikan pada Gambar 4

Gambar 4. Masalah pengaman untuk relai pelindung di stasiun G untuk GH baris

Relay di stasiun G yang melindungi kabel GH harus beroperasi cepat untuk semua gangguan di daerah antara dua terminal kabel. Ini adalah zona perlindungan utama untuk relay di G dan H. Gangguan F1 di zona utama, tapi gangguan F dan F2 adalah eksternal dan harus dihilangkan oleh proteksi lainnya. Namun, untuk relay di G, arus adalah sama, karena jarak antara ketiga gangguan sangat kecil dan diabaikan. Dengan demikian, praktis, IF = IF2 = IF3. Oleh karena itu, relay di G tidak dapat memutuskan arus (atau tegangan) besar, jika gangguan jauh di F1, yang diinginkan, mereka harus bekerja cepat, atau pada F atau F2, di mana mereka harus menunda. Oleh karena itu, masalahnya adalah untuk membedakan gangguan internal F1 dari gangguan eksternal dan F dan F2. Ada dua kemungkinan solusi: (1) waktu atau (2) komunikasi.

3.1. Solusi Waktu

Solusi waktu penundaan pengoperasian relay di G untuk gangguan dekat atau pada bus H. Delay ini untuk mengizinkan relay utama untuk bus H dan kabel ke kanan H untuk menghilangkan gangguan, seperti F dan F2. Sayangnya, ini menunjukkan bahwa gangguan internal pada garis GH dekat bus H, seperti F1, akan tertunda.

Memasang relay, fase atau tanah, untuk solusi waktu ini disebut koordinasi atau

selektivitas. Pada dasarnya, teknik ini mencoba untuk mengatur relay utama menyediakan operasi cepat untuk close-in gangguan (N1), namun untuk menunda, untuk koordinasi dengan relay di H, untuk gangguan pada atau dekat bus H. Hal ini dicapai dengan waktu terbalik relay, di mana waktu operasi meningkat karena besarnya berkurang, atau penundaan waktu dengan relay sesaat dan konstan (tetap).

3.2. Solusi Komunikasi

Yang kedua, suatu solusi komunikasi adalah suatu jenis pengaman diferensial, seperti sebelumnya yang diuraikan. Relay pada H untuk pengaman dari garis GH yang ditandai oleh arah aliran daya atau informasi sudut fase yang relatif dimana ganguan internal (F1) atau eksternal (F dan F2). Informasi ini dikomunikasikan oleh suatu saluran kepada relay pada G. Dengan cara yang

5

sama, relay pada G menyediakan informasi yang dikomunikasikan ke H. Jika gangguan terjadi dalam daerah utama (gangguan N1 ke F1), keduanya G dan H beroperasi bersama-sama pada kecepatan tinggi. Untuk gangguan eksternal (di bus pada G atau H, di sebelah kiri G, dan di H), relay pada keduanya G dan H tidak beroperasi.

4. Pengaman cadangan : Jauh vs. Lokal

Backup didefinisikan sebagai “pengaman yang beroperasi secara independen dari komponen tertentu dalam sistem perlindungan utama'' Ini merupakan duplikat perlindungan utama, atau mungkin dimaksudkan untuk beroperasi hanya jika perlindungan utama gagal atau untuk sementara keluar dari layanan. Berbagai jenis dapat digambarkan dengan mengacu pada perlindungan di stasiun G untuk garis GH Gambar 4. Relay dipasang pada G, seperti yang ditunjukkan, memberikan perlindungan utama ke garis GH. Untuk gangguan dalam kabel, umumnya lebih dari satu relay primer dapat beroperasi. Ini menyediakan backup primer berlebihan. Untuk sirkuit sangat penting atau peralatan, terutama pada HV dan level EHV, perlindungannya terpisah, beroperasi dari CTs yang berbeda (kadang-kadang VTS), terpisah perlengkapan DC dan sirkuit operasi yang berbeda pada pemutus yang umum digunakan. Salah satu sistem pelindung ditunjuk sebagai utama, dan yang lain sebagai sekunder, biasanya beroperasi bersama-sama dengan kecepatan tinggi.

Dalam sistem dua garis sederhana pada Gambar 4, terlihat bahwa relay di G harus diatur untuk

gangguan operasi eksternal F, F2 dan lain-lain keluar pada line HS untuk memberikan perlindungan terhadap gangguan F1. Dengan demikian, relay G memberikan perlindungan utama untuk bus GH dan perlindungan cadangan untuk bus H dan bus HS. Ini adalah remote backup. Jika F, F2, dan gangguan lainnya dihilangkan oleh relay utama dan yang terkait pemutus arus, relay di G harus beroperasi dan menghilangkan sumber G dari gangguan. Demikian pula, semua sumber lain memasok arus ke gangguan harus dihapus dengan operasi cadangan dari relay.

5. Prinsip Dasar Perencanaan

Teknik desain yang digunakan pada relay untuk perlindungan sistem tenaga listrik telah berkembang dari elektromekanis solid dalam waktu yang relatif singkat. Beberapa langkah yang terlibat dalam proses ini adalah sebagai berikut :

a. Elektromekanis : semua pengukuran analog, perbandingan, tersandung, dan sebagainya b. Solid state: amplifier analog atau operasional, elemen solid-state, thyristor, atau kontak

output. c. Hybrid: analog, dengan logika mikroprosesor, waktu, dan semacamnya, output kontak d. Numerik: analog = digital dan mikroprosesor, output kontak.

Semua jenis-jenis, tetapi sekarang ini desain mikroprosesor secara luas ditawarkan. Banyak electromechanical masih menyediakan perlindungan baik di seluruh dunia.

5.1. Relay Arus Lebih-Waktu Semua relay mempunyai beberapa tap, masing-masing mewakili arus minimum (atau voltase)

di mana unit itu awal untuk beroperasi. Ini adalah nilai pickup yang minimum. Jadi, dengan demikian, suatu relay diset ke tap 2 untuk operasikan pada 2,0 A, plus minus dari toleransi pabrikan.

6

Gambar 5. induksi lempeng terbalik jenis relay arus lebih atau tegangan: (a) tampak atas, (b) tampak samping.

5.2. Relay Tengangan-Arus Sesaat

Relay tersebut digunakan di banyak bidang pengamanan, seperti arus lebih atau unit tegangan lebih, untuk perjalanan secara langsung, atau sebagai detektor gangguan untuk keamanan. Jenis penggunaan dasar umum adalah relay genta atau telepon, solenoid atau relay plunger dan cangkir induksi atau induksi relay silinder

Gambar 6. Model relay pluger elektromagnetik dan silinder relay elektromagnetik

7

Istilah ''telepon'' tanggal relay dari aplikasi yang sangat luas dalam sistem sentral telepon. Sekarang, penggunaan ini telah digantikan oleh switching elektronik modern solidstate. Namun, relay jenis ini masih digunakan dalam aplikasi tambahan, baik dalam ac dan DC DC. Ini adalah output relay umum untuk solid-state relay banyak pelindung.

5.3. Relay Power Directional-Sensing

Lengkungan induksi dan unit induksi silinder yang digunakan untuk menunjukkan arah aliran daya dan besarnya. Arus operasi dilewatkan melalui satu set gulungan dan tegangan referensi atau arus melalui yang lain. Ketika hubungan fase seperti yang ditunjukkan, unit dioperasikan. Karena unit, sebagai unit terarah, sangat sensitif, mereka digunakan dalam hampir semua aplikasi dengan unit sensing-gangguan, seperti arus lebih waktu atau unit arus lebih seketika dibahas sebelumnya. Jenis lain telah memanfatkan gulungan untuk beroperasi ketika tingkat daya melebihi nilai preset.

5.4. Unit Kutub

Unit kutub adalah satuan DC operasi dari jumlah ac melalui penyearah penuh. Ini sangat sensitif, operasi berkecepatan tinggi, dengan sangat input tingkat rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, sebuah kumparan listrik sekitar angker berengsel dengan kontak di tengah struktur magnetik dengan celah bukan magnetik di belakang. Sebuah jembatan magnet permanen struktur ini untuk polarisasi dua bagian. Dua magnetik shunts jembatan yang dapat diatur celah bervariasi jalur fluks magnet.

Dengan kumparan deenergized dan celah penyeimbang udara, armature tidak terpolarisasi,

dan kontak akan berada di tengah. Sekarang, menyesuaikan celah untuk menyediakan ketidakseimbangan, beberapa fluks dipasang shunt di armature. Dengan demikian kontak dapat digerakan baik dibuka atau ditutup.

Gambar 7. Unit kutub DC (a) celah penyeimbang udara kumparan deenergized (b) celah penyeimbang udara kumparan deenergized

5.5. Relay Jarak Phase

Pada dasarnya, relay jarak membandingkan sistem listrik tegangan dan arus. Mereka beroperasi ketika rasio kurang dari nilai resetnya. Untuk kondisi seimbang dan untuk gangguan fase, rasio tegangan untuk arus diterapkan pada relay adalah impedansi rangkaian, demikian, relay

8

ini ditetapkan sebagai fungsi impedansi tetap dari sistem kekuasaan untuk zona mereka adalah untuk melindungi.

Desain sebelumnya (tidak diproduksi lagi) memberikan pemahaman dasar yang baik tentang

prinsip dan apresiasi istilah umum yang digunakan saat ini. Jenis awal diilustrasikan pada gambar di bawah. Sebuah balok seimbang memiliki tegangan enegi elektromagnet untuk membatasi gerakan dan sebuah elektromagnet arus dioperasikan untuk menutup kontaknya

Gambar 8. Jarak operasi relay dijelaskan prinsip fundamental oleh balok unit impedansi seimbang : (a) relay jarak ke saluran GH, (b) diagram disederhanakan penjelasan dengan unit balok 5.6. R-X DIAGRAM

Karakteristik relay jaraknya ditunjukkan paling nyaman dalam impedansi R-X diagram, dimana tahanan R adalah absis dan reaktansi X adalah ordinat tersebut. karakteristik khas pada sumbu ini akan ditampilkan untuk diskusi yang diberikan adalah lokasi relay, dengan area operasi umumnya di kuadran pertama. Setiap kali rasio dari tegangan sistem dan jatuh saat dalam lingkaran yang ditampilkan, atau di daerah silang, unit dioperasikan.

Desain usang independen dari hubungan fase dari tegangan dan arus, sana oleh beroperasi di

semua empat kuadran. Dengan demikian, unit arah sensing yang terpisah diperlukan untuk mencegah pengoperasian untuk gangguan dalam sistem di sebelah kiri bus G.

5.7. Karakteristik MHO

Lingkaran yang melalui titik asal dikenal sebagai unit mho dan digunakan secara luas untuk perlindungan baris. Hal ini terarah dan lebih sensitif terhadap arus gangguan tertinggal sekitar 60o – 85o daripada beban yang tertinggal 0-30 dari arus

9

Gambar 9. Karakteristik relay pada diagram R-X: (a) impedansi; (b) mho, (c) offset mhos, (d) lensa; (e) simple blinders, (f) reaktansi.

5.8. Unit Reaktansi Reaktansi unit dapat diperoleh dari desain dengan output trafo-celah udara bukannya Z. X

karakteristik adalah garis lurus pada set point (ZR atau ZC) sejajar dengan sumbu R, tidak searah, tetapi akan beroperasi selama gangguan balik relay. Dengan demikian, unit ini sangat ''suka memicu”, jadi operasi harus dibatasi oleh detektor gangguan jenis-mho baik untuk gangguan balik relay dan untuk beban dan ayunan.

Unit reaktansi tampaknya telah meningkatkan perlindungan busur gangguan karena busur

yang resistif. Hal ini berlaku hanya untuk rangkaian radial dimana arus gangguan dipasok hanya dari satu terminal. Bila arus gangguan dipasok baik dari terminal dan saluran beban, sumber-sumber gangguan tidak berada dalam fase. Hal ini menyebabkan unit reaktansi ''melihat'' busur sebagai nilai R + jX diperbesar. Dengan demikian, pada satu terminal unit mungkin tidak beroperasi pada busur gangguan, karena mereka bisa tampil di luar daerah operasi dan dapat menyebabkan unit reaktansi pada bagian berikutnya untuk beroperasi salah. Efek ini impedansi jelas dibahas lebih lanjut dalam.

6. Relay Jarak Pentanahan

Pertimbangkan gangguan sebuah fase ke tanah pada garis dengan Z1L dan Z0L sebagai positif dan impedansi urutan nol impedansi kabel dan n lokasi gangguan dari relay. Arus gangguan melalui relay adalah I1, I2, dan I0. Kemudian untuk gangguan di nZ1L dengan unit fase tunggal.

7. Relay Mikroprosesor Solid-State

Unit solid-state menyediakan fleksibilitas yang lebih besar, karakteristik yang disesuaikan, meningkatkan jangkauan pengaturan, akurasi yang tinggi, ukuran kecil, dan biaya yang lebih rendah, bersama dengan fungsi tambahan, seperti logika kontrol, rekaman peristiwa, data lokasi gangguan, pengaturan jarak jauh, pemantauan dan pemeriksaan diri, dan lain-lain. Dalam solid-state relay kuantitas sistem tenaga listrik analog dari transformator arus dan tegangan atau perangkat melewati transformer untuk memberikan isolasi listrik dan tegangan sekunder tingkat rendah.

10

Fungsi pengaman yang diuraikan sebelumnya menggunakan teknologi mikroprosesor. Rincian ini tampaknya relatif tidak penting untuk prinsip-prinsip perlindungan, dengan demikian, mereka berada di luar cakupan pembahasan kita di sini. Tetapi, unit logika khas yang mungkin terlibat dalam mikroprosesor relay ditunjukkan pada Gambar 10.

Secara sangat umum, terdiri dari (1) transformator input yang mengurangi sistem tenaga listrik

jumlah arus dan tegangan untuk tegangan rendah dan memberikan tingkat pertama filtering; (2) low-pass filter yang menghilangkan noise frekuensi tinggi; (3) tahanan-sampel amplifier berguna sebagai sampel dan memegang sinyal analog pada interval waktu yang ditentukan oleh waktu sampling untuk menyediakan informasi phasa; (4) multiplexer yang memilih satu sinyal tahanan-sampel di waktu untuk skala berikutnya dan mengkonversi ke digital; (5) keuntungan amplifier diprogram untuk sinyal saat ini yang memiliki jangkauan dinamis yang bijak (untuk sinyal tegangan, keuntungan adalah 1); (6) konverter analog-ke-digital yang mengubah sinyal analog ke digital; (7) mikroprosesor dengan perangkat lunak yang bersangkutan yang memberikan pengaman diperlukan karakteristik untuk mengoperasikan unit tambahan untuk tripping, menutup, alarm, dan lainnya

Gambar 10. Dasar unit logika pada relay mikroprosesor

Kemampuan dan fleksibilitas yang melekat dalam relay mikroprosesor telah meningkatkan ketersediaan dan pemanfaatan unsur jarak dengan karakteristik segiempat. Karakteristik segiempat pada dasarnya melibatkan kombinasi dari empat unit pengukuran. Unit ini terdiri dari unit reaktansi (garis atas), dua unit resistif (kiri dan sisi kanan), dan elemen arah (garis bawah).Sementara seperti karakteristik yang tersedia di beberapa desain elektromekanis, desain ini sangat rumit dan operasi kali dari unit sering kurang dari yang diinginkan. Kekuatan komputasi yang luas yang ada di mikroprosesor modern relay sangat memudahkan tugas menciptakan ic characterist segiempat. Dari sudut pandang aplikasi, wilayah operasi dari elemen jarak dengan karakteristik tipe segiempat sangat ideal. Dengan jenis karakteristik, daerah tersandung bisa diatur erat dengan melampirkan daerah tersandung diinginkan. Hal ini sangat berguna untuk gangguan dasar yang sering dibatasi dan, oleh karena itu, kemampuan untuk mendeteksi cukup tinggi.

TUGAS II PROTEKSI MESIN-MESIN LISTRIK

Dosen Ir. MUHAMMAD SARJAN, M.T.

I NYOMAN SANTIASA F 441 10 069

PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK U N I V E R S I T A S T A D U L A K O

2010