IEEE Paper Template in A4 (V1)

Relai Diferensial Sebagai Pengaman Utama Trafo Terhadap Arus Hubung Singkat Satu Fasa dengan TanahFarikha Himawati Jurusan Teknik Elektro Polines Jln. Prof. Sudarto Tembalang Semarang INDONESIA

IntisariRelai differensial sebagai relai pengaman utama trafo yang bekerja dengan membandingkan arus yang melewati trafo. Relai ini bekerja dengan sangat cepat dengan sensitivitas tinggi apabila terjadi perbedaan arus. Perbedaan arus tersebut dapat terjadi oleh gangguan internal trafo maupun gangguan external. Salah satu dari gangguan tersebut adalah hubung singkat satu fasa dengan tanah yang menyebabkan perbedaan arus pada relai differensial. Untuk itu diperlukan setting relai differensial sesuai besar simulasi arus hubung singkat untuk mengaktifkan relai tersebut. Keywords : Relai Differensial, Trafo, Arus Hubung Singkat, Satu Fasa ke tanah.i.pendahuluanTransformator merupakan suatu alat listrik yang termasuk ke dalam klasifikasi mesin listrik statik yang berfungsi menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah dan sebaliknya. Atau dapat juga diartikan mengubah tegangan arus bolak-balik dari satu tingkat ke tingkat yang lain melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip-prinsip induksi-elektromagnet. Transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga listrik memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh. Dasar teori dari transformator adalah apabila ada arus listrik bolak-balik yang mengalir mengelilingi suatu inti besi maka inti besi itu akan berubah menjadi magnet dan apabila magnet tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan mengelilingi magnet, sehingga akan timbul Gaya Gerak Listrik (GGL). Ada beberapa jenis trafo yang dikenal luas di masyarakat yaitu diantaranya trafo tenaga, trafo distribusi (trafo tiang), trafo, trafo tegangan, dan trafo arus. Pada makalah ini akan dibatasi hanya membahas pada trafo tenaga saja.a. Sistem Proteksi Pada Trafo TenagaPada trafo tenaga, kerap terjadi gangguan baik gangguan internal maupun ekstrenal. Yang dimaksud dengan gangguan internal adalah ganggguan yang bersumber dari dalam trafo itu sendiri. Gangguan ini dapat berupa :1. Incipient FaultsGangguan ini merupakan gangguan kecil yang apabila tidak segera diatasi akan membesar, gangguan tersebut dapat berupa terjadinya busur api maupun gangguan pada sistem pendingin.2. Electrical FaultsGangguan ini merupakan gangguan berat yang dapat menimbulkan kerusakan pada transformator. Gangguan ini biasanya langsung terdeteksi oleh relai arus dan tegangan. Gangguan tersebut dapat berupa hubung singkat satu fasa ke tanah, hubung singkat antar fasa pada kumparan yang sama, maupun gangguan pada terminal transformator.Sedangkan gangguan eksternal adalah gangguan yang terjadi di luar daerah pengamanan transformator yang dapat mengakibatkan kerusakan pada transformator. Gangguan tersebut berupa beban lebih (over load) maupun hubung singkat eksternal (satu fasadengan tanah, antar fasa, dll) dan gangguan surja.b. Relai Proteksi Pada Transformator TenagaUntuk mengamankan transformator tenaga dari berbagai gangguan di atas, maka diperlukan relai pengaman yang dipasang pada transformator. Relai ini akan mendeteksi apabila terjadi gangguan pada transformator kemudian mengirim sinyal untuk memutus tenaga maupun membunyikan alarm. Lamanya waktu pemutusan tenaga maupun pengiriman tersebut tergantung pada setting relai yang telah ditentukan. Macam relai yang terdapat pada transformator adalah sebagai berikut :1. Relai SuhuRelai ini adalah relai mekanis yang berfungsi mendeteksi suhu minyak dan kumparan secara langsung akan membunyikan alarm dan mengaktifkan PMT.

Gbr 1.1 Relai Suhu

2. Relai Beban Lebih (Overload Relay)Relai ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap beban yang berlebihan yang menggunakan sirkit simulator untuk mendeteksi lilitan trafo yang pada tahap pertama membunyikan alarm dan tahap berikutnya menjatuhkan PMT.

gbr 1.2 relai beban lebih thermis

3. Relai Fluksi LebihRelai ini berfungsi mengamankan trafo dengan mendeteksi besaran fluksi atau perbandingan tegangan dan frekwensi.4. Relai BuchholzRelai ini berfungsi mengamankantrafo dari gangguan Internal trafo yang menimbulkan gas dimana gas tersebut timbul akibat adanya hubung singkat di dalam trafo atau akibat busur di dalam trafo. Relai inidipasang pada pipa dari maintank ke konservator ataupun dari OLTC ke konzervator tergantung design trafonya apakah di kedua pipa tersebut dipasang relai buccholz. Cara kerjanya yaitu gas yang timbul didalam trafo akan mengalir melalui pipa dan besarnya tegangan gas ini akan mengerjakan relai dalam 2 tahap yaitu mengerjakan alarm pada kontak bagian atas 1 dan kedua mengerjakan perintah trip ke PMT pada kontak bagian bawah 2.

1

2

Gbr 1.4 Relai Buchholz

5. Relai Pengaman Tekanan Lebih (Sudden Pressure Relay)Relai ini bekerja apabila di dalam tangki trafo terjadi kenaikan tekanan udara akibat terjadinya gangguan di dalam trafo. Relai ini berupa membran yang dibuat dari kaca, plastic, tembaga atau katup berpegas. Cara kerjanya membrane ini akan pecah bila menerima tekanan lebih dari desainnya. Membran ini hanya sekali pakai jadi jika pecah harus diganti baru.

gbr 1.5 relai pengaman tekanan lebih6. Relai Tangki TanahRelai ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap hubung singkat antar fasa dengan tangki trafo dan titik netral trafo yang ditanahkan. Relai 51 G yang terpasang mendeteksi arus gangguan dari tangki trafo ketanah, kalau terjadi kebocoran isolasi dari belitan trangko ke tangki, arus yang mengalir ke tanah akan dideteksi arus lebih melalui CT. Relai akan mentripkan PMT di kedua sisi (TT dan TM). Jadi arus gangguan kembali ke sistem melalui pembumian trafo.

Gbr 1.6 relai tangki tanah7. Relai Arus Lebih (Over Current Relay)Relai ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap gangguan hubung singkat antar fasa di dalam maupun di luar daerah pengaman trafo, Relai ini akan mengamankan trafo dari arus yang melebihi dari arus yang diperkenankan lewat dari trafo tersebut.

Gbr 1.7 relai arus lebih

8. Relai DiferensialRelai ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap gangguan hubung singkat yang terjadi di dalam daerah pengaman. Prinsip kerjanya adalah membandingkan arus yang masuk ke peralatan dengan arus yang keluar dari peralatan tersebut. Pada makalah ini akan dibahas lebih detail mengenai relai diferensial ini.

Gbr 1.8 relai differensial9. Relai Gangguan Tanah Terbatas (Restricted Earth Fault Relay)Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap tanah di dalam daerah pengaman trafo, khususnya untuk gangguan di dekat titik netral yang tidak dapat dirasakan oleh relai differensial.

Gbr 1.9 relai ref10. Relai Gangguan Tanah (Ground-fault Relay)Berfungsi untuk mengamankan trafo jika terjadi gangguan hubung tanah di dalam dan di luar daerah pengaman transformator.

gbr 1.10 gfr relayii. prinsip kerja relai differensial Relai differensial merupakan suatu relay yang prinsip kerjanya berdasarkan kesimbangan (balance), yang membandingkan arus-arus sekunder transformator arus (CT) terpasang pada terminal-terminal peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Penggunaan relay differensial sebagai relay pengaman, antara lain pada generator, transformator daya, bus bar, dan saluran transmisi. Relai differensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada transformator daya yang berguna untuk mengamankan belitan transformator bila terjadi suatu gangguan. Relai ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat, sehingga relai ini tidak perlu dikoordinir oleh relai lain.Dalam kondisi normal, arus mengalir melalui peralatan listrik yang diamankan (generator, transformator dan lain-lainnya). Arus-arus sekunder transformator arus, yaitu I1 dan I2 bersikulasi melalui jalur IA. Jika relay pengaman dipasang antara terminal 1 dan 2, maka dalam kondisi normal tidak akan ada arus mengalir melaluinya. Dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gbr 2.1 pengawatan dasar relai differensialJika terjadi gangguan diluar peralatan listrik peralatan listrik yang diamankan (external fault), maka arus yang mengalir akan bertambah besar, akan tetapi sirkulasinya akan tetap sama dengan pada kondisi normal, sehingga relay pengaman tidak akan bekerja untuk gangguan luar tersebut. Jika gangguan terjadi didalam (internal fault), maka arah sirkulasi arus disalah satu sisi akan terbalik, menyebabkan keseimbangan pada kondisi normal terganggu, akibatnya arus ID akan mengalir melalui relay pengaman dari terminal 1 menuju ke terminal 2. Selama arus-arus sekunder transformator arus sama besar, maka tidak akan ada arus yang mengalir melalui kumparan kerja (operating coil) relay pengaman, tetapi setiap gangguan (antar fasa atau ke tanah) yang mengakibatkan sistem keseimbangan terganggu, akan menyebabkan arus mengalir melalui Circuit Breaker (CB) sehingga peralatan atau instalasi listrik yang terganggu dapat diisolir dari sistem tenaga listrik. Seperti gambar dibawah ini :

gbr 2.2 sistem pengaman relai differensial

Karakteristik Relai Differensial

gbr 2.3 grafik karakteristik relai differensial

Arus diferensial pickup adalah minimum arus yang dibutuhkan supaya rele kerja. Ditentukan dengan memperhatikan error CT dan juga diferensial arus antara pada saat LTC / VR di tap maksimum. Arus diferensial didapat dari menjumlahkan komponen arus seconder di winding 1 dan winding 2 secara vektor. Jika arus berlawanan dalam artian yang satu menuju rele dan yang lain meninggalkan rele, maka akan saling mengurangi dan sebaliknya. Arus restrain didapat dari harga yang paling besar antara arusdi winding 1 atau winding 2 yang telah disetarakan ke harga pu. Slope didapat dengan membagi antara Komponen arus diferensial dengan arus restrain Daerah di atas kurva adalah daerah kerja rele diferensial, sedangkan pada daerah di bawah kurva rele tidak akan bekerja. Slope 1 akan menentukan arus diferensial dan restrain pada kondisi normal dan memastikan sensitivitas rele pada saat internal fault dengan arus gangguan yang kecil. Break 1 diset dibawah arus yang menyebabkan CT saturasi oleh komponen DC / residual magnetasi. Break 2 diset dibawah arus yang menyebabkan CT saturasi oleh komponen AC saja. Slope 2 berguna supaya rele tidak kerja oleh gangguan eksternal yang berarus sangat besar sehingga salah satu CT mengalami saturasi. Di set dengan slope lebih dari 50 %.

IIi. relai differensial sebagai pengaman utama trafo terhadap gangguan hubung singkat satu fasa dengan tanah

Gangguan hubung singkat satu fasa dengan tanah yang terjadi di dalamarea pengamanan trafo maupun di luar daerah pengamanan trafo secara langsungakan berpengaruh pada kerja relai differensial karena relai differensial bekerja dengan membandingkan arus. Gangguan hubung singkat satu fasa dengan tanah ini dapat menyebabkan perbedaan arus pada trafo. Dalam makalah ini tidak akan dibahas secara detil asal gangguan hubung singkat satu fasa dengan tanah tersebut. Hanya akan disimulasikan besarnya arus hubung singkat dan pengaruhnya terhadap sensitivitas relai differensial sebagai pengaman utama trafo.

Gbr 3.1 rangkaian pengganti arus hubung singkat 1 fasa dengan tanahHubung singkat satu fasa dengan tanah adalah Ia0= Ia1 = Ia2.Untuk arus hubung singkat satu fasa dengan tanah maksimum Zf= 0 Ia0 =

=

Jadi arus hubung singkat simetrical adalah :Ia0 = 0,3 -90 x 12,38 KA = 3,714 -90 KAIb = 0Ic = 0Dengan cara seperti di atas, maka untuk arus hubung singkat pada titik F1 (sisi incoming trafo) dan titik F2 (sisi outgoing trafo) akan tampak hasilnya pada tabel berikut:

Tbl 3.1 arus hubung singkat simetriDari tabel tersebut dapat dilihat arus gangguan terhadap phase 3, 2 dan 1 ke tanah sehingga F1 (sisi incoming trafo) dan F2 (sisi outgoing trafo) akan tampak perbandingannya pada titik mana gangguan terbesar sehingga dapat dikontrol dengan pemakaian relai differensial. Berdasarkan tabel tersebut dengan In,daya trafo, arus yang mengalur pada trafo CT yang sudah ditentukan sebelumnya kita dapat menentukan perhitungan setting relai differensial.Dimisalkan :Daya Trafo= 20 MVAIn (LV) = 164,96 AIn (HV)= 577,36 AArus sisi primer trafo arus (CT) :Ir ( LV)= 4,124 AIr ( HV)= 4,814 AMaka pembiasan relai differensial adalah sebesar :V= x 100%= x 100%= x 100%= 15,43%Sehingga setting relai differensial pada simulasi ini ditetapkan sebesar 15%. Pada grafik di bawah ini tampak hasil iterasi dari setting pembiasan relai differensial.

gbr 3.2 grafik iterasi dari setting pembiasan relai differensial

Untuk menyamakan arus sekunder trafo arus pada perencanaan relai diferensial, maka harus menggunakan ACT yang disesuaikan dengan kebutuhan angka transformasinya. Dengan demikian arus yang masuk ke dalam relai akan sama dalam kondisi normal. Pada daerah tersebut arus akan mengalami ketidakseimbangan maksimum sehingga rele tidak akan bekerja. Berdasarkan perhitungan, arus gangguan yang terbesar adalah pada saat terjadi gangguan tiga fasa pada sisi tegangan rendah, yaitu sebesar 9.5411 kA. Hal ini disebabkan karena pada sisi tegangan rendah arus yang mengalir lebih besar dari pada arus yang mengalir pada sisi tegangan tinggi. Sedangkan untuk arus hubung singkat yang terkecil adalah pada saat gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah, yaitu sebesar 0,1802 kV. Jadi pada saat terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah, maka akan terjadi ketidakseimbangan arus antara sisi tegangan tinggi dan sisi teganan rendah. Dengan demikian maka akan mengaktifkan rele diferensial, dan akan mengirimkan sinyal ke triping koil untuk mengetripkan cirkuit breaker.

iv. kesimpulanDari uraian di atas dapat diambil kesimpulan bahwa pengamanan transformator sangat penting untuk menghindari transformator dari kerusakkan makibat terjadinya gangguan. Ini karena harga transformator daya pun sangat mahal, maka pengamanannya pun harus diperhatikan dengan benar termasuk kerja relai differensial di dalamnya. Relai differensial digunakan untuk mengamankan transformator dengan menggunakan prinsip membandingkan arus pada sisi primer dan arus pada sisi sekunder. Apabila terjadi gangguan baik di daerah pengamanan trafo maupun di luar pengamanan trafo yang menyebabkan terjadinya perbedaan arus, maka relai ini akan bekerja.Termasuk saat terjadi hubung singkat satu fasa dengan tanah, relai ini akan bekerja dikarenakan terjadinya ketidakseimbangan arus antara sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah. Relai ini bekerja dengan mengirimkan sinyal ke triiping coil untuk mentripkan circuit breaker. Setting relai differensial penting diperhatikan untuk mengatasi gangguan yang terjadi,setting ini diperoleh dengan mensimulasikan arus hubung singkat dan pembiasan pada relai differensial.

v. referensi1. Agung Aprianto., Ir. Agung Warsito, DHET. Makalah Seminar Kerja Praktek Pemeliharaan Trafo Distribusi2. http://qtop.wordpress.com/2009/06/01/rele-proteksi-trafo-dan-fungsinya/3. http://aprizal88.blogspot.com/2009/05/baru-memulai.html4. http://docstoc.com/penggunaan-relai-differensial5. Harrij Mukti K. APLIKASI TEKNOLOGI SIMULASI RELE DIFFERENSIAL DAN RELE BUCHOLZ PADA SISTEM PENGAMAN TRANSFORMATOR 3 PHASA. Jurnal ELTEK, Volume 05 Nomor 01, April 2007 ISSN 1693-4024