1

TUGAS SISTEM PROTEKSI

Disusun Oleh :

DEDHI NUGROHO SAHPUTRA110150039

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MALIKUSSALEH

2013/2014

2

Relai Deferensial

Relai diferensial digunakan pada peralatan yang secara fisik

mempunyai batas daerah proteksi relatif dekat disekitar peralatan

tersebut. Jadi relay ini biasanya digunakan pada peralatan seperti :

transformator, rel dan generator. Biasanya digunakan untuk

memproteksi perlatan terhadap gangguan hubung singkat antar fase,

maupun fase dengan tanah.

Relai diferensial digunakan untuk mengamankan generator dari

kerusakan akibat adanya gangguan internal pada kumparan stator. Dua

unit transformator arus (CT) masing-masing dipasang pada kedua sisi

kumparan generator, Sekunder CT terhubung bintang yang ujung-

ujungnya dihubungkan melalui kawat-kawat pilot. Pada kondisi

normal dan tidak ada gangguan internal, besarnya arus kedua sisi

kumparan sama, sehingga arus yang mengalir pada sisi-sisi sekunder

CT juga sama. Hal ini menyebabkan tidak ada arus yang mengalir

pada relai. Pada saat terjadi gangguan pada kumparan generator,

mungkin fase dengan fase atau fase dengan ground, maka arus yang

mengalir pada kedua sisi kumparan akan berbeda, sehingga ada arus

yang mengalir pada relai. Relai bekerja menarik kontak sehingga

3

kumparan triping mendapat tenaga dari catudaya searah yang

selanjutnya akan menarik kontak pemutus tenaga untuk memutuskan

hubungan generator dengan sistem.

Relay 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.

Relay differensial digunakan sebagai pengaman utama (main

protection) pada transformator daya yang berguna untuk

mengamankan belitan transformator bila terjadi suatu gangguan. Relay

ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat. Prinsip Kerja Dari

Relay Differensial Sebagaimana disebutkan diatas, Relay differensial

adalah suatu alat proteksi yang sangat cepat bekerjanya dan sangat

selektif berdasarkan keseimbangan (balance) yaitu perbandingan arus

yang mengalir pada kedua sisi trafo daya melalui suatu perantara yaitu

trafo arus (CT).

4

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 yang mengalir melaluinya.

A. Prinsip Kerja Relai Diferensial

Relai diferensial adalah relai yang bekerja bilamana dua

atau lebih besaran listrik yang sama mempunyai hasil jumlah

vektor yang lebih besar dari nilai setelan.

Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada penggunaan

relai deferensial, adalah :

- Polaritas transformator arus harus sesuai, sedemikian

hingga pada kondisi normal, tidak akan ada arus yang

mengalir pada operating coil.

- Perbandingan transformasi serta kapasitas transformator

arus, harus sesuai.

- Penetapan relai dan pemilihan penghantar yang sesuai

sehingga tidak akan terjadi kondisi dimana salah satu

5

transformator arus menjadi jenuh arus gangguan yang

besar.

B. Jenis Relai Diferensial

Secara umum dikenal dua macam relai deferensial yaitu :

1. Relai diferensial longitudinal.

Prinsip kerja relai diferensial longitudinal

digambarkan pada gambar 21.

Dengan transformator bahwa CT1 dan CT2

merupakan dua transformator arus dengan perbandingan

transformator dan kapasitas yang sesuai, maka untuk

kondisi – kondisi berikut :

- Kondisi Normal

I1 dan I2 ditransformasikan oleh CT1 dan CT2

menjadi i1 dan i2 dengan harga yang secara teoritis

sama, sehingga berdasarkan gambar 21, diperoleh

persamaan :

6

i = i1 – i2 = 0

(21)

hal ini berarti i lebih kecil dari harga ip sehingga

relai blocking.

- Kondisi gangguan F1

Seperti pada kondisi normal I1 dan I2 akan

ditransformasikan menjadi i2 dan i2 yang juga secara

teoritis sama. Dari gambar 21. Diperoleh :

i = i1 – i2 = 0

(21a)

Dan, karena i sama dengan nol, maka relai tetap

blocking.

- Kondisi gangguan F2

Arus gangguan I1 ditransformasikan menjadi i1

yang merupakan nilai sekunder arus gangguan.

Sedangkan I2 yang sama dengan nol (sumber disebelah

7

kiri) akan menyebabkan i2 juga menjadi nol.

Selanjutnya dari Gambar 2.21 diperoleh persamaan.

I = i1 + i2 = i1 + 0 = i1

(21b)

Dimana, i1 + merupakan nila sekunder arus

gangguan yang nilainya cukup jauhlebih besar dari Ip,

sehingga relai akan Pick-up.

Namun, beberapa masalah praktis yang sering

mempengaruhi keandalan sistem proteksi ini, yaitu :

o Ketidakmudahan memperoleh transformator arus yang

benar – benar identik

o Pada umumnya peletakan transformator arus dan unit

relai diderensial sedemikian rupa. Sehingga biasanya

burden dari transformator arus yang digunakan

menjadi berbeda.

Masalah – masalah tersebut diatas mengaharuskan kita

memasang nilai setelah (ip) untuk relai ini yang lebih besar

dari hasil jumlah vektor arus (i) pada kondisi normal.

Termasuk kedalam hal ini, kondisi bilamana terjadi thought

8

fault current (arus gangguan yang besar tetapi berinteraksi

di luar daerah proteksi).

Penentuan nilai setelah dengan cara seperti ini, pada

akhirnya akan berarti mengurangi sensitivitas relai. Hal ini

menjadi kelemahan dari relai deferensial longitudinal.

Keterangan :

CT1 dan CT2 : transformator arus 1 & 2

I1 dan I2 : arus primer CT1 & CT2

i1 dan i2 : arus sekunder CT1 & CT2

Gambar 21. Prinsip kerja relai deferensial longitudinal.

9

2. Relai diferensial persentase

Prinsip kerja relai deferensial presentase

diperlihatkan pada Gambar 22. Persamaan kopel pada relai

deferensial presentase adalah :

Kopel Operasi.

To = K (i1 – i2) No

(22)

Kopel Lawan.

Tr = K (i1+i2

2) Nr + S

(23)

Dimana :

K = Konstanta

S = Kopel lawan Mekanis

i1, i2 = arus sekunder CT1 dan CT2

Nr, No = jumlah lilitan restraining coil dan Operating

Coil

10

Persamaan kopel untuk relai diferensial presentase,

dengan mengabaikan kopel lawan mekanis (S) dalam

kondisi ambang (tepat akan Pick-up), adalah :

Keterangan :

No = Jumlah Lilitan operating coil

Nr = Jumlah lilitan restraining coil

Gambar 22. Prinsip kerja relai deferensial presentase.

K (i1 – i2) No = K (i 1+ i2)

2 Nr

(24)

NrNo

=(i 1+ i2)(i 1+ i2)

2 (25)

11

NrNo

= Ko (26)

(i2 = i2) = Ko i1+i2

2 (27)

Selanjutnya dari persamaan (27) diperoleh

karakteristik operasi seperti gambar 23.

Gambar 23. Karakteristik operasi relai diferensial persentase

Dengan mengasumsikan bhwa CT1 dan CT2

merupakan dua transformator dengan perbandingan

transformator arus dengan perbandingan transformasi dan

kapasitas yang sesuai, maka untuk kondisi – kondisi

berikut :

12

- Kondisi Normal

Arus I1 dan I2 ditransformasikan oleh CT1 dan CT2

menjadi i1 dan i2 dengan harga secara otomatis sama.

Akibatnya, kopel opreasi berharga nol (persamaan 22)

sedangkan kopel lawan (persamaan 23) berharga besar,

sehingga relai blocking.

- Kondisi Gangguan F1

Arus I1 dan I2 ditransformasikan oleh CT1 dan CT2 -

menghasilkan arus i1 dan i2 yang juga secara otomatis

sama. Akbibatnya kopel (persamaan 22) yang

dihasilkan sama dengan nol sedangkan kopel lawan

(persamaan 23) berharga besar, sehingga relai tetap

blocking.

- Kondisi Gangguan F2

Arus I1 yang besar pula, sedangkan I2 sama dengan

nol (sumber berada di kiri) yang berarti i2 juga sama

dengan nol. Selanjutnya menurut persamaan (22) dan

(23). Kopel operasi akan lebih besar dari kopel lawan

sehingga relai akan pick-up.

13

Untuk mengatasi masalah magnelizing inrush

current, digunakan metode harmonic current restraint

percentage differential relay (relai diferensial

persentase dengan penahan arus harmonis). Prinsip

kerjanya adalah memanfaatkan munculnya komponen

harmonis di samping harmonis dasar pada saat terjadi

magnetizing inrush current. Dimana pada kondisi

hubung singkat hampir tidak ada (dapat diabaikan).

C. Proteksi Transformator dengan Relai Diferensial

Seperti dalam saluran transmisi, jenis relai proteksi yang

digunakan untuk transformator daya tergantung pada besar

daya, rating tegangan, dan sifat penggunaannya. Proteksi utama

dan transformator dengan daya yang lebih besar atau sama

dengan 10 MVA umunya menggunakan relai defernsial. Relai

ini sangat selektif dan dapat pack-up dengan kecepatan tinggi.

Prinsip kerja relai diferensial berdasarkan kesimbangan

(balance), yang membandingkan arus-arus sekunder

transformator arus (CT) terpasang pada terminal-terminal

peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Penggunaan

14

relay differensial sebagai relay pengaman, antara lain pada

generator, transformator daya, bus bar, dan saluran transmisi.

Relay differensial digunakan sebagai pengaman utama

(main protection) pada transformator daya yang berguna untuk

mengamankan belitan transformator bila terjadi suatu gangguan.

Relay ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat.

Prinsip Kerja Dari Relay Differensial Sebagaimana disebutkan

diatas, Relay differensial adalah suatu alat proteksi yang sangat

cepat bekerjanya dan sangat selektif berdasarkan keseimbangan

(balance) yaitu perbandingan arus yang mengalir pada kedua

sisi trafo daya melalui suatu perantara yaitu trafo arus (CT).

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 yang mengalir melaluinya.

D. Proteksi Rel dengan Relai Diferensial

15

Meskipun kemungkinan terjadinya gangguan di rel tidak

sesering di saluran, namun apabila hal ini terjadi, maka

dampaknya terhadap sistem akan luas. Untuk itu, harus

diusahakan sebuah sistem proteksi yang tepat untuk rel.

Relai diferensial merupakan metode yang paling sensitif

dan dapat diandalkan untuk memproteksi rel. Relai diferensial

memiliki selektivitas yang baik, yaitu jumlah vektor arus yang

masuk dan keluar dari suatu rel adalah sama bila tidak gangguan

dalam rel yang bersangkutan.

16

Keterangan : OC = Oprating coil

F1,F2 = Gangguan

IOC = Arus Operating coil

Gambar 24. Proteksi rel a. Gangguan di dalam rel.

Gangguan di luar rel.

Apabila ada gangguan pada rel, maka jumlah vektor dari

arus tersebut tidak nol dan arus inilah yang akan menyebabkan

relai pack-up. Secara sederhana digambarkan pada gambar 24.

Gambar 24a merupakan gangguan pada daerah proteksi sehingga

17

relai pick-up, sedangkan gambar 24b. Merupakan gangguan di

luar daerah proteksi dan relai blocking.

LOW IMPEDANCE AND HIGH IMPEDANCE

A. Differential Low Impedance

Relay defferensial bekerja bedasarkan hukum Hirchoff yaitu

jumlah arus yang melalui satu titik sama dengan nol. Pada relay

differensial yang dimaksud suatu titik adalah daerah yang

diamanankan ( Protec Zones ) yang dibatasi trafo arus yang

tersambung ke differensial pada keadaan tanpa gangguan atau

gangguan luar daerah yang diamankan, jumlah arus yang

melalui daerah yang diamankan tidak sama dengan nol.

Relay differensial jenis low impedance merupakan relay

differensial arus, secara sederhana dapat digambarkan pada

gambar di bawah.

perbedaaan (differensial ) arus yang melalui daerah yang

diamanankan ini akan melalui operating coil retail.

18

Gambar : Pola proteksi differensial busbar jenis low impedance

Pada saat terjadi gangguan di luar daerah pegamanan (F1), arus

differensial yang masuk ke relay IR = 0, sebaliknya jika

gannguan terjadi di daerah pengamanan IR≠0, sehinggan relay

akan bekerja.

1) Karakteristik Relay Jenis Low Impe

Daerah pengamanan adalah di dalam daerah yang diliputi

CT yang tersambung ke relay differencial

Bekerja seketika

Tidak perlu dikoordinasi dengan pengaman lain

Merupakan pengaman utama dan tidak berlaku sebagai

pengaman cadangan

19

Relai differensial jenis non bias menggunakan relay arus lebih sebagai operating coil dan dan pada kondisi khusus arus gangguan eskternal yang besar sekali relai ini tidak stabil

Hal ini disebabkan oleh:

Komponen arus DC arus gangguan tidak sama kejenuhan setiap CT tidak sama Ratio setia CT tidak tepat sama.

Relay differensial jenis bias memperbaiki kelemahan di atas dengan prosentasi slope tertentu seperti pada gambar di bawah

20

Setelan arus kerja :

% mic pick up= small cuurent∈operatingcoil t o causeoperatingrated current of the operatingcoil

×100 %

Setelan Slope :

% slope=small cuurent ∈operatingcoil¿ cause ¿operatingcurrent ∈restraining

×100 %

¿I A−I B

(I A−I S)/2× 100%

21

Berdasarkan persamaan di atas maka:

Arus minimum pick up : 30 - 40 %

Setelan Scope : 30 - 50 % dengan

pertimbangan

Kesalahan trafo CT : 10 %

Mismatch : 4 %

Arus eksitasi : 1 %

Faktor keamanan : 5 %

Cek Zone

Cek zone berfungsi untuk memastikan bahwa gangguan adalah

gangguan internal dan untuk mencegah mal-operasi jika ada

kelainan pada proteksi busbar masing - masing zone, misalya

ada wiring yang terbuka atau terhubung singkat.

Jika terjadi gangguan pada zona 1, maka jumlah arus

masing - masing CT a,b, dan c. Dengan demikian zone 1

dapat diisolir dari sistem. Jika ada rangkaian arus yang tebuka

pada zona proteksi, maka pada saat beban yang cukup besar

atau pada saat ada gangguan eskternal, akan menyebabkan

proteksi busbar tersebut akan menutup kontaknya. tetapi dengan

22

adanya cek zone, relay tersebut tidak mendapat tegangan positif

sehingga mal-operasi dapat dicegah.

B. Defferencial High Impedance

Relay differancial jenis high impedance menggunakan

stabilishing resistor yang dipasang seri dengan relai differencial

arusnya. Relay disetting dengan memperhitungkan sensitivitas

untuk gangguan internal dan stabilitas untuk gangguan eskternal.

Sensitivitas untuk gangguan internal ditentukan olel besarnya

settingan arus relay.

Setelan arus ditentukan ( 20% - 30 % ) In CT

23

Stabilitas untuk gangguan eksternal ditentukan oleh besarnya

nilai stabilishing resistor yang dihitung berdasarkan drop

tegangan pada salah satu rangkaian CT pada arus hubung

singkat eskternal maksimum ( If ) dengan salah satu CT jenuh.

Besarnya tegangan pada terminal stailishing resistor dan relay

( VR ) harus diset lebih besar dari drop tegangan tersebut,

sehingga pada kondisi terburuk, relay ini masih dapat berfungsi

stabil.

Setelan tegangan harus lebih besar dari tegangan apada terminal

stabilishing resistor.

Vset > k × V

Vset > k × If ( RL2+Rct 2 )

Dimana, V = tegangan jatuh pada terminal stabilishing

resistor

k = Faktor keamanan ( antara 1.5 - 2.0 )

Karena relay ini diset pada arus hubung singkat tertentu, jika

suatu saat arus hubung singkat bertambah besar atau salah satu

relay jenuh, makan relay tersebut tidak stabil untuk gangguan

eksternal, tetapi akan tetap stabil jika tidak ada CT yang jenuh.

24

Dari uraian di atas, dapat dikaitkan ralay differencial high

impedance memiliki stabilitas yang lebih baik untuk gangguan

eksternal khususnya jika terjadi kejenuhan diantara salah satu

CT.

Tidak seperti ralay differencial low inpedance yang memiliki

bisa/restrain yang dapat menetralisir akibat perbedaan ratio

( delta rasio kecil ) pada gangguan eksternal, relay high

impedance tidak memiliki memampuan ini sehingga

diisyaratkan CT yang digunakan memiliki rasio yang sama.

Secara keseluruhan kebutuhan yang harus dipenuhi untun relay

differencial high impedance ini adalah ( pertimbangan dalam

menentukan setelan )

Rasio CT sama

Resistansi CT rendah

Knee voltage CT tinggi

Burden wring CT rendah

CT jenis low reactansi

Dari uraian di atas jika CT terpasang tidak sama dengan rasio

disamakan dengan penambahan ACT maka harus dipenuhi

persyaratan di atas, sehingga jenis ACT tidak direkomendasikan

untuk relay differencial jenis high impedance.

25