II. PROTEKSI TRANSFORMATORGangguan yang umum terjadi pada trafo : 1. Gangguan external 2. Gangguan internal Gangguan internal dapat dibagi atas : 1. Incipient Fault 2. Active Fault. Incipient fault adalah gangguan awal yang kecil yang akan berkembang menjadi gangguan besar apabila tidak terdeteksi atau tidak diatasi. Incipient fault ( gejala awal gangguan ) Hal hal yang termasuk gejala awal gangguan adalah: Core fault, kegagalan isolasi antara penghantar dan inti trafo Oil Insulation failure, kegagalan isolasi minyak sehingga minyak trafo mengalami penurunan breakdown voltage. Overfluxing, kondisi ini dapat terjadi karena : 1. Tegangan system yang tinggi. 2. Frekwensi system yang rendah. 3. Gangguan Geomagnetic (kondisi ini terjadi apabila arus tanah berfrekwensi rendah, bersirkulasi pada system transmissi ) Hal tersebut diatas dapat menimbulkan panas berlebihan (overheating) Active fault adalah gangguan yang disebabkan karena kegagalan isolasi atau komponen lainnya pada trafo, yang terjadi dengan cepat dan arus yang besar, sehingga dapat menyebabkan kerusakan yang besar pada trafo Yang tergolong pada Active Fault adalah : Hubung singkat antar belitan Hubung singkat antar lilitan Hubung singkat tanah, yaitu : belitan ke inti atau belitan ke tangki. Gangguan external adalah : 1. Trafo terbebani lebih. ( overloaded ) 2. Gangguan pada feeder trafo ( diluar transformer zone ) 3. Bekerja pada tegangan > tegangan kerja ( overvoltage ) Sistem proteksi yang banyak diaplikasikan pada transformator daya, adalah: Yang mengacu pada perubahan parameter listrik : 1. Overcurrent & Unrestricted Earthfault protection 2. Restricted Earthfault protection, Differential protection Yang mengacu pada perubahan parameter non listrik : 1. Gas dan Oil Surge protection 2. Oil and winding temperature protection. Pemilihan system proteksi mana yang akan dipakai sangat tergantung dari: Kapasitas dan pentingnya trafo tersebut. Hal yang harus diingat adalah bahwa semua hubung singkat menimbulkan mechanical & thermal stress.

1

II.1 Sistem Proteksi yang dipilih untuk gangguan external 1. Kondisi Terbebani Lebih. Transformator yang terbebani lebih, akan menyebabkan kenaikan suhu pada kumparan transformator dan minyak trafo. Kenaikan suhu ini dideteksi oleh temperature relay. Temperature relay yang dipakai pada proteksi trafo adalah : 1. Oil temperature relay 2. Winding temperature relay. 1. Oil temperature relay setting. Setting operasinya dibagi menjadi 2 (dua) tingkat: Tingkat 1 : Kondisi ini dipilih apabila beban lebih, menyebabkan kenaikan temperatur yang menyebabkan perubahan sifat isolasi dari minyak trafo. Mengacu pada IEEE Guide for loading mineral oil immersed power transformer tercantum Standard Temperature Limit untuk Top Liquid Temperature Rise adalah 650 C diatas ambient temperature dan Maximum Temperature Limit adalah 1100C absolute. Sebab itu, pada umumnya di-set pada temperatur antara 800 s/d 900 C. Signal yang dihasilkan berupa alarm saja. Tingkat 2 : Setting operasi dipengaruhi oleh flash point dari minyak trafo. Yang dimaksudkan dengan flash point adalah temperatur dimana pencampuran antara uap minyak trafo dan udara akan menimbulkan ledakan bilamana ada percikan bunga api. Proteksi terhadap kondisi ini mengeluar output berupa perintah trip dan alarm pada saat yang bersamaan. 0 Mengacu pada standard IEEE diatas, maka setting kondisi ini dipilih waktu magnetizing inrush current), sehingga hal ini mencegah relay tersebut operates karena arus inrush. Bila terjadi hubung singkat pada system, maka tegangan yang terdeteksi oleh relay mengecil,sehingga sebagimana terlihat pada karakterisktik diatas, tap setting menjadi kecil, hal ini akan membuat relay operates dengan waktu yang lebih pendek. Dengan menggunakan relay tipe ini, waktu operasi pada kondisi normal, akan dapat disesuaikan dengan magnetizing inrush time dan pada saat terjadi fault, relay tersebut tetap dapat bereaksi lebih cepat, sehingga koordinasi waktu dengan relay pada sisi hulu maupun hilir pada kondisi hubung singkat masih dapat diatur dengan baik. 4. Restricted Earth Fault (REF) Earth fault merupakan gangguan trafo yang paling sering terjadi. Dengan menggunakan REF, maka t opuntuk earth

fault yang terjadi pada internal trafo tidak perlu dikoordinasikan dengan relay lain, sehingga

REF dapat dibuat sensitive dan dengan waktu operasi yang cepat.

6

5. Differential protection Transformer differential protection menggunakan Percentage Differential Protection, untuk mengatasi beberapa kelemahan yang ada pada longitudinal differential relay. ( Merz Price Relay )

7

iF/3

Earth fault relay

Biased Differential Relay Gambar. II.9 Kombinasi diffrential relay & earth fault relay dengan menggunakan trafo arus (auxiliary current transformer-ACT)

Kondisi yang mempengaruhi unjuk kerja dari transformer differential protection. 1. Magnetizing Inrush Current Magnetizing inrush current merupakan kondisi normal yang menghasilkan gejala yang seolah-olah kondisi abnormal. Lihat gambar II.10

Besar magnetising inrush current tergantung dari saat pemutusan tegangan ke transformator tersebut. Dimana besar fluks superposisi tergantung dari besar fluks yang diaplikasikan terhadap fluks sisa (gambar II.8 )

8

O = Om (1-COS wt) 2Om Om

- Om e = E Sin wtINSTANT OF SWITCH CLOSED

O = Om Sin (wt - phi/2)

(a) Flux doubling in purely inductive circuit

R

S

T

b. Magnetising Inrush Current Gambar II.8 Magnetising Inrush phenomena

Di bawah ini terlihat komponen harmonisa dari magnetizing inrush current: Komponen DC H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-7 % Harmonisa Dasar 55 63 26.8 5.1 4.1 3.7 2.4

Dari tabel di atas terlihat bahwa komponen harmonisa ke dua paling dominan pada magnetising inrush current. Ada beberapa cara untuk mencegah operasi relay akibat magnetising currnet, antara lain: o Setting arus relay dibuat lebih besar dari magnetising inrush current.

9

o

Setting waktu relay dibuat lebih lama sehingga besar magnetizing current sudah lebih kecil dari setting arus dari relay. (kurang sensitive), yang berarti tidak

Namun cara di atas membuat relay bekerja lebih lambat memenuhi salah criteria dasar untuk proteksi. Hal ini menyebabkan dipilihlah beberapa metode dibawah ini :

I. Second & Fourth Harmonic Restraint, dimana komponen harmonisa ke-2 dan ke-4 dimasukkan pada restraining coil dan harmonisa dasar dan harmonisa lainnya dimasukkan ke operating coil. Maka dapat dituliskan sebagai pers : Iop + K3I3 + K5I5 + .> K2I2 + K4I4 Dimana : I2 I3 = Besar arus Harmonisa ke 2 = Besar arus Harmonisa ke 3, dstnya

II All Harmonics Restraint, dimana komponen harmonisa lain dari harmonisa dasar, dimasukkan pada restraining coil dan harmonisa dasar dimasukkan ke operating coil. Maka dapat dituliskan persamaan untuk syarat relay operates adalah : Iop > K2I2 + K3I3 + K4I4 + II Second and Fifth Harmonics Restraint, dimana komponen hanya harmonisa ke-2 dan ke-5, dimasukkan pada restraining coil dan harmonisa dasar dimasukkan ke operating coil. Harmonisa ke-5 ini muncul juga pada saat CT pada sisi incoming transformator mengalami kejenuhan. Maka dapat dituliskan persamaan untuk syarat relay operates adalah : Iop > K2I2 + K5I5 Persamaan Umum adalah : Iop >SLP.IRT + K2I2 + K3I3 + K4I4 + Dimana : SLP = Karakteristik Operasi Differential Relay IRT = Arus restraining, karena through fault current. 2. Transformer vector group Vector group pada trafo sangat menentukan bentuk koneksi CT yang akan dihubungkan ke differential relay. Hal ini disebabkan karena terjadi pergeseran sudut fase antara arus primer CT pada sisi primer transformator dan arus primer CT pada sisi sekunder transformator . Sehingga meskipun pemilihan ratio kedua CT telah menghasilkan arus sekunder CT yang sama besarnya, belum tentu sigma arus tersebut menghasilkan nilai yang sama dengan nol. Hal ini dapat terlihat pada gambar dibawah. Pada trafo dengan vector group Dyn11, terlihat bahwa arus primer bergeser sebesar 30o (Iap dan Ias ), sehingga arus primer CT juga bergeser 30o. Sebab itu perlu diadakan perubahan pada koneksi CT agar pergeseran sudut tersebut dapat dianulir.

10

Perubahan koneksi tersebut akan menyebabkan arus yang masuk ke-relay ( pilot relay / iaw) menjadi sefase. Pada saat differential relay merupakan Relay Electromekanik atau Relay Statik, koneksi CT harus benar benar diperhatikan, agar tidak terjadi i yang menyebabkan relay operates pada kondisi normal. Pada gambar berikut, terlihat beberapa contoh koneksi CT untuk vector group tertentu.

11

Permasalahan tersebut diatasi pada relay digital, dimana pada relay digital, output dari kedua CT dimasuk ke-terminal relay menurut urutan fase saja. Setelah itu ke relay tersebut di-inputkan data, kapasitas trafo, ratio CT pada sisi primer dan sekunder transformator dan vector group transformator tersebut, maka dengan sendirinya, relay tersebut mengatur bentuk koneksi CT yang dibutuhkan.

3. Current Transformer Ratio Ratio CT yang dipakai pada perlu diperhatikan agar pada kondisi normal, tidak terjadi delta arus yang mengoperasikan differential relay. Pada relay elektromekanik dan relay statik kadang dibutuhkan ICT (intermediate CT) atau ACT (Aux CT), untuk penyesuaian tersebut. Hal ini sudah dapat diatasi pada relay digital, dimana kepada relay digital tersebut hanya diberikan input data tentang ratio CT, dan program dalam relay tersebut yang akan mengadakan penyesuaian.

12

Differential Protection untuk Transformator Tiga Belitan. 1. Trafo dengan satu sumber saja dan kedua belitan lainnya dihubungkan ke beban. 2. Trafo dengan belitan yang terhubung ke lebih dari satu sumber. 3. Trafo dengan tiga belitan, dimana belitan ke tiga berupa belitan yang terhubung delta, dan tidak terhubung keluar. 4. Transformer Overfluxing. (internal or external?) Kondisi ini dapat terjadi pada Generator transformer. Persamaan dasar transformator : E = 4.44 ( BA ) f.T, sehingga dapat dituliskan, B = k.E/f.T Terlihat bahwa B berbanding lurus dengan tegangan induksi E dan berbanding terbalik dengan frekwensi f dan jumlah lilitan T. Sehingga apabila terjadi perubahan yang tidak seimbang pada parameter parameter tersebut, bisa terjadi inti tranaformator mengalamai overfluxing. Apabila kondisi overfluxing ini mencapai kondisi dimana inti menjadi jenuh, maka sebagian dari garis fluksi tersebut akan keluar dari inti, hal ini akan memperbesar sirkulasi arus eddy. Tergantung dari besarnya flux, dimensi dan sifat material dari bagian metal dari trafo yang dilewati fluks bocor tersebut, maka rugi rugi yang timbul dapat di-manisfestasikan dalam 4 bentuk, yaitu: 1. Pertambahan aris maknetisasi yang sangat besar. 2. Kenaikan temperature belitan. 3. Bertambahnya dengung dan vibrasi transformator. 4. Overheating pada bagian metal transformator yang tidak berlaminasi, akibat fluks bocor tersebut. Kondisi overfluxing diproteksi dengan mengatur AVR Generator, kalau tindakan ini tidak menghasilkan koreksi yang memadai, maka setelah perlambatan waktu antara 5 7 detik, maka generator dipisahkan dari transformator tersebut. Momentary system disturbance,juga dapat menyebabkan over fluxing, akan tetapi pada umumnya kurang berbahaya, sehingga relay yang berpelambatan waktu sudah dapat dipakai.Parameter yang dipakai adalah V/f. Apabila perubahan V/f sudah melampui setting yang dipakai maka sistem trip. Akan tetapi kondisi yang disebut sebagai geomagnetic disturbance, juga menyebabkan overfluxing tetapi tanpa perubahan V/f yang signifikan. Sebab itu pada relay digital, dipakai 5th harmonics detection, yang akan mendeteksi pertambahan besaran harmonisa ke-5. Harmonisa ke-5 bertambah besar apabila terjadi kondisi overfluxing.

II.5 Faulth Throwing Switch

13

SS1

Short TL

FTS

TRANSFORMER PROTECTION - DIFFERENTIAL RELAY - OVER CURRENT & EF RELAY - BUCHHOLZ - TEMPERATURE RELAY

Gambar II.9 Fault Throwing Switch (FTS)

Sistem ini (gambar II.9 ) dipakai bila :Transformator tidak memakai incoming CB Fault pada trafo, menghasilkan arus gangguan yang tidak cukup besar untuk membuat peralaatn proteksi pada SS1 bekerja meskipun gangguan tersebut dapat membuat transformer local protection relay bekerja (operates). Cara kerja: Local transformer akan mengoperasikan fault transformer switch (FTS) sehingga terjadi: bekerja. single line to ground fault, atau line to line fault

Sehingga arus gangguan (Ifault) pada transformator di-amplikasikan untuk membuat relay proteksi pada SS1

II.6 Neutral Displacement Relay (NDR) Untuk ungrounded system, single line to ground fault menyebabkan pergeseran titik netral. Beda potensial antara phase dan titik netral yang sudah bergeser tergantung dari bentuk earth fault tersebut. Untuk solid earth fault V mencapai tegangan yang besar dan sama dengan line to line voltage, dan V ini dideteksi oleh NDR.

14

R

N'

N T S NDR

Gambar II.10 Neutral Displacement Relay (NDR)

15