11 relay diff

BAHAN AJAR

SISTEM PROTEKSI (JTE 079) Relay Differensial

Dosen:

SYUKRIYADIN, ST, MT NIP. 19710820 199903 1 004

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SYIAH KUALA

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial

Relay differential pada sistem tenaga listrik biasanya digunakan untuk memproteksi generator, trafo, motor dan busbar

Proteksi Relay Differensial pada generator (1-phasa)

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial

Dari gambar diatas, Untuk gangguan eksternal diluar belitan generator, I1 = I2, dan arus pada CT diasumsikan I’1 = I’2, maka ntuk kasus seperti ini arus dalam operating coil relay adalah nol (zero), dan relay dikatakan tidak beroperasi. Dilain hal untuk gangguan internal seperti terjadi gangguan hubung singkat phas-ke-tanah atau phasa-ke-phasa, dimana I1 ≠ I2, dan I’1 ≠ I’2, dengan demikian muncul selesih arus I’1 – I’2 yang mengalir dalam operating coil relay sehingga relay dikatakan beroperasi.

Jadi relay differensial bekerja tergantung pada selisih arus yang mengalir pada operating coil relay tersebut.

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Gambar.2 Relay Differensial: Balance Beam

Relay Differensial

Relay differensial elektromekanik disebut relay balance beam (gambar 2). Kontak Relay akan tertutup jika gaya tarik ke arah bawah pada sisi kanan melebihi gaya tarik pada sisi kiri. Relay beroperasi jika: Dimana: Nr = Jumlah belitan restraining coil No = Jumlah belitan operating coil

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Gambar.3 Karakteristik Relay Differensial

Relay Differensial

Persamaan (A) dan (B) di gambarkan pada gambar.3 membentuk karakteristik daerah block dan trip pada relay untuk k = 0,1. Jika k bertambah besar maka area blok menjadi lebih besar dengan demikian relay menjadi kurang sensitif. Dalam praktek, tidak diset dua buah CT yang identik, dan arus relay I’1 – I’2 dapat menjadi lebih besar selama gangguan eksternal, meskipun I1 = I2 . Relay balance beam menyelesaikan permasalahan ini tanpa mengurangi kesensitifan selama kondisi arus normal, sehingga area blok menjadi lebih besar saat arus meningkat menjadi lebih besar sebagaimana ditunjukan pada gambar.3. Relay tsb dapat dimodifikasi untuk daerah blok yang besar untuk arus yang kecil, untuk menghindari kesalahan (false) trip pada arus yang rendah.

(A)

(B)

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Busbar

• Dalam praktek relay differensial diset untuk masing –masing phasa. Beroperasinya salah satu relay akan menyebabkan semua rangkaian 3-phasa CB yang dihubungkan ke busbar akan terbuka, maka bus tersebut dalam kondisi out-of-service. • Untuk kasus gangguan yang bukan gangguan internal antara CT (tidak ada bus yang terganggu) maka I1 + I2 = I3. Dengan mengasumsikan CT yang digunakan adalah identik maka arus differensial I’1 + I’2 – I’3 sama dengan nol (zero) dan relay dikatakan tidak beroperasi. Akan tetapi jika terjadi gangguan pada internal bus dengan arus differensial yang mengalir pada operating coil I’1 + I’2 – I’3 ≠ 0 maka relay dikatakan beroperasi

Gambar.4 Proteksi Busbar menggunakan Relay Differensial

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Busbar

• Permasalahan yang muncul adalah perbedaan level arus gangguan dan variasi jumlah saturasi CT. Sebagai contoh: dari gambar.4 diatas gangguan terjadi pada titik P. Maka CT1 dan CT2 memiliki masing-masing arus primer tetapi arus primer CT3 adalah I3 = I1 + I2 , CT3 mendapat suplai arus yang lebih tinggi maka CT3 akan memiliki saturasi yang lebih besar dengan demikian I’3 ≠ I’1 + I’2 . •Jika saturasi terlalu tinggi maka arus differensial pada operating coil dapat menyebabkan false trip. •Permasalahan ini menjadi lebih sulit saat sejumlah feeder yang banyak terhubung pada bus tersebut.

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo

• Metode proteksi yang diterapkan pada suatu trafo tergantung pada rating MVA tersebut. Salah satu contoh adalah Fuse yang sering digunakan untuk proteksi trafo untuk rating MVA trafo yang kecil. Akan tetapi relay differensial digunakan untuk proteksi trafo yang memiliki rating lebih dari 10 MVA . •Jika terjadi gangguan internal maka arus differensial relay adalah I’=I’1-I’2 ≠ 0 maka relay dikatakan beroperasi.

Gambar.5 Proteksi trafo dengan relay differensial Pada sistem single-phasa

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo

• Contoh Soal: Trafo single phase, 10 MVA, 80 kV/20 kV diproteksi dengan relay differensial. Tentukan rasio CT yang sesuai dan tentukan nilai k untuk relay dalam kondisi block (tidak beroperasi) hingga 20% mismatch antara I’1 dan I’2 !

Penyelesaian: Arus Primer trafo: Note: Tabel.1 diberikan

Tabel.1 Rasio standar VT dan CT

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo

Dari tabel 1 rasio CT dipilih 150:5 , maka I’1 = 125(5/150) = 4,17 A pada kondisi rating I1rated. Dengan cara yang sama diperoleh arus sekunder trafo I2rated = 500 A maka dipilih rasio CT 600:5, maka I’2 = 500(5/600) = 4,17A. Dengan demikian arus differensial adalah I’=I’1-I’2 = 0 (arus magnetisasi diabaikan). Untuk kondisi 25% mismatch antara I’1 dan I’2 dipilih 1,25 diatas slope (lihat gambar .3), maka:

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo

Masalah yang timbul dalam relay differensial proteksi trafo adalah arus mismatch relay yang terjadi saat rasio standar CT digunakan . Contoh: Jika contoh kasus proteksi diatas: rating trafo 138 kV/80 kV maka arus I1rated = 10 x 106 / 138 x 103 = 72,46 A dan rasio CT dipilih 100:5 akan menghasilkan I’1 = 72,46(5/100) = 3,62 A . Arus ii tidaklah seimbang dengan I’2 = 4,17 A menggunakan rasio CT sekunder 5:600, dan juga I’2 = 3,13 A menggunakan rasio sekunder CT 5:800 dengan mismatch yang terjadi sekitar 15 %. Salah satu cara untuk menyelesaikan permasalahan ini adalah dengan menggunakan CT bantu (auxiliary CT) yang menyediakan perluasan range rasio CT. Jika rasio CT bantu 5:5,76 dihubungkan dengan CT 5:600 dalam contoh diatas maka I’2 = 4,17(5/5,67) = 3,62 A, yang mana kondisi ini telah seimbang dengan I’1. Namun tidaklah tepat dengan menambahkan CT bantu kedalam burden CT utama tersebut sehingga dapat menyebabkan kesalahan. Solusi yang baik adalah dengan menggunakan tap-setting pada relay tersebut yang memiliki efek sebagai CT bantu.

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo – Inrush Current

Saat trafo pertama kali dihubungkan dengan beban (starting) maka akan muncul “inrush” current (arus yang besar bersifat mendadak) yang cukup besar, arus transien mengalir dalam cabang magnitisasi shunt. Arus inrush muncul sebagai arus differensial yang hanya mengalir pada sisi primer. Jika terjadi arus inrush yang besar pada trafo, relay differensial akan merasakan adanya arus differensial yang besar sehingga mengakibatkan trip. Salah satu metode untuk mencegah trip yang diakibatkan oleh arus inrush adalah didasarkan pada kenyataan bahwa arus inrush berbentuk arus non sinusoidal dengan kandungan harmonisa kedua yang besar, maka filter dapat digunakan untuk hanya melewatkan arus fundamental dan memblok kandungan harmonisa I’. Metode lain adalah didasarkan pada arus inrush mengandung komponen dc yang besar maka dengan menggunakan time-delay relay pengaruh komponent dc selama terjadi inrush current dapat dihindari.

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo 3-Phasa

Trafo 3-phasa, 30 MVA, 34,5 kV / 138 kv, Y/D diproteksi dengan relay differensial yang memiliki tap-setting. Tentukan rasio CT, Tap –Setting relay, dan koneksi hubungan CT, tentukan juga arus trafo dan arus dalam kondisi rated CT. Tap-setting diasumsikan tersedia adalah: 5:5, 5:5,5, 5:6,6, 5:7,3, 5:8, 5:9 dan 5:10 dengan rasio tap 1,00, 1,10, 1,32, 1,46, 1,60, 1,80 dan 2,00. Penyelesaian: Pada gambar.6 CT dihubungkan dalam hubungan D pada sisi 34,5-kV Y, dan CT dibungkan secara Y pada sisi 138-kV D, dengan tujuan untuk mendapatkan arus phasa yang benar pada arus relay. Arus rated pada sisi 138-kV: Dengan memilih Rasio CT pada sisi 138-kV 150:5 maka arus sekunder CT sisi 138-KV dan dalam belitan restraining sisi kanan adalah I’A = 125,51(5/150) = 4,184 A

Gambar.6 Trafo hubungan Y/D

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Untuk trafo 3-phasa hubungan (Y-Y, Y-D, D-Y, D-D), maka aturan umum hubungan CT pada sisi Y adalah terhubung secara D dan hubungan CT dalam sisi D adalah terhubung secara Y. Susunan ini untuk pergesaran phasa 300 dalam Y-D atau D-Y. Notes: bahwa arus urutan nol tidak dapat melalui sisi D trafo atau CT pada sisi tersebut, dan arus urutan nol pada sisi Y yang ditanahkan tidak dapat melalui CT hubungan D pada sisi tersebut. Oleh karena itu hubungan CT tersebut memblok arus urutan nol dalam relay selama terjadi gangguan eksternal phasa-ke-tanah. Dan untuk gangguan internal, relay dapat beroperasi untuk arus uratan positif dan negatif selama gangguan

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo 3-Phasa

Arus rated pada sisi 34,5-kV: Dengan memilih ratio CT pada sisi 34,5-kV 500:5 maka I’a = 500(5/500) = 5,02 A dan I’ab = 5,02 (3)1/3 = 8,696 A pada sisi kiri belitan restraining gambar.6. Tap relay dipilih untuk arus yang seimbang dalam belitan restraining. Rasio arus pada sisi kiri-ke-sisi kanan belitan restraining adalah: Rasio tap relay yang terdekat adalah T’AB / T’A =2,0, maka korelasinya terhadap tap setting T’A : T’ab = 5:10, dengan demikian % mismatch untuk tap-setting ini adalah

Syukriyadin, ST, MT Sistem Proteksi Teknik Elektro - Unsyiah

Relay Differensial: Proteksi Trafo 3-Phasa

Nilai % mismatch yang diperoleh ini adalah cukup bagus; sehingga relay differensial secara tipical memiliki daerah blok proteksi yang diatur antara 20% dan 60% (yaitu dengan mengatur nilai k seperti pada gambar.3), nilai % mismatch 3,77% memberikan sebuah margin proteksi yang aman pada CT dan relay differensial.