5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Mutakhir

Penelitian ini merupakan pengembangan dari beberapa penelitian yang

telah dilakukan sebelumnya, yaitu mengenai Analisis Hubung Singkat Pada

Penyulang Bangli Dengan Beroperasinya PLTS Kayubihi. Referensi yang dipilih

dan digunakan sebagai acuan dari penelitian ini merupakan penelitian yang

membahas tentang analisis hubung singkat pada penyulang Abang serta

pengaturan waktu kerja rele arus lebih untuk memproteksi jaringan distribusi.

Referensi yang digunakan dalam penelitian ini merupakan penelitian

serupa dan penelitian terkait. Adapun beberapa tinjuan mutakhir dari referensi

tersebut yakni : penelitian yang dilakukan oleh I Nyoman Endy Triatmaja dengan

judul Analisis Hubung Singkat Pada Penyulang Bangli Dengan Beroperasinya

PLTS Kayubihi. Penelitian ini menggunakan metode yang digunakan yaitu

dengan simulasi sistem menggunakan software ETAP (Electrical Transient

Analyzer Programme). Didapatkan hasil Dengan melakukan simulasi, didapatkan

selisih hubung singkat dan waktu kerja rele tanpa PLTS dan dengan PLTS.

Penelitian lain yang dilakukan oleh ZamZami dengan judul Studi Hubung

Singkat Satu Fasa Ke Tanah Akibat Masuknya Distributed Generation Pada

Sistem Distribusi Tenaga Listrik 20KV. Menggunakan metode yang digunakan

yaitu dengan simulasi sistem menggunakan software EDSA (Electrical

Distribution and Transmission System Analysis). Didapat hasil besar arus hubung

singkat satu fasa ke tanah yang dihasilkan dari sebelum dan sesudah masuknya

distributed generation berbeda yang dimana nilai dari besar arus hubung singkat

setelah masuknya distributed generation lebih besar dari sebelumnya.

Penelitian yang dilakukan oleh Irfan Affandi dengan judul Analisa Setting

Relai Arus Lebih dan Relai Gangguan Tanah Pada Penyulang Sadewa di GI

Cawang. Mengunakan metode Dilakukan perhitungan arus gangguan hubung

singkat 3 fasa, 2 fasa, dan 1 fasa ke tanah. Dari hasil perhitungan dilihat bahwa

5

6

besar arus gangguan hubung singkat dipengaruhi oleh jarak titik gangguan,

semakin jauh jarak titik gangguan maka semakin kecil arus hubung singkat, begitu

pula sebaliknya. Didapatkan selisih waktu kerja relai di penyulang dengan waktu

kerja relai di incoming. Dapat disimpulkan bahwa setting OCR-GFR yang ada

dilapangan dalam kondisi baik. Didapat hasil Besar arus hubung singkat satu fasa

ke tanah yang dihasilkan dari sebelum dan sesudah masuknya distributed

generation berbeda yang dimana nilai dari besar arus hubung singkat setelah

masuknya distributed generation lebih besar dari sebelumnya.

Pada tugas akhir ini dilakukan analisa gangguan hubung singkat pada

penyulang Abang dengan beroperasinya PLTS Karangasem. Jenis gangguan

hubung singkat yang akan digunakan adalah gangguan hubung singkat 3 fasa

karena memiliki nilai arus gangguan yang tertinggi. Di desa Kubu, Karangasem

terdapat PLTS berkapasitas 1 MW yang terhubung pada jaringan distribusi PLN.

Tersambungnya energi listrik dari PLTS menuju jaringan distribusi

mengakibatkan peningkatan nilai arus hubung singkat, sehingga diperlukan

pengaturan ulang sistem proteksi untuk mengamankan jaringan tersebut. Rele arus

lebih digunakan untuk memproteksi jaringan dari arus hubung singkat yang

melebihi nilai setting arusnya.

2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)

Pembangkit Listrik Tenaga Surya atau yang lebih dikenal dengan sebutan

Distributed Generation (DG) merupakan suatu pembangkit listrik dimana

peralatan - peralatan yang digunakan dalam pembangkit tersebut lebih kecil

dibandingkan dengan pembangkit pada umumnya yang sudah beroperasi yang

dihubungkan langsung dengan jaringan distribusi. Pembangkit ini berkapasitas

antara 50 kW sampai dengan 100MW serta tergolong pembangkit yang ramah

lingkungan. Penempatan dari DG berbeda dengan pembangkit konvensional yang

letaknya terpusat di suatu tempat sedangkan penempatan DG dapat berada di

beberapa titik sesuai dengan kebutuhan.

7

Pada umumnya DG cenderung mengarah kepada

teknologi energi terbarukan seperti pembangkit listrik tenaga angin, tenaga panas

bumi, sel surya dan pembangkit dari energi terbarukan lainnya. Di sisi lain

teknologi ini cenderung digunakan sebagai sistem back-up (cadangan) dari

jaringan listrik normal. Teknologi ini juga dapat digunakan sebagai sumber energi

utama di pulau yang terisolasi. DG mempunyai kelebihan dan juga kekurangan.

Adapun kelebihan menggunakan sistem DG:

1. Terhindar dari kerugian pada jaringan transmisi dan distribusi.

2. Sumber energi yang digunakan menggunakan energi terbarukan

3. Memungkinkan untuk penggunaan 1 fasa dan 3 fasa.

4. Memperbaiki kualitas daya pada sistem distribusi

Adapun kerugian menggunakan sistem DG adalah sebagai berikut (Mohmoud,

2010):

1. Sistem distribusi konvensional membutuhkan perlindungan yang memadai

untuk mengakomodasi pertukaran daya.

2. Sinyal untuk pengiriman sumber daya menjadi sangat rumit

3. Biaya investasi yang dikeluarkan terlalu mahal.

4. Meningkatkan nilai arus hubung singkat pada sistem

Terdapat berbagai versi tentang penjelasan DG diantaranya Institute of

Electrical and Electronics Engineers (IEEE), mendefinisikan Distributed

Generation sebagai pembangkitan energi listrik yang dilakukan oleh peralatan

Gambar 2.1 Contoh penggunaan DG berupa pembangkit

listrik tenaga surya

(Sumber : PLTS 1MW, Kubu, Karangasem

8

yang lebih kecil dari pembangkit listrik pusat sehingga memungkinkan terjadi

interkoneksi di hampir semua titik pada sistem tenaga listrik. Sedangkan

International Energy Agency (IEA), mendefinisikan Distributed Generation

sebagai unit pembangkit daya listrik pada sisi konsumen dan menyuplai daya

listrik langsung ke jaringan distribusi lokal.

Perkembangan teknologi DG terus berkembang dengan memfaatkan

pembangkit listrik skala kecil (mikrohidro) yang dikelola oleh pihak PLN atau

swasta (Independent Power Producer). Sejak tahun 2002, teknologi DG di

Indonesia dikenal sebagai “Pembangkit Listrik Skala Kecil Tersebar” seperti

yang tertuang dalam Peraturan Pemerintah Nomor 30 tahun 2002.

2.3 Gambaran Umum Saluran Tegangan Menengah (STM)

Berdasarkan UU ketenagalistrikan No 30 tahun 2009 dikatakan bahwa

Saluran Tegangan Menengah (STM) merupakan jaringan utama sebagai upaya

untuk menghindarkan rugi-rugi penyaluran (losses) dimana persyaratan tegangan

sesuai dengan UU harus dipenuhi oleh PT PLN Persero selaku pemegang Kuasa

Usaha Utama tersebut.

Dalam pembangunan dari Saluran Tegangan Menengah, terdapat beberapa

hal yang wajib dipenuhi untuk keamanan ketenagalistrikan, termasuk di dalamnya

adalah jarak aman minimal antara fasa dengan lingkungan, dan antara fasa dengan

tanah. Jaringan tegangan menengah biasanya menggunakan penghantar saluran

udara tanpa isolasi, kabel udara pilin (twisted) tegangan menengah, atau kabel

bawah tanah tegangan menengah (Sulasno, 1993).

2.3.1 Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM)

Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM) merupakan salah satu

konstruksi saluran udara yang memiliki fungsi untuk penyaluran energi listrik.

Konstruksi ini merupakan yang paling banyak digunakan dimana memiliki ciri-

ciri penggunaan kawat penghantar telanjang yang ditopang dengan isolator pada

tiang besi atau beton. Penggunaan penghantar telanjang, dengan sendirinya harus

memperhatikan faktor yang terkait dengan keselamatan ketenagalistrikan, seperti

9

jarak aman minimum yang harus dipenuhi penghantar bertegangan 20 KV

tersebut antar fasa, dengan bangunan, dengan tanaman, dengan jangkauan

manusia ( Bawan, 2012 ). Pada umumnya kawat penghantar yang digunakan

adalah penghantar berisolasi setengah AAAC-S (half insulated single core).

Penggunaan penghantar ini tidak menjamin keamanan terhadap tegangan sentuh

yang dipersyaratkan akan tetapi untuk mengurangi resiko gangguan sementara

khususnya akibat sentuhan tanaman ( Sulasno, 1993 ).

2.4 Gangguan Pada Jaringan Distribusi

Gangguan adalah suatu ketidaknormalan (interferes) dalam sistem tenaga

listrik yang mengakibatkan mengalirnya arus yang tidak seimbang dalam sistem

tiga fasa. Gangguan dapat juga didefinisikan sebagai semua kecacatan yang

mengganggu aliran normal arus ke beban (Mardensyah, 2008).

Berikut merupakan definisi gangguan hubung singkat dan gangguan hubung

singkat 3 fasa.

2.4.1 Gangguan Hubung Singkat

Dalam proteksi sistem tenaga listrik, sangat penting untuk mengetahui

distribusi arus dan tegangan di berbagai tempat sebagai akibat timbulnya

gangguan. Karakteristik kerja rele proteksi dipengaruhi oleh besaran energi yang

dimonitor oleh rele sewperti arus dan tegangan. Dengan mengetahui distribusi

arus dan tegangan di berbagai tempat maka seseorang insinyur proteksi dapat

menentukan setelan (setting) untuk rele proteksi dan rating dari pemutus tenaga

/circuit breaker (CB) yang akan digunakan (Mardensyah, 2008).

Secara umum gangguan hubung singkat dapat dikatakan suatu gangguan

yang terjadi akibat adanya kesalahan antara bagian-bagian yang bertegangan.

Gangguan hubung singkat dapat terjadi akibat adanya isolasi yang tembus atau

rusak karena tidak tahan terhadap tegangan lebih, baik yang berasal dari dalam

maupun yang berasal dari luar (akibat sambaran petir). Berdasarkan pemaparan

tersebut gangguan hubung singkat dapat diartikan sebagai suatu keadaan pada

10

sistem dimana penghantar yang berarus terhubung dengan penghantar lain atau

dengan tanah sehingga menimbulkan arus hubung singkat( Zamzami, 2010 ).

Gangguan yang mengakibatkan hubung singkat dapat menimbulkan arus

yang jauh lebih besar dari pada arus normal. Bila gangguan hubung singkat

dibiarkan berlangsung dalam kurun waktu panjang maka banyak pengaruh-

pengaruh yang tidak diinginkan yang dapat terjadi misalnya (Stevenson, 1982) :

a. Berkurangnya batas-batas kestabilan untuk sistem daya.

b. Rusaknya perlengkapan yang berada dekat dengan gangguan yang

disebabkan oleh arus tak seimbang, atau tegangan rendah yang

ditimbulkan oleh hubung singkat.

c. Ledakan-ledakan yang mungkin terjadi pada peralatan yang mengandung

minyak isolasi sewaktu terjadinya suatu hubung singkat

d. Timbulnya kebakaran membahayakan orang yang menanganinya dan

merusak peralatan–peralatan yang lain.

e. Terpecah-pecahnya keseluruhan daerah pelayanan sistem daya itu oleh

suatu rentetan tindakan pengamanan yang diambil oleh sitem–sistem

pengamanan yang berbeda–beda, kejadian ini di kenal sebagai

“cascading”.

Perhitungan hubung singkat adalah suatu analisa kelakuan suatu sistem

tenaga listrik pada keadaan gangguan hubung singkat, dimana dengan cara ini

diperoleh nilai besaran-besaran listrik yang dihasilkan sebagai akibat gangguan

hubung singkat tersebut. Analisa gangguan hubung singkat diperlukan untuk

mempelajari sistem tenaga listrik baik waktu perencanaan maupun setelah

beroperasi kelak. Analisa hubung singkat digunakan untuk menentukan

pengaturan rele proteksi yang digunakan untuk melindungi sistem tersebut dari

kemungkinan adanya gangguan tersebut.

Tujuan dari perhitungan gangguan hubung singkat adalah untuk

menghitung arus maksimum dan minimum gangguan, dan tegangan pada lokasi

yang berbeda dari sistem tenaga untuk jenis gangguan yang berbeda sehingga

11

rancangan pengaman, rele dan pemutus yang tepat bisa dipilih untuk melindungi

sistem dari kondisi yang tidak normal dalam waktu yang singkat ( Cekdin, 2012 ).

Kegunaan dari analisis gangguan hubung singkat antara lain adalah

(Weedy, 1998 ):

a. Menentukan arus maksimum dan minimum hubung singkat tiga-fasa.

b. Untuk menentukan arus gangguan.

c. Penyelidikan operasi rele-rele proteksi.

d. Menentukan kapasitas pemutus daya.

e. Untuk menentukan distribusi arus gangguan dan tingkat tegangan busbar

selama gangguan.

2.4.2 Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa

Gangguan tiga fasa disebabkan oleh putusnya salah satu kawat fasa yang

letaknya paling atas pada transmisi atau distribusi dengan konfigurasi kawat antar

fasanya disusun secara vertikal. Kemungkinan lain adalah akibat pohon yang

cukup tinggi berayun sewaktu tertiup angin kencang sehingga menyentuh ketiga

kawat fasa transmisi atau distribusi. Arus gangguan hubung singkat harus

diamankan dengan cepat setelah gangguan terjadi, untuk itu dibutuhkan alat

pengaman yaitu PMT yang kapasitasnya ditentukan berdasarkan ata gangguan

hubung singkat tiga fasa pada lokasi gangguan (Masykur,2005).

Gambar 2.2 menunjukkan rangkaian ekivalen hubung singkat tiga fasa.

Gambar 2.2 Rangkaian gangguan tiga fasa

( Sumber : Sulasno, 1993 )

Dari gambar 2.2, dapat dilihat bahwa arus maupun tegangan dalam

keadaan gangguan tidak mengandung unsur urutan nol atau impedansi netral.

Zn

Z

Z Z

12

Oleh sebab itu, pada hubung singkat tiga fasa sistem pentanahan netral tidak

berpengaruh terhadap besarnya arus hubung singkat.

Dengan demikian:

Ia = Ib = Ic = 0 ......................................................................... (2.1)

Va – Vb =0 ; Va – Vc = 0 dan Vb – Vc = 0

Dengan kata lain, Va = Vb = Vc .......................................................................... (2.2)

Persamaan urutan tegangan pada gangguan hubung singkat tiga fasa dapat

ditentukan dengan persamaan:

Va0 = (Va + Vb + Vc) = Va .................................................... (2.3)

Va1 = (Va + αVb + α2Vc) ....................................................... (2.4)

Va2 = (Va + α2Vb + αVc) ....................................................... (2.5)

Persamaan arus yang tidak seimbang memiliki bentuk yang sama dengan

persamaan tegangan. Arus pada setiap fasa dapat dipresentasikan sebagai:

Ia = Ia1 + Ia2 + Ia0 .................................................................... (2.6)

Ib = Ib1 + Ib2 + Ib0 .................................................................... (2.7)

Ic = Ic1 + Ic2 + Ic0 .................................................................... (2.8)

Substitusi hubungan antar fasa dengan komponen positf, negatif, dan nol

menghasilkan

Ia = Ia1 + Ia2 + Ia0 .................................................................... (2.9)

Ib = a2Ia1 + aIa2 + Ia0 ............................................................. (2.10)

Ic = aIa1 + a2Ia2 + Ia0 .............................................................. (2.11)

Sehingga komponen simetris dapat dipresentasikan sebagai fungsi dari setiap arus

masing-masing fasa, yaitu:

Ia0 = (Ia + Ib + Ic) ................................................................. (2.12)

Ia1 = (Ia + aIb + a2Ic) ............................................................ (2.13)

Ia2 = (Ia + a2Ib + aIc) ............................................................ (2.14)

Dimana :

Ia,Ib,Ic = arus yang mengalir pada fasa a,b,c

Va,Vb,Vc = tegangan pada fasa a,b,c

13

Ia1, Ia2,Ia0 = komponen urutan positif, negatif dan nol dari Ia

Va1,Va2,Va0 = komponen urutan positif, negatif dan nol dari Va

a = bilangan kompleks yang besarnya 1 dan sudutnya 120o

2.4.3 Prinsip dasar Perhitungan Arus hubung Singkat 20 KV

Gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi di dalam jaringan (system

kelistrikan) ada 3, yaitu:

1. Gangguan hubung singkat 3 fasa

2. Gangguan hubung singkat 2 fasa, dan

3. Gangguan hubung singkat 1 fasa ke tanah

Dari ketiga macam gangguan hubung singkat, hanya dibahas gangguan hubung

singkat 3 fasa. Arus gangguannya dihitung dengan rumus :

1. Gangguan Hubung Singkat 3 fasa

a. Gangguan hubung singkat 150 KV

..................................................................................(2.15)

b. Gangguan hubung singkat 20 KV

........................................................................................(2.16)

Keterangan :

I3Ø(150) : Arus hubung singkat tiga fasa di sisi 150 kV

I3Ø(20) : Arus hubung singkat tiga fasa di sisi 20 kV

Vp : Tegangan pada sisi primer

Vs : Tegangan pada sisi sekunder

Zhs : Impedansi sumber

Ztr : Impedansi trafo

2.5 Impedansi (Z)

Dalam menghitung impdansi dikenal tiga macam urutan yaitu :

a. Impedansi urutan positif (Z1), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh

arus urutan positif.

14

b. Impedansi urutan negatif (Z2), yaitu impedansi yang hanya dirasakan

oleh arus negatif.

c. Impedansi urutan nol (Z0), yaitu impedansi yang hanya dirasakan oleh

arus urutan nol.

Sebelum melakukan perhitungan arus hubung singkat, maka kita harus

memulai perhitungan pada rel daya tegangan primer di gardu induk untuk

berbagai jenis gangguan, kemudian menghitung pada titik – titik lainnya yang

letaknya semakin jauh dari gardu induk tersebut. Untuk itu diperlukan

pengetahuan mengenai dasar impedansi urutan rel daya tegangan tinggi atau bisa

juga disebut sebagai impedansi sumber, impedansi transformator, dan impedansi

penyulang.

Namun pada tugas akhir ini yang di bahas hanya impedansi penyulang

karena berdasarkan ruang lingkup pembahasan diatas yang dibahas hanya pada

penyulangnya saja.

2.5.1 Menghitung Impedansi Penyulang

Untuk perhitungan impedansi penyulang, perhitungannya tergantung dari

besarnya impedansi per km dari penyulang yang akan dihitung, dimana besar

nilainya tergantung pada jenis penghantarnya, yaitu dari bahan apa penghantar

tersebut dibuat dan juga tergantung dari besar kecilnya penampang dan panjang

penghantarnya (Budi Utomo, 2004).

Besar nilai impedansi Penyulang bergantung pada besar nilai impedansi

per meter Penyulang. Nilai impedansi didapat berdasarkan konfigurasi tiang pada

jaringan SUTM atau dari jenis kabel tanah untuk jaringan SKTM. Nilai impedansi

Penyulang dapat diperoleh dengan persamaan 2.15:

Z = (R + jX) ....................................................................................... (2.17)

Dimana :

Z = Impedansi

R = reaktansi / hambatan ( Ω )

Nilai impedansi Penyulang akan berpengaruh terhadap besar nilai arus

hubung singkat yang terjadi pada sistem tersebut.

15

2.5.2 Menghitung Impedansi Ekivalen Jaringan

Perhitungan yang dilakukan merupakan perhitungan besar nilai impedansi

positif ( Z1 eq ), negatif ( Z2 eq ), dan nol ( Z0 eq ) dari titik gangguan sampai ke

sumber sesuai dengan urutan. Pada sumber ke titik gangguan impedansi yang

terbentuk adalah tersambung seri, maka perhitungan Z1 eq dan Z2 eq diperoleh

langsung dengan menjumlahkan impedansi-impedansi tersebut. Sedangkan untuk

perhitungan Z0 eq dimulai dari titik gangguan sampai ke trafo tenaga yang

netralnya ditanahkan

Sehingga untuk impedansi ekivalen jaringan dapat dihitung dengan

menggunakan rumus

a. Urutan positif dan urutan negatif (Z1 eq = Z2 eq)

Z1 eq = Z2 eq = Zs1 + Zt1 + Z1 Penyulang ………….……..…….( 2.18)

Dimana :

Z1eq = Impedansi ekivalen jaringan urutan positif (ohm)

Z2eq = Impedansi ekivalen jaringan urutan negatif (ohm)

Zs1 = Impedansi sumber sisi 20 KV (ohm)

Zt1 = Impedansi trafo tenaga urutan dan negatif (ohm)

Z1 = Impedansi urutan positif dan negatif (ohm)

b. Urutan nol

Z0eq = Zt0 + 3RN + Z0 Penyulang ……………………………..…( 2.19)

Dimana :

Z0eq = Impedansi ekivalen jaringan nol (ohm)

Zt0 = Impedansi trafo tenaga urutan nol (ohm)

RN = Tambahan tanah trafo tenaga (ohm)

Z0 = Impedansi urutan nol (ohm)

Setelah mendapatkan impedansi ekivalen sesuai dengan lokasi gangguan,

selanjutnya arus gangguan hubung singkat dapat dihitung dengan menggunakan

rumus dasar seperti dijelaskan sebelumnya, hanya saja impedansi ekivalen mana

yang dimasukkan ke dalam rumus dasar tersebut adalah tergantung dari hubung

singkat 3 fasa, 2 fasa atau 1 fasa ke tanah.

16

2.6 Sistem Proteksi

Sistem proteksi merupakan suatu komponen yang dipasang pada suatu

sistem tenaga listrik untuk kondisi abnormal. Kondisi abnormal dapat berupa

tegangan lebih, hubung singkat, frekuensi sistem rendah, asinkron dan lain-lain.

Pada sistem proteksi terdapat peralatan yang disebut rele yang berguna sebagai

pendeteksi serta pemberi perintah kepada circuit breaker untuk memutuskan

rangkaian jika sistem mengalami suatu gangguan ( Putra, 2012 ).

Sistem proteksi pada umumnya terdiri dari beberapa komponen yang

dirancang untuk mengidentifikasi kondisi sistem dan bekerja berdasarkan

informasi yang diperoleh dari sistem yaitu arus, tegangan, atau sudut fasa antara

keduanya. Informasi diperoleh untuk membandingkan besarannya dengan besaran

ambang batas pada peralatan proteksi. Jika besaran melebihi pengaturan ambang

batas peralatan proteksi maka sistem proteksi akan bekerja dan mengamankan

kondisi tersebut (Nugroho,2008).

Waktu pemutusan gangguan merupakan waktu total yang dibutuhkan

peralatan proteksi sampai terbukanya pemutus tenaga atau disebut fault clearing

time ( Mardensyah, 2008 ).

Tc = Tp + Td + Ta -------------------------------------------------------------------------------2.20)

Keterangan:

Tc = clearing time

Tp = comparison time

Td = decision time

Ta = action time, including circuit breaker operating time

Waktu pemutus gangguan merupakan salah satu faktor yang sangat

penting karena peralatan proteksi harus dikoordinasikan waktunya dengan

peralatan proteksi lain agar hanya peralatan proteksi yang paling dekat dengan

gangguan saja yang bekerja.

2.6.1 Rele Arus Lebih (Over Current Relay)

Rele arus lebih merupakan salah satu sistem proteksi yang berfungsi

melindungi sistem jika terjadi gangguan. Rele beroperasi berdasarkan adanya

17

perubahan kenaikan arus pada sistem yang melebihi nilai pengaman pada jangka

waktu tertentu. Fungsi utama dari rele arus lebih yaitu untuk mendeteksi adanya

arus lebih pada suatu sistem kemudian dari rele akan memberikan perintah kepada

pemutus beban (PMT) untuk membuka sistem tersebut. Jenis rele dapat dibedakan

menjadi dua yaitu:

1) Rele Primer: besaran yang dideteksi misalnya arus, dideteksi secara

langsung.

2) Rele Sekunder: besaran yang dideteksi, melalui alat-alat bantu

misalnya trafo arus/trafo tegangan.

Rele Arus Lebih merupakan salah satu rele proteksi yang digunakan untuk

mengamankan trafo daya, Neutral Grounding Resistor (NGR), dan Penyulang 20

KV. Rele ini akan bekerja bila besaran penggerak atau arus yang mengalir dalam

belitannya (Ir) melebihi arus yang telah ditentukan (Ip) atau dapat dinyatakan

dengan:

Ir > Ip .......................................................................................................... (2.21)

Keterangan:

Ir : arus rele

Ip: arus pick-up

Pada jaringan 20 KV rele ini berfungsi untuk memproteksi SUTM

terhadap gangguan antar fasa atau tiga fasa, dan pada trafo tenaga rele ini

berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat

antar fasa di dalam maupun di luar daerah pengaman transformator.

Berikut adalah diagram blok dari rele proteksi :

Gambar 2.3 Diagram blok rele proteksi

(Sumber : Purba,2012)

PMT input Elemen

Pembanding

Elemen

Pengindra

Elemen

Pengukur

18

Masing-masing elemen/bagian mempunyai fungsi sebagai berikut :

1. Elemen pengindra, elemen ini berfungsi untuk merasakan besaran-

besaran listrik, seperti arus, tegangan, frekuensi, dan sebagainya

tergantung rele yang dipergunakan. Pada bagian ini besaran yang

masuk akan dirasakan keadaannya, apakah keadaan yang diproteksi

itu mendapatkan gangguan atau dalam keadaan normal, untuk

selanjutnya besaran tersebut dikirim ke elemen pembanding.

2. Elemen Pembanding, elemen ini berfungsi menerima besaran setelah

terlebih dahulu besaran itu diterima oleh elemen pengindera untuk

membandingkan besaran listrik pada saat keadaan normal dengan

besaran arus kerja rele.

3. Elemen pengukur, elemen ini berfungsi untuk mengadakan

perubahan secara cepat pada besaran ukurnya dan akan segera

memberikan isyarat untuk membuka PMT atau kmemberikan sinyal.

Sistem pengaman pada sistem tenaga listrik umumnya dapat dibagi

menjadi tiga subsistem, yaitu : (Titarenko and Dukelsky,1977).

a. Rele

b. Transduser (current transformer dan voltage transformer)

c. Pemutus tenaga (circuit breaker)

Konfigurasi suatu sistem pengaman yang sederhana ditunjukkan oleh gambar 2.4.

Gambar 2.4 Sistem pengaman sederhana

(Sumber : Titarenko and Dukelsky,1977)

19

2.6.2 Prinsip Kerja Rele Arus Lebih

Rele arus lebih bekerja dengan membaca input berupa besaran arus

kemudian membandingankan dengan nilai setting, apabila nilai arus yang terbaca

oleh rele melebihi nilai setting, maka rele akan mengirim perintah trip (lepas)

kepada Pemutus Tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB) setelah waktu tunda

yang diterapkan pada setting. Rele arus lebih – OCR memproteksi instalasi listrik

terhadap gangguan antar fasa. Sedangkan untuk memproteki terhadap gangguan

fasa tanah digunakan rele arus gangguan tanah atau ground fault relay (GFR).

Prinsip kerja GFR sama dengan OCR, yang membedakan hanyalah pada fungsi

dan elemen sensor arus. OCR biasanya memiliki 2 atau 3 sensor arus (untuk 2

atau 3 fasa) sedangkan GFR arahnya memiliki satu sensor arus (satu fasa)

(Rasidin,2005).

Bedasarkan waktu dan cara kerja, rele arus lebih dapat dibagi menjadi tiga

jenis yaitu rele arus lebih waktu tertentu (Definite Time Relay), rele arus lebih

waktu terbalik (Inverse Time Relay), rele arus lebih waktu seketika (Instantaneous

Relay), rele arus lebih seketika (instanstaneous over current relay)

a. Rele Arus Lebih Seketika (Definite Time Relay)

Pada saat rele beroprasi, Waktu kerja rele mulai pick up sampai selesai

terjadi sangat singkat sekitar 20–40ms tanpa adanya penundaan waktu. Rele ini

akan memberikan perintah kepada pemutus beban (PMT) pada saat terjadi

gangguan bila besar arus gangguannya melampaui penyetelannya (Im) dan jangka

waktu kerjanya singkat.

Gambar 2.5 Rangkaian sederhana rele arus lebih seketika dan karakteristiknya

(Sumber : Ramadon,2000)

20

Dimana :

CB = Circuit Breaker (Pemutus = PMT)

TC = Tripping Coil (kumparan pemutus)

R = Rele arus lebih

CT = Current Transformator (transformator arus)

I = Arus beban

Ir = Arus yang mengalir pada kumparan sekunder transformator arus

+ = Polaritas positif sumber DC

- = Polaritas negatif sumber DC

T = Besaran Waktu

I op = Operating current (arus operasi rele mulai bekerja)

b. Rele arus lebih dengan karakteristik waktu tertentu (Definite time over

current relay)

Pada saat terjadi gangguan, arus yang mengalir pada sistem dan

melampaui pengaturan dari rele maka rele akan memberikan perintah kepada

pemutus beban (PMT) untuk bekerja ke kondisi pick up (kondisi rele terbuka).

Waktu kerja rele dapat diatur pada waktu tertentu untuk pengaturan yang sama

dan lebih besar dari nilai pick up sehingga waktu operasinya dapat diatur sesuai

dengan kebutuhan koordinasi.

Gambar 2.6 Rangkaian sederhana rele arus lebih waktu tertentu dan karakteristiknya

(Sumber : Ramadon,dkk,2000)

21

c. Rele arus lebih dengan karakteristik waktu terbalik (Inverse time over current

relay)

Rele memberikan perintah kepada PMT saat terjadi gangguan. Jika arus

gangguan melebihi arus yang telah diatur maka rele akan berada pada posisi pick

up. Rele arus lebih waktu terbalik memiliki waktu operasi yang lebih singkat

untuk arus gangguan yang semakin besar dan waktu operasi yang semakin lama

untuk arus gangguan yang semakin kecil.

Gambar 2.7 Rangkaian sederhana rele arus lebih waktu terbalik dan karakteristiknya

(Sumber : Ramadon,dkk,2000)

2.6.3 Setting Rele Arus Lebih

Sebagai dasar dalam pengaturan arus pada rele arus lebih tersebut

digunakan rumus P.S.M (Plug Setting Multiplier), sebagai berikut:

tingCurrentSetCTRasio

ntFaultCurreMSP

.. ............................................... (2.22)

Sedangkan untuk pengaturan Over Current Relay (OCR) dihitung di

incoming trafo, artinya:

Untuk Over Current Relay (OCR) yang terpasang di Penyulang

dihitung berdasarkan arus beban maksimum yang mengalir di

Penyulang tersebut.

Untuk Over Current Relay (OCR) yang terpasang di incoming trafo

dihitung berdasarkan arus nominal trafo tersebut.

Faktor kemananan rele inverse biasanya diset sebesar 1,2 hingga 1,3 untuk

perhitungan setelan arus (Iset). Persyaratan lain yang harus dipenuhi adalah

22

bahwa pengaturan waktu minimum dari rele arus lebih (terutama di Penyulang)

tidak lebih kecil atau diatas dari 0,3 detik. Pertimbangan ini diambil agar rele

tidak sampai trip lagi akibat arus inrush dari trafo – trafo distribusi ketika PMT

Penyulang tersebut dialiri listrik (Sumanto, 1996).

Rele arus lebih tidak boleh bekerja pada keadaan beban maksimum.

Dalam beberapa hal, nominal transformator arus ( CT ) merupakan arus

maksimumnya, sehingga penyetelan arusnya :

........................................................................................................ (2.23)

Dimana :

Iset = Setelan Arus

Inom = Arus nominal

CT = rasio transformator arus

Waktu kerja rele ditentukan dengan cara sebagai berikut :

Untuk daya tiga fasa

S = √3 × V × I × Cosφ...................................................................................... (2.24)

Selanjutnya untuk mencari nilai kuat arus nominal salurannya, yaitu:

Inom = ................................................................................................... (2.25)

Dimana:

S = Daya Semu (KVA)

V = Tegangan saluran (Volt)

I = Arus nominal (A)

2.6.4 Prinsip Dasar Perhitungan Setting Koordinasi Rele Pengaman

Pengaturan arus (Iset) pada rele arus lebih umumnya didasarkan pada hasil

arus gangguan minimumnya, dengan demikian gangguan hubung singkat di

23

beberapa seksi berikutnya, rele arus akan bekerja. Untuk mendapatkan

pengamanan yang selektif, maka setting waktunya dibuat secara bertingkat.

Syarat untuk setting waktu tunda (td) dari rele, harus diketahui data sebagai

berikut : (PT.PLN (Persero), 2013)

a. Besaran arus hubung singkat (I).

b. Penyetelan / setting arusnya ( Iset).

c. Kurva karakteristik rele yang dipakai.

Maka waktu waktu tunda ( td ) dapat dicari dengan persamaan :

...................……....……………………… (2.26)

Keterangan :

td = waktu tunda

If = arus gangguan hubung singkat

t = waktu kerja rele yang dikehendaki

Untuk menentukan waktu tunda pada rele pengaman saluran, nilai t ditetapkan

dengan nilai 1 detik.

Waktu koordinasi rele pengaman baik itu pengaman utama dan backup

pada busbar terhadap gangguan maksimum dapat dicari dengan persamaan :

.......................................................................(2.27)

Keterangan : t = setting koordinasi rele pengaman

If = arus gangguan hubung singkat tiga phase.

td = waktu tunda.

Pada waktu kerja Over Current Relay (OCR) di incoming trafo 20 KV

harus lebih besar dari 0.3 detik yaitu sebesar 0,4 – 0,5 detik dari waktu kerja rele

di Penyulang 20 KV (dari relai yang di sisi hilirnya). Selisih waktu kerja rele di

incoming 20 KV (sisi hulu) lebih lama 0,4 detik dari waktu kerja rele di

Penyulang (sisi hilir) di sebut grading time, yang maksudnya agar rele di

incoming 20 KV memberikan kesempatan rele di penyulang bekerja lebih

dahulu (Sumanto, 1996).

24

Waktu kerja rele terhadap gangguan maksimum dapat dihitung dengan

persamanaan :

................................................................................ (2.28)

dengan: If = arus gangguan

Nilai TMS (Time Multiple Setting), standar waktu setting rele sebesar 0,08

detik (APD BALI).

Waktu kerja dari rele arus lebih juga berdasarkan dari tipe kurva alat

tersebut. Perbedaan pemilihan kurva mengakibatkan perubahan dari pengaturan

waktu kerja alat tersebut. Untuk tabel kurva waktu kerja dapat dilihat pada tabel

2.1.

Tabel 2.1 koefisien invers time dial relay arus lebih

Tipe Kurva Α Β

IEC Standard Inverse 0,14 0,02

IEC Very Inverse 13,50 1,0

IEC Extremely Inverse 80,00 2.0

(Sumber : IEC 60255)