4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Mutakhir (State of The Art Review)

Transformator memiliki peranan yang penting didalam sistem kelistrikan

di Gardu Induk Pesanggaran, oleh karena itu dibutuhkan pengaman yang dapat

melindungi transformator dari arus pembangkitan lebih. Beberapa penelitian yang

telah dilakukan sebelumnya terkait dengan sistem proteksi transformator tersebut,

dijadikan sebagai acuan (referensi) untuk pembahasan pada skripsi ini. Hal ini

dilakukan bertujuan untuk menentukan batasan – batasan masalah yang akan

dibahas pada penelitian ini. Adapun beberapa tinjauan mutakhir dari referensi

penelitian tersebut adalah sebagai berikut :

1. Pada penelitian yang berjudul “Analisis Implementasi Rele OGS sebagai

proteksi sistem 500 kV di Suralaya – Balaraja dan Suralaya – Cilegon” oleh

Bagus (2012) dengan metode simulasi. Jurnal ini membahas tentang adanya

kehilangan daya pada PLTU Suralaya sehingga menggunakan rele OGS

(Over Generator Shedding) sebagai proteksi. Untuk menganalisa

implementasi rele OGS (Over Generator Shedding) sebagai proteksi, maka

digunakan analisa aliran daya yang disimulasikan dengan software ETAP

6.0, dimana dengan software ini dapat mensimulasikan kondisi transmisi

dalam keadaan normal dan dalam kondisi terjadi gangguan sehingga

diketahui tingkat kehandalan suatu sistem proteksi dalam mengamankan

jaringan transmisi.

2. Pada penelitian yang berjudul “Analisis Over Generation Shedding (OGS)

Pada Subsistem Cibinong 150 Kv Dan 70 kV” oleh Anshari (2015) dengan

metode simulasi. Jurnal ini membahas tentang pengaruh pelepasan

pembangkit terhadap stabilitas sudut rotor di subsistem Cibinong, Jawa

Barat. Tugas akhir ini jugamenyelediki setting proteksi pada skema

pelepasan pembangkit. Gangguan tiga fasa pada salah satu sirkuit transmisi

disimulasikan dan studi kasus yang pertama mengamati pengaruh skema

Over Generation Shedding (OGS) terhadap stabilitas sudut rotor.

5

Berdasarkan hasil perhitungan, semakin besar generator yang lepas maka

akan semakin jauh sudut rotor berayun. Sudut rotor dari masing-masing

generator dapat kembali stabil setelah Rele OGS bekerja pada keadaan

pembangkitan berlebih akibat penurunan beban secara tiba-tiba, hal ini

menyebabkan semakin banyaknya aliran daya ke sistem interkoneksi 500

kV Jawa-Bali yang mengakibatkan saluran transmisi mendapat beban

tambahan.

3. Pada penelitian yang berjudul “Studi Pengaruh Pemasangan Load Shedding

di Gardu Induk Pemecutan Kelod dan Gardu Induk Nusa Dua Terhadap

Kontinyuitas Aliran Daya Gardu Induk Nusa Dua” oleh Subakat (2014)

dengan metode analisis perhitungan. Dalam tugas akhir ini membahas

tentang analisa setting arus, waktu serta koordinasi rele OCR (Over Current

Relay) dan OLS (Over Load Shedding). Analisa setting rele dilakukan

dengan analisa arus gangguan hubung singkat tiga fasa simetris

menggunakan program ETAP Power Station. Dengan perhitungan manual

didapatkan nilai setting arus, waktu tunda dan waktu kerja rele OCR dan

OLS tersebut. Selanjutnya hasil setting dan waktu kerja kedua rele tersebut

akan dibandingkan.

4. Pada penelitian yang berjudul “Analisis Koordinasi Setting Rele Pengaman

Akibat Uprating Transformator di Gardu Induk Gianyar” Eko Putra (2015)

dengan metode analisis perhitungan. Dalam tugas akhir ini membahas

tentang setting rele OCR (Over Current Relay) dan GFR (Ground Fault

Relay) serta nilai arus hubung singkat tiga fasa, dua fasa, satu fasa dan satu

fasa ketanah dengan sistem tegangan 150/20 kV di bus 20 kV akibat

uprating transformator 30 MVA menjadi 60 MVA di Gardu Induk Gianyar.

Hasil analisis pada transformator 30 MVA dan 60 MVA mempunyai

koordinasi setting pengaman yang baik karena ditandai dengan tidak adanya

persilangan atau bersinggungan antara grafik di penyulang, kopel, sekunder,

primer 150 kV.

6

Berdasarkan tinjauan mutakhir tersebut, maka dilakukan penelitian yang

memiliki keterkaitan dengan analisis menggunakan metode analisis perhitungan

dan juga objek penelitian yang sama yaitu pada setting OGS dan OCR. Referensi

tersebut akan digunakan untuk menentukan batasan-batasan masalah lebih lanjut

dan untuk bahan acuan dalam mempelajari bagaimana sistem OGS tersebut

bekerja, sehingga bisa dilakukan perhitungan setting arus dan waktu kerja pada

Rele OGS tersebut dalam penulisan skripsi ini. Dalam penelitian yang berjudul

“Studi Analisis Setting Rele OGS Sebagai Pengaman Unit Transformator 3 Untuk

Menjaga Kontinyuitas Aliran Daya Di Gardu Induk Pesanggaran” akan dibahas

mengenai setting OGS dan OCR yang berfungsi pengaman pada Transformator 3

di GI Pesanggaran. Dalam penelitian ini akan dihitung setting arus kerja dan

waktu kerja Rele OGS, selain itu Rele OCR juga akan dihitung setting arus dan

waktu kerjanya. Setelah mendapatkan hasil setting, kemudian akan dilakukan

koordinasi masing – masing rele proteksi agar dapat melakukan proteksi pada

Transformator 3 agar Transformator 3 tidak bekerja melebihi batas normal kerja

Transformator sebesar 85 %.

2.2 Tinjauan Pustaka

Dari pemaparan sebelumnya diperlukan adanya teori dasar untuk dapat

mendukung dan lebih mendalami pembahasan dan penelitian yang akan dilakukan

pada Skripsi ini.

Sistem Tenaga Listrik

Secara umum sistem tenaga listrik tediri dari beberapa komponen dasar

yakni pusat pembangkit listrik (Power Plant), transmisi tenaga listrik, sistem

distribusi dan beban. Pusat pembangkit (Power Plant) merupakan tempat energi

listrik pertama kali dibangkitkan, dimana terdapat turbin sebagai penggerak mula

(Prime Mover) dan generator yang membangkitkan listrik. Setelah energi listrik

tersebut dibangkitkan maka akan dilakukannya proses transmisi tenaga listrik

yang merupakan proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga

listrik (Power Plant) sehingga dapat disalurkan sampai pada konsumen pengguna

listrik melalui sistem distribusi. Sistem distribusi merupakan subsistem tersendiri

7

yang terdiri dari pusat pengatur (Distribution Control Center, DCC), saluran

tegangan menengah (20 kV, yang juga biasa disebut tegangan distribusi primer)

yang merupakan saluran udara atau kabel tanah, gardu distribusi tegangan

menengah yang terdiri dari panel-panel pengatur tegangan menengah dan

transformator sampai dengan panel-panel distribusi tegangan rendah (380V,

220V) yang menghasilkan tegangan kerja atau tegangan jala-jala yang nantinya

disalurkan ke beban untuk industri dan konsumen. Ketentuan dasar sistem tenaga

listrik : (Standar IEC dan IEEE)

1. Menyediakan setiap waktu, tenaga listrik untuk keperluan konsumer.

2. Menjaga kestabilan nilai tegangan

3. Menjaga kestabilan frekuensi

4. Kualitas daya listrik yang baik

5. Standar keamanan (safety)

6. Respek terhadap lingkungan

Gambar 2.1 Diagram satu garis sistem distribusi tenaga listrik

Sumber : (Malik , 2009)

Pada gambar 2.1 memperlihatkan suatu sistem tenaga listrik dari

pembangkit sampai ke konsumen. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh unit

8

pembangkit sebelum disalurkan melalui saluran transmisi biasanya dinaikkan

tegangannya menjadi 500 kV atau 150 kV dengan transformator penaik tegangan.

Dari sistem transmisi kemudian diturunkan lagi di Gardu Induk menjadi tegangan

menengah atau tegangan distribusi primer 20 kV. Untuk dapat didistribusikan

langsung kepada konsumen, tegangan menengah ini kembali diturunkan menjadi

tegangan rendah 380/220 V pada Gardu Distribusi yang kemudian disalurkan

menuju konsumen.

2.3 Transformator Tenaga

Transformator tenaga adalah suatu peralatan tenaga listrik yang tidak

mempunyai bagian yang bergerak, berfungsi untuk menyalurkan tenaga / daya

listrik dengan merubah besaran tegangannya, sedangkan frequensinya tetap.

Untuk menggunakan transformator, energi listrik dapat ditransfer dari satu

rangkain ke rangkaian lain tanpa melalui hubungan fisik diantara dua rangkaian.

Transfer daya tersebut dilakukan sepenuhnya oleh rangkaian medan magnet.

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.

Berdasarkan tegangan operasinya dapat dibedakan menjadi transformator

transmisi mengubah tegangan tinggi dari 150 kV menjadi tegangan menengah 20

kV, sedangkan trafo distribusi mengubah tegangan menengah 20 kV menjadi

tegangan rendah 380/220 Volt yang selanjutnya disalurkan melalui jaringan

tegangan rendah (JTR) ke konsumen satu phasa atau tiga phasa(PT PLN, 2014).

2.3.1 Komponen Utama Transformator Tenaga

Komponen utama transformator tenaga terdiri dari bagian-bagian

diantaranya inti besi, kumparan transformator, minyak transformator, bushing,

tangki konservator, peralatana Bantu pendinginan transformator, tap changer dan

alat pernapasan (dehydrating breather).

1. Inti besi

Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, magnetik yang

ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-

9

lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi

besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current.

2. Kumparan transformator

Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang

membentuk suatu kumparan atau gulungan. Kumparan tersebut terdiri dari

kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi

maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton, pertinak dan

lain-lain. Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus.

Gambar 2.2 Konstruksi belitan transformator

Sumber: (Solikhudin, 2010)

Gambar 2.3 Gambaran fisik belitan transformator tenaga

Sumber : (Solikhudin, 2010)

Gambar 2.4 Komponen-komponen internal transformator

Sumber : (Solikhudin, 2010)

10

3. Minyak transformator

Minyak transformator merupakan salah satu bahan isolasi cair yang

dipergunakan sebagai isolasi dan pendingin pada transformator. Sebagai bagian

dari bahan isolasi, minyak harus memiliki kemampuan untuk menahan tegangan

tembus, sedangkan sebagai pendingin minyak transformator harus mampu

meredam panas yang ditimbulkan, sehingga dengan kedua kemampuan ini maka

minyak diharapkan akan mampu melindungi transformator dari gangguan.

4. Bushing

Bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator merupakan

alat penghubung antara kumparan transformator dengan jaringan luar. Bushing

sekaligus berfungsi sebagai penyekat/isolator antara konduktor tersebut dengan

tangki transformator.

5. Tangki Konservator

Tangki konservator berfungsi untuk menampung minyak cadangan dan

uap/udara akibat pemanasan transformator karena arus beban. Diantara tangki dan

transformator dipasangkan rele bucholzt yang akan meyerap gas produksi akibat

kerusakan minyak .Untuk menjaga agar minyak tidak terkontaminasi dengan air,

ujung masuk saluran udara melalui saluran pelepasan/venting dilengkapi media

penyerap uap air pada udara, sering disebut dengan sillica gell dan dia tidak

keluar mencemari udara disekitarnya.

6. Peralatan Bantu Pendinginan Transformator

Peralatan bantu pendinginan transformator ini berfungsi untuk menjaga

agar transformator bekerja pada suhu rendah. Pada inti besi dan kumparan –

kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi tembaga. Maka panas tersebut

mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, ini akan merusak isolasi, maka

untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut transformator perlu

dilengkapi dengan alat atau sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar

transformator. Secara alamiah media pendingin (minyak isolasi) mengalir karena

perbedaan suhu tangki minyak dan sirip-sirip transformator (Radiator). Untuk

mempercepat pendinginan transformator dilengkapi dengan kipas yang dipasang

11

di radiator transformator dan pompa minyak agar sirkulasi minyak lebih cepat dan

pendinginan lebih optimal.

7. Tap Changer

Tap Changer berfungsi untuk menjaga tegangan keluaran yang diinginkan

dengan input tegangan yang berubah-ubah. Kualitas operasi tenaga listrik jika

tegangan nominalnya sesuai ketentuan, tapi pada saat operasi dapat saja terjadi

penurunan tegangan sehingga kualitasnya menurun, untuk itu perlu alat pengatur

tegangan agar tegangan selalu pada kondisi terbaik, konstan dan berkelanjutan.

Ditinjau dari cara pengoperasiannya, tap changer terdiri dari dua tipe yaitu on-

load yang bekerja secara otomatis jika merasakan tegangan kurang/lebih dan

off-load yang dapat dipindah tap hanya jika transformator tidak

berbeban/bertegangan.

8. Alat pernapasan (Dehydrating Breather).

Sebagai tempat penampungan pemuaian minyak isolasi akibat panas yang

timbul, maka minyak ditampung pada tangki yang sering disebut sebagai

konservator. Pada konservator ini permukaan minyak diusahakan tidak boleh

bersinggungan dengan udara, karena kelembaban udara yang mengandung uap air

akan mengkontaminasi minyak walaupun proses pengkontaminasinya

berlangsung cukup lama. Untuk mengatasi hal tersebut, udara yang masuk

kedalam tangki konservator pada saat minyak menjadi dingin memerlukan suatu

media penghisap kelembaban, yang digunakan biasanya adalah sillica gell.

Kebalikan jika transformator panas maka pada saat menyusut maka akan

menghisap udara dari luar masuk kedalam tangki dan untuk menghindari

terkontaminasi oleh kelembaban udara maka diperlukan suatu media penghisap

kelembaban yang digunakan biasanya adalah sillica gell, yang secara khusus

dirancang untuk maksud tersebut.

2.3.2 Penentuan Kapasitas Transformator

Penentuan kapasitas dari sebuah transformator harus berdasarkan beban

yang dilayani yang mengacu pada SPLN 17 : 1979, dimana dalam hal ini

persentasi pembebanan transformator harus mendekati 85% kapasitas

12

transformator. Jika beban trafo terlalu besar maka dilakukan penggantian trafo,

penyisipan trafo atau mutasi trafo (trafo yang melayani beban kecil dimutasikan

kebeban besar, dan begitu sebaliknya). Mutasi antar Trafo dapat dilakukan setelah

hasil pengukuran beban diperoleh(Warman, 2004).

2.4 Dasar - Dasar Sistem Pengaman

Secara umum rele pengaman harus bekerja sesuai dengan yang

diharapkan dengan waktu yang cepat sehingga tidak akan mengakibatkan

kerusakan, dan mencegah meluasnya pemadaman bagi konsumen. rele pengaman

adalah susunan peralatan yang direncanakan untuk dapat merasakan atau

mengukur adanya gangguan atau mulai merasakan adanya ketidaknormalan pada

perlatan atau bagian sistem tenaga listrik dan segera secara otomatis memberi

perintah untuk membuka pemutus tenaga untuk memisahkan peralatan atau

bagian dari sistem yang terganggu dan memberi isyarat berupa lampu dan bel

rele pengaman dapat merasakan atau melihat adanya gangguan pada peralatan

yang diamankan dengan mengukur atau membandingkan besaran - besaran yang

diterimanya, misalnya arus, tegangan, daya, sudut fase, frekuensi, impedansi dan

sebagainya dengan besaran yang telah ditentukan, dan selanjutnya mengambil

keputusan untuk seketika ataupun dengan perlambatan waktu membuka pemutus

tenaga. Pemutus tenaga umumnya dipasang pada generator, transformator daya,

saluran transmisi, saluran distribusi dan sebagainya supaya masing - masing

bagian sistem dapat dipisahkan sedemikian rupa sehingga sistem lainnya tetap

dapat beroperasi secara normal.

2.4.1 Sistem Pengaman

Sistem pengaman 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 gunanya sebagai

pendeteksi serta pemberi perintah kepada circuit breaker untuk memutuskan

rangkaian jika sistem mengalami suatu gangguan.

13

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 setting ambang batas

peralatan proteksi maka sistem proteksi akan bekerja dan mengamankan kondisi

tersebut. Waktu pemutusan gangguan merupakan waktu total yang dibutuhkan

peralatan proteksi sampai terbukanya pemutus tenaga atau disebut fault clearing

time.

Tc = Tp+Td+Ta……………………………………………....……..……………..… (2.1)

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(Mardensyah, 2008).

2.4.2 Fungsi Rele Pengaman

Dari uraian dasar – dasar sistem pengaman maka rele pengaman pada

sistem tenaga listrik berfungsi untuk :

1 Merasakan, mengukur dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta

memisahkan secepatnya sistem lainnya yang tidak terganggu dapat beroperasi

secara normal.

2 Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu.

3 Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain yang tidak

terganggu didalam sistem tersebut serta mencegah meluasnya gangguan.

14

2.4.3 Syarat - Syarat Rele Pengaman

Untuk melaksanakan fungsinya maka rele pengaman harus memenuhi

persyaratan sebagai berikut :

1. Waktu kerja rele cepat

Rele pengaman harus dapat bekerja dengan cepat memisahkan/mengisolir

pada saat terjadi gangguan sehingga dapat mengurangi atau mencegah jumlah

kerusakan yang lebih fatal dari suatu sistem maupun peralatan, membantu

menjaga stabilitas dari mesin - mesin yang sedang bekerja paralel dan mengurangi

total energi listrik yang tidak tersalurkan. Gangguan tiga fasa lebih berpengaruh

pada kemampuan sistem untuk mempertahankan kestabilan sehingga waktu

penyelesaian gangguan harus secepat mungkin. Interval waktu kerja sistem

pengaman dengan memisahkan seksi yang terganggu dari sistem yang tidak

terganggu adalah merupakan jumlah antar waktu kerja rele pengaman dengan

waktu kerja mekanik penggerak dari circuit breaker.

2. Selektif

Suatu rele pengaman bertugas mengamankan suatu alat atau bagian dari

sistem tenaga listrik dalam jangkauan pengamanannya. Letak Pemutus Tenaga

(PMT) sedemikian rupa sehingga setiap bagian dari sistem dapat dipisah-

pisahkan. Maka tugas dari rele pengaman adalah mendeteksi adanya gangguan

yang terjadi pada daerah pengamanannya, dan dengan segera memberi perintah

untuk memisahkan rangkaian dari sistem dengan membuka/mentripkan pemutus

tenaga (PMT) yang paling dekat dengan titik gangguan tersebut sehingga sistem

yang lain yang tidak terganggu dapat beroperasi dengan normal. Jika hal ini dapat

direalisir, maka pengaman yang demikian disebut pengaman yang selektif.

Dengan kata lain, pengaman dikatakan selektif, bila rele pengaman yang bekerja

hanyalah pada daerah yang terganggu saja.

3. Reliable (dapat diandalkan)

Bila sistem dalam kondisi normal, rele tidak akan merasakan adanya

kondisi abnormal maka rele tidak bekerja, mungkin berbulan - bulan, atau

bertahun - tahun. Tetapi bila pada suatu saat ada gangguan maka rele harus

bekerja dengan segera memberi perintah membuka/men-trip PMT untuk

15

menghindari pemadaman yang meluas. Dalam hal ini yang harus dapat

diandalkan bukan hanya rele saja, tetapi harus didukung oleh komponen -

komponen sistem pengaman yang lain. Keandalan rele pengaman itu ditentukan

mulai dari rancangan, pengerjaan, bahan yang digunakan dengan perawatannya.

Oleh karena itu diperlukan perawatan yang dalam hal ini perlu adanya pengujian

secara periodik.

4. Sensitif (peka)

Rele pengaman harus dapat mendeteksi gangguan sekecil mungkin

sehingga gangguan tersebut dapat segera terlokalisir. Sensitifitas rele pengaman

dalam hal merespon berbagai jenis hubung singkat (tiga fasa, fasa ke fasa, fasa ke

tanah, dll) ditentukan tergantung dari arus hubung singkat minimum yang terjadi.

5. Ekonomis

Dalam menentukan peralatan pengaman yang akan digunakan harus

ditinjau dari segi ekonomi-teknisnya. Untuk mendapatkan penyetelan yang

memenuhi semua kriteria tersebut adakalanya sulit dicapai, yaitu terutama antara

selektif dan cepat, sehingga adakalanya harus diadakan kompromi. Kita sadari

pula bahwa sistem pengaman tidak dapat sempurna walaupun sudah diusahakan

pemilihan jenis rele yang baik dan penyetelan yang baik, tetapi adakalanya masih

gagal bekerja.

Hal - hal yang dapat menimbulkan kegagalan sistem pengaman adalah sebagai

berikut :

a. Kegagalan pada relenya sendiri.

b. Kegagalan suplai arus atau tegangan dari transformator ke rele terbuka atau

terhubung singkat.

c. Kegagalan sistem suplai arus searah untuk triping pemutus tenaga. Hal ini

disebabkan baterai lemah karena kurang perawatan, terbukanya atau terhubung

singkat rangkaian arus searah.

d. Kegagalan pada pemutus tenaga. Kegagalan ini dapat disebabkan karena

kumparan trip tidak menerima suplai, kerusakan mekanis, ataupun kegagalan

pemutusan arus karena besarnya arus hubung singkat melampaui kemampuan

dari pemutus tenaganya.

16

2.5 Bagian - Bagian Sistem Pengaman

Sistem pengaman pada sistem tenaga listrik umumnya dapat dibagi

menjadi tiga sub sistem, yaitu :

a. Rele.

b. Transduser (current transformer dan voltage transformer).

c. Pemutus tenaga (circuit breaker).

Konfigurasi suatu sistem pengaman yang sederhana ditunjukan oleh gambar 2.5.

Gambar 2.5 Sistem pengaman sederhana

2.5.1 Rele

Rele pengaman merupakan skema atau rangkaian yang mampu merespon

terhadap adanya suatu gangguan atau kesalahan dalam sistem tenaga listrik dan

secara otomatis memutuskan hubungan peralatan yang terganggu atau

memberikan sinyal (alarm). Sebagaimana telah dijelaskan bahwa terjadinya

hubung singkat dapat mengakibatkan gangguan yang besar terhadap operasi

sistem yang normal (kerusakan peralatan, drop tegangan dan lain - lain), untuk

itu semua rele pengaman dirancang untuk memutuskan elemen sistem yang

mengalami gangguan.

Secara sederhana pengertian rele adalah sebuah komponen elektronika

berupa saklar elektronik yang digerakkan oleh arus listrik. Secara prinsip rele

merupakan tuas saklar dengan lilitan kawat pada batang besi. Rele ini sangat

bervariasi jenisnya tergantung dari pemakaian atau fungsi rele itu sendiri. Dalam

pembahasan ini penulis lebih banyak membahas rele pengaman pada

Rele

TC

17

transformator tenaga yang berfungsi sebagai pelindung atau pengaman

transformator tenaga dari gangguan internal dan eksternal.

Cara kerja dari rele ini khususnya jenis elektromagnetis adalah ketika

dialiri arus listrik melalui koil (energized), lalu menimbulkan medan magnet

disekitarnya sehingga menarik armature yang berpegas dan kontak akan menutup

sehingga posisi saklar yang ada dalam rele tersebut berubah jadi tertutup dan

menghasilkan arus listrik yang besar. Disinilah keuntungan dari rele tersebut.

Rele juga didesain untuk memberikan sinyal atau alarm apabila terjadi over load

atau hubung singkat yang tidak terlalu membahayakan elemen sistem yang

terganggu maupun sistem secara keseluruhan, sehingga mencegah pemutusan

suplai tenaga listrik kepada konsumen.

Karakteristik operasi dari suatu rele tergantung dari besaran - besaran

yang diberikan padanya, misalnya arus atau tegangan atau berbagai kombinasi

dari kedua besaran ini dan juga dengan cara bagaimana rele tersebut didesain

untuk memberi respon terhadap informasi - informasi ini.

Secara umum fungsi dari rele ini antara lain sebagai :

1. Remote control yaitu dapat menyalakan atau mematikan peralatan dari jarak

jauh

2. Penguatan daya

3. Pengatur logika control suatu sistem

4. Metering atau pengukuran

5. Serta sebagai pengaman atau pengaman

Beberapa keuntungan pemakaian rele antara lain :

1. Dapat mengontrol sendiri arus serta tegangan listrik yang diinginkan.

2. Dapat memaksimalkan besarnya tegangan listrik sehingga mencapai batas

maksimalnya.

3. Dapat menggunakan saklar atau koil lebih dari 1 sesuai kebutuhan.

Rele terdiri dari koil dan kontak. Koil adalah gulungan kawat yang

mendapat arus listrik sedangkan kontak adalah sejenis saklar yang pergerakannya

tergantung dari ada tidaknya arus listrik yang mengalir pada koil. Kontak secara

umum ada 2 jenis :

18

a) Normally open (kondisi awal terbuka)

b) Normally close (kondisi awal tertutup)

Hal yang dijelaskan diatas hanya berlaku pada rele elektromagnetik yang

menggunakan medan magnet sebagai penggeraknya yang terlebih dahulu teraliri

arus listrik. Sekarang telah banyak rele yang canggih yang bukan hanya memakai

medan elektromagnetik tetapi rangkaian yang lebih rumit serta fungsi yang

kompleks juga.

2.5.1.1 Jenis – Jenis Rele

Rele dapat dibedakan berdasarkan pole dan throw yang dimilikinya.

Pole adalah banyak kontak yang dimiliki oleh rele sedangkan Throw adalah

banyaknya kondisi (state) yang mungkin dimiliki kontak.

Berikut ini penggolongan rele berdasarkan jumlah pole dan thrownya :

a) DPST (Double Pole Single Throw)

b) SPST (Single Pole Single Throw)

c) SPDT (Single Pole Double Throw)

d) DPDT (Double Pole Double Throw)

Jenis rele lainnya menurut fungsinya adalah

a) Timing rele yakni rele berdasarkan pewaktuan atau waktu

b) Latching rele yakni jenis rele untuk latching atau mempertahankan kondisi

aktif input sekalipun input sebenarnya sudah mati atau dalam keadaan off.

c) Protection rele yakni rele untuk pengaman dari suatu kondisi abnormal.

2.5.1.2 Bagian – Bagian Rele

Rele secara umum terbagi atas 3 bagian utama yaitu :

a) Tripping Coil yaitu lilitan dari rele

b) Common yaitu bagian yang tersambung dengan NC (dalam

keadaan normal)

c) Kontak adalah bagian yang terdiri dari NC dan NO

NC (normally closed) saklar dari rele yang dalam keadaan normal (rele

terhubung dengan arus ; energized) terhubung dengan common. Sedangkan NO

(normally open) adalah saklar dari rele yang dalam keadaan normal (rele tidak

19

terhubung dengan arus ; de energized) tidak terhubung dengan common. Contoh

dari pemakaian rele ini khususnya rele pengaman pada transformator tenaga

adalah Rele Thermal. Rele ini melindungi sekaligus sebagai indikator jika

transformator tenaga bekerja diatas suhu operasi yang berlebihan yang dapat

merusak isolasi dari transformator tersebut.

2.5.1.3 Prinsip Dasar Rele

Rele pada umumnya dapat dibedakan menjadi tiga elemen fundamental

seperti yang ditunjukan pada gambar 2.6, yaitu :

1. Sensing Elemen (measuring elemen), mengukur adanya perubahan besaran

listrik, misalnya perubahan arus atau tegangan pada sistem.

2. Comparing Elemen, bertugas membandingkan besaran yang terukur dengan

besaran yang telah diset sebelumnya.

3. Control Elemen, merupakan sinyal atau mengontrol rangkaian lain, misalnya

membuat sakelar suatu rangkaian tertutup.

Gambar 2.6 Elemen dasar rele

Pada gambar 2.6 elemen dasar rele tersebut terdiri dari atas tiga elemen,

arus I adalah arus yang diserap rele dan sumber DC adalah sumber untuk

rangkaian pen-trip. Besar arus ini dibatasi sampai harga tertentu, dan apabila

melewati harga yang ditentukan maka jaringan akan diputus oleh circuit breaker

(CB) atau dikirim sinyal impuls kepada alarm, atau menunjukan telah mengalir

arus yang besar dalam rangkaian. Agar operasi rangkaian diatas berlangsung

demikian, suatu peralatan khusus yang disebut rele harus dilibatkan dalam

rangkaian.

2.5.1.4 Klasifikasi Rele

Rele dapat diklasifikasikan berdasarkan besaran fisik yang diukur oleh

sensing elemen menjadi electrical, optical rele dan rele - rele bentuk lain.

20

Electrical Relay dapat dibagi dalam berbagai cara yaitu :

Berdasarkan prinsip kerjanya, rele dapat dibedakan menjadi

elektromagnetik, moving coil, induction, electrodinamic, polarised electronic, dan

terminal rele.

a) Berdasarkan besaran - besaran listrik yang diukur oleh rele seperti arus,

tegangan, daya, reaktansi, impedansi, frekwensi, sudut fasa. Rele – rele

tersebut dapat dibedakan menjadi beberapa jenis misalnya over voltage rele

(bekerja jika tegangan yang diukur melewati harga yang ditentukan). Under

frekwensi relay (bekerja jika frekwensi yang diukur turun sampai dibawah

harga yang diset sebelumnya), dan directional power relay (rele memberi

respon terhadap arah aliran daya listrik). Seringkali rele dipasang seri dalam

rangkaian (series rele), sedangkan yang dipasang paralel disebut shunt rele,

misalkan saja over current relay, seperti definisi diatas bahwa rele ini bekerja

jika besaran arus yang diukur melebihi harga yang diijinkan.

b) Berdasarkan metode pemasangan sensing elemen dibedakan menjadi rele

primer (elemen perasa dari rele terhubung secara langsung pada bagian yang

dipengaman), dan rele sekunder (elemen perasa terhubung melalui

transformator arus atau transformator tegangan).

c) Berdasarkan cara kontrol elemen bekerja dalam memutuskan peralatan -

peralatan yang terganggu dari sistem. Direct Acting Relay (element control

bekerja secara langsung melepaskan peralatan) dan Indirect Acting Relay

(kontak - kontak rele hanya menghubungkan rangkaian tripping coil dari

peralatan pemutus).

d) Berdasarkan tingkat pentingnya rele (degree of importance), rele dapat dibagi

menjadi dua yaitu : Main relay yang memberikan respon secara langsung

terhadap besaran listrik (arus, tegangan dan lain - lain) dan Suplementary Relay

yang menyediakan kontak - kontak bantu, sinyal operasi dan lain - lain.

e) Berdasarkan waktu kerja rele (time action) rele dapat dibedakan menjadi rele

dengan time delay dan tanpa time delay.

21

f) Berdasarkan jenis kontak - kontaknya, dapat dibedakan menjadi Rele dengan

normally open (NO) dan normally close (NC). Rele dibagi menjadi self-reset

dan hand atau electrical reset.

2.5.2 Transduser

Arus dan tegangan pada peralatan daya yang harus dilindungi biasanya

diubah oleh transformator arus dan tegangan ke tingkat yang lebih rendah ini

diperlukan untuk pengoperasian rele. Tingkat – tingkat yang lebih rendah ini

diperlukan karena dua alasan :

1) Tingkat masukan yang lebih rendah ke rele tadi memastikan bahwa komponen

yang digunakan untuk konstruksi rele tersebut secara fisik akan menjadi cukup

kecil dan karenanya menjadi lebih murah.

2) Operator yang bekerja dengan rele dapat bekerja dalam lingkungan yang

aman.

Pada dasarnya, transduser tidak berbeda dengan transformator ini memang

agak khusus. Misalnya, suatu transformator arus perlu menghasilkan kembali

(reproduce) arus yang meniru bentuk gelombang arus primer setepat mungkin

pada kumparan sekundernya. Transformator harus dapat menjalankan fungsi ini

dengan baik. Persyaratan yang serupa berlaku juga untuk transformator tegangan.

Daya yang diberikan oleh transformator ini tidak seberapa besar, karena beban

yang dihubungkan padanya hanya terdiri dari beberapa rele dan meter yang

mungkin digunakan pada waktu tertentu. Beban pada transformator arus dan

transformator tegangan umumnya dikenal sebagai muatan (burden) transformator

tersebut. Istilah muatan biasanya melukiskan impedansi yang dihubungkan pada

kumparan sekunder transformator tetapi dapat juga menetapkan voltampere yang

diberikan pada beban. Misalnya, suatu transformator yang memberikan 5 amper

pada muatan resistif sebesar 0,1 Ω dapat juga dikatakan mempunyai muatan

sebesar 2,5 VA pada 5 A.

1. Current Transformer (CT)

Transformator ini pada dasarnya sama dengan transformator daya satu fasa.

Arus primernya tidak diatur oleh beban pada rangkaian primer, tetapi ditentukan

oleh sistem suplai pada belitan primer.

22

Karena transformator arus hanya digunakan untuk pengukuran dan

pengaman, maka rating daya dari transformator arus kecil yaitu umumnya antara

15 sampai 200 VA. Yang perlu diperhatikan adalah bahwa sisi sekunder dari

transformator arus harus ditanahkan dan jangan sampai sisi sekunder ini terbuka,

alasannya adalah tegangan tinggi yang berbahaya akan lewat pada sisi sekunder

dan presisi dari transformator arus dapat berubah.

Untuk tegangan yang lebih rendah dan arus dari saluran melampaui 100 A,

sering digunakan transformator arus toroida. Transformator arus toroida adalah

trafo sederhana dan tidak mahal harganya dan banyak digunakan untuk instalasi

dalam (indoor), tegangan rendah (low voltage) dan tegangan menengah (medium

voltage) dan juga digunakan pada bagian dalam CB untuk monitor arus yang

mengalir padanya.

2. Transformator Tegangan (VT)

Prinsip kerja transformator tegangan sama dengan transformator daya,

hanya dalam VT mempunyai arus dan daya rendah. Transformator tegangan dapat

diklasifikasikan menjadi dua tipe yaitu tipe magnetic dan tipe kapasitif. Salah satu

terminal dari sisi sekunder selalu dihubungkan dengan tanah (ground) untuk

mereduksi kejutan listrik yang berbahaya ketika menyentuh salah satu dari saluran

sekunder. Walaupun sisi sekunder secara nyata diisolasi dengan sisi primer,

kapasitansi distribusi antara dua belitan membuat koneksi yang semu namun dapat

memproduksi tegangan tinggi yang berbahaya antara sisi sekunder dengan

tanah.

Dengan mentanahkan salah satu sisi sekunder, tegangan tinggi dimana sisi

sekunder dengan tanah dapat mendekati harga 220 V. Perbandingan tegangan

transformator sisi primer dengan sisi sekunder dan biasanya ditulis perbandingan

: 150 kV/20 kV artinya transformator tegangan tersebut dipasang pada

tegangan sisi primer 150 kV dan tegangan sekundernya 380 V.

2.5.3 Pemutus Tenaga (Circuit Breaker)

Pemutus merupakan suatu sakelar yang dapat digunakan untuk

menghubungkan atau memutuskan suplai tenaga listrik sesuai dengan ratingnya.

23

Pemutusan biasanya dilakukan pada saat terjadinya gangguan atau kondisi

pemeliharaan. Pemutus tegangan tidak dapat bekerja sendiri dalam pengamanan

sistem, oleh karena itu harus dikendalikan oleh rele – rele pengaman.

Dalam proses pemutusan dan penyambungan yang dikerjakan oleh CB

menimbulkan busur api diantara kontak – kontaknya. Agar besar api tersebut

tidak membahayakan peralatan ini maka didalamnya dilengkapi dengan media

untuk memadamkan busur api, seperti minyak, gas, udara, ruang hampa.

2.6 Sistem Pengaman Transformator

Pengaman transformator tenaga adalah sistem pengaman yang dilakukan

pada transformator tenaga terhadap gangguan yang terjadi pada daerah pengaman

transformator tenaga.

Tujuan pengaman transformator tenaga :

1. Mencegah kerusakan transformator tenaga karena gangguan yang terjadi

dalam petak transformator tenaga.

2. Untuk dapat menciptakan sistem pengaman yang selektif, hanya

melokalisasi gangguan yang terjadi didaerah pengaman transformator saja.

3. Memberikan pengaman cadangan (back up protection) untuk seksi

berikutnya.

Adapun gangguan yang terjadi pada transformator tenaga yang sering

terjadi pada saat transformator tersebut bekerja, dapat dikelompokan menjadi dua

bagian yaitu :

A. Internal fault (gangguan didalam)

Internal fault adalah gangguan yang bersumber dari dalam transformator

itu sendiri. Gangguan ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

1. Gangguan awal

Gangguan ini sering disebut gangguan awal, karena berawal dari gangguan

yang kecil namun kemudian berkembang menjadi gangguan berat. Gangguan ini

disebabkan oleh :

a. Kendornya baut – baut penjepit inti dan pada terminal konduktor.

b. Gangguan pada inti besi akibat kerusakan laminasi isolasi.

24

c. Gangguan pada sistem pendingin, seperti kerusaka pada pompa sirkulasi

minyak, kipas pendingin akan menyebabkan kenaikan suhu.

d. Sirkulasi minyak terganggu yang dapat menimbulkan pemanasan lokal

(local hot spot).

e. Gangguan pada load tap changer.

f. Gangguan pada terminal bushing akibat adanya kontaminasi, keretakan dan

sebagainya.

g. Adanya arus sirkulasi yang tidak dikehendaki pada transformator yang

diparalel.

2. Gangguan hubung singkat dalam transformator :

a. Gangguan hubung singkat antar fasa.

b. Gangguan hubung singkat antar fasa dengan tanah.

c. Gangguan pada bushing.

d. Gangguan antara lilitan pada kumparan yang sama.

B. Through fault (gangguan diluar)

Gangguan ini terjadi diluar transformator dan dapat diklasifikasikan

sebagai berikut :

1. Gangguan diluar (Eksternal fault).

Gangguan hubung singkat antar fasa atau gangguan fasa ke tanah diluar

transformator, misalnya di busbar atau sisi penyulang tegangan menengah.

2. Beban lebih (over load).

Transformator tenaga dapat beroperasi secara kontinyu pada beban nominal.

Bila beban lebih besar dari beban nominal, maka transformator akan

berbeban lebih, akan menimbulkan arus lebih yang mengakibatkan

pemanasan lebih. Ini akan menurunkan kemampuan isolasi. Rele pengaman

yang dipergunakan untuk mengamankan terhadap gangguan yang terjadi

diluar transformator (eksternal fault) dan beban lebih adalah rele arus lebih

(over current relay). Sedangkan pada penyulang 20 kV rele arus lebih (over

current relay) dipergunakan sebagai pengaman utama pada saluran distribusi

yang radial terhadap gangguan hubung singkat antar fasa atau gangguan

fasa ke tanah dan juga berfungsi sebagai pengaman terhadap beban lebih.

25

Rele pengaman yang dipergunakan untuk mengamankan terhadap gangguan

yang terjadi diluar transformator (eksternal fault) dan beban lebih adalah rele arus

lebih (over current relay). Rele arus lebih yang dipergunakan sebagai pengaman

eksternal dan cadangan pada transformator tenaga adalah sebagai berikut :

1. Over current primer ( P50 , P51 dan P51G )

2. Over current sekunder ( S50, S51 dan S51G )

3. Over current netral sekunder ( NS51G )

Sedangkan pada penyulang 20 kV rele arus lebih (Over Current Relay)

dipergunakan sebagai pengaman utama pada saluran distribusi terhadap gangguan

hubung singkat antar fasa atau gangguan fasa ke tanah dan juga berfungsi sebagai

pengaman terhadap beban lebih.

2.7 Prinsip Kerja Rele arus lebih / Over Current Relay (OCR)

Rele arus lebih merupakan salah satu sistem proteksi yang berfungsi

melindungi sistem jika terjadi gangguan. 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. Salah satu

pengaplikasian dari Rele arus lebih (OCR) adalah membatasi arus dari

pembangkit atau sering disebut Over Generator Shedding (OGS). Namun pada

OGS memiliki setting yang sedikit berbeda dengan setting OCR pada umumnya,

yang membedakan setting OCR (Over Current Relay) dan OGS (Over Generator

Shedding) adalah pada setting waktunya. yang bertujuan untuk memberikan waktu

kepada OCR (Over Current Relay) untuk bekerja terlebih dahulu dari pada OGS

(Over Generator Shedding). 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

26

Berdasarkan karakteristiknya, rele arus lebih (over current relay) ini dapat

dibagi menjadi 3 yaitu :

1. Rele arus lebih seketika ( Instantaneous )

2. Rele arus lebih waktu tertentu ( Definite Time )

3. Rele arus lebih waktu terbalik ( Inverse Time )

2.7.1 Rele Arus Lebih Seketika

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

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

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

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

waktu kerjanya singkat.

Gambar 2.7 Rangkaian Sederhana Rele Arus Lebih Seketika Dan Karakteristiknya

Keterangan gambar :

CB = Circuit Breaker ( Pemutus )

TC = Tripping Coil ( kumparan pemutus )

R = Rele arus lebih

CT = Current Transformer ( trafo arus )

I = Arus beban

+

-

TC

CB

CT

R

Ir

I

beban

I

I op

t

27

Ir = Arus yang mengalir pada kumparan sekunder trafo arus

+ = Polaritas positif sumber DC

- = Polaritas negatif sumber DC

t = Besaran waktu

Iop = Arus operasi rele mulai bekerja ( Operating Current )

2.7.2 Rele Arus Lebih Waktu Tertentu

Pada saat terjadi gangguan, arus yang mengalir pada sistem dan

melampaui penyetalan dari rele maka rele akan memberikan perintah kepada

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

Rele arus lebih dengan karakteristik waktu kerja seketika ialah ketika rele itu trip

waktu kerja rele arus pick up (kerja) sangat singkat sekitar (20-100 ms). Waktu

pengoprasian dapat disetel di suatu harga tertentu untuk harga yang sama dean

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

dengan kebutuhan koordinasi.

Gambar 2.8 Rangkaian Sederhana Rele Arus Lebih Waktu Tertentu dan Karakteristiknya

Keterangan gambar :

CB = Circuit Breaker ( Pemutus )

TC = Tripping Coil ( kumparan pemutus )

R = Rele arus lebih

CT = Current Transformer ( trafo arus )

+ -

TC CB

CT

R

Ir

I

beban

I I op

t

T

-

28

I = Arus beban

Ir = Arus yang mengalir pada kumparan sekunder trafo arus

+ = Polaritas positif sumber DC

- = Polaritas negatif sumber DC

t = Besaran waktu

Iop

T

=

=

Arus operasi rele mulai bekerja ( Operating Current )

Elemen time delay

2.7.3 Rele Arus Lebih Waktu Terbalik

Rele dengan karakteristik waktu terbalik ialah jenis rele arus lebih dimana

jangka waktu mulai rele arus pick up sampai selesainya kerja rele mempunyai

sifat waktu terbalik untuk nilai arus yang kecil setelah rele pick up dan kemudian

mempunyai sifat waktu tertentu untuk nilai arus yang lebih besar. Bentuk

perbandingan terbalik dari waktu arus ini sangat bermacam – macam, akan tetapi

dapat digolongkan sebagai berikut :

1. Berbanding terbalik ( inverse = i )

2. Sangat berbanding terbalik ( very inverse = vi )

3. Sangat berbanding terbalik sekali ( extremely inverse = ei )

Gambar 2.9 Rangkaian Sederhana Rele Arus Lebih Waktu Terbalik dan Karakteristiknya

Keterangan gambar :

CB = Circuit Breaker ( Pemutus )

TC = Tripping Coil ( kumparan pemutus )

R = Rele arus lebih

I

+ -

TC CB

CT

R

Ir

I beban

T

t

ei vi

i

29

CT = Current Transformer ( trafo arus )

I = Arus beban

Ir = Arus yang mengalir pada kumparan sekunder trafo arus

+ = Polaritas positif sumber DC

- = Polaritas negatif sumber DC

t = Besaran waktu

Iop

T

=

=

Arus operasi rele mulai bekerja ( Operating Current )

Elemen time delay

2.7.4 Prinsip Dasar Perhitungan Setting Rele Arus Lebih

Sebagai dasar dalam setting arus pada rele arus lebih tersebut digunakan

rumus sebagai berikut:

nom

d

fkset I

K

KI ........................................................................................ (2.2)

Keterangan :

Iset = Setelan arus

Kfk = Faktor keamanan

Kd = Faktor arus kembali

Inom = Arus maksimum yang diijinkan untuk peralatan yang diamankan

Nilai Kd untuk rele arus lebih dengan waktu terbalik (inverse) mempunyai

nilai 1,0. Untuk Nilai Kfk rele arus lebih dengan karakteristik rele waktu terbalik

(inverse) biasa di-set sebesar 1,05 – 1,2 x Inom, dan untuk rele dengan karakteristik

waktu arus tertentu (definite) di-set sebesar 1,1 – 1,3 x Inom (PT PLN, 2015).

Untuk setelan Over Current Relay (OCR) dihitung di incoming trafo,

artinya:

1. Untuk Over Current Relay (OCR) yang terpasang di penyulang dihitung

berdasarkan arus beban maksimum yang mengalir di penyulang tersebut.

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

berdasarkan arus nominal trafo tersebut.

Pada daerah pengaman rele arus adanya penentuan nilai batas pengaman

adalah jumlah arus gangguan yang dibawah settingan rele yang dihasilkan pada

30

pembangkit atau bisa juga dikatakan arus gangguan minimum, yang dapat dicari

dengan persamaan sebagai berikut :

Untuk tiga fasa

P = √3 × V × I × Cosφ........................................................................................ (2.3)

Selanjutnya untuk Mencari nilai kuat hantar arus nominalnya, yaitu:

Inom = 𝑃

√3 × 𝑉× 𝐶𝑜𝑠𝜑 ......................................................................................... (2.4)

Keterangan :

P = Daya beban (Watt)

V = Tegangan saluran (Volt)

I = Arus nominal (A)

Cosφ = Faktor kerja saluran

Setting arus (Is) pada rele arus lebih umumnya didasarkan pada hasil arus

gangguan minimumnya, dengan demikian gangguan hubung singkat di beberapa

seksi berikutnya, rele arus akan bekerja. Untuk mendapatkan pengamanan yang

selektif, maka setting waktunya dibuat secara bertingkat. Syarat untuk mensetting

waktu tunda (td) dari rele arus lebih terbalik, dapat diketahui sebagai berikut :

Maka dengan memperhatikan faktor tersebut, kaidah penyetelan rele arus

lebih adalah sebagai berikut :

a. Rele arus lebih tidak boleh bekerja pada keadaan beban maksimum. Dalam

beberapa hal, arus nominal pada trafo arus (CT) merupakan arus

maksimumnya.

b. Pada zona pengaman rele arus dapat mencapai paling sedikit adalah ujung dari

seksi berikutnya pada arus gangguan yang minimum (jumlah pembangkit

yang beroperasi minimum) atau arus gangguan minimum dapat diambil arus

gangguan dua fasa.

2.7.5 Prinsip Dasar Perhitungan Penyetelan Waktu

Penyetelan arus (Is) pada rele arus lebih pada umumnya didasarkan pada

penyetelan batas minimumnya, dengan demikian adanya gangguan hubung

31

singkat dibeberapa seksi berikutnya, rele arus akan bekerja. Untuk mendapatkan

pengamanan yang selektif, maka penyetelan waktunya dibuat secara bertingkat.

Syarat untuk men-setting waktu tunda (td) dari rele arus lebih waktu

terbalik, harus diketahui data sebagai berikut :

a. Besarnya arus hubung singkat (I).

b. Penyetelan / setting arusnya ( Is ).

c. Kurva karakteristik rele yang dipakai.

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

...................................................................... (2.5)

Keterangan : If = arus hubung singkat antar fasa.

td = waktu tunda rele.

t = wkatu kerja rele yang diinginkan.

Untuk menentukan nilai waktu tunda (td) dari rele arus lebih waktu terbalik

yang akan di-setting pada rele OCR sisi 20 kV transformator tenaga yaitu arus

hubung singkat (If) 2 fasa di sisi 20 kV, sedangkan untuk sisi 150 kV

transformator tenaga digunakan arus hubung singkat (If) 2 fasa di sisi 150 kV.

Pada waktu kerja Over Current Relay (OCR) di incoming trafo 20 kV harus lebih

besar dari waktu kerja rele di penyulang 20kV (dari rele yang di sisi hilirnya).

Selisih waktu kerja rele di incoming 20kV (sisi hulu) lebih lama dari waktu kerja

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

incoming 20kV memberikan kesempatan rele di penyulang bekerja lebih dahulu.

Jadi jika gangguan hubung singkat terjadi di penyulang tersebut. Ketika

penyulang lain yang masih tersambung, maka bebannya akan masih menyala.

Waktu aktual rele terhadap gangguan maksimum dapat dicari dengan

persamaan :

...................................................................... (2.6)

Keterangan : If = arus hubung singkat antar fasa.

t0,14

1I

I

t

0,02

set

f

d

d

set

f

t

I

It

1

14,002,0

32

td = waktu tunda.

t = waktu kerja rele.

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

tersebut. Perbedaan pemilihan kurva akan mengakibatkan perubahan dari setting

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

berikut :

Tabel 2.1 Konstanta Perhitungan Waktu Tunda Rele Arus Lebih Waktu Terbalik

Tipe Kurva A B P

IEC Standart Inverse 0,14 0 0,02

IEC Very Inverse 13,50 0 1,0

IEC Extremely Inverse 80,00 0 2.0

2.8 Gangguan Hubung Singkat (Short Circuit Fault)

Hubung singkat merupakan salah satu gangguan sistem tenaga listrik yang

mempunyai karakteristik transient yang harus dapat diatasi oleh peralatan

pengaman. Hubung singkat terjadi akibat hubungan penghantar bertegangan atau

penghantar tidak bertegangan secara langsung tidak melalui media

(resistor/beban) yang semestinya sehingga terjadi aliran arus yang tidak normal

(sangat besar). Bila gangguan hubung singkat dibiarkan berlangsung dengan lama

pada suatu sistem daya, banyak pengaruh-pengaruh yang tidak diinginkan yang

dapat terjadi :

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 hcubung

singkat.

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

minyak isolasi sewaktu terjadinya suatu hubung singkat, dan yang mungkin

menimbulkan kebakaran sehingga dapat membahayakan orang yang

menanganinya dan merusak peralatan–peralatan yang lain.

d. 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”.

33

Gangguan hubung singkat salah satu bagian yang sangat penting dalam

analisis suplai daya listrik untuk mengetahui perhitungan arus yang mengalir

dalam komponen-komponen penyusun jaringan saat terjadi gangguan. Dalam

mencapai keadaan gangguan ini, tidak jarang di berbagai titik pada jaringan

sengaja dibuat gangguan. Besarnya arus gangguan ini dapat digunakan sebagai

acuan dalam menentukan berapa setting arus yang sebaiknya digunakan untuk

proteksi serta rating-rating CB yang diperlukan. Selain itu studi hubung singkat

atau studi gangguan bertujuan untuk:

1. Untuk menentukan arus maksimum dan minimum hubungan singkat tiga-fasa

2. Untuk menentukan arus gangguan tak-simetris bagi gangguan satu dan dua fasa

ke tanah, gangguan antar fasa dan rangkaian terbuka.

3. Penyelidikan operasi Rele-Rele proteksi.

4. Untuk menentukan kapasitas pemutus daya dari circuit breaker (CB).

5. Untuk menentukan distribusi arus gangguan dan tingkat tegangan busbar

selama gangguan.

Ada beberapa jenis gangguan hubung singkat yang terjadi pada sistem

tenaga listrik 3 fasa, yaitu :

1. Hubung singkat tiga fasa simetris :

a. Tiga fasa (L – L – L)

b. Tiga fasa ke tanah (3L – G)

2. Hubung singkat tidak simetris :

a. Satu fasa ke tanah (1L – G)

b. Antar fasa ke tanah (2L – G)

c. Antar fasa (L – L)

Ada beberapa asumsi yang perlu diperhatikan dalam analisa gangguan, yaitu :

1. Beban normal, kapasitansi pengisian saluran (line charging capacitance),

hubungan shunt diabaikan.

2. Semua tegangan internal sistem mempunyai magnitude dan sudut fasa sama.

3. Biasanya tahanan seri dari saluran transmisi dan trafo diabaikan.

4. Semua trafo dianggap pada posisi tap nominal.

34

5. Generator, motor direpresentasikan dengan sumber tegangan tetap yang

dihubungkan seri :

a. Dengan reaktansi sub-peralihan Xd” (sistem dalam keadaan sub-peralihan)

b. Atau dengan rektansi peralihan Xd’ (sistem dalam keadaan peralihan)

c. Atau dengan rekatansi sinkron Xd (sistem dalam keadaan steady state)

2.8.1 Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa

Gambar 2.10 ini menunjukkan rangkaian ekivalen hubung singkat 3 fasa.

Gambar 2.10 Gangguan Tiga Fasa

Sumber : (Sulasno, 1993)

Dari gambar 2.10 tersebut, dapat dilihat bahwa arus maupun tegangan

dalam keadaan gangguan tidak mengandung unsur urutan nol atau impedansi

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

tidak berpengaruh terhadap besarnya arus hubung singkat.

Dengan demikian :

Ia = Ib = Ic ......................................................................................... (2.7)

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

Dengan kata lain, Va = Vb = Vc ................................................................... (2.8)

Keterangan :

Va : tegangan fasa a.

Vb : tegangan fasa b.

Vc : tegangan fasa c.

Z

Z

Z Z

35

Persamaan urutan tegangan pada gangguan hubung singkat tiga fasa dapat dicari

dengan persamaan :

Va0 = 3

1 (Va + Vb + Vc) = Va ............................................................ (2.9)

Va1 = 3

1 (Va + 2Va + a2Va) =

3

1 (a + a + a2)Va = 0 ......................... (2.10)

2.8.2 Gangguan hubung singkat dua fasa

Pada umumnya, gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah pada sistem

transmisi maupun sistem distribusi terjadi saat dua konduktor saling terhubung

singkat. Pada gambar 2.11 ditunjukkan gangguan hubung singkat line to line

antara fasa b dan fasa c.

Gambar 2.11 Gangguan hubung singkat dua fasa

Sumber : (Sulasno, 1993)

Dari gambar 2.11 diperoleh hubungan seperti persamaan 2.11 ini:

Vb = Vc ; Ib = -Ic ; Ia = 0 ................................................................. (2.11)

Sedangkan persamaan pada komponen simetris tegangannya dapat diperoleh

dengan persamaan seperti ini:

Va0 = 3

1 (Va + Vb + Vc) =

3

1 (Va + 2Vb) ....................................... (2.12)

Va1 = 3

1 (Va + a2Vb + aVc) =

3

1(Va + (a+a2)Vb) ............................ (2.13)

Va2 = 3

1(Va + a2Vb + aVc) =

3

1 (Va + (a2 + a)Vb) ......................... (2.14)

36

Dari persamaan 2.13 dan 2.14 didapat hubungan bahwa :

Va1 = Va2 ......................................................................................... (2.15)

Sedangkan persamaan untuk komponen arusnya diperoleh menggunakan

persamaan:

Ia0 = 3

1 (Ia + Ib + Ic) = 0 ................................................................... (2.16)

Ia1 = 3

1 (Ia + a(-Ic + a2Ic)) =

1

3 (a2 –a)Ic ............................................ (2.17)

Ia2 = 3

1((Ia + a2) – Ic + aIc ) =

3

1 (a-a2)Ic ......................................... (2.18)

Dari persamaan 2.17 dan 2.18 didapat hubungan bahwa:

Ia1 = -Ia2 ........................................................................................... (2.19)

Pada gambar 2.12 berikut ditunjukkan rangkaian ekivalen urutan gangguan

hubung singkat dua fasa.

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen urutan gangguan hubung singkat dua fasa

Sumber : (Sulasno, 1993)

Dari gambar 2.12 diperoleh persamaan:

Ia0 = 0 .............................................................................................. (2.20)

Ia1 = 21 ZZ

Ea

................................................................................... (2.21)

Ia2 = 21 ZZ

Ea

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

37

Sehingga :

Ia1 = - Ia2 = (a2 –a) = 21 ZZ

Ea

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

2.8.3 Gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah

Pada gambar 2.13 dibawah ini, terlihat bahwa gangguan satu fasa, terjadi

pada fasa a.

Gambar 2.13 Gangguan satu fasa ke tanah

Sumber : (Sulasno, 1993)

Pada gangguan hubung singkat satu fasa terdapat beberapa persamaan,

yaitu:

Va = 0 ; Ib = 0 ; Ic = 0 ...................................................................... (2.24)

Dengan persamaan 2.20, persamaan untuk mencari arus gangguan pada zero

sequence, positive sequence, dan negative sequence, yaitu :

Ia0 = 3

1(Ia + Ib + Ic) =

3

1Ia ............................................................... (2.25)

Ia1 = 3

1( Ia + aIb + a2Ic) =

3

1Ia ........................................................... (2.26)

Ia2 = 3

1(Ia + a2Ib + aIc) =

3

1Ia ........................................................... (2.27)

38

Dari persamaan 2.25, 2.26, dan 2.27 diperoleh :

Ia0 = Ia1 = Ia2 = 3

1Ia .......................................................................... (2.28)

Gambar 2.12 merupakan rangkaian ekivalen urutan untuk gangguan hubung

singkat satu fasa ke tanah.

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen urutan gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah

Sumber : (Sulasno, 1993)

Dari gambar 2.14, arus gangguan satu fasa ke tanah dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut ini :

Ia0 = Ia1 = Ia2 = 210 ZZZ

Ea

........................................................... (2.29)

Ia = 3Ia1 = 210

3

ZZZ

Ea

.................................................................... (2.30)

2.9 Prinsip Dasar Perhitungan Arus Hubung Singkat

Gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi di dalam jaringan (sistem

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, arus gangguannya dihitung

dengan menggunakan rumus :

39

1. Gangguan hubung singkat 3 fasa

a. Gangguan hubung singkat 150 kV

I3Ø(150) = 𝑉

𝑝.103

√3.(𝑍ℎ𝑠+𝑍𝑡𝑟) ...................................................................... (2.31)

b. Gangguan hubung singkat 20 kV

I3Ø(20) = I3Ø(20) .

𝑉𝑝

𝑉𝑠 ......................................................................... (2.32)

2. Gangguan hubung singkat 2 fasa

a. Gangguan hubung singkat 150 kV

√3

2 . 𝐼3∅ (150)

................................................................................. (2.33)

b. Gangguan hubung singkat 20 kV

√3

2 . 𝐼3∅ (20)

.................................................................................. (2.34)

3. Gangguan hubung singkat 1 fasa ke tanah

𝑉𝑠.1000

√3 .𝑁𝐺𝑅 ............................................................................................... (2.35)

Keterangan :

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

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

I2Ø(150) : Arus hubung singkat dua fasa di sisi 150 kV

I2Ø(20) : Arus hubung singkat dua fasa di sisi 20 kV

I1Ø(20) : Arus hubung singkat satu ke tanah fasa di sisi 20 kV

Ihs : Arus hubung singkat

VP : Tegangan pada sisi primer

VS: Tegangan pada sisi sekunder

Zhs : Impedansi sumber

Ztr : Impedansi trafo

Untuk menghitung arus hubung singkat pada sistem tersebut, pertama

hitung impedansi sumber (reaktansi) dalam hal ini diambil dari data hubung

singkat pada bus 150 kV dan menghitung impedansi penyulang.

40

1. Menghitung Impedansi Sumber

Untuk menghitung impedansi sumber data yang diperlukan adalah data

hubung singkat pada bus primer trafo dengan persamaan sebagai berikut :

Zhs = 𝑉𝑝.1000

√3 . 𝐼𝑓 ...................................................................................... (2.36)

Keterangan:

Zhs = Impedansi sumber

Vp = Tegangan pada transformator

If = Arus gangguan total

Perlu diingat bahwa impedansi sumber ini adalah nilai ohm pada sisi 150

kV, karena arus gagguan hubung singkat yang akan dihitung adalah gangguan

hubung singkat di sisi 20 kV, maka impedansi sumber tersebut harus

dikonversikan dulu ke sisi 20 kV, sehingga pada perhitungan arus gangguan nanti

sudah menggunakan sumber 20 kV.

2. Menghitung Impedansi Transformator

Pada perhitungan Impedansi suatu transformator yang di ambil adalah nilai

reaktansinya, sedangkan tahananya diabaikan karena nilainya kecil. Untuk

mencari nilai reaktansi dari transformator dalam Ohm dapat di hitung dengan cara

sebagai berikut :

Ztr = 𝑉𝑝

2 . 𝑍𝑡𝑆

1000

....................................................................................... (2.37)

Keterangan :

Ztr = Impedansi transformator

Vp = Tegangan pada transformator

Zt = Impedansi

S = daya transformator

2.10 Over Generator Shedding (OGS)

OGS (Over Generator Shedding) adalah suatu skema pembatasan

pembangkit yang mana diterapkan pada suatu rele yang akan menjalankan skema

41

untuk mengatur/mengamankan arus pembangkit agar tidak melebihi pengaman

saluran dengan mentrip-kan pembangkit atau membuka PMT. Pembangkit tenaga

listrik pada suatu sitem tenaga seringkali mendapat gangguan yang tidak dapat

dihindari, misalnya dengan terjadinya trip pada penyulang secara tiba-tiba karena

ada beban melebihi kapasitas dibebankan ke sistem atau dapat juga dengan

terjadinya gangguan akibat putusnya penghantar akibat gangguan alam. Inputan

yang menjadi acuan OGS untuk bekerja adalah arus (Bagus, 2012). Adapun tujuan

OGS adalah untuk mengamankan transformator dari kemungkinan terjadinya

gangguan saat ada penyulang yang terputus sehingga daya dari pembangkit yang

seharusnya digunakan oleh penyulang akan masuk ker trasnsformator yang

kemudian akan menyebabkan transformator dapat bekerja melebihi kapasitas

kerjanya yang akan menyebabkan rusaknya transformator jika terjadi dalam

jangka waktu yang terlalu lama.