1

Daftar Isi

PRAKATA.................................................................................................................... 4

1. DASAR-DASAR SISTIM PROTEKSI ......................................................................... 8

1.1 Pendahuluan .................................................................................................. 8

1.2 Perangkat Proteksi ....................................................................................... 11

1.3 Zone Proteksi ............................................................................................... 12

1.4 Faktor Keandalan ......................................................................................... 14

1.5 Selektifitas .................................................................................................... 17

1.6 Stabilitas ....................................................................................................... 18

1.7 Kecepatan .................................................................................................... 18

1.8 Sensitifitas .................................................................................................... 19

1.9 Proteksi Utama Dan Cadangan .................................................................... 20

1.10 Keluaran Perangkat Rele .............................................................................. 21

1.11 Tripping Circuit ............................................................................................. 24

1.12 Pemantauan Rangkaian Trip ........................................................................ 26

1.13 Harga-Harga Per Unit Dan Persen ................................................................ 28

1.14 Sistim Pentanahan ....................................................................................... 42

1.15 Komponen-Komponen Simetris ................................................................... 45

2. SINYALING DAN INTERTRIPPING ....................................................................... 47

2.1 Pendahuluan ................................................................................................ 47

2.2 Skema Unit Proteksi ..................................................................................... 47

2.3 Perintah Teleproteksi ................................................................................... 48

2.4 Intertripping ................................................................................................. 48

2.5 Kinerja Sitim Teleproteksi ............................................................................ 50

2.6 Media Transmisi ........................................................................................... 52

2.7 Metoda-Metoda Pensinyalan ...................................................................... 60

3. RELE ARUS LEBIH ............................................................................................... 63

3.1 Pendahuluan ................................................................................................ 63

3.2 Prinsip-Prinsip Koordinasi ............................................................................ 63

3.3 Prinsip Waktu Dan Arus Bertingkat.............................................................. 65

3.4 Karakteristik Standar I.D.M.T ....................................................................... 69

3.5 Kombinasi IDMT Dengan karakteristik Sesaat Setelan Tinggi ...................... 71

3.6 Karakteristik Sangat Inverse......................................................................... 73

3.7 Karakteristik Inverse Ekstrim ....................................................................... 74

2

3.8 Karakteristik-Karakteristik Lain .................................................................... 75

3.9 karateristik Independen ............................................................................... 76

3.10 Setelan Arus ................................................................................................. 77

3.11 Margin Grading ............................................................................................ 77

3.12 Interval Grading ........................................................................................... 80

3.13 Setelan Rele Gangguan Fasa ........................................................................ 82

3.14 Rele Arus Lebih Fasa Direksional ................................................................. 84

3.15 Proteksi Gangguan Tanah ............................................................................ 88

3.16 Rele Arus Lebih Gangguan Tanah Direksional.............................................. 94

3.17 Rele Gangguan Tanah Pada Jaringan Terisolasi ........................................... 97

3.18 Jaringan Yang Ditanahkan Dengan Peterson Coil ...................................... 100

4. RELE DIFERENSIAL PADA SALURAN TRANSMISI ............................................... 106

4.1 Pendahuluan .............................................................................................. 106

4.2 Konvensi Arah ............................................................................................ 108

4.3 Sistim Arus Sirkulasi ................................................................................... 108

4.4 Sistim Tegangan Seimbang ........................................................................ 111

4.5 Skema Penjumlahan .................................................................................. 113

4.6 Pilot Proteksi Elektromekanis Dan Statis ................................................... 114

4.7 Proteksi Arus Diferensial Numeris ............................................................. 117

4.8 Carrier Dalam Skema Proteksi ................................................................... 123

4.9 Skema Proteksi Arus Diferensial Analog .................................................... 123

5. RELE JARAK ..................................................................................................... 130

5.1 Pendahuluan .............................................................................................. 130

5.2 Prinsip-Prinsip Dan kinerja Rele Jarak ........................................................ 131

5.3 Pengaruh Rasio Impedansi Sumber Dan Saluran ....................................... 132

5.4 Zone Proteksi ............................................................................................. 134

5.5 Jenis-Jenis Rele Jarak ................................................................................. 138

5.6 Konstruksi Rele Jarak ................................................................................. 162

5.7 Impedansi Sumber Dan Metoda Pentanahan ............................................ 167

5.8 Persoalan-Persoalan Aplikasi Rele Jarak .................................................... 172

5.9 Fitur-Fitur Lain ........................................................................................... 177

6. SKEMA PROTEKSI RELE JARAK ......................................................................... 179

6.1 Pendahuluan .............................................................................................. 179

6.2 Skema Ekstension Zone 1........................................................................... 181

6.3 Transfer Tripping ........................................................................................ 184

3

6.4 Skema Bloking Capaian Lebih .................................................................... 192

6.5 Skema Transfer Trip Dan Bloking ............................................................... 199

7. SALURAN PARALEL BANYAK TERMINAL .......................................................... 200

7.1 Pendahuluan .............................................................................................. 200

7.2 Saluran Paralel ........................................................................................... 200

7.3 Skema Unit Proteksi Saluran Banyak Terminal .......................................... 203

7.4 Rele Jarak Pada Saluran Banyak Terminal .................................................. 209

7.5 Skema Proteksi Jarak Saluran Banyak Terminal ......................................... 215

7.6 Proteksi Kompensasi Saluran Seri .............................................................. 217

SOAL - SOAL ......................................................................................................... 220

Apendiks 1: Istilah-Istilah Terpakai ........................................................................ 233

Apendiks 2: Simbol-Simbol Rele Sesuai Ansi/IEC .................................................... 252

Apendiks 3: Trafo Tegangan Dan Arus .................................................................... 254

Referensi ................................................................................................................ 277

4

PRAKATA

P Perlunya pengembangan sistim tenaga listrik modern didorong dengan semakin mahalnya sumber-sumber energi primer yang sudah semakin langka. Dengan teknologi yang semakin maju dan dengan semakin majunya teknik isolasi, saat ini sudah banyak transmisi yang beroperasi pada tegangan hingga ribuan kilo volt yang memungkinkan penggunaan saluran tegangan ultra tinggi dengan panjang hingga ribuan kilometer dapat dilaksanakan untuk menyalurkan daya yang sangat besar secara efisien dengan rugi-rugi minimal. Dari data-data yang bisa dilihat dari internet, di Rusia misalnya terdapat transmisi tegangan ultra tinggi 1150 kV AC dengan jarak transmisi sangat panjang yaitu 2362 kM. Sementara di Jepang tegangan ultra tinggi saluran transmisi 1000 kV AC sepanjang 427 kM. Akhir-akhir ini pengembangan transmisi UHV di China sudah banyak dilakukan baik tegangan AC maupun tegangan DC. Saluran UHV 1000 kV AC dari Nangyang-Jingmei sepanjang 654 kM dengan kapasitas penyaluran sebesar 6000 MVA sudah beroperasi sejak tahun 2004.

Pada sisi lain saluran arus searah bertegangan UHV 800 kV DC sudah beroperasi sepanjang 1438 kM untuk mengevakuasi daya sebesar 5000 MW dari Yunan ke Guangdong. Ada juga saluran UHV 800 kV DC dengan panjang 1907 kM dari Xianjiabo ke Shanghai yang sudah beroperasi meyalurkan daya hingga 6400 MW. Sejak tahun 2009 mereka sedang melaksanakan pembangunan saluran transmisi arus searah yang sangat panjang yaitu sekitar 2096 kM pada tegangan tegangan ultra tinggi UHV 800 kV DC untuk mengevakuasi daya yang sangat besar yaitu sebesar 7000 MW. Di Indonesia khususnya di Jawa penggunaan saluran transmisi EHV 500 kV sudah mulai beroperasi sejak tahun 1986. Kemajuan pengembangan tegangan ektra tinggi maupun tegangan ultra tinggi ini tentunya didorong dengan semakin langkanya sumber-sumber energi dan seperti diuraikan diatas jarak mereka dari pusat-pusat industri bisa sangat jauh hingga ribuan kilometer.

Tergantung dari jenis tegangan dan urgensi jaringan, kebijakan-kebijakan maupun pertimbangan-pertimbangan yang ditempuh dalam memilih sistim proteksi adalah berbeda-beda. Pada sistim-sistim distribusi tegangan menengah, sistim pengamanan masih bisa dilakukan dengan waktu tunda (time delay) yang dikordinasikan secara hierarkis sesuai dengan posisi peralatan-peralatan yang mau diamankan dalam jaringan. Namun pada saluran tegangan yang semakin tinggi setiap gangguan harus di isolasi dengan sesegera mungkin tanpa ada waktu tunda. Hal ini mengingat besarnya pengaruh gangguan yang terjadi yang dapat mempengaruhi stabilitas, keandalan operasi sistim tenaga listrik dan termasuk faktor ekonomis mengingat harga peralatan sistim tenaga listrik yang sangat mahal bila sampai mengalami kerusakan. Belum lagi mempertimbangkan pengaruh padamnya pasokan daya yang bisa sangat merugikan industri maupun masyarakat umum.

Sistim rele proteksi bersama semua komponen-komponen yang terdapat pada suatu gardu induk seperti pemutus (circuit breaker), pemisah (disconecting switch), trafo arus (current transformer), trafo tegangan (voltage transformer), trafo daya (power transformer) dan lain sebagainya adalah merupakan perangkat-perangkat yang harus

5

dipahami oleh para insinyur sistim tenaga listrik khususnya bagi mereka yang mau berkecimpung dalam sistim proteksi. Namun hingga saat ini tidak banyak buku yang khusus membahas praktek-praktek sistim proteksi. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut penulis mencoba menyusun buku tentang praktek-praktek sistim proteksi sistim tenaga listrik yang umum dijumpai dengan harapan dapat digunakan sebagai rujukan dalam memahami dasar-dasar sistim proteksi yang akan mereka hadapi sehari-hari. Isi dan sistematika penulisan buku disesuaikan dengan buku-buku manual maupun jurnal-jurnal yang berkaitan dengan judul buku. Karena berbagai keterbatasan perlu diakui bahwa penulisan buku yang membahas praktek-praktek sistim proteksi tenaga listrik secara lengkap tidak mungkin bisa ditulis hanya dengan mengandalkan pengalaman-pengalaman lapangan semata. Untuk bisa dituangkan menjadi sebuah buku praktis maka pengalaman-pengalaman yang ada perlu digabungkan dengan hasil rujukan buku-buku lain terutama manual-manual para pabrikan baik sebagian maupun seutuhnya. Untuk lebih memudahkan mengikuti naskah-naskah aslinya maka semua buku-buku yang digunakan dalam penyusunan buku ini dicantumkan pada referensi yang terdapat pada akhir buku.

Penekanan isi dan susunan buku dilakukan dengan lebih mengedapankan cara-cara untuk memahami praktek-praktek sistim proteksi ketimbang pemahaman teori gangguan-gangguan. Lagi pula penekanan terhadap sisi praktek-praktek sistim proteksi dimaksudkan pula agar dapat mencapai cakupan para pembaca yang lebih luas dengan berbagai latar belakang pendidikan teknik yang mungkin berbeda-beda.

Dalam buku ini berbagai istilah teknis dalam bahasa Inggris yang masih dirasa sulit mencari padanan yang pas dalam bahasa Indonesia dengan terpaksa tetap dipertahankan namun ditulis dengan garis miring. Sejak dahulu rele-rele proteksi yang digunakan pada sistim tenaga listrik kebanyakan terdiri dari rele-rele elektromekanis yang secara lambat laut sudah berubah mengikuti perkembangan aplikasi elektronika, komputer dan telekomunikasi. Ide awal untuk membuat rele elektronik sudah dimulai sejak tahun 1960, namun mengingat pada waktu itu perangkat-perangkat elektronik dan perangkat keras komputer masih sangat mahal dan kinerjanya masih belum seperti prosessor sekarang maka arah perkembangan aplikasi pada sistim proteksi pada waktu itu masih belum jelas. Lagi pula mengingat pengetahuan para insinyur sistim tenaga dibidang elektronik masih sangat terbatas, mereka enggan untuk melakukan perubahan sehingga sampai akhir tahun 1970 rele statis belum memperlihatkan kemajuan yang pesat.

Barulah pada awal tahun 1980 pengembangan rele-rele statik mulai dikembangkan kembali yang pada saat yang sama rele-rele elektromekanik secara perlahan-lahan mulai ditinggalkan. Bahkan sejak beberapa tahun terakhir hampir semua rele-rele proteksi sistim tenaga listrik sudah beralih ke rele-rele dijital maupun rele-rele numeris di mana sistim kerjanya ditentukan bukan hanya oleh perangkat keras namun juga oleh perangkat lunak yang dilengkapi pada masing-masing perangkat proteksi.

Sesuai dengan perkembangan dan kemajuan teknologi rele-rele dijital dan numeris, saat ini sudah tersedia berbagai literatur dan standar-standar internasional tentang rele-rele dijital maupun rele numeris yang dapat digunakan oleh berbagai kalangan sebagai dasar perancangan produksi mereka sehingga tidak akan terkendala masalah

6

konektifitas. Pada sisi pengguna standar-standar tersebut telah ikut membantu mereka untuk semakin bebas dalam memilih produk-produk yang mereka perlukan secara selektif. Secara umum dapat dikatakan bahwa saat ini semua perangkat keras rele numeris sudah semakin ter-standardisasi. Perbedaan-perbedaan versi sebuah rele terletak lebih pada isi perangkat lunak yang digunakan dan bukan lagi pada sisi perangkat kerasnya.

Sejak akhir tahun delapan puluh yang lalu, perkembangan teknologi dibidang proteksi dan kendali sistim tenaga listrik sudah demikian maju dan berkembang sangat cepat tidak terbatas hanya pada sisi proteksinya namun juga pada aspek kontrol dan pengendaliannya yang saat ini sudah menjadi suatu kesatuan yang saling terintegrasi satu sama lain. Keuntungan lebih jauh lagi adalah tersedianya berbagai fitur-fitur yang terdapat pada perangkat-perangkat tersebut sangat dibutuhkan untuk memperbaiki kualitas pasokan daya, seperti fasilitas disturbance recording maupun fasilitas pemantauan gangguan-gangguan yang bisa disajikan tanpa memerlukan perangkat khusus lainnya. Data-data yang dihasilkan bisa digunakan untuk melakukan perbaikan sistim kinerja dan sekaligus untuk meningkatkan tingkat keteradaan sistim pelayanan sistim daya.

Secara terbatas terdapat aplikasi dimana jumlah rele-rele bantu yang dibutuhkan bisa dikurangi dengan memanfaatkan rele-rele bantu yang tersedia pada masing-masing rele numeris yang dapat saling di-interkoneksi satu sama lain tanpa memerlukan wiring sebagaimana pada sistim konvensional. Disamping itu sistim-sistim sekunder yang kebetulan juga saling tersambung membentuk sistim kontrol otomatis gardu induk akan memberi akses ke semua sistim informasi sehingga metodologi menejemen asset dapat juga diperbaiki dimana pencatatan semua asset-asset perusahaan dapat dilakukan dengan lebih mudah.

Buku ini dibuat atas dua Seri dimana Seri 1 terdiri dari 7 Bab mulai dari Bab 1 yang merupakan pengenalan tentang dasar-dasar sistim proteksi Bab 2 tentang sinyaling dan intertripping, Bab 3 mengenai rele arus lebih, Bab 4 mengenai unit proteksi, Bab 5 tentang rele jarak, Bab 6 tentang skema rele proteksi, Bab 7 tentang proteksi saluran transmisi banyak terminal. Seri 2 terdiri atas 6 Bab mulai dari Bab 1 uraian tentang reclosing otomatis, Bab 2 tentang proteksi busbar, Bab 3 tentang proteksi trafo daya termasuk sekilas uraian tentang proteksi reaktor dan kapasitor, Bab 4 tentang proteksi generator, Bab 5 yang merupakan uraian sepintas tentang otomatisasi sistim gardu induk yang juga disisipkan untuk dapat digunakan sebagai pendekatan awal dalam pengenalan sistim terbaru khususnya pada teknologi otomatisasi gardu induk dan akhirnya Bab 6 tentang pengetesan rele dan komisioning yang juga perlu dipahami oleh para teknisi-teknisi sistim proteksi dilapangan.

Apendik-apendik tentang berbagai Istilah, Simbol-simbol standar dan Trafo Tegangan Dan Arus yang berguna dalam memahami berbagai karakteristik trafo tegangan dan trafo arus yang sangat berpengaruh dalam menentukan akurasi rele proteksi. Meskipun dalam waktu-waktu mendekat teknologi rele khususnya rele numeris masih akan semakin maju, namun sejauh ini isi buku telah disesuaikan dengan teknologi rele-rele terbaru dengan tetap menyisipkan uraian-uraian tentang teknologi konvensional.

7

Sebagai telah disinggung diatas tujuan dari penyusun buku semata-mata adalah untuk dapat digunakan oleh para praktisi lapangan sebagai buku pegangan dalam praktek-praktek sistim proteksi tenaga listrik. Namun agar bisa diterapkan secara real, para pembaca harus merujuk pada berbagai buku-buku manual rele yang diterbitkan oleh berbagai kalangan industri seperti AREVA, ABB, SIEMENS, Toshiba, Hitachi, General Electric, Schweitzer-SEL atau Basler Electric dan berbagai produsen-produsen rele lainnya yang tidak mungkin diikutkan dalam buku ini. Penyusun menyadari isi buku ini masih jauh dari sempurna dan masih banyak kekurangan baik karena kesalahan ketik maupun ketidak telitian dalam penyusunan dan pengutipan teks dari buku-buku aslinya. Dalam hal ini penyusun berharap mendapat masukan-masukan dari para pembaca baik berupa kritik-kritik maupun saran-saran yang dapat digunakan sebagai bahan-bahan yang sangat berharga dalam melakukan perbaikan dan penyempurnaan-penyempurnaan isi buku selanjutnya.

Penyusun mengucapkan terimakasih kepada Ir Charles Manaloe, MM dan Ir. Makden Siagian, MT atas waktu-waktu yang diberikan dalam berdiskusi dan koreksi-koreksi dan komentar-komentar yang diberikan selama penyusunan buku. Demikian juga kepada Sdr Adi Gunawan, Suratno dan Sutrisno yang telah banyak memanfaatkan waktu-waktu luang dalam kesibukan mereka sehari-hari untuk membantu penyusun dalam menyiapkan gambar-gambar yang sangat diperlukan dalam melengkapi penjelasan-penjelasan yang diberikan. Tanpa bantuan dan partisipasi mereka tentunya buku ini tidak mungkin tersusun sebagaimana adanya. Pada akhirnya penyusun mengucapkan terimakasih banyak kepada semua staff dan Direksi PT Energi Information Datasystem Ir Adil Munadjad dan Tigor Nauli Adrian, ST, MM yang telah mendorong dan memberikan fasilitas yang diperlukan selama penyusunan buku.

Jakarta April 2010, Penyusun

8

1. DASAR-DASAR SISTIM PROTEKSI

1.1 PENDAHULUAN Suatu sistim tenaga listrik pada dasarnya terdiri dari susunan pembangkit, transmisi dan jaringan distribusi yang terhubung satu sama lain untuk membangkitkan, mentransmisikan dan mendistribusikan tenaga listrik tersebut hingga dapat dimanfaatkan oleh para pelanggan. Karena manfaat dan fungsi suatu sistim tenaga listrik yang sangat vital dalam kehidupan sehari-hari maka pengembangan sistim harus dilakukan melalui perancangan yang matang dan pertimbangan semua aspek terkait secara menyeluruh dalam arti luas sehingga sistim yang akan dibangun dapat dikelola secara optimum, handal, aman dan ekonomis.

Faktor frekuensi dan lama gangguan pasokan tenaga listrik yang mungkin terjadi harus diperhatikan dan dipertimbangkan dengan sangat hati-hati sebab faktor-faktor tersebut sangat berpengaruh terhadap aktifitas industri maupun kegiatan sehari-hari dalam perkotaan, terutama pada era modern ini dimana hampir semua kehidupan sudah sangat tergantung pada pasokan tenaga listrik. Oleh karena itu pengembangan suatu sistim ketenaga listrikan sangat memperhatikan masalah keandalan dan keamanan. Namun demikian, tingkat keandalan dan keamanan dalam kenyataannya selalu berbanding terbalik dengan masalah ekonomi. Artinya semakin tinggi keandalan dan tingkat keamanan yang dibutuhkan maka semakin besar pula biaya yang diperlukan. Perancangan sistim tenaga listrik bisanya dilakukan berdasarkan kompromi antara kedua pertimbangan diatas sehingga diperoleh pengoperasian yang optimum.

Suatu sistim tenaga listrik terdiri dari banyak komponen mulai dari komponen-komponen pembangkitan, transmisi maupun komponen distribusi yang satu sama lain mempunyai kekhususan dan bahkan seringkali jauh saling berbeda-beda. Gambar 1.1 memperlihatkan sebuah photo yang menunjukkan Pusat Pembangkit PLTGU Muara Karang dilihat dari laut dimana didalamnya terdapat berbagai komponen-komponen subsistim tenaga listrik seperti generator, turbin, boiler dan lain sebagainya. Sedang Gambar 1.2 menunjukkan satu contoh diagram satu garis (single line diagram) sistim tenaga listrik yang relatif masih sederhana.

Gambar 1.1: Pembangkit PLTGU Muarakarang

9

~

KENDARI

10 MVA 10 MVA

JAYAPURA

MANADO

30 MVA

~ ~ ~ ~ ~

~

2 x 30 MVA

PLTD GORONTALO

~ ~ ~ ~

PLTGU 6 x 500 MW

PLTU 4 x 100 MW

Trafo

150/20 kV

30 MVA

JAKARTA

30 MVA

~SORONG

TIMIKATERNATE

AMBON

~2 x 14,46 MW2 x 20,10 MW1 x 21,35 MW

10 MVA 30 MVA

30 MVA50 MVA60 MVA

10 MVA

~

~

~

IDIE

MAKASAR

DENPASAR

1 2 3 4 5 6

~ ~

1 2 3 4 5 6

19,85 MW

12,60 MW

150/20 kV

2 x 60 MVA

2 x 60 MVA

20 MVA 10 MVA

30 MVA

PLTM SERANG

0,20 MW

60 MVA

60 MVA60 MVA

JAMBI

PADANG10 MVA

20 MVA

PALEMBANG

PLTP BENGKULU

2 MW

PLTD

5 X 4 MW

MEDAN

PEKANBARU BANDA ACEH

~ ~ ~ ~

Gambar 1.2: Diagram Satu Garis Suatu Sistim Tenaga Listrik

Nama-nama gardu pada Gambar tersebut sekedar rekaan saja tidak ada kaitannya dengan nama kota yang sebenarnya. Disini yang diutamakan adalah untuk memperlihatkan bahwa gardu-gardu tersebut berada saling berjauhan pada tempat yang saling berbeda-beda pula yang perlu dihubungkan satu sama lain melalui saluran interkoneksi.

Investasi yang dibutuhkan untuk membeli komponen-komponen dan perangkat-perangkat sistim tenaga listrik sesungguhnya relatif sangat mahal, belum lagi uang yang dibutuhkan untuk membeli lahan dan infrastruktur lain yang harus dibayar untuk memberi ruang bagi saluran transmisi yang harus ditarik dari satu tempat ke tempat lain yang berbeda. Boleh dibilang suatu perusahaan yang bergerak dalam sistim tenaga listrik adalah perusahaan padat modal yang membutuhkan permodalan yang relatif sangat besar dalam mengembangkan sistim dan sarana yang dibutuhkan mulai dari pengembangan pembangkit, transmisi, distribusi hingga instalasi tegangan rendah sampai ketempat pelanggan. Untuk memaksimumkan pengembalian investasi, sudah seyogianya suatu sistim tenaga listrik harus dikelola secara optimum dan semaksimum mungkin yaitu dengan cara mengoptimumkan penggunaan berbagai sumber-sumber daya primer yang ada pada berbagai kendala, efisiensi, keandalan dan sekuriti. Yang lebih mendasar, adalah bahwa sistim tenaga listrik harus dapat dioperasikan secara aman sepanjang waktu dan selama mungkin tanpa menimbulkan bahaya terhadap peralatan maupun terhadap manusia. Namun malangnya, sebagus dan se-ideal apapun perencanaan sistim tenaga listrik dilakukan, sistim tersebut dalam kenyataannya tidak pernah terbebas dari ganguan-gangguan.

10

Gangguan-gangguan yang terjadi pada sistim tenaga listrik bisa terjadi pada level dan tingkat destruksi yang berbeda-beda namun masing-masing selalu mempunyai resiko baik terhadap manusia maupun terhadap peralatan sistim tenaga listrik itu sendiri. Gambar 1.3 memperlihatkan sambaran petir yang bisa menjadi sumber gangguan pada saluran tenaga listrik.

Daya rusak suatu busur api gangguan yang mengalirkan arus yang sangat besar adalah sangat hebat sebab arus gangguan tersebut bisa membakar atau meleburkan kawat-kawat penghantar tembaga, aluminium, kumparan, lamel-lamel inti besi trafo ataupun kumparan mesin-mesin pembangkit dalam waktu hanya beberapa saat yang relatif sangat singkat misalnya hanya dalam orde waktu sepuluh hingga beberapa ratus mili detik saja. Meskipun jauh dari sumber gangguan, namun busur api listrik yang terjadi dalam waktu yang lama sampai beberapa detik dapat juga merusakkan peralatan dan instalasi. Pertimbangan-pertimbangan yang perlu diambil untuk mendeteksi dan mengisolir elemen-elemen sistim tenaga listrik dari gangguan-gangguan adalah merupakan bagian penting pada waktu perancangan sistim tenaga listrik. Dengan demikian hanya dengan cara mempertimbangkan faktor-faktor keamanan secara sekasama, tepat dan pas yang bisa merupakan asuransi terjaminnya investasi yang ditanamkan pada sistim tenaga listrik. Gambar 1.4 memperlihatkan photo suatu trafo yang terbakar akibat tidak tersedianya sistim proteksi yang memadai untuk mengamankan trafo tersebut.

Gambar 1.3: Sambaran Petir Yang Bisa Menimbulkan Gangguan Pada Saluran Transmisi

Gambar 1.4: Trafo Yang Terbakar Karena Kegagalan Proteksi

11

Uraian-uraian diatas merupakan gambaran bagaimana pentingnya peranan suatu sistim proteksi instalasi dan jaringan tenaga listrik yang merupakan tanggung jawab dan tantangan yang perlu diperhatikan oleh para ahli-ahli sistim proteksi tenaga listrik.

1.2 PERANGKAT PROTEKSI Terdapat beberapa cara yang dapat dan sering digunakan dalam mendefinisikan perangkat proteksi sistim tenaga listrik yang secara umum adalah sebagai berikut.

a. Sistim proteksi adalah susunan perangkat proteksi secara lengkap yang terdiri dari perangkat utama dan perangkat-perangkat lainnya yang dibutuhkan untuk melakukan fungsi-fungsi tertentu berdasarkan prinsip-prinsip proteksi sesuai dengan definisi-definisi yang terdapat pada standar IEC 6255-20.

b. Perangkat proteksi adalah kumpulan atau koleksi perangkat proteksi seperti sekring, rele dan lain-lainnya diluar perangkat trafo arus, perangkat pemutus tenaga yang biasa disingkat PMT atau PMT, kontaktor dan lain sebagainya.

c. Skema proteksi adalah kumpulan dari perangkat proteksi yang berfungsi melakukan proteksi dimana semua perangkat yang termasuk dalam sistim proteksi terlibat didalamnya seperti rele-rele, trafo-trafo arus, trafo tegangan, PMT, batere daln lain sebagainya yang terlibat dalam sistim proteksi.

Pada dasarnya prinsip kerja sebuah rele proteksi dapat dibuat berdasarkan satu besaran tunggal misalnya seperti rele arus lebih yang prinsip kerjanya hanya berdasarkan arus gangguan semata. Namun dalam rangka untuk memenuhi keperluan proteksi efektif yang memenuhi criteria cepat, selektif dan stabil yang dapat disetel sesuai konfigurasi jaringan, kondisi operasi yang berbeda-beda dan faktor lain seperti konstruksi dan ukuran sistim tenaga yang juga berbeda-beda maka suatu rele proteksi seyogianya dapat dibuat untuk beresponse terhadap berbagai perubahan besaran listrik. Sebagai contoh, meskipun sebuah rele arus lebih dapat digunakan untuk memproteksi jaringan distribusi radial hanya berdasarkan level arus gangguan, namun pada jaringan tenaga listrik yang kompleks sistim proteksi tidak lagi bisa hanya mengandalkan pengukuran besaran tunggal. Untuk dapat melakukan prtoteksi secara efektif perangkat proteksi perlu juga juga mampu berespons terhadap besaran-besaran listrik lain seperti misalnya besar daya, sudut fasa, frekuensi, tegangan ataupun impedansi jaringan yang berguna untuk menentukan arah dan jarak gangguan. Sebagaimana diketahui pada dasarnya besaran-besaran listrik terdiri dari bilangan-bilangan kompleks yang perlu diukur oleh elemen-elemen pengukur suatu rele proteksi. Secara analitik besaran-besaran kompleks tersebut biasanya disajikan dalam bentuk matematik dan grafis. Sesuai dengan perkembangan teknologi hingga saat ini rele-rele proteksi yang banyak digunakan pada sistim tenaga listrik pada umumnya dapat diklasifikasikan atas empat jenis rele sebagai berikut:

a. Rele elektromekanis.

b. Rele statis.

c. Rele digital.

d. Rele numeris.

12

Prinsip kerja rele-rele tersebut pada dasarnya adalah sama namun sesuai dengan teknologi yang digunakan kemampuan dan ketelitian masing-masing rele adalah juga berbeda-beda. Sebagaimana sudah disebut diatas, dalam prakteknya tidak mungkin membuat sebuah rele yang dapat berfungsi untuk mengamankan semua jenis gangguan hanya dengan menggunakan satu besaran tunggal. Tetapi suatu sistim proteksi yang lengkap perlu didisain dapat bekerja atas kombinasi beberapa besaran listrik. Para teknisi sistim proteksi bisa merancang sistim proteksi mereka sesuai dengan bentuk dan jenis jaringan, kondisi operasi, jenis gangguan-gangguan, sistim pentanahan dan lain sebagainya yang perlu distudi lebih dahulu sehingga diperoleh sistim proteksi yang paling tepat.

Terminologi-terminologi dan berbagai istilah-istilah terpakai yang umum dijumpai dalam berbagai topik-topik diskusi sistim tenaga listrik khususnya dalam diskusi-diskusi sistim proteksi dapat dilihat seperti disajikan pada Apendiks 1. Sedangkan simbol-simbol standar yang digunakan untuk menggambarkan berbagai fungsi rele dalam diagram sistim proteksi sesuai dengan standar IEC dan IEEE/ANSI diringkas dan disajikan seperti terlihat pada Apendiks 2.

1.3 ZONE PROTEKSI Untuk membatasi luasnya daerah sistim tenaga yang harus diisolir bila terjadi gangguan maka sistim proteksi tenaga listrik dibuat secara selektif berdasarkan daerah atau zone proteksi. Prinsipnya dapat dilihat seperti pada Gambar 1.5. Idealnya zone proteksi harus saling tumpang tindih (overlap) sedemikian sehingga tidak ada bagian jaringan yang tidak teramankan. Kebutuhan ini misalnya dapat diimplementasikan dengan meletakkan dua trafo arus yang mengapit PMT seperti terlihat pada Gambar 1.6a.

~Zone 1 Zone 2 Zone 3

Zone 4

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

Zone 5

Zone 6

Zone 7 Gambar 1.5: Pembagian Sistim Tenaga Menjadi Beberapa Zone Proteksi

Namun melihat pertimbangan ekonomi pembentukan zone proteksi secara ideal adalah hal yang sulit dilakukan sebab harus menggunakan dua trafo arus yang berbeda dan instalasinya menjadi tidak praktis. Dalam prakteknya pemasangan trafo-trafo arus dilakukan hanya pada satu sisi PMT seperti pada Gambar 1.6.b yaitu dengan menggunakan satu trafo arus dengan dua atau lebih kumparan sekunder. Namun kalau diperhatikan pada konfigurasi ini akan terdapat bagian jaringan antara PMT-A dan CT yang tidak akan terproteksi secara lengkap terhadap gangguan. Misalnya bila terjadi gangguan pada titik F seperti pada Gambar 1.6.b maka sistim proteksi busbar

13

(lihat buku 2 tentang Proteksi Busbar) akan kerja mentripkan semua PMT-PMT yang terhubung dengan busbar terkait. Tetapi meskipun demikian pemutusan tersebut tidak dengan sendirinya dapat menghilangkan gangguan karena ternyata dia masih terus bertahan melalui pasokan arus gangguan yang datang dari gardu induk ujung berlawanan. Meskipun diterapkan unit proteksi selektif seperti pada Bab 1.5.2, namun pada peletakan trafo arus demikian sistim proteksi tersebut juga tidak akan berhasil dengan baik sebab gangguan yang terjadi akan terlihat diluar daerah proteksinya. Hal yang bisa dilakukan untuk menyempurnakan sistim proteksi pada kondisi jaringan tersebut antara lain adalah dengan menggunakan skema-skema intertripping atau dengan penerapan sistim perluasan zone proteksi sehingga PMT pada ujung saluran juga trip pada saat bersamaan.

Proteksi

Busbar

Proteksi

Saluran

Busbar

PMT A

a) Trafo Arus CT pada kedua sisi PMT

Proteksi

Busbar

F

Busbar

Proteksi

Saluran

PMT A

b) Trafo Arus CT pada sisi PMT

Gambar 1.6: Letaknya Trafo Arus

Titik hubung proteksi pada sistim tenaga adalah lokasi penempatan rele proteksi yang biasanya menentukan zone proteksi dan itu berarti sangat erat kaitannya dengan penempatan lokasi trafo arus. Jenis unit proteksi biasanya akan menghasilkan tapal batas (boundary) yang ditentukan secara lingkar tertutup. Gambar 1.7 memperlihatkan masing-masing daerah proteksi yang saling tangkup (overlapping) satu terhadap yang lain yang betetangga.

~

~

Zone Pembangkit

Zone Trafo

Zone Busbar

Zone Tansmisi

Zone Busbar

Zone Transmisi

Gambar 1.7: Cakupan Zone-zone Proteksi - Dibuat saling tumpang tindih sehingga

tidak ada bagian jaringan yang tidak terproteksi.

14

1.4 FAKTOR KEANDALAN Seperti telah disinggung sebelumnya kebutuhan perangkat-perangkat sistim proteksi dengan tingkat keandalan yang tinggi adalah salah satu faktor pertimbangan yang sangat penting dalam perencanaan jaringan sistim tenaga listrik. Dari berbagai pengalaman lapangan terdapat beberapa faktor yang dapat mempengaruhi keandalan sistim proteksi jaringan tenaga listrik yaitu antara lain sebagai berikut:

a. Perancangan

b. Setelan rele.

c. Salah instalasi

d. Salah pengetesan.

e. Pemburukan.

f. Faktor kinerja

1.4.1 Perancangan Disain atau perancangan sistim proteksi adalah tahapan atau proses yang sangat penting yang dapat menentukan baik tidaknya suatu sistim proteksi. Pada waktu perancangan sistim proteksi harus sudah bisa dipertanggung jawabkan bahwa sistim proteksi yang dirancang tersebut pasti dapat bekerja sesuai dengan parameter-parameter operasi dan konfigurasi jaringan yang telah ditetapkan sebelumnya. Lagi pula sistim proteksi tersebut harus senantiasa berada pada posisi siaga (standby) pada waktu kondisi normal dimana tidak ada gangguan yang harus ditanggulangi. Disini suatu rele tidak boleh bekerja terhadap arus-arus beban normal maupun arus gangguan-gangguan yang terjadi diluar daerah proteksinya. Insinyur-insinyur perencana sistim proteksi dituntut untuk mampu membuat pertimbangan-pertimbangan dan analisa-analisa yang tepat terhadap semua perangkat instrumentasi sesuai dengan sifat gangguan yang mungkin terjadi termasuk faktor frekuensi dan lamanya gangguan pada sistim tenaga yang mau diproteksi. Secara umum faktor-faktor yang perlu diperhatikan pada waktu perencanaan sistim proteksi adalah semua paramater-parameter sistim tenaga, karakteristik sumber daya, sistim pentanahan, jenis-jenis gangguan, metoda operasi dan jenis perangkat proteksi yang akan digunakan.

1.4.2 Setelan Setelan rele (arus dan waktu) adalah juga salah satu faktor yang sangat penting dalam aplikasi proteksi sistim tenaga listrik. Seorang teknisi tenaga listrik khususnya ahli sistim proteksi harus mampu menentukan setelan yang tepat setiap rele proteksi sesuai lokasinya pada sistim tenaga dan sudah memperhitungkan semua parameter-parameter sistim tenaga, seperti level arus gangguan, beban normal dan parameter-parameter lain yang dibutuhkan dalam sistim kinerja dinamis. Perlu juga dipertimbangkan bahwa jaringan sistim tenaga bisa berubah seiring dengan perubahan waktu mengikuti perubahan beban, jenis dan naiknya jumlah pembangkit-pembangkit baru yang terhubung dengan jaringan, perkembangan perkotaan dan lain sebagainya sebagai faktor-faktor yang perlu pula diperhatikan pada waktu penyetelan

15

rele. Oleh karena itu secara periodik, setelan rele-rele proteksi harus ditinjau secara berkala dan kalau perlu ditala ulang mengikuti perkembangan sistim sehingga alat-alat proteksi tersebut senantiasa siap kerja sesuai dengan kebutuhan realnya. Secara umum, untuk menghindari kegagalan operasi sistim proteksi maka para pengelola sistim tenaga listrik perlu melakukan pemeliharaan dan pemantauan terhadap alat-alat proteksi yang terpasang dan juga perkembangan sistim.

1.4.3 Instalasi Instalasi sistim proteksi juga merupakan faktor lain yang sangat penting dan harus dilakukan secara benar dan rapih mengikuti prosedur instalasi sesuai standar-standar instalasi yang berlaku. Mengingat beragamnya diagram sistim interkoneksi dan hubungannya dengan fungsi masing-masing wiring maka sistim instalasi harus dibuat dengan menggunakan gambar-gambar dan diagram yang menunjukkan setiap fungsi wiring sehingga pada waktu pengetesan (commissioning) dan pemeliharaan para operator tidak akan mengalami kesulitan pada waktu pelaksanaan pengecekan wiring. Oleh karena itu pengetesan dilapangan merupakan hal penting yang perlu dilakukan dari wiring demi wiring dan dari satu titik ke titik lainnya sehingga sistim dapat diharapkan bekerja secara benar tanpa perlu menirukan semua jenis gangguan. Pada prinsipnya, pengetesan instalasi ini harus di arahkan untuk memastikan bahwa semua instalasi sudah terlaksana dengan benar dan baik. Pengetesan-pengetesan harus bisa dibatasi secara sederhana mungkin dan langsung dapat digunakan untuk membuktikan kebenaran dari koneksi-koneksi wiring, setelan rele dan dipastikan bahwa semua peralatan bebas dari kerusakan. Pengetesan-pengetesan dan komisioning dilapangan tidak perlu dilakukan seperti pada pengetesan jenis di pabrik.

1.4.4 Pengetesan Pengetesan rele proteksi adalah suatu tahap yang juga sangat penting dan harus dilakukan secara lengkap mencakup semua aspek skema proteksi khususnya sebelum jaringan sistim tenaga dioperasikan. Pengetesan-pengetesan harus dillakukan sedapat mungkin sesuai dengan kondisi yang mirip dan mendekati keadaan real jaringan yang mau diproteksi. Meskipun pengetesan jenis rele-rele proteksi sesuai dengan standar-standar yang berlaku sudah dilakukan di pabrik-pabrik pembuat namun sebelum suatu instalasi sistim proteksi dioperasikan maka sistim proteksi tersebut harus terlebih dahulu dikomisioning untuk menguji kebenaran semua instalasi pengawatan, setelan-setelan dan semua fungsi-fungsi lain sesuai dengan kebutuhan. Pengetesan komisioning ini harus dilakukan secara lengkap mulai dari rele, trafo arus, trafo tegangan dan semua perangkat penunjang lain yang menjadi komponen proteksi sistim tenaga listrik tersebut. Sebelum melakukan pengetesan dilakukan terlebih dahulu pemeriksaan kesesuaian wiring instalasi dengan gambar-gambar yang tersedia.

1.4.5 Pemburukan Meskipun pada awal pengoperasian instalasi sistim semua berjalan dengan baik, namun seiring dengan perjalanan waktu faktor penuaan peralatan dapat mengambil peranan dalam menentukan kesalahan operasi. Seiring perjalanan waktu kontak-kontak yang mungkin sering kerja dapat menjadi kasar, terbakar atau berkarat karena

16

kontaminasi udara, yang bisa berakibat misalnya kumparan rele dan rangkaian lainnya mungkin menjadi rangkaian terbuka atau ada bagian atau komponen elektronik atau perangkat penunjang lain yang rusak atau bagian-bagian mekanis lain yang mungkin sudah berubah bentuk.

Mengingat perioda waktu kerja rele dapat berlangsung dalam waktu tahunan dan bukan dalam orde hari maka selama periode tersebut suatu rele proteksi bisa saja mengalami kerusakan yang tidak terdeteksi dan baru disadari setelah terjadinya kegagalan proteksi dimana dia seharusnya harus bereaksi terhadap gangguan yang terjadi. Faktor ini juga yang menentukan mengapa perlu dilakukan pengetesan-pengetesan secara periodis.

Agar dalam pengetesan dapat dilakukan tanpa mengganggu sistim koneksi atau dalam keadaan operasi (on load test), maka dalam instalasi selalu disediakan terminal-terminal atau test blok yang diperlukan untuk pengetesan-pengetesan. Test blok tersebut dapat digunakan sebagai terminal test dimana para teknisi tidak perlu mencabut satu atau lebih dari wiring dari tempatnya.

Keahlian teknisi pengetesan sangat penting terutama kemampuan dan kelihaian mereka untuk menilai keandalan dan mempertimbangkan cara-cara yang diperlukan untuk perbaikan. Staff pengetesan harus mempunyai kompetensi teknis dan terlatih dengan baik dan mampu mengantisipasi semua kemungkinan yang dapat menyebabkan kegagalan sistim proteksi termasuk karena faktor pemburukan.

Rangkaian-rangkaian penting yang biasanya rawan perlu diperlengkapi dengan perangkat supervisi secara terus menerus sebagaimana banyak dilakukan pada rangkaian trip circuit breaker atau saluran-saluran kabel pilot. Rele-rele numeris umumnya sudah dilengkapi dengan fasilitas pengujian diri atau self test yang bisa membantu teknisi melakukan perbaikan yang diperlukan. Pada jenis rele ini, kejanggalan atau indikasi gangguan dapat dikirimkan secara remote ke pusat-pusat pengendalian sistim tenaga listrik sehingga dengan demikian dapat dilakukan perbaikan secara tepat.

1.4.6 Kinerja Proteksi Kinerja sistim proteksi perlu di nilai secara statistik dan dilakukan secara periodis. Untuk keperluan ini masing-masing sistim gangguan diklasifikasikan sebagai kejadian dan idealnya hanya kejadian ini yang perlu dialokasikan dengan mentripping circuit breaker secara tepat sesuai dengan klasifikasi dan kriteria-kriteria yang telah ditentukan sebelumnya. Dengan klasifikasi dan kriteria-kriteria demikian diharapkan kinerja proteksi dapat dinilai secara tepat dan benar.

Prinsip penilaian (assesment) ini menghasilkan evaluasi yang teliti terhadap kinerja sistim proteksi secara keseluruhan, yang pada akhirnya dapat digunakan untuk menilai kinerja rele proteksi. Semua jenis rele diharapkan dapat bekerja pada masing-masing sistim gangguan dan harus tetap berperilaku secara benar untuk setiap kerja yang benar dan konsisten.

Keandalan lengkap tidak mungkin tercapai hanya dengan melakukan perbaikan-perbaikan konstruksi rele proteksi. Bila level keandalan suatu perangkat tunggal

17

dianggap tidak mencukupi, maka peningkatan keandalan dapat dilakukan dengan sistim berlapis yaitu dengan menduplikasi perangkat proteksi tersebut. Idealnya, proteksi utama dibuat secara independen dan dirancang dapat bekerja mandiri untuk melakukan fungsi tertentu sesuai kebutuhan. Penduplikasian dimaksudkan untuk meningkatkan keandalan dengan pengertian bila probabilitas gagal masing-masing perangkat adalah x per unit, maka jumlah probabilitas kegagalan dari dua peralatan secara bersamaan adalah x

2. Dengan nilai x yang kecil maka x

2 kemungkinan bisa

diabaikan yang secara teoritis dapat dikatakan tidak akan mengalami gagal.

Sebagai contoh sistim proteksi busbar sering dibuat berlapis (redundan) yang dimaksudkan untuk menghindarkan terjadinya kegagalan proteksi. Dalam contoh-contoh lainnya, komponen dan saluran-saluran penting lainnya dapat juga dilengkapi dengan sistim proteksi utama secara redundan, baik dengan konfigurasi tripping secara sendiri-sendiri atau dengan tripping bersamaan atau secara paralel. Untuk sistim-sistim yang kritis, sistim proteksi dapat juga dilengkapi digital fault simulator yang dapat digunakan untuk memodelkan bagian sistim tenaga yang terganggu termasuk pengecekan kinerja rele yang digunakan.

1.5 SELEKTIFITAS Selektifitas suatu sistim proteksi jaringan tenaga adalah kemampuan rele proteksi untuk bekerja melakukan tripping secara tepat sesuai rencana yang telah ditentukan pada waktu mendisain sistim proteksi tersebut.

Sistim proteksi pada sistim tenaga dibutuhkan untuk mentrip circuit breaker yang diperlukan untuk mengisolir gangguan. Selektifitas sistim proteksi terkait juga terhadap kemampuan diskriminasi yang dalam prakteknya dapat dilakukan dengan dua cara sebagai berikut.

1.5.1 Waktu Bertingkat Sistim proteksi yang ditempatkan berurutan sepanjang jalur distribusi atau jalur transmisi diatur sedemikian sehingga mereka akan bekerja pada waktu bertingkat atau time grading sesuai dengan lokasi rele proteksi terhadap gangguan. Rele yang terdekat pada gangguan akan bekerja lebih cepat ketimbang rele yang lebih jauh. Sementara itu bila rele tersebut tidak bekerja maka rele dibelakangnya akan bekerja dengan waktu yang lebih lama.

Meskipun semua rele merasakan gangguan namun hanya rele yang terdekat yang akan mengisolir gangguan tersebut. Rele-rele lain meskipun sudah siap siaga namun akhirnya tidak akan sempat kerja sebab gangguan sudah di-isolir oleh saluran didepannya. Di sini kecepatan tanggap masing-masing rele selalu tergantung pada level dan letak gangguan dan pada umumnya lebih lambat dibanding rele proteksi dengan sistim unit.

1.5.2 Sistim Unit Proteksi D Unit proteksi adalah sistim proteksi yang dirancang untuk mengamankan satu elemen jaringan berdasarkan daerah proteksinya. Sistim proteksi ini berespons hanya terhadap gangguan yang berada pada daerah pengamanannya yang sudah ditetapkan.

18

Jenis-jenis proteksi yang dapat diterapkan sebagai unit proteksi antara lain adalah restricted earth fault (REF) dan diffrensial protection termasuk rele gangguan tanah kumparan delta yang banyak digunakan untuk memproteksi trafo-trafo daya. Unit proteksi dapat juga diterapkan sepanjang saluran sistim tenaga dengan tingkat kecepatan proteksi yang lebih cepat dari sistim proteksi waktu bertingkat. Rele unit proteksi tidak tergantung dari jenis dan level gangguan.

Unit proteksi umumnya menggunakan prinsip perbandingan besaran-besaran listrik pada batas-batas daerah yang telah ditetapkan sesuai dengan lokasi titik-titik hubung trafo arus. Perbandingan bisa dilakukan langsung dengan menggunakan kawat penghubung termasuk kabel pilot atau melalui suatu sistim komunikasi. Namun perlu juga dicatat bahwa faktor selektifitas rele bukanlah satu-satunya faktor yang paling menentukan. Tetapi perlu juga diperhatikan faktor-faktor kordinasi rele yang harus dibuat secara benar dan tepat seperti misalnya pemilihan setelan arus yang tepat, variasi perubahan arus gangguan, arus beban maksimum, impedansi sistim dan faktor lain terkait yang dapat mempengaruhi kordinasi rele proteksi.

1.6 STABILITAS Stabilitas sistim proteksi biasanya terkait dengan skema unit proteksi yang dimaksudkan untuk menggambarkan kemampuan sistim proteksi tertentu untuk tetap bertahan pada karakteristik kerjanya dan tidak terpengaruh faktor luar diluar daerah proteksinya, misalnya pada arus beban lebih dan arus gangguan lebih.

Dengan kata lain stabilitas dapat juga didefinisikan sebagai kemampuan untuk tetap konsisten hanya bekerja pada daerah proteksi dimana dia dirancang tanpa terpengaruh pada berbagai parameter luar yang tidak merupakan besaran yang perlu diperhitungkan.

1.7 KECEPATAN Fungsi sistim proteksi adalah untuk mengisolir gangguan secepat dan sesegera mungkin. Tujuan utamanya adalah untuk mengamankan kontinuitas pasokan daya dengan membuang setiap gangguan sebelum gangguan tersebut berkembang ke arah yang membahayakan stabilitas dan hilangnya sinkronisasi sistim yang pada akhirnya dapat meruntuhkan sistim tenaga tersebut.

Bila pembebanan sistim tenaga naik, pergeseran fasa antara dua busbar yang berbeda juga naik dan karena itu bila gangguan terjadi maka kemungkinan besar akan terjadi kehilangan sistim sinkronisasi. Makin singkat waktu yang dibolehkan pada gangguan maka kontinuitas pelayanan sistim akan semakin lebih baik. Gambar 1.8 memperlihatkan relasi antara sistim pembebanan (stabilitas limit daya) dengan waktu clearing gangguan untuk berbagai jenis gangguan.

Dapat dicatat bahwa gangguan fasa mempunyai pengaruh yang lebih kuat terhadap stabilitas sistim ketimbang gangguan fasa ketanah dan karena itu perlu diclear secara lebih cepat. Namun sama dengan faktor pertimbangan lainnya faktor stabilitas bukan pula satu-satunya pertimbangan dalam penerapan rele. Faktor ekonomi juga perlu dipertimbangkan sebab dengan semakin cepatnya kita mengisolir gangguan maka

19

kemungkinan kerusakan peralatan instalasi tenaga (yang mahal) akan semakin kecil. Hal ini mengingat energi panas yang dipancarkan selama gangguan terhadap peralatan adalah sebanding dengan pangkat dua dari besar arus dikalikan durasi waktu terjadinya gangguan tersebut.

Dengan demikian proteksi harus bekerja secepat mungkin, namun disamping pertimbangan keamanan, kecepatan operasi rele lebih banyak ditekankan pada aspek ekonomi. Jaringan distribusi yang biasanya tidak begitu membutuhkan clearance gangguan dengan sangat cepat, biasanya hanya perlu dilengkapi dengan proteksi dengan kerja waktu bertingkat.

Stasion pembangkit dan jaringan tegangan ekstra tinggi membutuhkan moda proteksi dengan kecepatan tertinggi yang bisa dicapai.

Disini kecepatan kerja rele proteksi hanya dibatasi kemampuan untuk tetap dapat bekerja secara tepat dan teliti. Bila hanya mengandalkan waktu kerja secara bertingkat maka akan ada bagian saluran yang seharusnya perlu diamankan secara cepat tidak mendapatkan perlindungan sebagaimana mestinya.

Untuk mengatasi kekurangan skema waktu bertingkat maka dalam prakteknya sistim unit proteksi yang banyak digunakan untuk mengamankan sistim tenaga listrik.

0.1

Lim

it D

aya

Sta

bil

(%)

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.820

30

40

50

60

70

80

90

100

Lama Waktu Gangguan (det)

Satu Fasa - Tanah

Fasa - Fasa

Tig

a F

asa

Fasa - F

asa - Tanah

Gambar 1.8: Relasi Limit Daya Stabil dengan Waktu Trip Pada Berbagai Macam

Gangguan2,5

1.8 SENSITIFITAS Sensititiftas adalah istilah yang sering timbul pada level minimum operasi seperti level arus, tegangan, daya dan lain sebagainya di mana rele atau skema proteksi dapat bekerja secara lengkap. Suatu rele disebut sensitif bila parameter operasi utamanya rendah dalam arti semakin rendah besaran parameter penggeraknya maka perangkat tersebut dikatakan semakin sensitif.

Sensitifitas pada rele elektromekanikal terdahulu biasanya dikaitkan dengan kepekaan dari perangkat bergeraknya terhadap daya yang diserap dalam bentuk Volt-Ampere dimana rele bekerja. Semakin kecil VA yang dibutuhkan maka rele elektromekanik tersebut semakin sensitif. Pada rele-rele numeris, sensitifitas tidak dikaitkan lagi pada

20

perangkat kerasnya tetapi lebih pada aplikasi dan parameter trafo arus (CT-current transformer) atau trafo tegangan (VT- voltage transformer) yang digunakan.

1.9 PROTEKSI UTAMA DAN CADANGAN Keandalan sistim tenaga listrik sudah dibahas sebelumnya, termasuk penggunaan lebih dari satu proteksi utama yang bekerja secara paralel. Dalam keadaan kegagalan atau hilangnya proteksi utama maka harus diupayakan cadangan lain untuk dapat mengisolir gangguan. Proteksi cadangan dapat dipandang sebagai perangkat lokal atau remote. Proteksi cadangan lokal dilakukan dengan proteksi yang mendeteksi gangguan-gangguan yang bagi proteksi utama dirasa tidak jelas, dimana rele cadangan lokal yang akan membuka PMT dengan waktu bertingkat.

Proteksi cadangan remote tersedia dengan sistim proteksi yang mendeteksi sistim gangguan yang terlihat jelas bagi proteksi utama pada lokasi remote dan kemudian mengirim perintah trip lokal, yaitu oleh rele jarak pada zone 2 atau zone 3. Dalam kedua kasus, baik proteksi utama maupun cadangan sama-sama mendeteksi gangguan secara bersamaan, proteksi cadangan bekerja dengan waktu tunda untuk memberikan waktu pada proteksi utama dapat bekerja dengan baik sebelum rele cadangan bereaksi. Normalnya sebagai unit proteksi, kerja sistim proteksi utama akan berlangsung dengan cepat dan mengisolir bagian sistim tenaga dengan waktu yang singkat. Kerjanya sistim cadangan pada batas tertentu akan lebih lambat dan biasanya bisa berakibat terjadinya pemadaman lebih luas.

Jenis proteksi cadangan yang diterapkan sejatinya terkait dengan resiko kegagalan dan relatif pentingnya nilai ekonomi sistim yang diamankan. Untuk sistim distribusi dimana waktu clearing tidak begitu kritis, rele cadangan remote dipandang sudah cukup. Sedangkan untuk sistim ekstra tegangan tinggi, dimana stabilitas sistim sangat penting, maka dua atau lebih rele-rele sejenis ataupun berbeda jenis (merek) dipasang paralel (rele jarak dan unit proteksi) untuk menjamin tripping yang andal dan cepat. Rele arus lebih sebagai cadangan tetap diperlukan sebagai alternatif terutama pada waktu pemeliharaan proteksi sistim utama.

Sistim proteksi cadangan idealnya, harus terpisah sama sekali dengan sistim proteksi utama. Sebagai contoh, jaringan yang diproteksi dengan rele diferensial boleh juga dilengkapi dengan rele arus lebih dengan waktu bertingkat dan ditambah dengan rele gangguan tanah sebagai kelengkapan untuk membuka PMT dalam hal dimana terjadi kegagalan pada rele unit proteksi utama. Untuk membuat sistim yang aman dan untuk mempertahankan integritas sistim, trafo arus, trafo tegangan rele-rele, kumparan tripping PMT dan catu daya DC seharusnya perlu dibuat rangkap. Namun mengingat masalah ekonomi, ruangan dan sebagainya keadaan ideal ini jarang dilakukan dalam praktek real.

Berikut ini merupakan kompromi alternatif yang bisa dilakukan.

a. Disediakan trafo arus dengan beberapa rangkaian sekunder sendiri-sendiri. Cara ini dirasa lebih praktis dibandingkan dengan menggunakan satu trafo arus dengan hanya satu kumparan sekunder yang digunakan secara bersama yang perlu dibuat dengan dimensi yang sangat besar karena membutuhkan

21

burden VA yang besar pula. Tetapi dengan rele-rele numeris metoda ini sudah jarang dilakukan, sebab rele-rele numeris yang sekarang memang mempunyai burden VA yang sangat kecil.

b. Trafo tegangan tidak perlu diduplikasi mengingat biaya dan juga untuk mengirit ruangan yang dibutuhkan. Masing-masing rele dipasok dengan proteksi sendiri-sendiri dengan menggunakan sekring atau dengan PMT dan dipantau secara terus menerus untuk memastikan tersedianya out put keluaran dari trafo tegangan. Sebuah alarm akan dimunculkan pada setiap kehilangan suply dan bila perlu dikembangkan untuk mencegah jangan sampai terjadi kegagalan operasi.

c. Pasokan tegangan trip terhadap dua sistim proteksi harus dibuat terproteksi secara terpisah baik dengan sekring ataupun dengan menggunakan MCB. Penyediaan dua batere tripping dan duplikasi kumparan tripping boleh juga dilakukan. Sirkit tripping harus terus menerus di pantau dan disupervisi.

d. Dalam prakteknya baik proteksi utama maupun cadangan dirancang bekerja dengan prinsip yang berbeda. Hal ini dimaksudkan agar kegagalan yang tidak umum yang dapat terjadi pada salah satu rele, diharapkan tidak terjadi pada rele lainnya.

Rele-rele dijital dan numeris boleh jadi sudah dilengkapi juga dengan fasilitas yang bisa berfungsi sebagai rele cadangan misalnya rele jarak numeris yang bisa juga difungsikan sebagai rele arus lebih dengan waktu bertingkat. Meskipun dengan pengurangan perangkat keras bisa dilakukan untuk dua fungsi sekaligus, namun harus diingat adanya resiko fatal dimana kedua fungsi gagal apabila misalnya modul sistim catu daya rele mengalami gangguan atau mendapat kerusakan. Dengan berbagai uraian diatas dapat dimengerti bahwa akseptabilitas dari berbagai pilihan tersebut haruslah mendapat pertimbangan secara seksama.

1.10 KELUARAN PERANGKAT RELE Dalam rangka untuk mencapai fungsi-fungsi proteksi yang diharapkan, rele-rele harus dilengkapi dengan beberapa perangkat untuk menyediakan berbagai sinyal keluaran yang dibutuhkan. Berbagai jenis kontak-kontak biasanya terdapat pada rele proteksi sebagai berikut.

1.10.1 Sistim Kontak Rele-rele bisa dilengkapi dengan berbagai sistim kontak yang akan menghasilkan keluaran tripping dan untuk keperluan indikasi baik remote maupun untuk keperluan lokal.

Terdapat berbagai jenis kontak yang paling umum yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut sebagai berikut ini:

a. Reset otomatis (Self reset) Pada jenis ini kontak tetap dalam keadaan kerja selama terdapat besaran yang menggerakkannya dan kontak kembali pada posisi normal kalau besaran penggeraknya sudah hilang.

22

b. Reset Manual atau secara elektrik Kontak jenis ini tetap bertahan pada posisi kerja meskipun besaran penggeraknya sudah hilang dan hanya bisa direset dengan manual atau dengan menggunakan rele elektromaknetik lainnya.

Kebanyakan elemen rele proteksi mempunyai kontak jenis self reset, yang sebenarnya dapat juga dimodifikasi menjadi kontak jenis manual reset dengan menggunakan rele bantu auxiliary. Kegunaan rele dengan kontak jenis reset manual adalah untuk tetap mempertahankan sinyal dalam kondisi terkunci sampai dapat di reset secara manual.

Jenis kontak-kontak selalu diperlihatkan pada skematik diagram baik dalam keadaan normalnya ataupun dalam kondisi tidak bertegangan. Contoh, sebuah rele tegangan kurang, yang dalam keadaan normalnya selalu dalam keadaan energise, tetap akan digambarkan dalam kondisi tidak dalam keadaan energise.

Sebuah kontak make adalah kontak yang akan tertutup pada waktu rele sedang dalam keadaan pick-up, sementara itu break contact adalah keadaan tertutup bila rele tersebut kehilangan catu daya (de energise) dan terbuka bila rele pick up. Contoh konvensi ini dapat diperlihatkan seperti pada Gambar 1.9.

Reset sendiri

Reset manual

Kontak make (normally open)

Kontak break (normally closed)

Kerja (pick up)

dengan waktu

tunda

Reset (drop off)

dengan waktu

tunda Gambar 1.9: Jenis-jenis kontak

Rele proteksi biasanya digunakan untuk membuka PMT, dengan mekanisme tripping bisa terdiri dari kumparan salenoid yang dilengkapi dengan pembingkas yang bisa langsung mendorong kunci mekanis untuk mentrip PMT. Daya yang dibutuhkan untuk membuka PMT (Pemutus Tenaga) jaringan distribusi bisa berkisar dari 50 watt, sedangkan untuk PMT-PMT tegangan ekstra tinggi bisa sampai 3000 watt.

Dalam prakteknya kumparan tripping dapat langsung di trip melalui satu rele kontak tunggal tergantung dari rating arus kontak rele tersebut. Tetapi karena satu dan hal lain kumparan tripping dapat juga dilakukan dengan beberapa rele yang dirangkai secara tandem sehingga hanya kontak rele terakhir yang perlu disesuaikan dengan daya kumparan tripping.

Rangkaian dasar trip sebenarnya sederhana, terbuat dari rangkaian trip yang dikontrol secara manual (hand-trip control switch) dan atau kontak rele proteksi yang dihubungkan secara paralel untuk menghidupkan kumparan trip dari sumber daya batere, melalui kontak bantu PMT yang normalnya dalam keadaan terbuka. Kontak bantu tersebut dibutuhkan untuk membuka kumparan trip setelah PMT terbuka,

23

karena umumnya kumparan kontak rele proteksi biasanya tidak mampu untuk melakukan pekerjaan pemutusan arus rangkaian tripping yang cukup besar. Kontak bantu di buat sedemikian rupa tertutup sedini mungkin sehingga siap secara efektif terhadap gangguan yang mungkin terjadi pada waktu PMT tertutup.Bila dibutuhkan banyak kontak atau kontak dengan kemampuan mengalirkan arus cukup lumayan besar, maka pada umumnya dibutuhkan komponen-komponen interposing atau elemen kontaktor lainnya.

Secara umum, rele-rele statis dan rele-rele berbasis mikroprosessor mempunyai sirkit-sirkit pengukuran dan tripping yang diskrit, dimana fungsi modul pengukuran tidak terkait dengan modul tripping. Rele demikian setara terhadap rele elektromekanis yang dilengkapi dengan kontaktor tripping, sedemikian sehingga jumlah atau rating out-put tidak lagi berarti secara signifikan dibanding dengan yang sudah tersedia.

Untuk gardu-gardu besar, daya (batere) tripping yang dibutuhkan oleh masing-masing PMT cukup lumayan besar juga. Lagi pula ada juga keadaan dimana satu rele proteksi harus melakukan tripping pada beberapa PMT secara bersamaan sehingga daya yang dibutuhkan pada saat itu harus memadai juga. Kadang terdapat pula kebutuhan untuk remote sinyalling, kebutuhan interlocking dengan fungsi-fungsi lainnya, misal kebutuhan auto reclosing dan fungsi-fungsi kendali lainnya yang harus dilakukan. Banyaknya pekerjaan yang mau dilakukan membutuhkan penggunaan rele tripping dengan kontak banyak, yang akan di energise oleh rele proteksi dan sekaligus menyediakan sejumlah kontak keluaran yang diperlukan.

1.10.2 Indikator-Indikator Kerja Rele-rele proteksi biasanya dilengkapi dengan indikator-indikator yang berguna untuk menunjukkan status kerja rele tersebut. Indikator-indikator tersebut disebut flag. Namun tidak setiap rele perlu dilengkapi dengan flag dan biasanya flag muncul hanya pada waktu terjadinya tripping. Indikator-indikator dengan beberapa pengecualian, biasanya terdiri dari bistable rele dan bisa digerakkan secara mekanis ataupun secara elektrik. Indikator mekanik terdiri dari penutup kecil yang direlease oleh rele proteksi untuk memunculkan flag indikator. Sementara indikator elektrik biasanya terdiri dari sebuah elemen jangkar penarik sederhana, dimana jangkar bekerja untuk merelease shutter bagian penutup untuk memperlihatkan indikator didalamnyaatau indikator lampu terutama dalam bentuk Light Emiting Diode.

Untuk jenis terakhir ini, perbaikan diperoleh dengan menggunakan rangkaian memori yang digunakan untuk mengingat kejadian sehingga suatu lampu LED dapat tetap menyala meskipun gangguan sudah berlalu. Dengan berbagai kemajuan dalam rele-rele dijital dan rele numeris, indikator-indikator selalu dibuat bekerja secara redundan. Rele-rele selalu dilengkapi dengan indikator yang mengindikasikan kondisi pasokan daya rele dimana rele dalam keadaan menyala dan indikator lain untuk mengindikasikan bahwa rele dalam keadaan normal. Informasi peringatan atau indikator yang tersedia dapat di interogasi secara lokal melalui man machine interface seperti papan ketik dan tampilan liquid cristal display atau secara remote dengan menggunakan kanal komunikasi yang tersedia.

24

1.11 TRIPPING CIRCUIT Rangkaian tripping adalah salah satu komponen yang sangat penting dalam sistim proteksi sebab walaupun sederhana namun kelalaian pada waktu perancangan dapat mengakibatkan kegagalan yang pada akhirnya bisa berakibat fatal terhadap sistim tenaga listrik. Dan meskipun rele-rele mutakhir sudah dilengkapi dengan kontak-kontak rele proteksi yang bisa tahan hingga beberapa puluh amper, namun mengingat harga rele yang mahal pada umumnya jarang kontak-kontak rele proteksi dihubungkan langsung dengan kumparan tripping alat pemutus tenaga PMT. Pada prakteknya kontak-kontak rele proteksi sering harus dilindungi dari kerusakan akibat salah kerja.

Dalam prakteknya terdapat tiga jenis rangkaian pelindung yang umum digunakan yaitu perlindungan seri, penguatan paralel dan penguatan paralel dengan perlindungan seri yang masing-masing dapat digambarkan seperti terlihat pada Gambar 1.10.

+ -PR 52a TC

Rele Pelindung

a) Trip coil dihubung seri

+ -52a TCPR

Rele Pelindung b) Diperkuat secara paralel

+ -52a TCPR

Rele Pelindung

c) Trip coil yang diperkuat secara paralel dengan perlindungan

Dimana; 52a = Kontak bantu PMT TC = Kumparan tripping

PR = Kontak rele proteksi

Gambar 1.10: Rangkaian tripping tipikal

Pada rele elektromekanik, indikator yang bekerja secara elektrik dibuat bergerak hanya sesudah penutupan kontak utama terjadi secara sempurna, hal ini dimaksudkan untuk menghindari gesekan beban tambahan pada elemen pengukur, yang pada jenis rele tertentu sering terkendala. Bila mau menggunakan indikator yang terkait langsung dengan kontak utama maka rancangannya harus dibuat tanpa menimbulkan kesulitan untuk menggerakkan indikator.

Dalam hal ini indikator harus bekerja pada waktu kontak utama bekerja, namun indikator tersebut harus tidak boleh mendahului kerjanya kontak utama. Hal ini dimaksudkan untuk menghindarkan terjadinya indikasi tripping sebelum kerja tripping terlaksana secara lengkap.

25

Pada rele dijital dan rele numeris, fungsi dan cara-cara tripping terdahulu sudah jauh ketinggalan dan tidak digunakan lagi. Kontak-kontak bantu miniature sudah tersedia bersama-sama dengan rele sebagai kontak keluaran yang dapat digunakan langsung untuk menggerakkan rangkaian tripping alat pemutus tenaga.

Keterbatasan kontak untuk melalukan arus dan perlunya untuk menghindarkan kontak memutuskan arus trip coil secara langsung dengan kumparan tripping mengisyaratkan perlunya mendisain dan menata rangkaian tripping sedemikian sehingga sistim dapat bekerja dengan keandalan yang tinggi. Meskipun berlaku hanya pada rele-rele elektro mekanis namun sebagai bahan acuan historis dan untuk memberikan gambaran yang lebih jelas maka jenis-jenis dan cara-cara perlindungan rangkaian tripping diatas perlu diuraikan lebih lanjut sebagaimana pada uraian-uraian berikut ini.

1.11.1 Perlindungan Seri Pada sistim perlindungan seri seperti terlihat pada Gambar 1.10.c, kumparan pelindung dihubung seri dengan rangkaian tripping coil. Kerjanya digerakkan dengan arus trip yang dipicu oleh bekerjanya kontak rele proteksi. Kontak rele pelindung kemudian akan bekerja membypass kontak tripping PR secara paralel. Dengan demikian rele proteksi dapat terbebas dari tugas lebih jauh untuk mempertahankan arus dapat terus mengalir pada rangkaian tripping tanpa memerlukan kontak tripping. Meskipun rele pelindung terhubung seri namun waktu tripping total tidak boleh terpengaruh. Disini indikator tripping baru bekerja setelah kumparan tripping selesai melakukan tripping dengan sempurna. Kesulitan rancangan perlindungan seri ini adalah tingkat akurasi kerja yang perlu ditala sehingga impedansi rele pelindung dapat dipandang sebagai suatu elemen yang utuh dengan kumparan tripping yang tidak boleh mempengaruhi waktu kerja sistim proteksi.

Disini impedansi kumparan pelindung harus rendah sedemikian rupa sehingga tegangan jatuh yang terjadi pada rele pelindung ini tidak boleh lebih dari 5% tegangan catu daya. Bila digunakan rele tripping kecepatan tinggi yang sekaligus memutuskan arus yang mengalir pada kumparan mereka sendiri maka elemen pelindung harus mampu mengasup indikator kerja secara cepat sebelum arus yang mengalir diputuskan. Persyaratan-persyaratan tersebut akan menjadi faktor pertimbangan yang membatasi sehingga dalam praktek sistim perlindungan seri ini jarang digunakan.

1.11.2 Penguatan Paralel Penguatan rele secara paralel dikembangkan untuk mengatasi kesulitan dan perlunya akurasi pada sistim perlindungan seri. Pada penguatan paralel diperlukan dua buah kontak rele proteksi yaitu satu dihubung langsung dengan kumparan tripping alat pemutus tenaga sedang kontak kedua digunakan untuk mengumpan rele pelindung.

Pada waktu rele kerja arus akan terhubung langsung dengan kumparan tripping, namun dengan waktu yang sangat cepat kontak tersebut akan dibypass oleh salah satu kontak rele pelindung sedang kontak pelindung lainnya akan digunakan untuk mempertahankan pasokan daya pada kumparan pelindung sampai tripping selesai dengan sempurna. Dari skematik diagram seperti pada Gambar 1.10.b terlihat bahwa salah satu kontak pelindung akan melindungi kontak rele tripping sedang secara

26

bersamaan akan memperkuat pasokan daya yang diperlukan kumparan trip hingga proses tripping dapat berlangsung dengan sempurna. Masalah yang timbul pada penguatan paralel ini adalah apabila kontak rele proteksi tetap bertahan (lengket) sehingga meskipun PMT sudah trip sempurna namun rele indikator tidak bisa direset ke posisi normal. Hal ini bisa diatasi dengan menggunakan kombinasi rangkaian penguat paralell dan perlindungan seri sebabai berikut.

1.11.3 Penguatan Paralel Dengan Perlindungan Rangkaian ini merupakan perbaikan rangkaian penguatan paralel dimana kontak lain PR yang menggerakan rele dilindungi (bypass) dengan kontak bantu rele pelindung seperti pada gambar 1.10.c. Lagi pula untuk menghindarkan kemungkinan kemacetan reset, rele pelindung tidak dihubungkan langsung dengan polaritas negatip batere tetapi melalui salah satu kontak bantu PMT. Sementara itu untuk memantapkan kerja tripping maka rele pelindung ini dihubungkan dengan salah satu kontak bantunya sehingga rele pelindung tersebut akan tetap kerja meskipun terjadi getaran mekanis yang dapat mempengaruhi kerja kontak rele proteksi.

Susunan rangkaian penguatan paralel dengan perlindungan seri ini dapat menghasikan sebuah rangkaian tripping yang dapat bekerja lebih baik dan terjamin meskipun misalnya ada kemungkinan kontak bergetar baik karena getaran mekanis ataupun karena ketidak sempurnaan yang melekat pada kontak rele proteksi tersebut. Disamping itu kontak rele pelindung ini juga berfungsi untuk mencegah kerusakan kontak rele proteksi dari arus yang berlangsung lama yang mungkin disebabkan karena gejala kontak melekat karena pengaruh histerisis. Namun seperti dijelaskan diatas, hal yang perlu diperhatikan pada sistim ini adalah perlunya menyediakan kontak bantu PMT tambahan yang perlu dihubung seri dengan kumparan rangkaian pelindung.

1.12 PEMANTAUAN RANGKAIAN TRIP Rangkaian trip sistim-sistim tenaga listrik adalah rangkaian kendali yang sangat penting yang setiap saat kalau diperlukan harus siap untuk melakukan tripping terhadap gangguan yang setiap saat bisa terjadi. Berbeda dengan rangkaian kendali untuk menutup PMT, rangkaian trip pemutus tenaga sistim tenaga listrik adalah rangkaian yang dirancang tidak boleh gagal bila sewaktu-waktu diperlukan untuk melaksanakan perintah trip khususnya karena gangguan. Oleh karena itu untuk menjamin rangkaian tersebut tersedia setiap saat, maka kondisi dan integritas rangkaian tersebut perlu di pantau sehingga kalau ada gangguan pada rangkaian tersebut segera dapat diberitahukan kepada operator sehingga langsung dapat diadakan perbaikan seperlunya.

Rangkaian pemantau rangkaian trip (trip circuit supervision) terdiri dari susunan kontak rele proteksi, kontak auxiliary circuit breaker, lampu-lamu, rangkaian tripping termasuk semua kabel-kabel wiring dan terminal-terminal blok yang digunakan sebagai inter-media.

Komponen-komponen tersebut di interkoneksikan satu sama lain sedemikian sehingga dapat dibuat untuk melakukan pemantauan integritas rangkaian tripping. Susunan rangkaian tersebut disebut sebagai trip circuit supervision. Salah satu rangkaian trip

27

circuit supervision sederhana terdiri dari lampu tanda rangkaian dalam kseadaan sehat, sebagaimana terlihat pada Gambar 1.11.a.

Tahanan yang dihubung seri dengan lampu adalah pembatas yang dipilih sedemikan sehingga tripping coil tidak bisa mentrip PMT yang mungkin bisa terjadi karena ada hubung singkat pada internal rangkaian tripping seperti misalnya terhubung singkatnya lampu tersebut.

Susunan rangkaian tersebut dapat digunakan untuk men-supervisi kontinuitas rangkaian tripping pada waktu PMT dalam keadaan tertutup. Gambar 1.11.b memperlihatkan cara lain dengan menggunakan kontak bantu tambahan yang dalam keadaan normal tertutup dan sebuah unit tahanan yang dapat melaksanakan tugas supervisi baik pada waktu PMT tertutup ataupun dalam keadaan terbuka. Cara lain adalah dengan menambahkan tombol tekan tambahan yang dalam keadaan normal terbuka yang dihubungkan secara seri dengan lampu sehingga indikasi supervisi dapat dilihat hanya bila kita perlukan yaitu dengan menekan tombol tekan tersebut.

Skema rangkaian dengan menggunakan lampu untuk mengindikasikan kontinuitas sirkit sebenarnya sudah cukup baik dan memadai bagi suatu instalasi yang dikontrol secara lokal, tetapi bila membutuhkan indikasi yang perlu dikirimkan ke tempat yang jauh maka rangkaian tersebut perlu dikembangkan dengan menggunakan sistem rele seperti terlihat pada Gambar 1.11.c.

Bila sirkit dalam kedaan sehat, maka satu dari rele A atau B atau keduanya bekerja untuk mengenergise rele C. Agar dimungkinkan untuk men drop off rele C maka kedua rele A dan rele B harus reset. Rele A, B dan C dibuat terdiri rele jenis pewaktu (time delay) yaitu untuk dapat disusun sedemikian dapat mencegah spurious alarm selama operasi tripping ataupun selama proses penutupan PMT.

Tahanan di dipasang terpisah dari rele dan harganya dipilih sedemikian rupa sehingga bila salah satu komponen tahanan tersebut terhubung singkat tetap tidak dapat menyebabkan kerusakan. Tegangan catu dc untuk keperluan alarm harus dibuat terpisah dan tidak tergantung dari tegangan catu rangkaian tripping sedemikian sehingga indikasi selalu tersedia meskipun terjadi gangguan suply pada rangkaian tripping. Gambar 1.11.d menunjukkan implementasi supervisi skema tirp circuit dengan menggunakan fasilitas rele numeris modern.

Indikasi remote maupun kontak-kontak auxiliary tambahan dapat diprogram melalui programable logik control yang tersedia pada rele proteksi tersebut.

+ -PR 52a TC

a). Supervisi (Jaga) pada waktu PMT dalam keadaan tertutup

+ -PR 52a TC

52b

b). Supervisi pada waktu PMT tertutup atau dalam keadaan terbuka

28

+ -PR 52a TC

A B

+ -C

Alarm

c). Supervisi (jaga) pada waktu PMT dalam keadaan tertutup atau terbuka dengan

fasilitas alarm remote

+

Trip

Trip

-

52a TC

52b

PMT

Rangkaian TCS 1

Rangkaian TCS 2

Tahanan drop

Rele Numeris

d). Rangkaian Trip Circuit Pada Rele Numeris Yang Sudah Dilengkapi Dengan Rangkaian Penjaga (TCS)

Gambar 1.11: Supervisi Rangkaian Tripping

1.13 HARGA-HARGA PER UNIT DAN PERSEN

1.13.1 Pendahuluan Pada umumya suatu sistim tenaga listrik terdiri atas interkoneksi beberapa subsistim jaringan dengan level tegangan yang satu sama lain berbeda-beda. Jarang ditemukan suatu sistim tenaga listrik yang hanya terdiri dari satu level tegangan kecuali sistim-sistim kecil yang berdiri sendiri untuk daerah pelayanan yang terbatas. Di Indonesia khususnya di Jawa, Madura dan Bali sistim kelistrikan sudah saling ter-interkoneksi satu sama lain dan beroperasi pada dua jenis tegangan transmisi yaitu 150 kV dan 500 kV dan pada beberapa daerah tertentu masih ada subtransmisi bertegangan 70 kV. Sementara tegangan Generator juga bervariasi sesuai dengan jenis dan kapasitasnya. Meskipun tidak ada standar khusus yang mengatur tegangan keluaran generator namun pada umumya tegangan generator di Jawa-Madura dan Bali antara lain mulai dari 6.6, 11 sampai 24 kV. Tegangan distribusi biasanya 20 kV, sedang tegangan distribusi 6.6 atau 30 kV yang dulu sempat digunakan pada berbagai daerah sudah ditinggalkan. Untuk mempermudah perhitungan-perhitungan dalam sistim tenaga listrik, sering besar tegangan, arus, daya dalam kilovolt-amper, nilai impedansi dalam

29

ohm, fluks dan besaran listrik lainnya dinyatakan dalam satuan per unit atau dalam persen. Penggunaan harga per unit atau harga dalam persen telah dilakukan secara luas mengingat besaran-besaran per unit atau dalam persen ini sangat memudahkan dan menyederhanakan perhitungan-perhitungan terutama pada sistim yang berbeda-beda level tegangannya maupun kesulitan-kesulitan karena berbagai ukuran sistim-sistim mulai dari pembangkit hingga tansmisi daya.

Uraian satuan per-unit atau dalam persen yang akan kita tinjau adalah yang berlaku pada sistim tenaga listrik tiga fasa yang seimbang. Ini berarti bahwa magnitude sumber-sumber tegangan fasa adalah identik dan tergeser satu dengan lainnya sebesar masing-masing 120

0 dan impedansi sistim tiga fasa adalah identik satu sama

lain baik dalam besaran atau magnitude dan sudut fasanya.

1.13.2 Definisi Satuan Per Unit Dan Persen Sebagaimana telah disebut diatas bahwa dalam sistim tenaga listrik, besaran-besaran tegangan, arus, daya KVA, impedansi dan sebagainya sering dinyatakan dalam harga persen atau per unit. Sebagai contoh bila misalnya tegangan 150 kV dipilih sebagai tegangan dasar maka tegangan 135 kV, 115 kV, 70 kV, 275 kV dan 500 kV berturut-turut akan menjadi 0.9, 0.77, 0.467, 1.83 dan 3.33 per unit atau dalam persen berturut-turut menjadi 90, 77, 46.7, 183 dan 333 persen. Harga per unit setiap besaran didefenisikan sebagai perbandingan antara harga sebenarnya dengan harga atau nilai dasar. Rasio dalam persen adalah 100 kali harga per unitnya. Kedua satuan ini akan lebih mempermudah perhitungan-perhitungan sistim tenaga listrik dibandingkan dengan menggunakan satua-satuan konvensional seperti amper, ohm atau volt. Satuan per unit khususnya akan lebih menguntungkan dibanding dengan satuan dalam persen khususnya dalam perkalian dua besaran dimana perkalian dua besaran dalam per unit akan tetap mempunyai satuan per unit, sedang perkalian dua besaran dalam persen harus selalu dibagi dengan 100 untuk mempertahankan satuannya tetap dalam persen. Untuk jelasnya satuan per unit dapat dinyatakan sebagai berikut

5:

...... 1.1

.. 1.2

Dengan demikian kedua besaran per unit dan persen tidak mempunyai dimensi, sementara itu besaranya aktual, adalah besaran skalar atau besaran kompleks yang dinyatakan sesuai dengan dimensi dan satuan masing seperti volt, amper, watt, ohm dan lain-lain. Nilai dasar dapat dipilih secara bebas tergantung pada besaran yang paling disukai. Besaran volt, amper, volt amper dan impedansi adalah besaran-besaran yang saling berhubungan pada harga dasar sedemikian untuk setiap pemilihan dua harga dasar akan menentukan harga dua besaran lainnya. Bila ditentukan harga dasar tegangan dan arus, maka harga dasar impedansi dan volt-amper dapat ditentukan.

Harga dasar impedansi adalah besarnya tegangan jatuh yang sama besarnya dengan tegangan dasar bila arus yang mengalir pada impedansi tersebut sama dengan harga dasar arus. Harga dasar volt-amper pada sistim fasa tunggal adalah hasil perkalian

30

antara tegangan dasar dengan arus dasar. Biasanya volt-amper dasar dan tegangan dasar dalam kilo-volt adalah besaran-besaran adalah besaran yang dipilih untuk menentukan besaran dasar.

Untuk sistim satu fasa atau tiga fasa dimana istilah arus yang dimaksud adalah arus yang mengalir pada saluran, sedangkan tegangan yang dimaksud adalah harga tegangan fasa ke netral dan daya volt-amper adalah daya per fasa. Rumus-rumus berikut memberikan relasi antara berbagai harga-harga tersebut, sebagai berikut:

......................... 1.3

............................... 1.4

................... 1.5

............................. 1.6

........................................ 1.7

...................................... 1.8

.....1.9

Tanda-tanda 1 dan L-N masing-masing menandakan nilai per fasa dan tegangan line ke netral. Penggunaan dan aplikasi rumus-rumus diatas termasuk penggunaan satuan per unit dan persen sistim dalam sistim tiga fasa akan dibahas lagi secara lebih mendalam pada bagian 1.13.4 lebih lanjut.

1.13.3 Keuntungan-Keuntungan Besaran Per Unit Dan Persen Beberapa keuntungan penggunaan satuan Per Unit dan Persen dapat diuraikan sebagai berikut :

1. Impedansi ekivalen per unit setiap transformer adalah sama dilihat dari sisi primer maupun sisi sekunder

5,8.

2. Impedansi trafo pada sistim tiga fasa adalah sama, tanpa perlu memperhatikan jenis hubungan trafo misalnya pada hubungan Y-Y, delta-wai, wai-delta atau delta-delta.

3. Satuan per unit tidak tergantung pada perubahan tegangan dan pergeesaran sudut fasa karena melalui transformator dan tegangan dasar dalam kumparan adalah sesuai dengan jumlah belitan dalam kumparan.

4. Fabrikan biasanya menentukan impedansi equipment dalam per unit atau persen pada daya dasar (kVA atau MVA) atau tegangan dasar (V atau kV). Sehingga rating impedansi dapat digunakan laungsung bila harga dasar yang digunakan sama dengan harga dasar yang tertera di plat nama perangkat tersebut.

31

5. Impedansi per unit dari berbagai rating peralatan yang berbeda-beda berada dalam skala yang sempit, sementara pada nilai impedansi aktuannya mereka dapat saling berbeda jauh.

Dengan demikian, bila nilai aktualnya tidak diketahui, maka harga pendekatan yang sesuai dapat ditentukan. Harga-harga tipikal untuk berbagai jenis equipment selalu tersedia yang bisa diperoleh dari berbagai sumber dan buku-buku referensi. Demikian pula kebenaran satuan yang ditentukan dapat diperiksa jika harga-harga tipikalnya diketahui.

6. Dengan menggunakan satuan per unit atau persen maka kebingungan antara daya sistim satu fasa dengan daya sistim tiga fasa akan berkurang. Demikian kesulitan dalam hal konversi antara tegangan kawat-kawat dan tegangan kawat ke netral akan menjadi lebih sederhana.

7. Satuan per unit sangat berguna dalam simulasi analisa sistim steady state dan dalam analisa keadaan transien sistim tenaga.

8. Dalam perhitungan-perhitungan gangguan maupun perhitungan-perhitungan tegangan sumber atau tegangan driving (sumber) biasanya diasumsikan sama dengan 1.0 p.u.

9. Hasil perkalian antara dua besaran dalam per unit tetap mempunyai dimensi yang sama, sementara agar satuan dari perkalian dua besaran dalam persen tetap dalam persen maka hasil perkalian tersebut harus dibagi dengan 100.

Itulah sebabnya dalam berbagai perhitungan lebih disukai menggunakan satuan dalam per unit ketimbang dalam persen.

10. Representasi data-data suatu sistim tenaga listrik dalam satuan per unit lebih mudah diartikan dibandingkan representasi data-data konvensional karena pada sistim tenaga yang sama dapat dibandingkan langsung.

1.13.4 Relasi Umum Besaran-Besaran Sistim Tenaga Listrik Sebelum melanjutkan diskusi tentang penggunaan satuan per unit, marilah meninjau relasi antara berbagai besaran yang berlaku umum dalam sistim tenaga listrik tiga fasa. Pembicaraan difokuskan pada jenis hubungan wai-delta sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.12 seperti berikut.

Untuk kedua jenis hubungan ini persamaan berikut dapat diberlakukan.

................ 1.10

...................... 1.11

........................... 1.12

Dimana adalah daya semu dalam satuan volt-amper (VA, kVA, MVA), P adalah daya aktif dalam watt (W, kW, MW) dan Q adalah daya reaktif dalam var (VAR, kVAR, MVAR).

32

(a) Hubungan Way - Y

NZyZy

ZyVLN

VLL

a

b

c

IL

(b) Hubungan Delta -

ZD ZD

ZD

ID

ILa

b

c

Gambar 1.12 : Hubungan Impedansi-impedansi pada sistim tiga fasa

Dari ketiga persamaan diatas dapat ditentukan besarnya impedansi dan arus dalam kumparan delta sebagai berikut.

1. Impedansi terhubung Y (Gambar 1.12.1a)

................................ 1.13

2. Impedansi terhubung delta (Gambar 1.12.1b)

.....................................1.14

........................................1.15

.....................................1.16

Persamaan-persamaan diatas memperlihatkan bahwa besaran-besaran S, V, I dan Z saling berkorelasi sehingga pemilihan setiap dua besaran tersebut dapat digunakan untuk menentukan dua besaran lainnya. Biasanya, jenis hubungan diasumsikan adalah hubungan Y (wai), sehingga persamaan 1.10 sampai dengan persamaan 1.13 adalah persamaan yang paling umum digunakan pada perhitungan-perhitungan sistim tenaga listrik.

Perlu di ingat bahwa asumsi hubungan Y digunakan dan bukan hubungan delta yaitu adalah untuk menghindari kerancuan. Bila digunakan hubungan delta maka untuk keperluan perhitungan dia harus dikonversikan ke besaran-besaran Y.

Pada persamaan 1.13 sampai persamaan 1.15 impedansi-impedansi kumparan dalam

hubungan Y dianggap sama. Dari persamaan-persamaan ini atau .

33

Persamaan ini sangat berguna dalam perhitungan-perhitungan yaitu untuk mengkonversikan impedansi hubungan delta menjadi hubungan Y ekivalen.

Sebaliknya bila diperlukan maka persamaan-persamaan 1.15 dan 1.16 dapat digunakan langsung untuk menyatakan impedansi dan arus dalam besaran atau kuantitas hubungan delta.

1.13.5 Besaran-Besaran Dasar Untuk lebih mengurangi banyak simbol maka dalam uraian lebih lanjut simbol daya semu S diganti dengan kVA dan MVA, sedang volt diganti dengan kV. Besaran dasar adalah besaran skalar, sehingga bilangan fasor tidak diperlukan dalam persamaan-persamaan dasar. Dengan demikian persamaan-persamaan untuk harga-harga dasar dapat dinyatakan dari persamaan 1.13, 1.15 dan persamaan 1.16 dengan subkrip B untuk menandakan basis atau dasar sebagai berikut:

Untuk daya dasar : ....................1.17

Untuk arus : .................. ..........................1.18

Untuk impedansi : ..........................1.19

Dan mengingat 1000 X harga MVA kVA, maka impedansi dasar dapat juga dinyatakan sebagai berikut:

....................................1.20

Dalam studi-studi sistim tenaga praktek-praktek yang umum digunakan sebagai tegangan dasar adalah tegangan nominal dan kVA atau MVA dapat digunakan sebagai daya dasar. Daya dasar 100 MVA banyak digunakan dalam perhitungan-perhitungan. Tegangan sistim yang biasanya ditentukan adalah tegangan fasa ke fasa. Inilah tegangan yang digunakan sebagai tegangan dasar pada persamaan 1.17 hingga persamaan 1.20.

Dengan menganggap tegangan selalu tegangan fasa ke fasa maka untuk lebih lanjut kita gak pakai lagi tanda LL untuk menyatakan kawat ke kawat. Namun ada pengecualian yaitu pada analisa komponen simetris dimana tegangan yang digunakan adalah tegangan fasa ke netral. Hal ini perlu diperhatikan agar dalam praktek jangan sampai salah perhitungan. Lebih lanjut jika tidak ada catatan maka yang dimaksud dengan daya selalu diartikan sebagai daya sistim tiga fasa. Daya semu dinyatakan dengan kVA atau MVA, sedang daya aktif dinyatakan dengan kW atau MW dan daya reaktif dinyatakan dengan kVAR atau MVAR.

1.13.6 Hubungan Per Unit Impedansi Dengan Persen Impedansi Impedansi dalam per unit ditentukan dalam ohm dari persamaan 1.9 dengan mensubsitusikannya ke dalam persamaan 1.20 sebagai berikut:

............. ............... 1.21

34

Atau dalam notasi persen,

.............................1.22

Jika kita menginkan nilai impedansi dalam ohm diambil dari harga per unit atau dari harga persen, maka persamaan impedansi akan menjadi sebagai berikut;

............ 1.23

...........1.24

Harga impedansi bisa dalam bentuk skalar atau dalam bentuk phasor. Persamaan-persamaan diatas berlaku juga dalam perhitungan-perhitungan tahanan maupun reaktansi.

Satuan per unit dianjurkan digunakan