1

BAB IPENDAHULUAN

I.1. Judul ProposalAnalisa Setting Arus dan Waktu pada Relay Arus Lebih (OCR) Bay

Trafo 1 pada Gardu Induk Lamongan dengan menggunakan software ETAP 4.0.

I.2. Latar Belakang MasalahDalam jaman yang semakin modern, diperlukan listrik yang terus

menerus menyala Sistem tenaga listrik yang berada di Indonesia, mulai dari Pembangkit, antara lain, Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan UAP(PLTGU), dan Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Dari pembangkit tersebut di salurkan melalui saluran transmisi 150 kV dan 500 kV ke gardu induk. Setelah dari gardu induk listrik di salurkan ke jaringan tegangan menengah. Pada gardu induk, diperlukan peralatan-peralatan yang sanggup menyalurkan tegangan 150 kV. Peralatan tersebut termasuk PMT (Pemutus Tenaga), PMS (Pemisah), CT (Current Transforner), dan VT (Voltage Transformer). Apabila terjadi gangguan, baik gangguan 1 phasa ke tanah, 2 phasa ke tanah, 3 phasa ke tanah, ataupun gangguan antar phasa, digunakan relay sebagai pengaman peralatan tersebut. Pada penulisan kali ini, penulis membahas tentang setting waktu dan arus pada relay Over Current.

I.3. Perumusan MasalahPerumusan masalah dalam analisa setting arus dan waktu pada Relay

Over Current sebagai berikut :- Bagaimana mengetahui arus hubung singkat pada rangkaian

sistem.- Menentukan setting arus dan waktu pada relay OCR- Apakah setting arus tersebut sudah memenuhi criteria peralatan

yang ada di sistem.

I.4. Batasan MasalahPada tugas akhir ini, penulis akan membatasi masalah dalam hal :

- Data peralatan yang ada di gardu induk Lamongan- Software yang digunakan pada tugas akhir ini adalah ETAP- Analisa hubung singkat tiga phase- Data beban puncak yang ada di gardu induk Lamongan

2

I.5. Tujuan PenelitianMengetahui bagaimana cara menentukan setting arus dan waktu yang

ada di gardu induk Lamongan.

1.6. Manfaat PenelitianDengan adanya tulisan ini, diharapkan agar pembaca dapat

menentukan dasar dari penentuan setting arus dan waktu relay over current.

I.7. Sistematika Penulisan Tugas AkhirPenulisan tugas akhir memiliki kerangka penulisan sebagai berikut :

I.7.1. Bagian awal terdiri dari :a. Judul tugas akhir dalam bahasa Indonesia pada

kulit muka dan kulit dalam (lampiran 1).b. Halaman Pengesahan (lampiran 2).c. Abstrak atau uraian singkat dalam bahasa

Indonesia dan bahasa Inggris (lampiran 3).d. Kata Pengantar.e. Daftar Isi.f. Daftar Gambar.g. Daftar Tabel.

I.7.2. Bagian Inti / Pokok berisi :a. Pendahuluan

Latar Belakang Masalah Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penulisan Manfaat Penulisan

b. Landasan Teori Teori yang digunakan untuk menyelesaikan

permasalahanc. Metodologi Penelitian

Metode yang digunakan Urutan Pelaksanaan percobaan

d. Hasil dan Pembahasan Data hasil percobaan / pengukuran Pembahasan / Diskusi (analisis, sintesis, dan

evaluasi)e. Kesimpulan dan Satan

1.7.3. Bagian akhir terdiri dari :

3

a. Daftar Pustakab. Lampiran-lampiran (jika ada)c. Biodata Penulis

4

BAB IILANDASAN TEORI

II.1. PENGERTIAN RELAI PENGAMAN

Relai pengaman adalah suatu piranti baik elektrik maupun magnetik yang dirancang untuk mendeteksi suatu kondisi ketidaknormalan pada peralatan sistem tenaga listrik yang tidak diinginkan. Jika kondisi abnormal tersebut terjadi maka relai pengaman secara otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk membuka pemutus tenaga (circuit breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem normal. Di samping itu relai juga berfungsi untuk menunjukkan lokasi dan macam gangguannya sehingga memudahkan evaluasi pada saat terjadi gangguan (Tjahjono, 2000). Pada prinsipnya relai pengaman yang terpasang pada sistem tenaga listrik mempunyai tiga macam fungsi, yaitu:

1. Mendeteksi, mengukur dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta memisahkan secepatnya.

2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang terganggu.

3. Mengurangi pengaruh gangguan terhadap bagian sistem yang lain, yang tidak terganggu di dalam sistem tersebut dan dapat beroperasi normal serta mencegah meluasnya gangguan.

II.2. PENGERTIAN RELAI ARUS LEBIHProteksi arus lebih adalah proteksi terhadap perubahan parameter

arus yang sangat besar dan terjadi pada waktu yang cepat, yang disebabkan oleh hubung singkat. Pada proteksi arus lebih ini, relai akan pick-up jika besar arus melebihi nilai seting (Tjahjono, 2000). Elemen dasar dari proteksi arus lebih adalah relai arus. Proteksi arus lebih meliputi proteksi terhadap gangguan hubung singkat yang dapat berupa gangguan hubung singkat phasa-phasa, satu phasa ke tanah serta hubung singkat antar phasa. Proteksi terhadap hubung singkat antar phasa dikenal sebagai proteksi arus lebih dan relai yang digunakan disebut relai arus lebih (over current relay). Jika arus gangguan mengalir melalui tanah, gangguan ini disebut gangguan hubung singkat ke tanah dan relai yang digunakan disebut proteksi hubung tanah (ground fault relay). Pada proteksi transformator daya, relai arus lebih digunakan sebagai tambahan bagi relai differensial untuk memberikan tanggapan terhadap gangguan luar. Relai arus lebih yang digunakan adalah relai arus lebih tanpa perlambatan waktu, relai arus lebih dengan

5

karakteristik waktu yang berbanding terbalik dengan besar arus dan relai aruslebih dengan komponen arah. Relai arus lebih terdapat beberapa karakteristik waktu yang dikelompokkan menjadi tiga jenis yaitu:

1. Relai arus lebih seketika (instantaneus)Relai ini memberikan perintah trip pada pemutus tenaga (PMT) pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besar arus gangguannya mencapai arus settingnya (Is) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai relai bekerja sangat singkat tanpa tunda waktu (20 ms - 60 ms).

2. Relai arus lebih waktu tertentuRelai ini akan memberikan perintah trip pada PMT pada saat terjadi gangguan hubung singkat dan besar arus gangguannya mencapai setting (IS) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai relai kerja diperpanjang dengan waktu tertentu tidak tergantung besarnya arus yang mengerjakan relai.

3. Relai arus lebih terbalik (inverse)Relai ini akan memberikan perintah trip pada PMT pada saat terjadi gangguan bila arus gangguan mencapai nilai settingnya (IS) dan jangka waktu kerja relai mulai pick up sampai kerja relai diperpanjang berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan. Pada relai ini sumbu tegak merupakan waktu dalam detik dan sumbu datar adalah berapa kali besarnya arus gangguan yang melewati relai terhadap arus penyetelannya (n x Iset). Penyetelan waktu ditunjukkan dengan kurva yang sering digunakan dan disebut dengan Td (time dial) atau TMS (time multiple setting) yang dirumuskan sebagai berikut (PT. PLN, 2005c):

6

II.3. PENGERTIAN RELAI ARUS LEBIH PADA TRANSFORMATOR DAYA

Relai pengaman pada transformator dibedakan menjadi dua yaitu elektris dan mekanis. Relai-relai pengaman elektris yaitu relai differential, relai arus lebih untuk sisi primer dan sekunder, relai arus terbatas (REF atau restricted earth fault) untuk sisi primer dan sekunder serta relai sisi netral (SBEF atau stand by earth fault) untuk melindungi resistor netral trafo pada saat terjadi gangguan ke tanah. Sedangkan untuk relai pengaman mekanis antara lain relai bucholz, relai jansen dan relai suddent pressure di mana setiap relai pengaman mempunyai fungsi tersendiri.

Gangguan pada transfornator dibedakan menjadi dua yaitu gangguan internal dan eksternal. Untuk gangguan internal dapat dikelompokkan menjadi dua jenis gangguan yaitu gangguan incipien dan gangguan elektris. Gangguan incipien merupakan suatu gangguan yang dimulai gangguan yang kecil atau tidak berarti, namun secara lambat akan menimbulkan kerusakan. Gangguan jenis ini akan dideteksi oleh relai pengaman mekanis seperti relai bucholz, relai jansen dan relai sudden pressure. Sedangkan gangguan internal elektris merupakan gangguan elektris yang dideteksi oleh relai proteksi utama transformator yaitu relai differential dan relai hubung tanah terbatas (REF). Gangguan yang sering terjadi pada transformator merupakan gangguan di luar daerah pengamanan transformator seperti hubung singkat satu phasa ke tanah ataupun gangguan antar phasa. Gangguan ini mempunyai pengaruh terhadap transformator daya sehingga transformator harus segera dikeluarkan dari sistem, bila gangguan tersebut terjadi hanya setelah waktu tertentu untuk memberi kesempatan relai pengaman daerah yang terganggu bekerja. Untuk kondisi gangguan di luar daerah pengamanannya misalnya gangguan hubung singkat pada di sisi 20 kV atau di penyulang 20 kV maka relai arus lebih dengan perlambatan waktu digunakan sebagai pengamannya. Koordinasi yang baik untuk

7

pengaman cadangan transformator ini sangat diperlukan untuk memperoleh selektivitas yang tepat dengan daerah berikutnya yang terkait.

Berikut ini merupakan skema proteksi pada transfomator daya (PT. PLN, 2005c).

Gambar 1Skema proteksi trafo tenaga

II.4. PENGERTIAN PEMUTUS TENAGA (PMT)Pemutus tenaga (PMT) atau lebih dikenal dengan istilah Circuit

Breaker (CB) merupakan suatu piranti saklar mekanik yang secara otomatis akan membuka atau memutuskan rangkaian listrik apabila terjadi ketidaknormalan pada suatu sistem tanpa adanya kerusakan. Pemutus tenaga terdiri atas kontak-kontak yang dialiri arus listrik atau lebih dikenal dengan elektroda. Pada kondisi normal eletroda-elektroda tersebut dalam kondisi terhubung, sebaliknya pada kondisi abnormal maka elektroda-elektroda akan terpisah dan memutuskan hubungan listrik dari satu sisi ke sisi yang lainnya (PT. PLN, 2005a).

8

II.5. PENGERTIAN PEMUTUS TENAGA (PMT)

Pada gangguan satu phasa ke tanah misal phasa A mengalami gangguan akan menyebabkan kenaikan arus pada phasa A dan drop tegangan di phasa A (menjadi nol) sedangkan arus pada phasa yang lain menjadi nol yang diikuti dengan kenaikan tegangan phasa yang lain (phasa B dan Phasa C tidak sama dengan nol sedangkan arus phasa B sama besarnya dengan phasa C yaitu nol ampere) (Tjahjono, 2000). Gangguan tidak simetris menyebabkan arus tidak seimbang dalam sistem, sehingga dibutuhkan komponen simetris untuk perhitungannya sebagaimana uraian di atas. Rangkaian gangguan satu phasa ke tanah:

Gambar 2Rangkaian Gangguan 1 phasa ke tanah

Dari persamaan arus untuk gangguan tidak simetris maka diperoleh:

Kondisi di titik gangguan :Ib = Ic = 0Va = 0 dan Ia ≠ 0

9

Maka :

Sehingga :

Pada gangguan satu fasa ke tanah, rangkaian urutan positif, negatif dan urutan nol terhubung seri, seperti ditunjukkan pada rangkaian di bawah ini :

Gambar 3Rangkaian urutan pada gangguan 1 phasa ke tanah

dimana :

mengingat :

maka diperoleh :

sehingga :

10

II.6. PENGERTIAN GANGGUAN HUBUNG SINGKAT FASA-FASA

Pada gangguan antar fasa, fasa B dan fasa C mengalami gangguan akan menyebabkan kenaikan arus pada fasa B dan C, sedangkan tegangan untuk fasa tersebut menjadi drop (menjadi nol). Diagram rangkaian untuk gangguan antar fasa ditunjukkan dalam gambar di bawah ini (Stevenson, 1984).

Gambar 4Rangkaian gangguan antar phasa

Kondisi pada saat gangguan adalah sebagai berikut:

Vb = VC Ia = 0 dan Ib = - Ic

Dengan VB = VC komponen-komponen simetri tegangan adalah sebagai berikut:

Karena IB = - IC dan Ia = 0, komponen-komponen simetri arus diperoleh dari persamaanberikut ini:

11

sehingga Ia0 = 0 dan Ia2 = - Ia1 , dimana:

Gambar 5Rangkaian pengganti gangguan antar phasa

II.7. Prinsip Kerja RelayRele 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 phasa. Sedangkan untuk memproteki terhadap gangguan phasa tanah digunakan rele Rele Arus Gangguan tanah atau Ground Fault Relay (GFR). Prinsip kerja GFR sama dengan OCR, yang membedakan

12

hanyalah pda fungsi dan elemen sensor arus. OCR biasanya memiliki 2 atau 3 sensor arus (untuk 2 atau 3 phasa) sedangkan GFR hanya memiliki satu sensor arus (satu phasa).

Waktu kerja rele OCR maupun GFR tergantung nilai setting dan karakteristik waktunya (lihat posting saya mengenai hal ini disini). Elemen tunda waktu pada rele ini pada 2, yaitu elemen low set dan elemen high set. elemen low set bekerja ketika terjadi gangguan dengan arus hubung singkat yang relatif kecil, sedangkan elemen high set bekerja ketika terjadi gangguan arus hubung singkat yang besar.

Gambar 1Grafik kurva waktu tunda Over Current Relay

pada gamabr diatas, elemen low set disetting dengan menggunakan karakteristik inverse. Sedangkan elemen high set menggunakan karateristik definite. Pembantukan kurva waktu tunda rele dimaksudkan agar ketika terjadi gangguan dengan arus hubung singkat yang cukup besar (dalam grafik di atas ketika terjadi gangguan dengan arus > 2400A) maka rele akan segera memutuskan PMT akan Trip.

Rele OCR dan GFR dipasang sebagai alat proteksi motor, trafo, penghantar transmisi, dan penyulang.  Posting kali ini menulsi tentang OCRdan GFR sebagai proteksi trafo dan penyulang. Sebagai alat proteksi maka penggunaa rele harus memenuhi persyaratan proteksi yaitu : cepat, selektif, serta handal. Rele harus disetting sedemikian rupa sehingga dapat bekerja secepat mungkin dan meminimalkan bagian dari sistem yang harus padam. Hal ini diterapkan dengan cara mengatur

13

waktu kerja rele agar bekerja lambat ketika terjadi arus gangguan kecil, dan bekerja semakin cepat apabila arus gangguan semakin besar, hal ini disebut karakteristik inverse. Karakteristik inverse dibedakan menjadi 4 seperti yang saya tulis dalam posting saya kurva SI-VI-EI-LTI

Gambar 2Koordinasi dan waktu kerja relay

pada gambar diatas, terlihat bahwa rele yang berada dipangkal berfungsi sebagai pengaman cadangan bagi rele yang berada didepannya. semakin jauh letak gangguan dari pangkal, maka arus gangguan akan semakin kecil, maka rele di pangkal akan bekerja lebih lama dari pada rele yang di depannya ketika terjadi gangguan yang berada di ujung. Oleh karena itu disusun aturan penyetelan kerja OCR.

Tabel 2Kaidah setting OCR trafo dan penyulang

URAIAN PENYULANG SISI MV TRAFO SISI HV TRAFO

JENIS KARAKTERIS

TIK

OCR51

OCR51

OCR51

SETELAN ARUS

(1,0-1,2)x In CT(1,0-1,2)xCCC*

(1,0-1,2)x In TRAFO (HV) (1,0-

1,2)xCCC*)

(1,0-1,2)x In TRF (HV)

WAKTU KERJA

(Hubung singkat fasa-Fasa di bus

0,2-0,4 detik 0,7-1,0 detik 1,2-1,6 detik

14

20kB)Setelan Arus

Momen0,8 (I/Z x In Trf

MV)**)0,8 (I/Z x In Trf

MV)Di Block

Waktu Arus momen

Instan 0,4-0,5 detik (def)

Tabel 3Kaidah setting GFR trafo dan penyulang

URAIAN PENYULANG SISI MV TRAFO SISI HV TRAFO

JENIS KARAKTERISTIK

OCRSI

OCRSI

OCRLTI

SETELAN ARUS 0,1 x In NGR0,2 x Ihs 1Φ

min *)

0,2 x In TRAFO (HV) 0,1 x CCC*)

0,1 x NGR

WAKTU KERJA(Hubung singkat

fasa-G di bus 20kB)

SI : 0,5 detik SI : 1,0 detik LTI : <5 detik

Setelan Arus Momen

Im = 8 x I set & tdk melebihi

GHTm = inst

Di Blok Di Blok

Cara menghitung setting GFR dan OCR adalah sebagai berikut :1. Hitung arus hubung singkat tiga phasa pada pangkal segmen dan

di ujung segmen yang diproteksi.2. Tentukan waktu kerja relay ketika terjadi gangguan di ujung

segmen3. Tentukan setelan arus relay berdasarkan table di atas4. Tentukan karakteristik waktu (SI-VI-EI-LTI)5. hitung td berdasarkan rumus yang sesuai dengan

karakteristiknya.

Contoh :Arus gangguan di pangkal : 5000 A (gangguan 3 phasa)Arus gangguan di pangkal : 2000 A (gangguan 3 phasa)CCC (kemampuan hantar konduktor) : 645 AArus nominal CT (trafo arus) : 500 / 5 A

15

1. Arus hubung singkat sudah diketahui2. Waktu kerja relay ketika terjadi gangguan di ujung kita tentukan 1

detik3. Setelan arus dipakai 1,1 x 500 A = 550 A (karena I nom CT <

CCC)4. Karakteristik SI5. Menghitung td

Td = [(Ihs di ujung / I set relay)^0,02 - 1]/ 0,14

terlihat bahwa waktu kerja rele ketika terjadi gangguan dipangkal lebih cepat daripada ketika terjadi gangguan diujung. Apapbila waktu yang kita peroleh pada langkah 6 dirasa masih terlalu lama, maka kita bisa mempercepat dengan cara mengaktifkan elemen high set.Misalkan contoh diatas merupakan penyulang 20 kV dari trafo daya 30 MVA dengan Impedansi trafo Z = 12,5 %

1. Hitung arus nominal trafoI nom maks = MVA trafo / (Vp-p x 1,732)I nom maks = 30 MVA / (20 kV x 1,732)I nom maks = 0,866 kA = 866 A

2. Hitung arussetting elemen high set

Iset high = 0,5 x (Ihs maks / Z)Iset high = 0,5 x (866x0,125)Iset high = 3464 A

3. Tentukan setting waktu high setT high = 0 detik

Dengan diaktifkanya elemen high set maka rele akan bekerja isntan (0 detik) ketika terjadi gangguan di pangkal, karena arus hubung singkat gangguan dipangkal (5000A) lebih besar dari Iset high (3464A).

16

BAB IIIMETODE PENELITIAN

Dalam proposal tugas akhir ini, penulis akan melakukan beberapa tahapan, sebagai berikut :

III.1. Metode PenelitianDalam penelitian yang akan dilakukan memiliki langkah-langkah

dalam diagram alir sebagai berikut :

Gambar 3.1. Flow Chart Metode Penelitian

III.2. Bahan PenelitianPada penelitian ini, penulis akan melakukan analisa hubung

singkat guna menyetting arus relay OCR di gardu induk Lamongan.

III.3. Pelaksanaan Penelitian

17

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret minggu ke 1 dan berakhir bulan Juni minggu ke-3.

III.4. Teknik Pengumpulan DataTeknik pengumpulan data dengan cara meminta data-data pada

supervisor Gardu Induk lamongan.

III.5. Metode AnalisaMembandingkan hasil analisa dengan data yang sudah ada di

Gardu Induk Lamongan.

18

BAB IVANALISA DATA

4.1. Data DataDalam menentukan setting arus dan waktu rele proteksi bay trafo I di GI Lamongan diperlukan data-data sebagai berikut :

4.1.1. Data SumberTegangan = 20kVMVA sc 3 ph = 2476,633 MVAMVA sc 1 ph = 408,718 MVA

4.1.2. Data Trafo :Merek = PAUWELSKapasitas = 30 MVATegangan = 150 / 20 kVInom = 115 / 866 AImpedansi Trafo = 12,5 %Pentanahan (20kV) = 500 ΩVektor Group = Ynyn0 (d11)Rasio CT = 1000 / 5 A

4.2. Setting Relai OCR dan GFR kondisi existing

Incoming Trafo 150 kV / 20 kVRelay 51

Parameter NilaiI> 4,25 ATms 0,32I>> 38,25 ATms 0,04 sec

19

Relay 51 N

Parameter NilaiI> 3,1 ATms 0,6I>> 0,5 ATms 0,05 sec

20

BAB VDAFTAR PUSTAKA

1. PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005a. ”BukuPetunjuk Operasi dan Pemeliharaan PemutusTenaga”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.

2. PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005b. ”Modul Pelatihan Pengaman Transformator”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.

3. PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005b. ”Modul Pelatihan Pengaman Transformator”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.

4. PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali. 2005c. ”Modul Pelatihan Relai OCR”. Badan Penerbit PLN. Jakarta.

5. Stevenson, William D. Jr. 1984. ”Analisa Sistem TenagaListrik”. McGraw-Hill. Inc New York.

6. Tjahjono, Hendro. 2000. ”Modul Kuliah Analisa Sistem Tenaga Listrik”. Universitas Jaya Baya. Jakarta.

7. J.C. Das. 2002. “Power System Analysis”. Marcel Dekker. New York.

8. P3B Sumatera. “Buku O & M”. Padang. 2000.