PENYETELAN RELAI DIFERENSIAL PADA TRANSFORMATOR

PENYETELAN RELAI DIFERENSIAL PADA

TRANSFORMATOR

Top of Form

Abstrak

        Kualitas sistem tenaga listrik diukur dengan kontinuitas pelayanan, kontrol yang baik dan pemeliharaan. Kelangsungan layanan yang baik dapat diperoleh jika semua komponen sistem tenaga dapat beroperasi dengan baik dalam setiap situasi dan kondisi, baik normal atau dalam kondisi abnormal. Dalam kondisi normal, sistem perlindungan memiliki peran penting dalam mendeteksi setiap gangguan dan melepaskan bagian-bagian yang terganggu dari sistem.

        Transformator daya merupakan komponen utama dalam gardu. Gangguan dalam transformator harus diisolasi agar tidak mengganggu sistem selama distribusi tenaga listrik untuk beban lain. Relay diferensial pada transformator daya relay proteksi untuk mendeteksi gangguan internal. Makalah ini membahas pengaturan dan kesalahan ketidakcocokan relay diferensial di gardu Tengah Duri di switchgear # 3

Keywords: hubungan pendek, relay diferensial, transformator daya

1. Pendahuluan

Sistem kelistrikan merupakan elemen penting untuk menunjang proses produksi pada industri. Sistem pembangkitan untuk penyediaan tenaga listrik yang terdiri atas fasilitas-fasilitas pembangkitan, transmisi, dan distribusi diatur agar sistem tidak hanya beroperasi dengan efisiensi yang setinggi mungkin, tetapi seluruh peralatannya juga diamankan dan dilindungi terhadap kerusakan.

Manfaat sistem proteksi dan relai-relai pengaman adalah agar pemutus-pemutus daya yang tepat dioperasikan supaya hanya bagian yang terganggu saja yang dipisahkan secepatnya dari sistem, sehingga kerusakan peralatan listrik yang disebabkan oleh gangguan menjadi sekecil mungkin.

Salah satu komponen yang sangat penting peranannya dalam system tenaga listrik adalah transformator tenaga. Transformator tenaga ini berfungsi untuk mengubah besaran tegangan.

Dengan menggunakan transformator tenaga, penyaluran energy dapat luas jangkauannya sehingga penempatan pembangkitan tidak harus berdekatan dengan beban.

Untuk menjaga transformator tenaga dari gangguan diperlukan pengaman. Salah satu pengaman transformator tenaga adalah relai diferensial. Gambar sederhana sebuah sistem tenaga listrik diperlihatkan pada Gambar 1. berikut:

Gambar 1. Sistem Tenaga Listrik

2. Relai Diferensial

Relai diferensial adalah salah satu relai pengaman utama system tenaga listrik yang bekerja seketika tanpa koordinasi relai disekitarnya sehingga waktu kerja dapat dibuat secepat mungkin.

Daerah pengamanannya dibatasi oleh pasangan trafo arus dimana relai diferensial dipasang sehingga relai diferensial tidak dapat dijadikan sebagai pengaman cadangan untuk daerah berikutnya. Proteksi relay diferensial bekerja dengan prinsip keseimbangan arus (current balance).

Prinsip ini berdasarkan hukum kirchhoff yaitu membandingkan jumlah arus masuk ke primer (Ip) sama dengan jumlah arus yang keluar dari sekunder (I_S). (Kadarisman,No Year: 8-20).

Dimana:

Id = Arus Diferensial (A)

Ip = Arus Sisi Masuk (A)

Is = Arus Sisi Keluar (A)

Gambar 2. menunjukkan relai diferensial dalam keadaan arus normal, dimana Ip dan Is sama  besar dan berlawanan arah.

Id = Ip + Is = 0 Ampere

Idif = I_P + I_S = 0 Ampere

Maka tidak ada tegangan yang melintasi coil relay dan tidak ada arus yang mengalir pada relai tersebut, sehingga relai diferensial tidak bekerja. (Jlewis, Blackburn, 2004: 10).

2.1. Gangguan Diluar Daerah yang Dilindungi

            Pada gangguan diluar (eksternal) daerah proteksi relai diferensial (diluar kedua trafo arus), relai diferensial tidak akan bekerja, karena Ip danIs sama besar dan berlawanan arah (I_d = I_p + I_s = 0 Ampere, I_dif  = I_P + I_S = 0 Ampere), seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3. berikut. (J lewis, 2003: 10).

Gambar 3. Relai Diferensial Saat Gangguan Eksternal

2.2. Gangguan Didalam Daerah yang Dilindungi

Untuk gangguan didalam (internal) daerah proteksi relai diferensial (diantara kedua trafo arus), Ip dan Is searah.

I_d = I_p + I_s > 0 Ampere

I_dif = I_P + I_S > 0 Ampere

Karena arus akan menuju titik gangguan, sehingga relai diferensial akan bekerja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Relai Diferensial Saat Gangguan Internal

Pada saat ada arus yang mengalir lewat relai, maka relai akan mengirim sinyal pada lock out relay. Sinyal ini akan di teruskan ke C/S dan memerintahkannya untuk lock out sehingga aliran energi listrik terputus, maka transformator tenaga yang diamankan bebas dari pengaruh gangguan yang ada.

3. Karakteristik Relai Diferensial

Karakteristik diferensial dibuat sejalan dengan Unbalances current (Iμ), untuk menghindari terjadinya kesalahan kerja. Kesalahan kerja disebabkan karena CT ratio mismatch, adanya pergeseran fasa akibat belitan transformator tenaga terhubung (Y) – (Δ).

Gambar 5. Prinsip Pengoperasian Relai Diferensial

Perubahan tap tegangan (perubahan posisi tap changer) pada transformator tenaga oleh On Load Tap Changer (OLTC) yang menyebabkan CT mismatch juga ikut berubah.

Kesalahan akurasi CT, Perbedaan kesalahan CT di daerah jenuh (Saturasi CT), dan Inrush current pada saat transformator energize menimbulkan unbalances current (Iμ) yang bersifat transient.

Untuk mengatasi masalah unbalance current (Iμ) pada relai diferensial caranya dengan menambahkan kumparan yang menahan bekerjanya relai di daerah Iμ. Kumparan ini di sebut Restraining Coil, sedangkan kumparan yang mengerjakan relai tersebut di sebut Operating Coil.

Arus diferensial didapat dari menjumlahkan komponen arus sekunder perfasa di belitan 1 (|®1 I |) dan belitan 2 (|®2 I |) secara vector perfasa.

Jika arus berlawanan dalam arti yang satu menuju relai dan yang lainnya meninggalkan relai, maka akan saling mengurangi dan sebaliknya jika arus searah berarti yang kedua-duanya menuju atau

meninggalkan relai, maka akan saling menjumlahkan.

Arus penahan (restrain) didapat dari arus maksimal komponen arus sekunder perfasa di belitan 1(|®1 I |)dan belitan 2 (|®2 I |)

Irestrain = Ir

     = max |®1 I | , |®2 I |)                                                                                       (2)

Slope didapat dengan membagi antara komponen arus diferensial dengan arus penahan. Slope 1 akan menentukan arus diferensial dan arus penahan pada saat kondisi normal dan memastikan sensitifitas relai pada saat gangguan internal dengan arus gangguan yang kecil.

Sedangkan Slope 2 berguna supaya relai tidak kerja oleh gangguan eksternal yang berarus sangat besar sehingga salah satu CT mengalami saturasi (diset dengan slope lebih dari 50%)  

Pada Gambar 6. halaman berikut merupakan karakteristik relai diferensial. Daerah di atas kurva adalah daerah kerja relai diferensial, sedangkan pada daerah di bawah kurva, relai tidak akan bekerja. (Anderson Anvenue, 2001:214-300)

3.1. Syarat Pengaman Relai Diferensial

a)      Trafo arus yang digunakan oleh relai diferensial ini harus memiliki rasio perbandingan CT1 dan CT2 sama, contohnya 200:5 dan 1500:5, sehinggga Ip = Is, serta sambungan dan polaritas CT1 dan CT2 sama. Polaritas trafo arus memperlihatkan arah arus yang masuk dan keluar dari trafo arus Jika tidak, akan terjadi kesalahan dalam melihat arus yang masuk dan keluar melalui transformator tenaga. Hal ini, menyebabkan kesalahan dalam menentukan adanya gangguan di transformator tenaga.

b)      Adanya pergeseran fasa akibat hubungan trafo tenaga yang terhubung delta (Δ) - (Y) maka untuk mengembalikan sudut phasa arus yang tergeser tersebut, hubungan trafo arus di buat berbeda dan sudut pada CT di sisi primer dan CT di sisi sekunder trafo berbeda 1800. Hubungan CT di primer berbeda dengan CT di sekunder yaitu satu sisi terhubung Y, lainnya Δ. Yang terhubung Δ menghasilkan dan adanya arus magnetisasi dari trafo tenaga di sisi primer menyebabkan pergeseran fasa, Oleh karena itu diperlukan suatu CTtambahan (auxiliary CT – ACT) yang terhubung Y, karena proteksi diferensial harus membandingkan arus pada dua sisi tanpa perbedaan fasa.

c)      Karakteristik kejenuhan CT1 dan CT2 harus sama

3.2. Skema Rele Diferensial (87t)

     Gambar 8. mengilustrasikan skema pengaman diferensial trafo tiga fasa yang disederhanakan. Sisi tegangan tinggi 115 kV hubung Δ RST yang mendahului sisi tegangan rendah 13.8 kV hubung (Y) XYZ dengan sudut30°.

     Untuk pemasangan relai diferensial perlu diperhatikan arus urutan nol, agar relai diferensial tidak salah kerja atau beroperasi pada saatgangguan luar.Selain itu, Trafo arus pada sisi primer trafo tenaga yang terhubung dengan belitan Delta dihubungkan Y dan trafo arus pada sisi sekunder trafo tenaga yang belitannya terhubung Y dihubungkan Δ sehingga menghilangkan komponen urutan nol yang ada di sisi sekunder tranformerdan menyamakan arus yang keluar dari CT sehingga arus yang luar dari CT tetap sama fasa yakni iR-iT’, iS-iR’ dan iT-iS’.

Gambar 8. Skema Diferensial Trafo tenaga Pada Operasi Normal

Keterangan:

R : Restraint coil

O : Operation coil

iR,iS,iT : arus yang mengalir di sisi primer

ix,iy,iz : arus yang mengalir di sisi sekunder

R, S, T : line di sisi primer

X, Y, Z : line di sisi sekunder

CT1 = CT2 = CT3 = CT4 = CT5 = CT6

= Current Transformer

4. Data Perhitungan Setelan Relai Differensial

Sistem transmisi yang akan dianalisa gangguan hubung singkatnya adalah saluran transmisi pada Gardu Induk Central Duri di switchgear #3

Pada gardu ini aliran dayanya berasal dari sumber Generator 29,6 MVA, 13,8 kV dan dihubung ke transformator tenaga berkapasitas 28 MVA

untuk disalurkan ke sistem transmisi 115 kV.

Analisa gangguan hubung singkat pada saluran ini adalah untuk menghitung setelan relai diferensial dan mengetahui seberapa besar perkiraan error relai diferensial yang mungkin dapat terjadi.

Bagan gambar jaringan sistem tenaga listrik Gardu Induk central duri#3, terdapat pada Gambar 9.

4.1 Data Jaringan PT Chevron Pacific Indonesia

Sebelum memulai perhitungan, perlu diketahui terlebih dahulu data yang diperlukan untuk menghitung penyetelan relai diferensial transformator, sebagai berikut:

1. Daerah yang akan dianalisa

2. Data impedansi

3. Data / name plate transformator Gardu Induk Central Duri di switchgear #3       

4. Data sumber (GI)

5. Data

Gambar 9. Skema Gardu Induk Central Duri #3

Keterangan:

A : Gardu Induk Central Duri di switchgear #3

B : Transformator Tenaga

C : Sistem 115 kV

Berikut data lengkap yang diberikan:

Keterangan:

Rt = resistansi urutan positif dan negative

Xt1 = reaktansi urutan positif dan negatif

Rto = resistansi urutan nol

Xto = reaktansi urutan nol

Keterangan:

d’ : resistansi transien synchronous

Xd’ : reaktansi transien synchronous

Rd’’ : resistansi subtransien synchronous

Xd’’ : reaktansi subtransien synchronous

Ro : resistansi urutan nol

Xo : reaktansi urutan nol

Tabel 5. di bawah ini adalah hasil perhitungan admitansi jaringan urutan positif, urutan negatif dan urutan nol menggunakan programMicrosoft Excel.

4.2. Pemilihan CT Ratio

Pemilihan CT disesuaikan dengan alat ukur dan proteksi. Pemilihan CT dengan kualitas baik akan memberikan perlindungan sistem yang baik pula. Relai diferensial sangat tergantung terhadap karakteristik CT.

Jika karakteristik CT bekerja dengan baik, maka sistem akan terlindungi oleh relai diferensial ini secara optimal. CT ditempatkan dikedua sisi peralatan yang akan diamankan (transformator tenaga), seperti yang terlihat pada Gambar 8. CT ratio untuk relai diferensial yang dipilih sebaiknya memiliki nilai yang mendekati nilai Irating . (Sukmawidjaja, 1995: 3-115)

Dimana:

I_n : arus nominal (A)

S : Daya yang tersalur (MVA)

Dari persamaan 4, arus nominal dikedua sisi transformator adalah sebagaiberikut ;

Transformator dapat menarik beban lebih hingga 110% dari kapasitasnya, selama temperatur belitan dibawah temperatur maksimumnya.

Maka perbandingan ratio trafo arus (CT ratio) dapat dihitung dari nilai arus rating dikedua sisi tegangan transformator tenaga tersebut dan disesuaikan dengan spesifikasi CT ratio yang ada dipasaran sedangkan nilai sekunder CT (5A atau 1A) disesuikan dengan peralatan proteksinya.

4.3. Tap Auxillary

Auxillary CT adalah CT bantu yang berguna untuk menyesuaikan besar arus yang masuk ke relai diferensial akibat proses pergeseran fasa oleh transformator tenaga dan beda tegangan primer dan sekunder transformator tenaga.

Untuk pemilihan tap auxillary CT sama dengan CT dan penempatan CT auxillary diletakkan pada sisi 13,8 kV yang CT dihubung delta untuk menghilangkan arus urutan nol dan menyamakan fasa ( lihat pada Gambar 8 ).

Untuk menghitung nilai tap ratio dari Auxillary CT di mulai dari arus nominal sekunder CT yang tidak dihubungkan Δ, yang untuk transformator ini ada di sisi 115 kV. Pada sisi tegangan 115 kV ini menggunakan ratio CT = 200:5 sehingga:

 

Arus yang mengalir di sisi sekunder CT2 adalah:

Karena Sekunder CT2 di hubung Δ , maka arusnya menjadi:

Maka tap auxillary yang dipilih adalah 9,62 : 5

4.4. Setelan Relai Diferensial

Diatas telah dihitung nilai CT ratio pada kedua sisi transformator tenaga, maka sekarang dapat dihitung di hitung nilai arus diferensial (Id) dan arus restraint (Ir) kemudian didapat nilai Setting Arus(Iset).

Relai diferensial hanya akan beroperasi saat ada gangguan didalam transformator dan tidak beroperasi saat keadaan gangguan diluar dan keadaan normal.

4.4.1. Perhitungan setelan Relai Diferensial Pada Gangguan Dalam

Untuk gangguan didalam transformator tenaga, relai diferensial beroperasi Jika:

Arus diferensial (Id) merupakan arus operasi (Ioper) pada relai diferensial. Dari hasil perhitungan arus gangguan fasa R, S dan T yang mengalir pada saat gangguan hubung singkat tiga fasa didalam transformator dengan menggunakan program Microsoft Excel didapat arus diferensial diperlihatkan pada tabel berikut.

Tabel. 7. Arus diferensial Untuk Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa

(K-K-K) Pada gangguan di tranformator di saluran

Gardu Induk Central Duri #3

Tabel. 8. Arus Restrain Untuk Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa

(K-K-K) Pada gangguan di tranformator di saluran

Gardu Induk Central Duri #3

        Slope pada Karakteristik relai difererensial pada gambar ada dua, yaitu slope 1 untuk gangguan didalam transformator 25% dan slope 2 untuk gangguan diluar transformator 100%.

        Untuk gangguan didalam transformator tenaga , setelan relai diferensial sebesar 25% dan untuk gangguan diluar transformator tenaga setelan relai diferensial sebesar 100%. Setelan persenan ini telah ditentukan dari karakteristik kerja relai diferensial.

        Pada gangguan didalam transformator tenaga slope 1 di set 25%, dan relai diferensial bekerja jika iset < ioper maka Iset untuk gangguan tiga fasa ini pada fasa R adalah:

Arus operasi sama dengan arus diferensial (I_oper = I_d ) , pada Tabel 7. I_d =

55,677 A

Gambar 10. Perbandingan nilai Ioper dan Iset saat gangguan didalam

Transformator

Karena i_set < i_oper maka relai diferensial trip.

Untuk letak titik gangguan di gambar karakteristik relai diferensial arus diferensial dan arus restraint diubah dalam satuan PU.

Untuk menghitung arus dalam pu:

Dibawah ini adalah gambar karakteristik relai diferensial yang memperlihatkan letak titik nilai gangguan, untuk gangguan fasa R, S dan T yang mengalir pada saat gangguan hubung singkat tiga fasa didalam transformator tenaga.

Gambar 11. Karakteristrik Relai Diferensial T60 Dititik Gangguan Dalam

Transformator Untuk gangguan Tiga Fasa

Keterangan:

a)   Karakteristrik Relai Diferensial T60 Dititik Gangguan Dalam Transformator Untuk

     gangguan Tiga Fasa.

b)   gangguan didalam jangkauan relai diferensial

4.4.2. Perhitungan Setelan Relai Diferensial Pada Gangguan Luar

         Untuk kerja relai diferensial agar tidak salah kerja saat operasi normal dan gangguan luar maka setelan relai diferensial adalah:

i_set > i_oper

maka relai diferensial tidak beroperasi.

         Dari hasil perhitungan saat ada gangguan fasa R-S-T di bus A di saluran transmisi Gardu Induk Central Duri #3 dengan menggunakan program Microsoft Excel didapat arus diferensial diperlihatkan pada table berikut adalah sama perhitungannya dengan Tabel 9.

Tabel. 9. Arus diferensial Untuk Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa (KK-

K) Di bus A di Saluran Gardu Induk Central Duri #3

`           Hasil perhitungan Arus restraint saat ada gangguan tiga fasa R-S-T di bus A di saluran transmisi Gardu Induk Central Duri #3 dengan menggunakan program Microsoft Excel diperlihatkan pada tabel berikut adalah sama perhitungannya dengan Tabel 10.

Tabel. 10. Arus Restrain Untuk Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa (K-KK)

Di bus A di Saluran Gardu Induk Central Duri #3

Setelah hasil perhitungan Arus restraint untuk gangguan tiga fasa R-S-T di bus A di saluran transmisi Gardu Induk Central Duri #3 kemudian dihitung setelan rele diferensial. Pada gangguan diluar transformator slope 2 di set 100%, dan relai diferensial tidak bekerja jika iset > ioper maka Iset untuk gangguan ini pada fasa R adalah:

Iset = slope 2 x Ir (7)

       = 100% x 28,958 A

       = 28,958 A

Arus operasi sama dengan arus diferensial (Ioper = Id ) , pada Tabel 9. Id =

14,990 A

Gambar 12. Perbandingan nilai Ioper dan Iset saat gangguan diluar

Transformator

Karena i_set > i_oper maka relai diferensial tidak trip.

Untuk melihat letak titik gangguan di gambar karakteristik relai diferensial arus diferensial dan arus restraint diubah dalam satuan pu.

I_d = 14,990 A

I_r = 28,958 A

I_{dasar sec CT} = 5

Untuk menghitung arus dalam pu:

Dibawah ini adalah gambar karakteristik relai diferensial yang memperlihatkan letak titik nilai gangguan, untuk gangguan fasa R, S dan T yang mengalir pada saat gangguan hubung singkat tiga fasa di bus A.

Gambar 13. Karakteristik Relai Diferensial T60 Dititik Gangguan di bus A

Untuk gangguan Tiga Fasa

Keterangan:

1.      Karakteristrik Relai Diferensial T60 Dititik Gangguan diluar transformator Untuk gangguan Tiga Fasa

2.      gangguan diluar jangkauan relai diferensial

4.5. Error Mismatch

Meskipun dari perhitungan telah di dapat ratio CT Pada halaman 10 yaitu pada sisi 115 kV (CT1) = 200 : 5, dan pada sisi 13,8 kV (CT2) = 1500 : 5. Nilai CT ratio yang dipilih ini adalah sesuai dengan CT yang ada dipasaran. Karena adanya perbedaan ini maka akan terjadi kesalahan dalammembaca perbedaan arus dan tegangan di sisi primer dan sekunder transformator tenaga serta pergeseran fasa di trafo arus. kesalahan ini disebut mismatch error. (Anderson Anvenue, 2001: 214-300).

Pada relai diferensial untuk melihat mismatch error didapat dari perbandingan CT dengan tegangan pada persamaan (8):

Untuk menghitung error mismatch sebelumnya terlebih dahulu menghitung nilai CT yang ideal di salah satu sisi transformator tenaga, misal untuk sisi 13,8 kV (CT2) dengan persamaan (9):

Dimana:

CT₁ : current transformer pada sisi primer

CT₂ : current transformer pada sisi sekunder

V₁ : tegangan di sisi primer (KV)

V₁ : tegangan di sisi sekunder (KV)

Maka ratio CT2 di sisi 13,8 kV saat maxsimum load adalah = 1666,667 : 5

Ratio CT yang digunakan di sisi 13,8 kV adalah 1500 : 5, sedangkan idealnya CT untuk sisi 13,8 kV adalah 1666,667 : 5 .Maka, error mismatch didapat dari perbandingan antara CT ideal dengan CT yang ada dipasaran. Error mismatch untuk relai diferensial adalah:

Kesalahan relai diferensial dalam mengamankan transformator dari gangguan adalah sebesar 1,111 % .Untuk memperbaiki error mismatch pada relai diferensial ini dapat dilakukan dengan menaikkan atau menurunkan tap pada CT.

Error mismatch diharapkan nilainya sekecil mungkin agar proteksi relai diferensial bekerja secara optimal dalam mengamankan transformator tenaga. Dengan syarat kesensitifan relai diferensial dalam pengoperasian Mismatch error tidak boleh lebih dari 5%. Syarat ini ditentukan untuk proteksi agar optimal menjaga sistem tenaga listrik dari gangguan.

5. Kesimpulan

1.      Relai diferensial transformator adalah relai utama yang bekerja mengamankan transformator tenaga dari gangguan didalam transformator tenaga dan tidak bekerja saat terjadi gangguan di luar transformator tenaga.

2.      Pada karakteristik relai diferensial, setelan rele diferensial untuk gangguan didalam transformator tenaga sebesar 25% lebih kecil dibandingkan untuk gangguan di luar transformator sebesar yang 100% dan untuk nilai pick up di ambil dari ratio error CT.

3.      Error mismatch adalah kesalahan dalam membaca perbedaan arus dan tegangan di sisi primer dan sekunder transformator tenaga serta pergeseran fasa di trafo arus. Nilai Error mismatch harus lebih kecil dari 5 % agar proteksi relai diferensial lebih optimal dalam mengamankan transformator tenaga.

Daftar Pustaka

1.      Anderson Anvenue, Markham, Ontario “Transformer Managemen Relay Instruction Manual” GE Power Management. Canada . 2001.

2.      Anderson Anvenue, Markham, Ontario “ T60 Transformer ManagementRelay UR Series Instruction Manual” GE Power Management. Canada .2003.

3.      J lewis, Blackburn “ Protective Relaying Principles And Applications”second edition. 2004

4.      Kadarisman, Pribadi,“ Diktat Kuliah Sistem Proteksi “.

5.      Sukmawidjaja, Maula. 1995. Edisi ke-2. “Teori Soal Dan Penyelesaian Analisa Sistem Tenaga Listrik II”. Jakarta: Jurusan Teknik Elektro, Universitas Trisakti.