overcurrent relay

4. Proteksi arus lebih dan hubung tanah

( Overcurrent and earth fault protection )

4.1 Pengertian dan aplikasi proteksi arus lebih

Proteksi arus lebih adalah proteksi atau perlindungan terhadap perubahan parameter arus yang sangat besar dan terjadi dengan cepat yang disebabkan oleh karena hubung singkat. Proteksi arus lebih ini antara lain diaplikasikan pada: Hubung singkat antar fasa yang dikenal sebagai proteksi arus lebih

(overcurrent protection) dan relay yang digunakan untuk proteksi tersebut disebut relay arus lebih (overcurrent relay)

Hubung singkat tanah, dikenal sebagai proteksi hubung tanah (earthfault protection/ groundfault protection) dan relay yang digunakan untuk proteksi ini dikenal dengan nama earthfault relay atau groundfault relay.

Overcurrent relay (O/C relay) dan earthfault relay (E/F relay), keduanya merupakan jenis relay arus (current relay) karena parameter operasinya adalah arus.

Overcurrent protection berbeda dengan overload protection walaupun keduanya bekerja berdasarkan perubahan parameter arus namun O/C relay tidak akan bekerja dengan tepat untuk kondisi kenaikan arus yang terjadi secara perlahan lahan dan baru bekerja pada nilai 110-115% dari nilai setting relay tersebut ( yang mana biasanya dipilh sama besar denga dengan rating peralatan apabila dianggap sebagai overload protection ).Sehingga pada saat relay tersebut bekerja, system sudah berada pada kondisi yang dikenal sebagai kondisi overloaded. Oleh karena itu overcurrent relay tidak sesuai bila digunakan sebagai overload protection atau pembatas daya.

4.2 Konstruksi relay arus lebih elektromekanik

Konstruksi overcurrent relay dan earthfault relay tipe elektromekanik, berdasarkan cara kerjanya di bagi atas:

Relay gaya tarik elektromekanik (attracted armature) Relay induksi elektromekanik (induction type)

Proteksi Arus Lebih dan hubung tanah

Sedangkan berdasarkan jumlah parameter penggeraknya, terdiri atas: Relay dengan besaran penggerak tunggal (single quantity relay) Relay dengan dua besaran penggerak (double quantity relay)

Konstruksi ini dapat dilihat pada gambar 3.4 dan persamaan momen relai elektromekanik.Selain pengelompokan relai arus berdasarkan konstruksinya, relay arus juga dapat dikelompokkan berdasarkan:

1. Karakteristik operasi (waktu operasi /top dibandingkan terhadap arus operasi /iop)

2. Arah pengaliran arus hubung singkat

Kedua pengelompokan ini dapat dilihat pada pembahasan bagian 4.4 dan 4.5.

4.3 Relay statik arus lebih.

4.3.1 Prinsip dasar relay statik arus lebih dan hubung tanah

Gambar 4.1 memperlihatkan blok diagram dari static overcurrent relay dengan waktu operasi, instantenous time dan delay time.

Input dari trafo trafo arus (CT) dimasukkan ke summation CT. Dari summation CT disalurkan ke auxiliary CT untuk penyesuain besar arus, serta filterisasi terhadap harmonik lain dari harmonik dasar dan penekanan terhadap spike yang mungkin ada pada besaran arus tersebut. Output dari input blok ini yang masih berupa besaran bolak balik selanjutnya disearahkan oleh rectifier dan disalurkan ke level detector. Untuk Instantaneous overcurrent relay, bila:

Iin < Ith Iout = 0 Iin > Ith Iout = 1

dimana:

Iin = arus input ke level detectorIout = arus output dari level detectorIth = nilai batas arus (setting/ threshold value)

34

Proteksi Arus Lebih dan hubung tanah 35

Gambar 4.2a. Static Overcurrent Relay ( Siemens Static Relay )

a. Tampak Depan b. Tampak

belakang


Gambar 4.2b. Digital Overcurrent Relay ( Schweitzer Electric Laboratory Static Relay )

Kemudian keluaran dari level detector diperkuat oleh amplifier dan disalurkan ke rangkaian output. Hasil dari rangkaian output inilah yang

36


akan menggerakkan trip coil CB, baik secara langsung atau melalui tripping relay.

Bila dikehendaki overcurrent relay dengan “perlambatan waktu/ delay time” maka rangkaian waktu (timing circuit) dipasang sebelum level detector. Pada level detector pertama (1), apabila arus yang masuk > dari level/setting yang telah ditentukan menyebabkan relay mulai pick up namun belum bekerja (operates), karena ada timing circuit yang harus dilewati terlebih dahulu selanjutnya menuju ke level detector ke dua (2) yang settingnya sama dengan level detector pertama, level detector ke-dua ini memeriksa apakah arus yang dideteksi masih > dari pada setting, apabila parameter tersebut > dari setting, maka selanjutnya menuju ke amplifier dan prosesnya sama dengan instantenous overcurrent relay.

4.3.2 Keuntungan relay statik arus lebih terhadap electromagnetic overcurrent relay.

Static over current relay mempunyai beberapa keuntungan, yaitu:a. Konsumsi volt ampere (VA) lebih kecil dibandingkan dengan relay

elektromagnetik.Relay static : 7 mVA ~100 mVARelay elektromagnetik : 1000mVA ~ 3000 mVA

b. Bentuknya lebih kompakSebuah relay statis 3 fasa ukurannya ¼ ukuran 3 relay elektromagnetik 1 fasa.

c. Tidak dipengaruhi oleh vibrasi, debu dan polusi udara.d. Mempunyai karakteristik I/T yang lebih bervariasi.e. Tidak ada bagian yang mengalami keausan.

4.4 Karakteristik operasi relay statik arus lebih.

Persamaan umum yang digunakan untuk karakteristik operasi ini adalah:

dimana:I = arus yang dirasakan oleh relaik = konstantat = waktu operasin = indeks karakteristik dari relai

Dimana n berubah-ubah dari 0 sampai dengan 8, contoh:

37


1. Untuk n = 0 Io.t = k t = k, sehingga diperoleh karakteristik seperti pada gambar 4.3 yang dikenal sebagai definite characteristic.

2. Untuk n = 1 I1.t = k I.t = k,sehingga diperoleh karakteristik seperti pada gambar 4.3 yang dikenal sebagai inverse characteristic.

3. Untuk n = 8 I8.t = k , sehingga diperoleh karakteristik seperti pada gambar 4.3 yang dikenal sebagai extreemly inverse.

38


Gambar 4.3 Karakteristik over current relay

Berdasarkan karakteristik operasi dari arus lebih ini maka relay static arus lebih, juga dapat dibedakan menjadi:

39


1. Relay arus lebih tanpa perlambatan waktu (instantenous over current relay)

2. Relay arus lebih dengan perlambatan waktu (delay time over current relay)

3. Relay arus lebih dengan waktu operasi (top) berbanding terbalik terhadap arus operasi (inverse time over current relay)

4. Relay arus lebih inverse dengan perlambatan waktu minimum tertentu (inverse minimum time lagging over current relay/ IDMTL)

Untuk instantenous over current relay tipe elektromagnetik waktu operasi dalam orde 0.1 detik sedangkan untuk tipe statik waktu operasi dalam orde cycle, dapat antara 0.5 cycle ~ 1.0 cycle (10 msecond ~ 20 msecond)

Waktu operasi dari relay statik dapat juga dinyatakan sebagai berikut:

t =

dimana:I = tap current multiplierIp = multiple of tap current pada saat pick upM = TMSK = konstanta desain dari relait = waktu operasi relay

Karakteristik tipikal dari static over current relay antara lain:

1. IDMT standard inverse (A) :

2. Very inverse (B) :

3. Extreemly inverse (C) :

4. Definite Time (E) : t =

40


5. Long Inverse (D) : t =

a. Inverse b. Very Inverse

41


c. extremely inverse d. long inverse

Gambar 4.4 Karakteristik Relai Over Current

4.5 Setting arus Lebih

4.5.1 Setting I pick up

a. Batas MinimumPersamaan untuk arus settimg minimum adalah:

dimana:Is (min) = arus setting minimum

(umumnya di-set 1.2 – 1.5 arus pengenal CT)Imax = arus beban maximumKs = safety factor

42


Kd = reset/pickup factor = reset current/ pick up current= 0.8 – 0.9 (untuk relay elektromagnetik)= 1.0 (untuk relay induksi)= 0.9 – 1.0 (untuk relay numeri dan numeric)

b. Batas MaximumPersamaan untuk arus setting maximum adalah

dimana:Is(max) = arus setting minimum untuk jangkauan maximumIhs(min)= Ihs.2; pada daerah yang berada 1 section ke sebelah

hilir lokasi overcurrent relay dan besar Ihs yang dipakai sebagai reference adalah Ihs.2

4.5.2 Setting Operasi Relay (Definite Time & Inverse)

a. Setting top untuk section paling hilirPada umumnya di-set sebesar ts = 0.2 – 0.3 detik, baik untuk definite time maupun inverse time

b. Setting top untuk overcurrent relay yang berada pada satu section ke arah hulu

Overcurrent relay pada section ini di-set sebesar:t = 0.3 – 0.5 detik, lebih lambat dari yang berada pada satu section disisi hulunya, perbedaan waktu ini biasa juga disebut dengan “selective time interval = s

Komponen t atau s, antara lain:- kesalahan relay pada sisi hilir = 0.1”- kesalahan relay setempat = 0.1”- CB fault clearing time = 0.05” – 0.1”- safety factor = 0.1” – 0.2”

4.5.3 Setting Instantenous Arus lebih

43


Setting arus instantenous arus lebih dapat dinyatakan seperti pada persamaan berikut:

dimana:Im = setting arus instantenous arus lebihIhs(max) = arus hubung singkat maximumKs = safety factor

Jangkauan instantenous arus lebih = 0.8 dari panjang line

4.6 Relay arus lebih terarah ( Directional over current relay)

Relay arus lebih terarah adalah suatu jenis relay dengan parameter masukan arus dan tegangan yang merupakan phase comparison dan responsive terhadap I.V. cos . Jadi momen penggeraknya sebanding dengan cos , yang bernilai positif bila = +900 sampai -900, sehingga dapat digambarkan sebagai berikut.

Karena setiap relai memerlukan momen minimum untuk melawan momen lawan, maka dapat digambarkan sebagai berikut:

44


Cara Penyambungan Directional Relay:Salah satu istilah yang sering muncul dalam membicarakan directional relay adalah: maximum torque angle (m.t.a). M.t.a adalah besar pergeseran sudut arus relay terhadap tegangan relay agar dihasilkan momen maximum, sehingga dikenal beberapa koneksi pada directional relay antara lain:

1. Koneksi 30o pada m.t.a = 0

Relay phase Arus relay Tegangan Relay

R IR VR-B

Y IY VY-R

B IB VB-Y

Dikatakan m.t.a = 0 karena VR dan IR sefase (gambar 4.6a), sedangkan gambar 4.6b memperlihatkan karakteristik operasi relay fase R.

45



Relay Fase Arus Relay Tegangan Relay

R R – Y R – B

Pada koneksi ini arus IRY sefase dengan VRY sehingga mta =0.Koneksi ini dapat diandalkan tetapi trafo arus harus dihubung delta sehingga penggunaannya untuk aplikasi lain menjadi kurang cocok, sehingga koneksi ini jarang digunakan.

46



Koneksi ini sangat luas digunakan, dengan hubungan sebagai berikut:

Relay phase arus relay tegangan relay

R IR VY-B

Y IY VB-R

B IB VR-Y

Keunggulan koneksi 90o terhadap 30o dapat dilihat pada gambar 4.9. Misalkan hubung singkat terjadi pada fase Y-B. V1B, V1Y, V1B-R, V1Y-B

dan V1R-Y adalah tegangan pada saat gangguan, dan arus tertinggal (lagging) 75o terhadap tegangan. Terlihat pada relay Y, tegangan V1B-R tidak terlalu jauh beda terhadap VB-R demikian pula pada relay B, tegangan V1R-Y

juga tidak terlalu jauh berbeda dengan VR-Y.

47


4. Koneksi 45o = koneksi 90o dengan mta = 45o

Dalam hal ini hubungan ini dikompensasi dengan tahanan sehingga polarisasi mendahului atau leading 45o.

Gambar 4.10b memperlihatkan diagram phasor untuk hubungan rangkaian pada gambar 4.10a sehingga diperoleh daerah operasi relay seperti pada gambar 4.10c. Koneksi ini memiliki resiko minimum terhadap kesalahan operasi sehingga memmbuatnya menjadi cocok untuk banyak aplikasi.

5. Koneksi 90o untuk mta = 45o

Directional relay dengan koneksi 90o pada mta =45o juga disbut juga dengan koneksi 45o.

Untuk diagram relay fase R maka Vc (tegangan efektif koil) dimajukan 45o, dimana sebelumnya daerah operasi adalah + 90o sampai – 90o terhadap VYB, dan setelah ditambahkan komponen R daerah operasi menjadi 45o terhadap VYB sampai dengan 45o terhadap VYB .

Keuntungan dari koneksi ini adalah daerah operasi menjadi lebih besar dibandingkan unity power factor.

48

Proteksi Arus Lebih dan hubung tanah 49

overcurrent relay

Documents