relai jarak (distance relay)_cok.pdf
TRANSCRIPT
RELAI JARAK
PROTEKSI SISTEM LISTRIK
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS INDONESIA
JAKARTA
AGUS.R.UTOMO
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
1. PRINSIP DASAR
• Relai jarak (distance Relay) adalah relai yang mengukur tegangan saluran (linevoltage) dan arus saluran (line current) pada lokasi relai dan mengevaluasiperbandingan kedua besaran tersebut.
• Contoh :
Gambar 1. Gangguan pada sistem tenaga listrik
Dalam contoh ini relai berada pada bus A.
• Relai tidak memproteksi seluruh jarak (panjang) saluran (A-B), melainkan bekerjahanya pada jarak tertentu berdasarkan jarak (jangkauan) proteksinya ( k ) yangdisebut jarak setting (reach setting), dalam satuan jarak.
• Relai Jarak digunakanuntuk memproteksi saluran transmisi
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 1
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 2
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 3
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
2. PERBANDINGAN IMPEDANSI SUMBER DAN IMPEDANSI SALURAN
Rangkaian ekivalen :
∼∼∼∼R
Sumber (Source) Saluran (Line)
ZL
ZZ R I
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 4
VR
ZLZS
VS
V
VL = VR
R IR
ZL = Impedansi Saluran
ZS = Impedansi Sumber
= Besar daya (MVA)
gangguan pada titik
relai
Gambar 2. Rangkaian sistem sederhana
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
• Loop impedansi sederhana dengan tegangan V, seperti gambar 2, tergantung dari
jenis gangguannya :
a. Gangguan fasa.
b. Gangguan Tanah.
• Khusus gangguan tanah, tergantung dari metode sistem pentanahan dibelakang
titik relai.
Persamaan tegangan relai VR. VR = IR . ZLPersamaan tegangan relai VR.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 5
VR = IR . ZL
LSR ZZ
VI
+=
VZZ
ZV
LS
LR +
=
V
ZZ
V
LS
R 1
1
+
= ( 4 )
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
• ZL = Impedansi saluran.
• IR = Impedansi relai.
• VR = Tegangan Relai = IR. ZL untuk gangguan pada titik jangkauan yang
diekpresikan dengan dan tergantung dari rasio (ZS/ZL).
Persamaan (1) berlaku untuk segala jenis gangguan, dengan syarat :
1. Gangguan Fasa
V merupakan tegangan delta (segitiga) V∆ dan ZS/ZL adalah perbandingan
impedansi urutan positip sumber/saluran.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 6
∆
+
= V
ZZ
V
LS
R 1
1( 5 )
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
2. Gangguan Tanah
V merupakan tegangan Bintang (segitiga) VY dan ZS/ZL adalah perbandingan
impedansi urutan positip sumber/saluran.
Y
LS
R V
ZZ
V 1
1
+
=
ZS = 2ZS1 + ZS0
( 6 )
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 7
ZS = 2ZS1 + ZS0
ZL = 2ZL1 + ZL0
3∆= V
VY
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
Gambar 3. Contoh pengaruh perbandingan impedansi (ZS/ZL) pada posisi relai :
a. Ketika (ZS/ZL) = 1 , b. Ketika (ZS/ZL) = 7 , c. Ketika (ZS/ZL) = 0.33
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 8
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
3. JENIS-JENIS RELAI JARAK
Berdasarkan karakteristik trippingnya, relai jarak dibedakan menjadi beberapa jenis,
yaitu :
a. Relai Impedansi.
b. Relai Reaktansi.
c. Relai Admitansi (Mho).
d. Relai Ohm.
e. Relai Offset Mho.e. Relai Offset Mho.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 9
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
3.1. Relai Impedansi
Relai Impedansi mengukur jarak dengan membandingkan arus dan tegangan
gangguan pada loop gangguan itu sendiri.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 10
Gambar 3. Karakteristik operasi relai Impedansi
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
Berdasarkan persamaan komparator amplitudo :
Bila sinyal inputnya dijaga konstan, maka :
CaKK 2||)( 223
21 −
{ } 0)()cos()cos(2)(22
422221221
223
21 =−+−−−+− BKKKKKKBAAKK φθφθ
VKS 11 =
IKS 42 =
IBVAKK ==== ; ; 032
Substitusikan keaddan ini ke dalam persamaan di atas, maka :
Z = Konstanta = K
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 11
CaKK 2||)( 223
21 − IBVAKK ==== ; ; 032
224
221 IKVK =
1
4
K
K
I
V = ( 7 )
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
3.2. Relai Reaktansi
Pada umumnya relai ditentukan oleh komparator fasa, namun relai reaktansi justru
membandingkan nilai reaktansinya.
Dari persamaan komparator fasa tersebut :
Sinyal-sinyal masukan pada komparator :
{ } 0)cos()()cos()cos()( 422
312324412
31 =−+−−−+ θθφθφθ BKKBAKKKKAKK
φθ −∠+−=
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 12
)('1 φθ −∠+−= IKKVS
)('2 φθ −∠= IKS
KK −=1
θ∠== '42 KKK
03 =K
IBVA == ;
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
} 0')cos('22 =+−− IKIVKK φθ
K
KZ
')cos( =− φθ
K
KZ
'sin =φ
K
KX
'=
( 8 )
( 9 )
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 13
K KX
0
K
KX
'=
R
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
3.3. Relai Mho (Admitansi)
Bila rangkaian komparator diberi input sinyal S1 dan S2 seperti berikut :
)('1 φθ −∠+−= IKKVS
KVS =2
KK −=1
θ∠= '2 KK
03 =K 04 =K
Substitusikan kondisi-kondisi di atas ke dalam persamaan komparator :
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 14
03 =K
IBVA == ;
} 0)cos('22 =−+− IVKKVK φθ
')cos(
K
K
V
I =− φθ
04 =K
')cos(
K
KY =− φθ
( 10 )
( 11 )
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 15
Gambar 5. Karakteristik operasi relai Mho (Admitansi)
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
3.4. Relay Kombinasi (Offset Mho)
Substitusikan ke dalam persamaan komparator :
)(21 φθ −∠+−= IKKVS
KK −=1 θ∠= 22 KK
IBVA == ;
)(42 φθ −∠+= IKKVS
θ∠= 44 KKKK =3
Bila , maka :
Dan , sehingga :
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 16
{ } 0)cos()cos( 24224
22 =+−+−−+− IKKVIKKKKVK φθφθ
I
VZ =
0)cos()( 424222 =−−++− φθKKKZKKZK
222 XRZ +=
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
Atau :
0)sincos(2
422
4222 =+−−+ θθ XRK
KK
K
KKXR
242
2422
2422
2
)(
2
sin)(
2
cos)(
+≤
−−+
−−K
KK
K
KKR
K
KKR
θθ ( 12 )
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 17
Gambar 6. Karakteristik operasi relai Offset Mho (Admitansi)
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
3.5. Relai Quadrilateral
.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 18
Gambar 7. Karakteristik operasi relai Mho (Admitansi)
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
4. ZONA PROTEKSI
4.1. Persyaratan Skema Relai Jarak
• Relai jarak harus dapat bekerja dengan baik untuk tugas ganda, yaitu sebagaiProteksi utama (primer) dan Proteksi Back-up.
• Proteksi primer harus bekerja cepat dan tanpa waktu tunda.
• Proteksi back-up harus bekerja jika dan hanya jika proteksi primer gagal bekerja.
Relai jarak harus mampu bekerja pada multi zona proteksi sesuai dengan selektivitas yang ketat dan persyaratan ketelitian.
Gambar 8. Contoh pembagian zona proteksi relay jarak pada sistem tenaga listrik
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 19
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
4.2. Peningkatan Waktu Kerja Relai Jarak
Peningkatan waktu kerja relai jarak terdiri dari 2 metoda, yaitu :
a. Metoda Waktu – Jarak. Peningkatan waktu kerja relai terjadi sebagai fungsi dari
peningkatan jarak antara relai dan lokasi gangguan.
b. Metoda Jarak Definite.
A. Metoda Waktu – Jarak
Koordinasi relai (lihat gambar 9a),Koordinasi relai (lihat gambar 9a),
• tA-tB = 0.5 det., sehingga gangguan pada seksi BC, relai di B bekerja pertama.
• Relai di A berfungsi sebagai backup proteksi.
• tB-tC = 0.5 det, bekerja dengan pola yang sama.
• Jenis proteksi seperti ini disebut proteksi lambat (berkecepatan rendah).
• Tidak tepat untuk proteksi sistem transmisi yang harus segera menghilangkan
efek gangguan secara cepat, untuk mencaga stabilitas sistem tenaga listrik.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 20
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 21
Gambar 9a. Peningkatan waktu relai jarak pada penyulang radial
Metoda Waktu - Jarak
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 22
Gambar 9b. Peningkatan waktu relai jarak pada penyulang radial
Metoda Jarak Definite
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
B. Metoda Jarak Definite
Koordinasi relai (lihat gambar 9b),
Relai bekerja dengan langkah-langkah karakteristik dalam 3 tingkatan.
• Zona 1. Jarak gangguan yang mungkin terjadi diperkirakan (ditentukan)sebelumnya- 80 % dari jarak penyulang yang diproteksi, sehingga pada zonatersebut relai akan bekerja dengan cepat untuk sembarang gangguan dantripping bisa terjadi.
• Zona 2. Meliputi sisa jarak zona 1 ditambah backup proteksi untuk penyulangberikutnya sekitar 40 % dari panjang penyulang tersebut, denga penambahanwaktu tunda (biasanya 0.5 det.).waktu tunda (biasanya 0.5 det.).
• Zona 3. Meliputi sisa jarak zona 2 dan seluruh jarak zona 3 yang harusdiproteksi, dengan waktu tunda berdasarkan waktu kerja zona 2.
• Parameter utama yang membuat relai jarak bekerja adalah :
1. Pengukuran impedansi atau reaktansi.
2. Jarak
3. Waktu
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 23
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
Untuk mendapatkan nilai maksimum (puncak) impedansi pada seksi n dapat dicaridengan :
• Zona 1 (80% dari seksi proteksi) :
• Zona 2
)()()1( 8.0 n
Ln
maks ZZ =
)1()()()2( 4.0 ++= n
Ln
Ln
maks ZZZ
t2 = t1 + ∆t
( 13 )
( 14 )
t1 = Waktu setting zona 1, t2 = Waktu setting zona 2, ∆t = 0.5 (waktu tunda)
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 24
zona2 di )( maksimum ImpedansiZ(n)maks(2) peaksetting=
proteksi seksisaluran Impedansi)( =nLZ
t2 = t1 + ∆t
zona1 di )( maksimum ImpedansiZ(n)maks(1) peaksetting=
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
5. TAHANAN GANGGUAN
Tahanan gangguan terdiri dari 2 komponen utama , yaitu :
a. Tahanan Busur
b. Tahanan tanah, hanya ada bila terjadi gangguan tanah.
Tahanan Busur dihitung denngan pendekatan rumus empiris Warrington :
410 x 9.2 LRarc = ( 15 )
Rumus empiris yang biasa diaplikasikan di Russia (Uni Sovyet)
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 25
4.1IRarc =
I
LRarc 1050= ( 16 )
( 15 )
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
VL = Tegangan nominal antar fasa [ kV ]
I = Arus gangguan [ A ]
υ = Kecepatan angin [ km/jam ]
t = Waktu [ detik ]
)47(50
tVI
R Larc υ+= ( 17 )
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 26
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
6. JANGKAUAN RELAI JARAK
• Impedansi saluran sebanding panjang saluran dan merupakan parameter utama untuk menghitung jarak dari gangguan terhadap lokasi relai.
• Relai akan mengukur tegangan ( V ) dan arus ( I ) sistem primer melalui :
a.Transformator Tegangan (Voltage Transformer ; VT).
b.Transformator Arus (Current Transformer ; CT).
• Nilai Impedansi Sekunder ( Zsek) yang digunakan untuk setting relai terbentuk dari :dari :
( 18 )
Iprim /Isek = Rasio Transformator Arus
Uprim/Usek = Rasio Transformator Tegangan
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 27
pri
sek
pri
sek
pri
prisek Z
UU
II
ZRasio VT
CTRasioZ x x
==
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
• Komponen DC pada gelombang arus gangguan akan menyebabkan jangkauan
lebih transien (Transient OverReach; TOR).
Jangkauan lebih transien didefinisikan sebagai :
% 001 x Zsy
ZsyZosTOR
−= ( 19 )
Zos = Impedansi maksimum yang menyebabkan relai bekerja sesuai dengan nilai
arus yang diperkirakan.
Zsy = Impedansi maksimum yang menyebabkan relai bekerja sesuai dengan nilai
arus simetri pada komponen Zos.
• Jangkauian Proteksi disebut juga sebagai Zona Proteksi.
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 28
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
• Zona 1
Diset untuk memproteksi 80 % - 85 % panjang jarak A-B, tanpa waktu tunda.
Setting jangkauan ini sengaja dipilih untuk :
1. Menghindari jangkauan lebih (over reach) ke dalam seksi saluran berikutnya.
2. Menjamin selektivitas berkaitan dengan error dan transien yang muncul pada
transformator arus dan transformator tegangan.
3. Desain manufaktur sebagai Batas Toleransi Keakurasian Pengukuran relai.
• Zona 2
Diset untuk memproteksi 100 % panjang jarak A-B, ditembah 20 % jarak
terpendek BC, dengan waktu tunda t2 (≈≈≈≈ 0.5 det).
• Zona 3
Diset untuk memproteksi 100 % panjang jarak A-B, B-C, ditambah 25 % jarak
terpendek CD, dengan waktu tunda t3 (≈≈≈≈ 1.5 det).
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 29
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
Proteksi Saluran Tipikal
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 30
PROTEKSI SISTEM LISTRIK RELAI JARAK
TABEL 1. DAFTAR KODE ANSI/IEEE UNTUK RELAI PROTEKSI YANG BERBEDA JENIS
AGUS R.UTOMO – DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO – UNIVERSITAS INDONESIA – JAKARTA 31