Rele Proteksi Pada Transformator

Rele Proteksi Pada Transformator Pengamanan pada trafo merupakan pengamanan yang sangat penting di karenakan trafo merupakan sumber tenaga bagi gardu induk. Adapun tujuan dari proteksi trafo ini adalah : a. Mencegah kerusakan trafo karena gangguan yang terjadi di daerah letak trafo dan di dalam trafo itu sendiri. b. Membatasi luas daerah terganggu (pemadaman) sekecil mungkin. c. Memberikan pengamanan cadangan bagi instalasi lainnya, misalnya jaringan tegangan menengah.

Macam-macam gangguan/ketidaknormalan yang mungkin terjadi adalah : a. Hubung singkat di dalam trafo b. Hubung singkat diluar trafo c. Gangguan sistem pendinginan

Dibawah ini akan di jelaskan macam-macam rele proteksi beserta fungsi dan prinsip kerjanya.

1. Rele Suhu Rele ini adalah rele mekanis yang berfungsi mendeteksi suhu minyak dan kumparan secara langsung yang akan membunyikan alarm serta mengeluarkan PMT. Rele suhu ini dipasang pada semua trafo. Prinsip kerja rele suhu dapat di jelaskan dengan gambar dibawah ini.

Diagram kerja rele suhu

a. Rele suhu minyak Rele ini mempunyai sensor temperatus yang di tempatkan pada ruangan (pocket) berisi minyak yang terletak di bagian atas tangki trafo. Sensor tersebut dihubungkan ke instrumen (termometer + kontak-kontak) melalui pipa kapiler.

b. Rele suhu kumparan Sensor temperatur mendapat panas dari elemen pemanas yang dialiri arus dari trafo arus yang sebanding dengan arus beban trafo. Sensor tersebut dihubungkan ke instrumen (termometer + kontak-kontak) melalui pipa kapiler.

Besaran panas yang diterima sensor temperatur di ubah menjadi gerakan mekanis untuk menggerakan suatu poros yang mempunyai jarum penunjuk suhu dan beberapa kontak. Kontak-kontak ini bekerja bertahap sesuai kenaikan suhu. Tahap pertama akan menjalankan sistem

pendinginan, tahap kedua memberikan alarm dan tahap terakhir memberikan perintah trip ke PMT.

2. Rele Beban Lebih Rele ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap suhu yang berlebihan dipakai rele beban lebih yang menggunakan sikuit simulasi untuk mendeteksi suhu kumparan trafo yang pada tahap pertama membunyikan alarm dan pada tahap kedua menjatuhkan PMT. Rele ini disebut juga rele thermis yang prinsip kerjanya dengan menggunakan elemen bimetal. Rele ini terdiri atas elemen pemanas yang di lalui arus dari trafo arus dan memanaskan elemen bimetal serta beberapa keping logam yang ketebalanya akan menentukan kecepatan rele ini menjadi panas. Suatu trafo bila mendapat sejumlah panas yang disebabkan oleh arus beban suhunya akan naik secara eksponensial seperti di tunjukkan pada gambar dibawah ini.

To = Suhu awal Tn = Suhu Akhir

∆T = kenaikan suhu =Tn-To τ = konstanta waktu termis

Grafik perubahan suhu pada trafo

Kecepatan trafo menjadi panas ditentukan oleh kapasitas (MVA) dan sistem pendinginannya, sedangkan suhu akhir ditentukan oleh besarnya arus. Ukuran untuk menunjukan kecepatan kenaikan suhu disebut konstanta waktu termis (thermal time constant) yang pengertiannya adalah waktu yang diperlukan untuk mencapai 63% dari ∆T. Semakin kecil harga konstanta waktu termis suatu trafo, berarti trafo tersebut semakin cepat panas. Arus yang mengalir pada arus beban sebanding dengan arus beban trafo, dimana arus ini akan menaikkan suhu trafo dan suhu rele secara bersama-sama, agar rele dapat menirukan sifat termis trafo, maka konstanta waktu termis rele harus sama dengan atau lebih kecil daripada konstanta waktu termis trafo. Pada tabel 1 diberikan konstanta waktu termis untuk pengaman beban lebih trafo. TABEL 1 konstanta waktu termis untuk pengaman beban lebih trafo Jenis Pendinginan

Rating (MVA)

Konstanta Waktu Rele (MENIT)

Alamiah Dengan kipas,

minyak

bersirkulasi alamiah Dengan kipas, minyak bersirkulasi paksa Air

3. Rele Bucholz

Semua rating 15---30 > 30

80 80 110

40 < 30 > 30

110 80 110

Rele ini berfungsi untuk mendeteksi adanya loncatan bunga api di dalam minyak trafo. Bagi trafo tanpa konservator dipasang rele tekanan mendadak yang dipasang pada tangki dan bekerja dengan pertolongan membran. Rele ini dipasang pada semua trafo. Rele bucholz dan pemasangannya pada trafo ditunjukan pada gambar dibawah. Selama trafo beroperasi normal, rele terisi penuh dengan minyak. Pelampung akan berada pada posisi awal. Bila terjadi gangguan kecil di dalam tangki trafo, misalnya hubungan singkat dalam kumparan, akan menimbulkan gas. Gas yang terbentuk akan berkumpul dalam rele pada saat perjalanan menuju tangki konservator, sehingga level minyak dalam rele turun dan akan mengerjakan kontak alarm ( kontak pelampung atas ). Bila level minyak trafo turun secara perlahan-lahan akibat kebocoran, maka pelampung atas akan memberikan sinyal alarm dan bila penurunan minyak ini terus berlanjut maka pelampung bawah akan memberikan sinyal trip. Bila terjadi busur api yang besar , kerusakan minyak akan terjadi dengan cepat dan timbul juga tekanan pada minyak yang bergerak melalui pipa ke rele bucholz. Pada kecepatan aliran tertentu pelampung bawah akan menutup kontak untuk sinyal trip.

Kerja rele buchloz

4. Rele Tekanan Lebih Rele ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap tekanan lebih. Bila pada tangki trafo terjadi tekanan yang berlebihan akibat gangguan di dalam trafo, maka tekanan tersebut akan berusaha keluar melalui tempattempat yang tekanannya lebih rendah. Bila pada tekanan gas atau minyak didalam tangki trafo naik melebihi kekuatan dari pelat tersebut, maka pelat akan pecah. Dengan pecahnya pelat tersebut maka jarum pemecah (breaking needle) akan keluar karena kekuatan pegas mengerjakan switch. Kontakkontak microswitch dapat di gunakan untuk memberikan alarm ataupun untuk mentripkan PMT. Bahan pelat yang digunakan dari rele tersebut biasanya tersebut dari baja, plastik atau tembaga. Untuk lebih jelasnya lihat gambar

berikut . Selain rele tekanan lebih seperti diatas, terdapat juga jenis rele yang tidak mempunyai kontak trip dan hanya mempunyai membran pengaman.

Rele Tekanan Lebih Keterangan : 1. Breaking needle

7. Micro Switc

2. Bursting plate

8. Terminal box

3. Bursting plate fitting flate

9. Spring

4. Bellows

10. Roller

5. Preasure adjuster

11. Lever

6. Flange for pipping

12. Connecting plate

5. Rele Arus Lebih (OCR)

13. Spring for bellows

Rele ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap gangguan hubungan singkat antar fasa di dalam maupun di luar petak trafo. Juga diharapkan rele ini mempunyai sifat komplementer dengan rele beban lebih. Rele ini berfungsi pula sebagai pengaman cadangan bagi bagian instalasi lainnya. Pada rele arus lebih seketika (instantaneous OCR) jika waktu rele pick up sampai dengan selesai bekerja, sangat pendek (Time Delayer). Untuk memungkinkan “selected Tripping”dari gangguan dalam waktu sesingkat mungkin, sebaiknya dipakai rele dengan karakteristik pengunduran waktu yang terbalik (Inverse time delay), bila nilai arus hubung singkat ditentukan terutama pada titik gangguan. Bila nilai tersebut dalam keadaan operasionil, maka sebaiknya dipakai rele dengan karakteristik pengunduran waktu tertentu (definite time delay).

Instantaneous OCR

•

OCR dengan waktu tertentu (Definite Time OCR). Yaitu jika jangka waktu rele mulai pick up sampai dengan kerja rele selesai di perpanjang dengan nilai tertentu dan tidak tergantung besarnya arus yang di perpanjang dengan nilai tertentu dan tidak

tergantung dengan besarnya arus yang menggerakanya. Rele ini terdiri dari elemen arus dan elemen waktu.

Rele Arus Lebih (OCR)

•

OCR dengan waktu berbanding terbalik (Inverse Time OCR) Rele ini terdiri dari 2 elemen yaitu elemen tegangan dan elemen arus prinsip kerja rele adalah berdasarkan azas induksi (sama dengan rele arah pada proteksi pengulang tegangan menengah). Kumparan arus dihubungkan dengan arus netral dan kumparan tegangan dihubungkan pada tegangan delta terbuka dari tegangan. Bila terjadi gangguan tanah pada SUTT yang diamankan, maka arus netral akan mengalir pada kumparan arus sehingga timbul tegangan arus netral pada kumparan tegangan rele. Rele ini akan bekerja dan mentripkan saluran PMT.

Rele Arus Lebih Waktu Berbanding Terbalik. 6. Rele Hubung Tanah

Rele ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap gangguan hubung tanah. Rele hubung tanah pada trafo pada dasarnya menggunkan rele arus lebih seperti yang digunakan pada gangguan hubung singkat antar fasa, tetapi berbeda rangkaiannya (lihat gambar dibawah ini).

Rangkaian pengawatan rele arus lebih gangguan fasa dan hubung tanah

Bila terjadi ketidakseimbangan arus atau terjadi gangguan hubung singkat ke tanah, maka akan timbul arus urutan nol pada titik pentanahan trafo, sehingga rele di netral trafo akan bekerja. Hal yang sama juga dirasakan oleh rele hubung tanah pada out-going trafo. Rangkaian pada gambar (a) diatas mempunyai keuntungan terhadap gambar (b) karena dapat melihat gangguan F pada outgoing trafo, sedangkan gambar (b) tidak dapat.

7. Rele Tangki Tanah

Rele ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap hubung singkat antar kumparan fasa dengan tangki trafo yang titik netralnya ditanahkan. Rele tangki tanah pada prinsipnya adalah rele arus lebih jenis instantaneous (tanpa waktu) yang berfungsi untuk mendeteksi arus hubung singkat belitan fasa ke tangki trafo. Jadi rele ini hanya dapat merasakan gangguan tanah dan hanya efektif pada trafo tenaga yang titik netralnya ditanahkan, karena arus urutan nol dapat mengalir. Agar rele tersebut dapat bekerja dengan baik, maka tangki trafo harus diisolir terhadap tanah (lihat gambar dibawah). Rele tangki tanah dapat pula bekerja bila tangki trafo terkena tegangan AC seperti untuk sumber motor kipas pendingin, tap changer, alat pemanas (beater) dan sebagainya.

Rangkaian pengawatan rele tangki tanah

8. Rele Diferensial Rele ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap gangguan hubung singkat yang terjadi di dalam trafo. Prinsip kerjanya adalah membandingkan arus-arus masuk dan keluar trafo (lihat gambar dibawah). Pada kondisi normal atau gangguan diluar trafo (eksternal), arus akan bersirkulasi pada rangkaian sekunder

trafo arus tanpa melewati rele (gambar I 1 a). bila terjadi gangguan di dalam trafo(internal), maka arus I 2 akan berbalik arah, sehingga arus sekunder dari kedua trafo akan saling menjumlahkan dan masuk ke rel dan rele bekerja (gambar I 1 b.)

Prinsip kerja rele diferensial

9. Rele Gangguan Tanah Terbatas (restricted-earth fault relay) Rele ini berfungsi untuk mengamankan trafo terhadap gangguan tanah di dekat titik netral yang tidak dapat dirasakan oleh rele diferensial. Rele ini hanya dipasang pada trafo yang titik netralnya ditanahkan langsung atau melalui tahanan dan berfungsi untuk membantu rele diferensial dalam mengamankan trafo dari gangguan hubung tanah di dalam kumparan trafo.

Rele ini diperlukan karena sensitivitas rele diferensial adalah sangat terbatas, terutama dalam mendeteksi terjadinya hubung singkat di dekat titik netral.

Prinsip kerja rele gangguan tanah terbatas

Bila terjadi gangguan tanah di luar daerah pengamanan, maka tidak ada arus yang mengalir di rele, tetapi kalau terjadi gangguan tanah di dalam daerah pengamanan, maka akan timbul arus yang mengalir di rele. Jenis rele yang dapat di gunakan sebagai rele gangguan tanah terbatas adalah rele diferensial berimpedansi tinggi. Bila digunakan rele berimpedansi tinggi, maka pada kondisi gangguan tanah internal akan timbul tegangan yang tinggi pada terminal rele. Untuk mengamankan peralatan proteksi dari tegangan tinggi ini digunakan tahanan non linier (Varistor). Rele ini memberikan perintah trip tanpa waktu tunda.

Penentuan Setting Rele Proteksi 1.

Rele arus Lebih Definite Untuk Gangguan Fasa a. Setting arus dengan kelambatan waktu Rele ini diset sebagai berikut : Iset1 =

1.1xIn Id / Ip

Iset 2 < 0.75 Ihs 2 fasa Iset = Iset1 bila Iset1 < Iset2 Iset = Iset2 bila Iset1 > Iset 2

Dimana : In

= arus

nominal afo atau trafo arus

( dipilih

harga

terendah). Id/Ip

= perbandingan arus

kembali dengan arus kerja

rele

(harus >0.7). Ihs 2Ø = arus hubung singkat 2 fasa di terminal sekunder pada pembangkitan minimun.

b. Setting waktu Setting waktu rele trafo TT/TM adalah berbeda dengan trafo inter bus (TT/TT). Pada trafo TT/TM setting waktunya harus dikoordinasikan dengan rele pada jaringan tegangan menengah, sedangkan pada trafo interbus bila mungkin harus dikoordinasikan dengan rele pada jaringan tegangan tinggi.

Setting waktu rele di trafo adalah lebih lambat antara 0.5—1.0 detik daripada rele di jaringan tegangan menengah.

2.

Rele arus Lebih Inverse Untuk Gangguan Fasa a. Setting

arus dengan kelambatan waktu ditentukan sebagai

berikut : Iset = 1.3 x In Dimana : In adalah arus nominal trafo atau trafo arus (dipilih harga yang terendah).

b. Pemilihan kurva karakteristik waktu Kurva karakteristik waktu rele trafo dipilih sedemikian sehingga pada arus singkat 3 fasa maksimum kurva rele trafo berada antara 0,5---1 detik di atas kurva rele JTM lihat gambar IV-11.

Prinsip koordinasi rele trafo dengan rele JTM 3.

Rele Hubung Tanah Pada Trafo TT/TM Dengan Pentanahan Melalui Tahanan.

a. Setting Arus Is =

1.2 xI .GfrJTM max

β

Dimana I.Gfr Jtm max adalah setting arus rele hubung tanah di JTM yang terbesar,

β adalah faktor perbandingan antara arus

urutan nol pada JTM yang terganggu dan arus urutan nol di netral trafo. Harga β dapat dilihat pada kurva gambar IV-12.

b. Setting Waktu Setting waktu rele adalah sama seperti butir 4.4.1.b atau 4.4.2.b.

Kurva harga B sebagai fungsi dari arus kapasitif urutan nol. 4.

Rele Hubung Tanah Dengan Trafo TT/TM Dengan Pentanahan Langsung a. Setting Arus

Penentuan setting rele hubung tanah harus mempertimbangkan besar arus hubung singkat 1 fasa. Arus ketidakseimbangan beban dan arus kapasitip jaringan . karena jaringan sistem ini pada umumnya adalah saluran udara, maka arus kapasitip dapat diabaikan.

Umumnya ketidakseimbangan adalah lebih kecil daripada 0.15 x arus nominal trafo. Arus setting harus ditetapkan lebih besar daripada arus ketidakseimbangan dan umumnya diset antara 0.2 hingga 0.5 x In serta harus lebih kecil dari 0.75 x arus hubung singkat 1 fasa minimum.

b. Pemilihan kurva karakteristik waktu Prinsip pemilihan kurva karakteristik waktu adalah serupa dengan butir 4.4.2.b

5.

Rele Arus Lebih Pada Sisi TT Trafo TT/TM Dan Trafo Interbus TT/TM Rele ini umumnya mempunyai dua elemen ukur dengan tingkat setting yang berbeda, yaitu :

•

Elemen dengan setting rendah (Low Threshold)

Elemen ini berfungsi sebagai pengaman trafo terhadap arus hubung singkat antar fasa di sisi lain dari trafo, lihat gambar IV15. •

Elemen dengan setting tinggi (high threshold ; Instantaneous ) Elemen ini berfungsi untuk mengamankan daerah antara lokasi trafo arus dengan bushing trafo, lihat gambar 15.

Elemen ukur dengan tingkat setting berbeda

a. Setting Arus •

Elemen dengan setting arus rendah Setting elemen ini dalah sama seperti pada butir 4.4.1.a.

•

Elemen dengan setting arus tinggi Setting elemen ini ditetapkan Iset < 0.75 x Ihs 2 Ø min pada sisi tegangan tinggi, tetapi lebih besar daripada Ihs3 Ø max pada sisi lain dari trafo.

b. Setting Waktu

•

Elemen dengan setting arus rendah Setting waktunya sama seperti butir 4.4.1.b.

•

Elemen dengan setting arus tinggi Setting waktunya adalah minimum atau instantaneous.

6.

Rele Tangki Tanah Setting arus dan waktu rele tangki tanah adalah minimum dan tanpa waktu tunda.

7.

Rele Diferensial 1. Penyesuaian fasa (Pemilihan vektor group) •

tanpa trafo arus bantu (ACT)

Pemberian nama vektor group tanpa trafo arus bantu

Cara penentuannya sebagai berikut : •

Bila hubungan belitan trafo adalah Y, maka sekunder dari trafo arus (CT) harus dihubungkan ∆.

•

Bila hubungan belitan trafo adalah ∆ , maka sekunder dari trafo arus (CT) harus dihubungkan Y.

Jumlah jam dalam rangkaian tertutup harus sama dengan nol (d=0)

Catatan : Pemberian nama vektor group ACT selalu diberikan dari sisi primer ke sisi sekunder, dan bila dilihat dari sisi sekunder ke sisi primer maka nama vektor group berubah seperti berikut.

Pemberian nama vektor group dilihat dari sisi sekunder ke sisi primer

Dilihat dari primer ke sekunder vektor group trafo adalah Ydn maka vektor group dilihat dari sekunder ke primer adalah dY (12-n), disamping hal tersebut harus diperhatikan pula notasi polaritas dari CT primer maupun sekunder.

•

misalkan vektor group CT2 . d2 =Yy0

d=0 d = 5 + d2 + d1 0 = 5 + 0 + d1 d1 = -5 = 12-5 =7 vektor group CT1 . d1 = dy7 (dipandang dari sekunder).

•

misalkan vektor group Ct2 . d2 =Yd1

Σd = 0 Σd = 0 + d2 + d1 0

= 0 + 1 + d1

d1 = -1 = 12-1 = 11 vektor group CT1, d1 = dy7 (dipandang dari sekunder) •

menggunakan trafo arus bantu (ACT)

Pemberian nama vektor group menggunakan trafo arus bantu

•

misalkan vektor group CT utama dan ACT

d1 = d2 = d4 =Yyo d=0 d = d2 + d4 + d3 + d1 + 5 0 = 0 + 0 + d3 + 0 + 5 d3= -5 = 12-5 = 7 vektor group ACT d3 = Yd7 (dipandang dari sekunder)

2. Penyesuaian arus Penyesuaian arus dilakukan dengan memlilih rasio trafo arus bantu (interposing

CT) yang dapat dihitung dengan blanko

perhitungan.

3. Arus kerja minimum (minimum Pick-up) Berikut ini diberikan contoh untuk rele Delle Alsthom type TMAD misalnya ketidakseimbangan arus 3%, arus magnetisasi pada tegangan nominal 2% dan perubahan rasio trafo akibat pengubahan sadapan (tap changer) + 15%, maka setting arus minimum ditetapkan lebih besar dari 2 + 3 + 15 = 20%, umumnya diambil 30% In (selisih 10% adalah faktor keamanan terhadap kemungkinan kesalahan-kesalahan diatas, dengan sensitivitas yang dapat dipertanggung jawabkan).

1. Slope (bias, percentage)

Pemilihan harga slope ditentukan oleh perbedaan sifat kurva magnetisasi trafo arus dan umumnya ditentukan 30%.

8.

Rele Gangguan Tanah Terbatas Setting rele ditetapkan sebagai berikut : Us > Ihs (Rct + R1) Dimana : •

Us adalah setting rele

•

Is adalah arus hubung singkat 3 fasa max.

•

Rct adalah tahanan kumparan sekunder trafo arus, dan

•

R1 adalah tahanan kabel pengawatan