Nama : ASTRI PANJAITAN
Nim : 5113331003
Jurusan Pendidikan Teknik Elektro
Universitas Negeri Medan
2012
ABSTRAK
Tenaga listrik merupakan salah satu kebutuhan pokok saat ini, oleh karenanya tenaga listrik harus tersedia secara ekonomis dengan memperhatikan mutu baik tegangan maupun frekwensi dan keandalan Untuk menjaga kelangsungan tenaga listrik diperlukan sistem proteksi yang sesuai dengan kebutuhan, Fungsi proteksi adalah untuk melokalisir gangguan jadi hanya daerah yang terganggu saja yang dibebaskan dari rangkaian tenaga listrik dan juga harus mempertimbangkan tingkat keamanan terhadap peralatan, stabilitas tenaga listrik dan juga keamanan terhadap manusia Sistem proteksi harus memenuhi persyaratan yaitu Cepat, Aman / stabil, Peka, Andal dan Selektip sehingga apabila terjadi gangguan maka proteksi akan bekerja sesuai dengan fungsinya sebagai pengaman. Tugas Akhir ini merupakan perhitungan dan analisis penyetelan koordinasi rele proteksi transformator distribusi 30 MVA di gardu induk 150 kV Krapyak, sehingga dari hasil perhitungan dan setting yang benar diharapkan apabila terjadi gangguan rele proteksi akan bekerja dengan baik sesuai dengan fungsi proteksi sebagai pengaman.
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
ketenaga listrikan. Persyaratan yang harus terpenuhi pada sistem proteksi yaitu :
1. Cepat
2. Aman,/ stabil
3. Peka
4. Andal dan dapat dipercaya
5. Selektip
Proteksi pada sistem tenaga listrik merupakan bagian yang sangat penting dalam usaha dibidang
ketenaga listrikan. Persyaratan yang harus terpenuhi pada sistem proteksi yaitu :
1. Cepat
2. Aman,/ stabil
3. Peka
4. Andal dan dapat dipercaya
5. Selektip
1.2 Tujuan
Tujuan pembuatan tugas akhir ini adalah menghitung dan menganalisis penyetelan koordinasi rele proteksi OCR & GFR trafo 30 MVA di Gardu Induk Krapyak, sehingga didapat setting yang benar dan proteksi trafo akan bekerja dengan baik.
1.3 Pembatasan Masalah
Dalam Tugas Akhir ini ditekankan pada :
1. Menghitung dan menganalisa penyetelan koordinasi rele proteksi OCR & GFR trafo 30 MVA di Gardu Induk Krapyak.
2. Rele differential dan rele – rele yang lain hanya dibahas fungsinya saja.
3. Data – data yang diperlukan untuk pembahasan tugas akhir ini diperoleh dari PT PLN ( Persero ) Penyaluran dan Pusat Pengatur Beban Region Jateng & DIY yang berkantor di Jl.Jenderal Sudirman km.23 Ungaran.
II. DASAR TEORI
2. Pada gambar 2.1 menjelaskan proses energi listrik disalurkan
Gardu induk adalah suatu instalasi tenaga listrik sebagai pusat beban yang berfungsi untuk :
1. Mentransformasi energi tenaga listrik.
2. Pengukuran.
3. Pengaturan daya
Gardu Induk 150 kV dilengkapi peralatan yaitu :
1. Transformator
2. PMT (Pemutus Tenaga )
3. LA ( LIGHTNING ARRESTER )
4. Trafo Arus
5. Trafo tegangan
6. PMS ( Pemisah ).
7. Batere.
3. LA ( LIGHTNING ARRESTER )
4. Trafo Arus
5. Trafo tegangan
6. PMS ( Pemisah ).
7. Batere.
2.1 Jenis Gangguan pada transformator
a. Gangguan internal
1. Terjadi busur api (arc).
2. Gangguan pada sistem pendingin
3. Arus sirkulasi pada transformator.
1. Terjadi busur api (arc).
2. Gangguan pada sistem pendingin
3. Arus sirkulasi pada transformator.
b. Gangguan External yaitu :
1. External short circuit
2. Overload.
2.3. Pengamanan transformator
a. Pengaman Differensial
b. Pengaman Arus Lebih ( OCR )
Jenis karakteristik Over Current Relay ( OCR ) yaitu :
o Definite, karakteristiknya mempunyai setting arus waktu yang pasti.
o Standart Inverse, karakteristiknya mempunyai setting arus minimum dan waktu kerja yang berubah – ubah tergantung arus gangguan.
o Karakteristik inverse yang lain adalah very inverse, extremely inverse. Rumus karakteristik menurut standart IEC ( International Electric Commition ) ditunjukkan pada persamaan dibawah ini :
Keterangan :
T = waktu kerja rele dengan satuan detik
Ihs = arus hubung singkat dengan satuan Amper
Iset = arus setelan rele dengan satuan Amper.
TMS = Time Multiple Setting ( karakteristik kerja rele yang diinginkan sesuai dengan hasil perhitungan ).
c. Proteksi gangguan tanah
d. Proteksi gangguan tanah terbatas
2.4. Dasar penyetelan rele
1. Penyetelan arus phasa dengan waktu tunda
Imax < Iset < 0,8 Ihs 2Ø min .................[ 2.29 ]
Bila Imax tidak diketahui, dapat digunakan In penghantar
2. Penyetelan arus gangguan tanah ( GFR ) dengan tunda waktu
Iset GFR ≥ 10% InCT .........…….......................[ 2.34 ]
Iset GFR ≤ 0,8 Ihs 1Ø-G .......…………………..[ 2.36 ]
Iset GFR untuk pola pengaman dengan pentanahan
Iset GFR ≤ 0,8 Ihs 1Ø-G .......…………………..[ 2.36 ]
Iset GFR untuk pola pengaman dengan pentanahan
langsung harus memperhatikan ketidakseimbangan beban sehingga :
Iset GFR = 30 – 50% Ib maksimum
Iset GFR untuk pola pengamanan dengan pentanahan
tahanan tinggi ( 500 Ω ) biasanya :
Iset = 1 - 5 amper disisi primer
Iset = 1 - 5 amper disisi primer
a.Rele paling ujung disetel minimum tapi tidak boleh
bekerja karena pengaruh luar seperti getaran mekanis.
b.Rele di sisi hulu disetel dengan penambahan waktu
Δt terhadap rele di sisi hilir.
c.Tidak trip karena inrush current
Iset paling ujung = 0,2 - 0,5 detik
Iset di sisi hulu = tset ujung + Δt
Δt = 0,3 – 0,5 detik
2.5. Rumus – Rumus Arus Hubung Singkat [ 1 ]
1. Hubung singkat 3 phasa
2.Hubung singkat phasa-phasa
3. Hubung singkat phasa-tanah
Keterangan :
I3Ø = Arus hubung singkat 3 phasa dalam Amper
IØ- Ø = Arus hubung singkat phasa-phasa dalam Amper
I1Ø-tn = Arus hubung singkat phasa-tanah dalam Amper
E = Tegangan phasa = tegangan phasaphasa √3 dalam volt
Z1 = Impedansi urutan positif rangkaian dalam Ω
Z2 = Impedansi urutan negatif rangkaian dalam Ω
Z0 = Impedansi urutan nol rangkaian dalam Ω
Zf = Impedansi gangguan dalam Ω
III. GARDU INDUK 150 KV KRAPYAK
3.1 Transformator 3 di GI. Krapyak
Dari gambar single line diagram gardu induk 150 kV Krapyak terlihat bahwa transformator 3 melayani penyulang KPK.1, KPK.2, KPK.7, KPK.12 dan PS ( Pemakaian sendiri untuk GI ), penyulang – penyulang 20 kVmerupakan jaringan tegangan menengah yang terbuat dari jenis kawat terbuka ACSR (Alluminium Conductor Steel Reinforced ) sehingga sering mengalami gangguan, baik gangguan oleh alam ( petir, hujan, angin ), pohon dan juga manusia.
3.2. Proteksi Transformator Distribusi
Dari gambar 3.1 single line diagram GI Krapyak, akan dibahas masalah koordinasi rele proteksi transformator 3 yang mempunyai kapasitas 30 MVA, koordinasi rele proteksi transformator distribusi dapat dilihat pada gambar 3.2.
3.3.Perhitungan Penyetelan Rele Proteksi
Transformator 3 GI 150 kV Krapyak. Perhitungan penyetelan rele transformator menggunakan sofware MATHCAD, data GI. 150 kV Krapyak arus hubung singkat tiga fasa di bus 150 kV 26659,33 Amper, arus hubung singkat satu fasa 23448,73 Amper dan MVA hubung singkat 6176.46 Amper, sedangkan impedansi sumber urutan lihat tabel 3.1:
Dalam perhitungan penyetelan rele proteksi dipergunakan besaran per unit, maka diperlukan besaran dasar sebelum melakukan perhitungan untuk tegangan adalah tegangan nominal operasi dan MVA dasar adalah 100, maka didapat besaran arus dan impedans lihat tabel 3.3
3.4. Data Teknik GI Krapyak
I3Ø = Arus hubung singkat 3 phasa dalam Amper
IØ- Ø = Arus hubung singkat phasa-phasa dalam Amper
I1Ø-tn = Arus hubung singkat phasa-tanah dalam Amper
E = Tegangan phasa = tegangan phasaphasa √3 dalam volt
Z1 = Impedansi urutan positif rangkaian dalam Ω
Z2 = Impedansi urutan negatif rangkaian dalam Ω
Z0 = Impedansi urutan nol rangkaian dalam Ω
Zf = Impedansi gangguan dalam Ω
III. GARDU INDUK 150 KV KRAPYAK
3.1 Transformator 3 di GI. Krapyak
Dari gambar single line diagram gardu induk 150 kV Krapyak terlihat bahwa transformator 3 melayani penyulang KPK.1, KPK.2, KPK.7, KPK.12 dan PS ( Pemakaian sendiri untuk GI ), penyulang – penyulang 20 kVmerupakan jaringan tegangan menengah yang terbuat dari jenis kawat terbuka ACSR (Alluminium Conductor Steel Reinforced ) sehingga sering mengalami gangguan, baik gangguan oleh alam ( petir, hujan, angin ), pohon dan juga manusia.
3.2. Proteksi Transformator Distribusi
Dari gambar 3.1 single line diagram GI Krapyak, akan dibahas masalah koordinasi rele proteksi transformator 3 yang mempunyai kapasitas 30 MVA, koordinasi rele proteksi transformator distribusi dapat dilihat pada gambar 3.2.
3.3.Perhitungan Penyetelan Rele Proteksi
Transformator 3 GI 150 kV Krapyak. Perhitungan penyetelan rele transformator menggunakan sofware MATHCAD, data GI. 150 kV Krapyak arus hubung singkat tiga fasa di bus 150 kV 26659,33 Amper, arus hubung singkat satu fasa 23448,73 Amper dan MVA hubung singkat 6176.46 Amper, sedangkan impedansi sumber urutan lihat tabel 3.1:
Dalam perhitungan penyetelan rele proteksi dipergunakan besaran per unit, maka diperlukan besaran dasar sebelum melakukan perhitungan untuk tegangan adalah tegangan nominal operasi dan MVA dasar adalah 100, maka didapat besaran arus dan impedans lihat tabel 3.3
3.4. Data Teknik GI Krapyak
a.Nama Gardu Induk : Gardu Induk 150 kV Krayak
b Trafo 3 : 30 MVA merk BBC, Tegangan 150 / 22 kV.
Dengan penyulang KPK.1, KPK.2, KPK.7, KPK.12 dan PS, Impedansi 12,5 %, Vektor group YNyn0 ( d11 ) Kapasitas S := 30 MVA , kV primer:150 kV sekunder : 20 kV, Vektor group YNyn0 ( d11 ) Impedansi : 12,5 % Xt := 0,125
Xt1 = 0,416 pu ( per unit ), Xt2 := Xt1
Xt0 = Xt1
Nisbah CT = perbandingan arus primer dan arus sekunder dari CT ( trafo arus ) :
CT sisi 150 kV CT150 = 150 : 1 A
CT netral 20 kV CTN20 = 1000 : 1 A
CT sisi 20 kV CT20 = 1000 : 1 A
CT penyulang CTp = 400 : 1 A
CT netral 150 kV CTN150 = 150 : 1 A
Arus nominal trafo 3
In 20 = 866,025 A ( primer )
e. Tegangan Gardu Induk : 150 kV
f. Arus hubung singkat tiga fasa di bus 150 kV Krapyak sebesar 26659.33 Amper, arus hubung singkat satu fasa 23448.73 Amper dan MVA hubung singkat 6176.46 Amper.
g. Impedans sumber di bus 150 kV:
Imp.urutan positif R1 = 0.0031 X1 = 0.0140
Zs1 = R1 + j.X1 pu
Imp.urutan negatif R2 = 0.0031 X2 = 0.0143
Zs2 = R2 + j.X2 pu
Imp.urutan nol R0 = 0.0037 X0 = 0.0197
Zs0 = R0 + j.X0 pu
h. Data Penyulang 20 kV
Konduktor fasa yang digunakan pada penyulang adalah jenis ACSR (Alluminium Conductor Steel Rainforced ) 240 mm2, sedangkan netralnya jenis ACSR 150 mm2, adapun konstanta impedans urutannya adalah sebagai berikut :
Imp.urutan positif R1p = 0.1380 Ω
X1p = j.0.3200 Ω
Imp.urutan positif R2p = 0.1380 Ω
X2p = j.0.3200 Ω
Imp.urutan positif R0p = 0.15640 Ω
X0p = j.1.0604 Ω
Panjang jaringan p = 0.....20 km
ZL1 = R1p + X1p [ZL1]=0.348
i.Data Impedans trafo
Xtp1 = 0.5..Xt1 pu Xts1 = 0.5.Xt1 pu
Xtt1 = 0.5.Xt1 pu Xtp2 = 0.5..Xt1 pu
Xts2 = 0.5.Xt1 pu Xtt2 = 0.5.Xt1 pu
Xtp0 = 0.5..Xt1 pu Xts0 = 0.5.Xt1 pu
Xtt0 = 0.5.Xt1 pu
j.Data Saluran Udara Tegangan Tinggi ) 150 kV
Konduktor fasa pada penyulang jenis ACSR ( Alluminium Conductor Steel Rainforced ) 240 / 40 mm2, netralnya jenis ACSR 150 / 30 mm2
Konstanta impedans urutannya sebagai berikut :
Imp.urutan positif R1p = 0.1370 Ω
X1p = j.0.3966 Ω
Imp.urutan positif R2p = 0.1370 Ω
X2p = j.0.3966 Ω
Imp.urutan positif R0p = 0.2870 Ω
X0p = j.0.3966 Ω
Impedans urutan SUTT positif ( Zsutt1 ), impedans i urutan negatif ( Zsutt2 ), impedans urutan nol ( Zsutt0 ) dalam per unit ( pu ) :
Kemampuan hantar arus SUTT adalah Insutt = 600 A ( primer )
3.5. Perhitungan Arus hubung Singkat
Perhitungan arus hubung singkat tergantung dari tipe gangguan yang terjadi di instalasi tenaga listrik, tipe gangguan yang diperhitungkan dalam penyetelan rele adalah sebagai berikut :
a. hubung singkat 3 fasa dan 2 fasa di bus 20 kV Hubung singkat 3 fasa dan 2 fasa di bus 20 kV trafo ditunjukan pada gambar 3.4 dan rangkaian ekivalen yang ditunjukan pada gambar 3.5 dan gambar.3.6
Dari rangkaian diatas dan sesuai dengan persamaan ( 2.37 ), maka didapat arus hubung singkat 3 fasa adalah sebagai berikut :
Gangguan di bus 20 kV arus yang melalui netral trafo sisi 20 kV adalah :
[ If20o ] = 7,346 x 103 A ( primer )
Kotribusi arus urutan nol yang melalui belitan primer trafo sisi 150 kV pada arus dasar 20 kV ( If1Ф20p ) adalah :
[ If1Ф200 ] = 3,507 x 103 A ( primer )
Kontribusi arus urutan nol yang melalui belitan primer
trafo sisi 150 kV pada arus dasar 150 kV :
dan nilai arus hubung singkat 2 fasa adalah 0,867 x nilai arus hubung singkat 3 phasa hasil perhitungannya lihat tabel.
Nilai arus hubung singkat 2 fasa adalah 0,867 x nilai arus
hubung singkat 3 phasa maka didapat :
I2f20p := 0,867. I3f20p
[ I2f20o] = 5,811 x 103 A ( primer )
[I3f150o] = 893,708 A ( primer )
I2f150p := 0,867. I3f150p [ I2f150o] = 774,845 A
I2f150p = nilai arus hubung singkat 2 fasa yang terjadi di sisi 20 kV trafo sepanjang penyulang yang dirasakan di sisi 150 kV trafo, sedangkan indek 0 adalah gangguan di nol km atau di bus 20 kV.
Pada gambar 3.7 ditunjukkan grafik arus hubung singkat 3 fasa yang dirasakan di sisi 150 kV trafo dan sisi 20 kV trafo yang terjadi di 0 sampai 15 km panjang penyulang ( p = panjang penyulang )
Pada gangguan di 20 km dari bus 20 kV trafo yang
ditunjukkan pada gambar 3.7 sebesar :
[I3f2020] = 1,345 x 103 A ( primer ) adalah arus gangguan 3 phasa pada 20 kV
[I3f15020] = 179,383 A ( primer ) adalah arus gangguan 3 phasa pada 150 kV
b. hubung singkat 1 phasa
Hubung singkat 1 phasa di bus 20 kV trafo ditunjukkan
pada gambar 3.4 dan rangkaian ekivalen pada gambar 3.8
Gangguan di bus 20 kV arus yang melalui netral trafo sisi 20 kV adalah :
[ If20o ] = 7,346 x 103 A ( primer )
Kotribusi arus urutan nol yang melalui belitan primer trafo sisi 150 kV pada arus dasar 20 kV ( If1Ф20p ) adalah :
Kontribusi arus urutan nol yang melalui belitan primer trafo sisi 150 kV pada arus dasar 150 kV :
[ If1Ф201500 ] = 467,624 A ( primer )
Hubung singkat 1 phasa di bus 150 kV trafo ditunjukkan pada gambar 3.9 dan rangkaian ekivalen pada gambar 3.10
Arus hubung singkat 1 fasa ke tanah sebagai berikut:
[ If1500 ] = 2,401 x 103 A ( primer )
Arus yang melalui netral SUTT sisi 150 kV dengan memperhitungkan belitan tertiary trafo adalah :
