Proteksi Tenaga Listrik Teknik Elektro C

Proteksi Tenaga Listrik
Teknik Elektro
Politeknik Negeri Jakarta

2016

Content of Study
◮
◮

Introduction;
Protection Devices:
◮
◮

Fuse;
Circuit Breaker;
◮
◮

◮

Motor Protection;
◮
◮
◮

◮
◮

MCB: Miniature Circuit-Breaker;
MCCB: Molded-case Circuit Breaker;
Overcurrent Protection;
Overload Protection
Other type of protection (e.g. Low voltage protectiion, etc)

Earth-Leakage Circuit-Breaker (ELCB);
Residual Current Device (RCD)

◮

Coordination of protection devices

◮

Current Transformer (CT) and Voltage Transformer (VT);

◮

Over-current relays

Materi Pembelajaran
Apa yang dimaksud Sistem Proteksi ?
Sistem proteksi adalah seni dan ilmu pengetahuan untuk
mendekteksi gangguan pada komponen sistem daya dan
mengisolasi komponen listrik;
Masalah dalam sistem daya termasuk:
1. Hubung singkat;
2. Kondisi Abnormal;
3. Kerusakan (kegagalan) peralatan.
Komponen apa yang perlu diproteksi ?

1. Generator;
2. Transformator, Reaktor;
3. Saluran (lines)
4. Buses;
5. Capacitors;

Pendahuluan
Tipikal Single-Line Diagram Power Sistem

Pendahuluan

◮

◮

Disain sistem proteksi adalah salah satu aspek penting pada
perencanaan dan operasi dari sistem tenaga listrik;
Sistem proteksi adalah di disain untuk:
◮
◮

◮
◮

mendeteksi dan me-remove gangguan;
Proteksi manusia dan properti sekitar sistem daya;
Proteksi peralatan, saluran, dll di sistem daya;
Memisahkan bagian yang terganggu dari power system
sehingga operasi sistem tidak terganggu.

Pendahuluan
Input dan output dari protective devices

Pendahuluan
(Contoh) Tool untuk simulasi dan analisa kegagalan

Pendahuluan

Mengapa arus hubung singkat perlu dihitung
◮

Untuk mendapatkan keandlan, koordinasi operasi, menjamin
bahwa peralatan listrik dapat dilindungi dari kerusakan;

◮

Perlu menghitung arus hubungsingkat pada titik-titik kritis
pada jaringan listrik;

◮

Saat perhitungan arus hubungsingkat telah ditentukan,
proteksi enjiner dapat menentukan peralatan proteksi dan
interruting rating.

Pendahuluan

Hal yang dipertimbangkan dalam menghitung arus hubung singkat
◮

Interupting Rating

maximum short-circuit current that a protective device can
safely clear, under specified test conditions.

◮

Intertupting Capacity
Actual short circuit current that a protective device has been
tested to interrupt.

◮

Procedures and Method used to calculated short circuit
current

Pendahuluan
Basic Rules
◮

Main Factors
◮

◮

◮

Effect
◮
◮

◮

Over-current magnitude
Duration

Forces (short-circuit)
Thermal (short-circuits, overloading)

Failure
◮
◮
◮

◮

Short-circuit (most common)
Overload
Over voltage
Under voltage

Pendahuluan

Electrcial Faults on Power System
◮

Phase Faults (characterized as):
◮
◮
◮
◮

◮

Phase to ground fault
Phase to phase fault
Phase-phase to ground fault
Three phase fault

Open Circuit Fault
◮
◮

A pole of the circuit breaker is not fully closing
This results in load imbalance on generator and motors

Pendahuluan
Electrcial Faults on Power System
◮

Interturn Fault
◮

◮

◮
◮

◮

Occurs in machines (e.g. Transformators, motors and
generators);
Due to the insulation breakdown between the turns of the
same phase
Causing an overvoltage or mechnical damge of the insulation;
Machine is not smoothly working

Overload
◮

◮

Occur due to exceeding the maximum permissible load current
through the winding, cables, transmission lines;

Current passed through the conductor above permissible level
should be avoided, it would be over heated.

Pendahuluan
Eelectrical Faults on Power System
Phase Faults (characterized as):

Pendahuluan

Hal yang diperlukan dalam peralatan proteksi
◮

Reliability

◮

Speed

◮

Selectivity

◮

Sensitivity

◮

Accuracy

Pendahuluan

Reliability
◮

Ability to recognize a fault and implement output command
for circuit control device

◮

Must operate at any failure

◮

Must not fail
because of: dust, shocks, corrosive, overvoltage, etc.

◮

Must not act when there is not a fault

Pendahuluan

Speed
◮

Important mainly during short-circuit = reduce thermal effects
(switch off speed must be adds)
tprotection +tswitch

◮

of f

= 10..20 ms;

Some devices are able to operate even in first current aplitude
= constrains forces

Pendahuluan

Selectivity
◮

The ability to locate and switch off the smallest part of the
circuit with fault
Solution:
◮

◮

Time stepping
longer times when closer to the power supply
Current stepping
protection with lower current limit act faster

Pendahuluan
Why Protection System is Required
The risk if there is no protection system:

Pendahuluan
Electrical Shock

Pendahuluan

RISK
There are two ways can be at ristk
◮

Touching live parts of equipment or system that are intended
to be live, this is called direct contact;

◮

Touching conductive parts which are not meant to be live, but
have become live due to a fault, this is called indirect contact;

Pendahuluan
RISK

Pendahuluan
RISK

Pendahuluan
RISK

Pendahuluan
RISK

Fuse

◮

Pengembangan teknologi fuse telah banyak dilakukan sejak
penemuan model fuse pertamakali;

◮

Banyak tipe fuse telah digunakan untuk aplikasi tegandan
rendah sampai tegangan moderate, ketika gangguan tidak
selalu sering dan penggunaan circuit breaker kurang ekonomis;

◮

Fungsi fuse yang utama adalah sebagai alat proteksi peralatan
listrik yang tersusun atas elemen pemutus yang terbuat dari
allow dan mempunyai titik lebur rendah dan resistansi rendah.

Fuse

Contoh Fuses

Fuses dengan
Rating besar

Simbol Fuses

Karakteristik Tripping dari Fuse
Karakteristik:
◮ proteksi yang baik = dapat mengikuti kinerja yang diinginkan;
◮ Depependent characteristic = off time depends on the
overcurrent;
◮ protects only in the part of the characteristic

Karakteristik Tripping dari Fuse
Karakteristik:

Karakteristik Tripping dari Fuse
Karakteristik:

Kelebihan Fuse
◮

Lebih murah;

◮

Tidak diperlukan pemeliharaan;

◮

Bekerja secara otomatis, sementara circuit breaker
memerlukan perangkat lain untuk kerja otomatis;

◮

Dapat memutus arus hubung singkat yang sangat tinggi tanpa
mengeluarkan asap atau noise;

◮

Element fuse yang lebih kecil, memungkinkan dapat menekan
pengaruh ”current limiting” saat hubung singkat;

◮

Kurva arus hubung singkat fuse (inverse time) memungkinkan
untuk digunakan sebagai proteksi hubung singkat;

◮

Waktu minimum untuk operasi bisa lebih baik dari ”circuit
breaker”;

Kelemahan Fuse

◮

Diperlukan waktu untuk proses normasilasi (perbaikan fuse);

◮

Untuk arus hubung singkat yang sangat besar, untuk
pemasangan fuse secara seri, diskriminasi kerja fuse tidak bisa
dijamin kecuali pemilihan rating fuse sangat tinggi;

◮

Pemilihan kurva tripping fuse (karakteristik fuse) tidak selalu
sesuai dengan peralatan yang diproteksinya.

Karakteristik Elemen Fuse yang Diinginkan
Fungsi dari fuse adalah untuk mengalirkan arus nominal tanpa
panas yang berlebih, tetapi ketika terjadi arus melebihi nilai
nominalnya, elemen fuse harus cepat panas sampai melebihi titik
leburnya dan kemudian memutus rangkaian yang dilindunginya.
Untuk mendapatkan fungsi kerja yang baik, maka fuse perlu
mempunyai fungsi kerja yang baik yaitu mempunyai elemen seperti
berikut:
◮ Titik leleh rendah (misal: timah, timbel);
◮ Konduktivitas yang tinggi (misal: perak dan tembaga);
◮ Bebas dari korosi karena pengaruh oksidasi (misal: perak);
◮ Murah (misal: timah, timbel,dan tembaga).
Tidak semua bahan diatas dapat memenuhi semua karakteristik
yang diinginkan oleh fuess.
Misal:
Timbel : titik didih rendah, mudah korosi, dan resistansi tinggi.
Tembaga: konduktivitas bagus, murah, tetapi cepat beroksidasi.
Perlu ada kompromi untuk pemilihan material.

Current rating of fuse element:
Adalah arus dimana fuse bisa bekerja tanpa overheating atau
melebur. Ini tergantung pada kenaikan temperatur pada kontak
fuse (fuse holder), material, dan kondisi sekitar.

Fusing Current:
Adalah arus minimum dimana element fuse melebur selanjutnya
memutus rangkaian. Fusing current lebih besar dari current rating.
Untuk element berbentuk bulat, hubungan antara Fusing current I
dan diameter d dinyatakan dengan:
I = kd3/2
k : konstanta fuse (tergantung dari bahan material)

Tabel konstanta elemen Fuse

Fusing Current tergantung pada:

◮

material dari elemen fuse;

◮

panjang - (jika lebih pendek), maka arus akan lebih besar sebab
elemen yang pendek dapat melewatkan arus lebih cepat;

◮

diameter

◮

ukuran dan lokasi terminal

◮

kondisi sebelumnya

◮

tipe dari enclosure yang digunakan

Hal Penting dalam Fuse
Fusing factor:
Adalah rasio dari ” fusing current” minimum terhadap ”current
rating” dari elemen fuse yaitu:

Fusing Factor = Minimum fusing current / Current rating

Nilai selalu lebih besar dari 1:
◮

Jika nilai fusing factor lebih rendah, maka akan sulit mengindari
kerusakan karena terjadinya overheating dan oxidasi pada rated
current.

◮

Nilai fusing factor lebih rendah dapat digunakan pada fuse tipe
cartride dengan elemen terbuat dari silver atau bimetallic.

Kurva tripping Fuse

Hal Penting dalam Fuse
Prospective Current:
◮

Adalah nilai r.m.s. dari setengah loop pertama dari arus gangguan
(seperti terlihat pada gambar halaman sebelumnya)

◮

Arus gangguan akan besar pada setengah gelombang pertama,
tetapi hal ini cukup untuk meleburkan elemen fuse sebelum arus
peak dicapai;

◮

Arus akan di putus pada titik cut off;
Cut-off Current:

◮

Adalah nilai maksimum arus gangguan yang dicapai sebelum
elemen fuse melebur (melting);

◮

Pada saat gangguan, arus gangguan akan sangat besar pada 1/2
gelombang pertama (karena kondisi asymmetry);

◮

Panas yang dibangkitkan cukup untuk meleburkan elemen fuse
sebelum mencapai titik puncak dari arus gangguan.

Hal Penting dalam Fuse
Nilai cut off current tergantung pada: a). rating current; b)
prospective current; c) asymmetry of short circuit current.
Outstanding feature of fuse action:
◮

Adalah melakukan pemutusan circuit tanpa menyentuh arus
puncak pertama;

◮

Dapat menghindari panas yang tinggi dan pengaruh dari
elektro-magnetik pada saat terjadi arus hubung singkat, karena
arus maksimum dari hubung singkat sesuai dengan arus cut-off dari
fuse.
Pre-arching time:

◮

Adalah waktu antara terjadinya gangguan dan kondisi cut-off;

◮

Ketika gangguan terjadi, maka arus gangguan akan naik dengan
cepat dan menghasilkan efek panas pada element fuse;

◮

Pada kondisi cut-off, elemen fuse melting (melebur) dan diikuti
bunga api (arc), membutuhkan waktu biasanya 0.001 second;

Hal Penting dalam Fuse
Arching time:
Adalah waktu dari mulainya pre-arc sampai arching hilang.
Total operating time:
◮

Adalah gabungan waktu antara pre-arching time + arching time,
memerlukan waktu sekitar 0.002 detik dibandingkan dengan CB
yang membutuhkan waktu sekitar 0.2 detek;

◮

Kecepatan waktu triping merupakan kelebihan dari fuse;

◮

Fuse yang terpasang seri dengan CB akan putus terlebih dahulu
pada saat gangguan hubungsingkat terjadi;
Breaking capacity:
Adalah nilai r.m.s. dari arus prospective maksimum dimana fuse
bisa aman pada tegangan nominalnya.

Tipe Fuses
Secara umum Fuse dapat dikelompokkan kedalam:
◮

◮

Low voltage fuse;
◮

semi-enclosed rewireable fuse

◮

High rupturing capacity (H.R.C) cartridge fuse

◮

H.R.C. fuse with tripping device

High voltage fuse
◮

Cartride type (sampai dengan 33 kV, breaking capacity 8700 A ,
200 A)

◮

Liquid type (rated current sampe 100A, 132 kV, breaking capacity
6100A)

◮

Metal clad fuses

Fuse Type

Fuse Type

Fuse Type

Fuse Type

Fuse Type

Current Limiting Fuse (CLF)

◮

Membatasi arus puncak gangguan maksimum;

◮

Mengurangi kerusakan mekanik:

◮

Mengurangi energi panas;

◮

CLF adalah baik untuk proteksi gangguan hubung singkat;

◮

non-CLF (yaitu expulsion fuse) lebih baik untuk proteksi overload.

Current Limiting Fuses (CLF)

Current Limiting Fuses

Current Limiting Fuses

Current Limiting Fuses

Tipe Fuses

semi-enclosed

HRC cartride

Tipe Fuses

HRC with
tripping dvice
High Voltage
Fuse

Kemampuan mengalirkan arus dari elemen fuse
Kemampuan mengalirkan arus dari elemen fuse tergantung pada
◮

bahan dari elemen;

◮

Penampang dari elemen (tergantung pada: panjang, permukaan
dan lingkungan sekitar fuse);

◮

Ketika elemen mencapai temperatur yang konstan, maka
Panas yang ditimbulankan/detik = panas yang hilang/detik
(melalui: convection, radiation, and conduction);

◮

atau:
ρl
I 2 (π/4)d
2 = constant x dxl

I 2 ∝ d3
dimana: i = fuse dan d = diameter elemen fuse.

Contoh Soal

Fuse mempunyai penampang dengan radius 0.8 mm. Elemen akan
putus pada arus 8A. Hitung penampang elemen jika diinginkan
putus pada arus 1A.
I 2 ∝ d3
( II12 )2 = ( dd21 )3
d2 = d1 x( II21 )2/3 = 0.8x( 81 )2/3 = 0.2mm