KOORDINASI RELAI ARUS LEBIH BERDASARKAN ARUS GANGGUAN HUBUNG SINGKAT PADA JARINGAN DISTRIBUSI 20 KV DI GARDU INDUK HARAPAN BARU SAMARINDA

  

KOORDINASI RELAI ARUS LEBIH BERDASARKAN ARUS GANGGUAN

HUBUNG SINGKAT PADA JARINGAN DISTRIBUSI 20 KV DI GARDU

INDUK HARAPAN BARU SAMARINDA

  1)- 2.) _{1, 2)}

Masing, Khairuddin Karim

Program Studi Teknik Listrik Diploma IV, Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Samarinda

  

Abstrak

  Keandalan suatu sistem tenaga listrik ditentukan oleh kordinasi sistem proteksi yang handal dan efektif. Untuk suatu jaringan distribusi, sistem proteksinya umumnya menggunakan proteksi arus lebih atau Over Current Relay (OCR) dan Relay Gangguan ke Tanah atau Ground Fault Relay (GFR). Kordinasi relay proteksinya berdasarkan arus gangguan hubung singkat yang terjadi pada jaringan distribusi yang akan diproteksi. Pada penelitian ini, lokasi yang menjadi obyek penelitian adalah Jaringan Distribusi 20 kV Gardu Induk (GI) Harapan Baru Samarinda yang mana sistem ini masuk dalam Sistem Mahakam Kalimantan Timur. Metode yang dipakai dalam kordinasi relay ini adalah menghitung arus hubung singkat untuk tiga jenis hubung singkat dengan menentukan jarak tempat gangguan hubung singkat yaitu 20%, 50%, 75%, dan 100% dari panjang jaringan distribusi. Jaringan distribusi pada Gardu Induk Harapan Baru ini diambil hanya pada feeder 6. Diperoleh hasil bahwa hubung singkat terbesar terjadi pada gangguan hubung singkat tiga phasa (simetris) 2509,6 A dan Arus hubung singkat terkecil terjadi pada gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah. (tak simetris) 227,45 A. Berdasarkan hasil perhitungan selektifitas waktu kerja relay pada sisi Incoming 20 kV dan penyulang 20 kV, penyulang 20 kV lebih selektif dibandingkan pada sisi incoming 20 kV. Adapun hasil kordinasi waktu kerja relay pada sisi incoming 20 kV dan penyulang 20 kV untuk jenis gangguan tiga fasa pada jarak 25% dari panjang saluran adalah 0,7031 detik dan 0,3015 detik. Jarak 50% diperoleh hasil 1,2032 detik untuk sisi incoming dan 0,2990 detik pada penyulang. Untuk jarak 75% diperoleh 2,4974 detik pada sisi incoming dan 0,3015 detik pada penyulang. Sementara untuk jarak 100%, diperoleh 14,7451 detik pada sisi incoming dan 0,3004 detik pada penyulang. Hasil lainnya diperlihatkan pada Tabel....

  Kata kunci : Relay jarak, OCR, GFR, Arus hubung singkat, Koordinasi relay

  sistem menjadi efektif dan ekonomis, serta I.

   PENDAHULUAN

  memungkinkan pengurangan kapasitas cadangan Untuk mencapai keandalan yang tinggi pada suatu pembangkit yang disediakan bila terjadi kegagalan [1]. system, perlu ada suatu peralatan yang bisa bekerja

  Gardu Induk

  melindungi system dari kondisi abnormal, dalam hal ini diperlukan sebuah proteksi atau relai proteksi. Relai Gardu induk (G.I) [2] dapat diklasifikasikan menurut

  Proteksi yang umum digunakan pada jaringan distribusi jenis pasangan sesuai dengan konstruksinya sebagai adalah relai arus lebih. Koordinasi relai tersebut harus berikut: diperhitungkan sehingga tidak ada kesalahan operasi 1.

  G.I jenis pasangan luar. yang menyebabkan peralatan dapat rusak.

  2. G.I Pasangan dalam. Untuk keperluan koordinasi relai proteksi, besarnya 3.

  G.I Jenis Setengan Pasangan Luar (semi outdoor arus gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi

  substation ).

  pada system distribusi perlu diketahui sebelum gangguan 4.

  G. I Jenis pasangan bawah tanah. yang sesungguhnya terjadi. Arus gangguan yang dihitung 5.

  G. I Jenis mobil tidak hanya pada titik gangguan, tapi juga kontribusinya Sedangkan jika berdasarkan sistem hubungan rangkaian

  (arus gangguan yang mengalir di tiap cabang dalam rel dayanya terdiri atas: jaringan distribusi yang menuju ke titik gangguan).

  1. Rel daya tunggal.

  2. Rel daya ganda.

  Sistem Distribusi Daya 3.

  Rel daya gelang. Fungsi sistem distribusi adalah menyalurkan daya

  Gangguan Pada Sistem Tenaga Listrik

  dari stasiu pembangkit pusat beban, memungkinkan penggunaan seluruh kapasitas pembangkit pada suatu

• –L)

  1

  Relay arus lebih adalah relay yang bekerja berdasarkan adanya kenaikan arus melebihi suatu nilai pengaman tertentu dan jangka waktu tertentu. Fungsi utama dari relay arus lebih adalah untuk merasakan adanya arus lebih yang kemudian memberi perintah kepada pemutus beban (PMT) untuk membuka.

  Pengaman dengan menggunakan relay arus lebih mempunyai keuntungan antara lain:

  1. Pengamannya sederhana; 2.

  Dapat berfungsi sebagai pengakan cadangan dan pengaman utama;

  3. Harganya relatif murah. Jenis-jenis relay arus lebih [5] ini menurut karakteristik kerjanya yaitu inverse dan instantaneous, diperlihatkan pada Gambar 1.

  Gambar 1. Karakteristik Over Current Relay tipe inverse untuk saluran distribusi.

  Tms Ground Fault Relay (GFR)

  Untuk mendapatkan nilai setting GFR, diperlukan data dan analisis besarnya arus gangguan hubung singkat 1 fasa ke tanah menurut persamaan [4]:

  = 3 ∗

  ℎ 1 + 2 +

• – G I f.a = 0 Delta .

  Dimana:

  I fault 1 fasa =

  arus gangguan 1 fasa ke tanah yang dihitung, V = tegangan fasa-netral sistem 20 kV = 20.000/ 3. Z

  1

  = Impedansi urutan positif (dihitung) Z

  2 = Impedansi urutan negatif (dihitung)

  Z = Impedansi urutan nol (dihitung)

  Tms GFR pada outgoing feeder

  Relay Arus Lebih

  Impedansi penyulang yang akan dihitung adalah besarnya impedansi per km dari penyulang yang bersangkutan. Besaran nilainya ditentukan oleh konfigurasi tiang yang digunakan untuk jaringan Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM) atau dari jenis kabel tanah untuk jaringan Saluran Kabel Tegangan Menengah (SKTM)

  Impedansi Penyulang

  Jenis Gang Persamaan Arus Gangguan

  JUST TI, Volume 9 Nomor 1, Januari 2017: 60 - 69 Sistem tenaga listrik berkembang sangat cepat dalam sistem tiga fasa yang memiliki banyak kelebihan diantaranya keseimbangan, stabilitas, konstruksi dan perawatan. Pada dasarnya jenis gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik dapat dibagi atas tiga kategori [3], yaitu:  Gangguan Paralel atau gangguan hubung singkat.  Gangguan seri atau gangguan saluran putus  Gangguan simultan atau gangguan serentak

  Perhitungan Arus Gangguan

  Pada sistem disribusi ada empat macam gangguan yang mungkin terjadi [1], yaitu:

  1. Gangguan tiga saluran atau tiga saluran ke tanah (3 Ø)

  2. Gangguan saluran ke saluran (L

  3. Gangguan dua saluran ke tanah (2 LG)

  4. Gangguan satu saluran ke tanah (SLG) Persamaan yang digunakan untuk ketiga jenis gangguan tersebut diperlihatkan pada Tabel 1[4]

  Tabel 1. Jenis Gangguan Hubung Singkat

  Hubungan Sumber 3 Ø

  Bintang ditanah kan

  = ̅

  ̅ + ̅ + ̅ + ̅ Delta atau Bintang ditanah kan

  L – L .

  = − . = − |

  √3 2( ̅ + ̅ + ̅ + ̅

  | Delta atau Bintang ditanah kan.

  L

  = 3 ̅ 2 ̅ + 3 ̅ + 6 ̅ + 3 ̅

  Setting GFR diambil dari arus gangguan hubung singkat 1 fasa ke tanah yang terkecil pada 100% panjang jaringan. Untuk mengantisipasi tahanan yang tinggi yang diakibatkan penghantar fasa bersentuhan dengan benda lain yang menimbulkan tahanan tinggi yang akan Masing dan Karim, Koordinasi Relai Arus Lebih Berdasarkan Arus Gangguan Hubung Singkat Pada Jaringan Distribusi 20 KV di

  Gardu Induk Harapan Baru Samarinda

  menyebabkan arus gangguan hubung singkat menjadi

  Diskriminasi Arus

  kecil, maka arus setting primer dikalikan dengan Metoda ini bekerja berdasarkan arus, hal ini disebabkan konstanta 0,06 s/d 0,1, maka persamaan I menjadi: karena besarnya arus disetiap posisi/bagian bervariasi.

  set primer

  Sehingga dengan metoda ini, semakin besar arus I set primer =0,1*I f 1 fasa terkecil . gangguan yang terjadi maka time trip nya pun akan dan I =I *1/ratio CT

  set sec set primer semakin pendek. Untuk setelan arus dari relai arus lebih

  dihitung berdasarkan arus beban yang mengalir di Setting waktu relay standar inverse dihitung dengan penyulang atau di Incoming Trafo. menggunakanrumus kurva waktu Vs arus, yang dalam

  Relai Inverse biasa diset sebesar 1,05 s/d 1,1 * I beban , hal ini akan digunakan standar British. Dengan demikian sedang relai definite diset sebesar 1,2 s/d 1,3 * I beban . diperoleh persamaan:

  Setelan nilai relai arus lebih jenis standard inverse adalah

  0,02 I set (pri) = 1,05 * I beban

  (( ) ) − 1

  1

  (0,3) ∗ ( )

  1

  I  set ( sek ) set ( pri )

• I

  =

  Ratio CT

  0,14 Nilai setelan waktu yang digunakan adalah:

  ∗ 0,14 =

  TMS , 14 *

  0,02  t

  1 ,

  02

  (( ) − 1)

  I   fault

    

  1  

  Setting GFR Incoming Feeder I set

   

  Untuk mendapatkan sensitifitas setting relay cadangan II.

METODE PENELITIAN

  [8] pada incoming, maka diambil nilai konstanta yang Untuk menentukan koordinasi relay proteksi pada lebih kecil dari outgoing feeder, dalam hal ini diambil sistem distribusi tenaga listrik dilakukan langkah-langkah

  0,07, maka: sesuai dengan flowchart berikut yang diperlihatkan pada

  I set primer = 0,07 * I f 1 fasa Gambar 2. I set sec = I set primer * 1/ratio CT

  Mulai 0,02

  1

  ) − 1] (0,3 + 0,4) [(

  Pengumpulan data

  = 0,14

  0,14 =

  Data Teknis: 0,02

1 Data Sumber (Trafo

• Tenaga) Data Saluran Distribusi - Data Impedansi -

  [( ) − 1]

  Koordinasi Relai Arus Lebih Penyulang Data Ratio CT di -

  Proteksi arus lebih [6] adalah perlindungan sistem dan outgoing dan incoming peralatan dari arus yang melebihi arus nominalnya.

  Perhitungan:

  Sedangkan tujuan proteksi itu sendiri adalah untuk Arus Gangguan Hubung Singkat 1 ke tanah.

• mendiskriminasi bagian sistem atau peralatan akibat

  Impedansi Sumber - Reaktansi Trafo Tenaga (urutan positif, -

  gangguan yang terjadi sehingga sistem dan peralatan

  negatif, dan nol) tidak mengalami kerusakan. Impedansi Penyulang (urutan positif, negatif, - dan nol)

  Prinsip dasar relay koordinasi terbagi dua, yaitu:

  Impedansi ekivalen - Diskriminasi Waktu

  Setean nilai relay gangguan ke tanah: -

  Metoda ini bekerja berdasarkan waktu setting, sehingga

  Di Incoming feeder (sisi hulu) - relay akan bekerja jika waktu setting terpenuhi.

  1

  2 JUST TI, Volume 9 Nomor 1, Januari 2017: 60 - 69

  Gambar 2 Flow chart analisis data .

   Gangguan Hubung Singkat 3 Fasa  Gangguan Hubung Singkat 2 Fasa

  15.78 [TRAFO 2 20 KV]

  4243.9 -

  51.22 286.5

  22.22 Keterangan : /I+/ Gangguan tiga phasa, /IA/ Gangguan satu phasa

  ke tanah , dan AN adalah Sudut derajat.

  Menghitung Arus Gangguan Hubung Singkat

  Gangguan Hubung singkat yang mungkin terjadi didalam Jaringan (Sistem Kelistrikan) ada 3, yaitu:

   Gangguan Hubung Singkat 1 Fasa ketanah. Suatu Gardu Induk (GI) Harapan Baru terpasang satu Trafo Tenaga 150/20 kV dengan daya sebesar 30 MVA dengan Tengangan Impedansi =11,201 %, Netral Trafo Tenaga ini ditanahkan melalui Tahanan 40 Ohm. Short Circuit level pada bus 150 kV di GI harapan baru sebesar 330 MVA.

  4570.2 -

  Dari Trafo Tenaga ini mengisi tegangan ke Busbar 20 kV dan terdapat satu buah Penyulang 20 kV yang panjang penyulangnya sekitar 14,2 km. Tentukan berapa besar Arus gangguan Hubung Singkat di Jaringan 20 kV yang terjadi di 25 %, 50 %, 75 % dan 100 % panjang penyulang. Single line dari kasus diatas diperlihatkan pada Gambar 3 Untuk menghitung arus gangguan hubung singkat pada sistem seperti diatas, pertama-tama dihitung besar Impedansi Sumber (Reaktansi), yang dalam hal ini

  Gambar 3. Single line diagram GI Harapan Baru 150 kV 20 kV 14,2 km 330MVA G.I Harapan Baru

  30 MVA

  X _T = 11,201% Ya Hasil

  Selesai Analisis Data Tidak

  1

  2

  48.31 1071.7

  46.29 [TRAFO 1 20 KV]

III. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Sistem Kelistrikan PLN Wilayah Kalimantan Timur

  1. GI Embalut, berkapasitas (1x10MVA)+(1x30 MVA)=40 MVA.

  PLTGU Tanjung Batu, berkapasitas 3 x 20 MW = 60 MW 2. PLTD Karang Asam, berkapasitas (6 x 4 MW) + (2 x 7,6 MW) = 39,36 MW

  3.

  5,2 MW) + (3 X 6,4 MW) = 40,02 MW 4. PLTD Gunung Malang, berkapasitas 6 x 4,04 MW =

  24,24 MW 5. PLTD Batakan, berkapasitas (2 x 6,08 MW) + (4 x

  6,4 MW ) = 37,76 MW 6. Pembangkit Swasta yaitu: PLTG (PT. Manames) berkapasitas 1 x 20 MW dan PLTD Loa berkapasitas

  1 x 14,40 MW yang disambung ke GI Embalut, PLTD Kaltimex berkapasitas 1 x 14 MW dan PLTD Pemkot berkapasitas 1 x 12,80 MW yang disambung ke GI Manggar Sari.

  Sedangkan G.I yang ada dan saling interkoneksi satu sama lain adalah:

  Sistem kelistrikan PT PLN Wilayah Kalimantan Timur yang melayani beban Samarinda, Kutai Kartanegara dan Balikpapan, disuplai dari lima lokasi pembangkit dan tujuh gardu induk (G.I) yang saling interkoneksi. Kelima lokasi pembangkit tersebut adalah : 1.

  38.87 2049.5 -

  GI Harapan Baru, berkapasitas 2x30MVA=60 MVA 4. GI Bukuan, berkapasitas 2x30 MVA = 60 MVA 5. GI Karang Joang, berkapasitas 1x30 MVA=30 MVA 6. GI Manggar Sari, berkapasitas 2x20 MVA=40 MVA 7. GI Industri, berkapasitas (2x20MVA) +(1x30 MVA)

  = 70 MVA

  Tabel 2. Data Arus Hubung Singkat pada sisi 150 kV dan 20 kV GI Harapan Baru

  BUS THREE PHASE FAULT /I+/ AN( I + )

  ONE PHASE FAULT /IA/ AN(IA

  [HARU 150 KV]

  1272.9 -

  2. GI Tengkawang, berkapasitas 2x30 MVA=60 MVA 3.

  Gambar 4 Konversi impedansi dari sisi 50 kV ke sisi 20 kV Xs = 1.244 20 kV Xs = 68,2 150 kV 20 kV

  t0

  Reaktansi Urutan Nol ( X

  t0

  ) Reaktansi Urutan Nol ini didapat dengan memperhatikan data Trafo Tenaga itu sendiri yaitu dengan melihat kapasitas belitan delta yang ada dalam Trafo itu :

  t0

  = X

  t1

  , dalam contoh perhitungan X

  t0 = 1,48 Ohm.

  t0 = 3*1,48 = 4,44 Ohm.

  10*X

  X = 13,3 Ohm.

  t1 .

  t0 = 10*1,48 Ohm = 14,8 Ohm.

  Menghitung Impedansi Penyulang

  Impedansi penyulang yang akan dihitung disini tergantung dari besarnya Impedansi per km dari Penyulang yang bersangkutan, dimana besar nilainya ditentukan dari konfigurasi tiang yang digunakan untuk jaringan SUTM atau dari jenis kabel tanah untuk jaringan SKTM. Dalam perhitungan ini untuk nilai Z = ( R + jX ) Ohm /km sebesar : Z

  1 = Z 2 = ( 0,6452 + j 0,3678) / km

  Z = ( 0,7932 + j1,6553 ) / km Dengan demikian nilai Impedansi Penyulang untuk lokasi gangguan yang dalam contoh perhitungan ini diperkirakan terjadi pada lokasi sejarak 25%, 50%, 75%, 100% panjang Penyulang , sehingga dapat dihitung sbb: Urutan Positif dan Negatif % Panjang Impedansi Penyulang (Z

  1

  , Z

  2

  ) 25 25%*14,2*(0,6452+j0,3678)=2,29+ j1,305 50 50%*14,2 *(0,6452+j0,3678)=4,58+ j2,611

  Nilai Reaktansi Trafo Tenaga : Reaktansi Urutan Positip, Negatip ( X t1 = X t2 ) Xt = 11,201%*13,3 = 1,48 Ohm.

   pada t

  2  Xs = 68,2Ohm.

  2

  20

  30

  Masing dan Karim, Koordinasi Relai Arus Lebih Berdasarkan Arus Gangguan Hubung Singkat Pada Jaringan Distribusi 20 KV di

  Gardu Induk Harapan Baru Samarinda

  didapat dari data hubung singkat di bus 150 kV Gardu Induk Harapan Baru (330 MVA), kedua menghitung Reaktansi Trafo Tenaga, ketiga menghitung Impedansi Penyulang per 25 %, 50 %, 75 % dan 100 % panjang Penyulang.

  Menghitung Impedansi Sumber .

  Data Hubung singkat di Bus 150 kV Gardu Induk (G.I) Harapan Baru adalah sebesar MVA, maka :

  Xs kV MVA

  

  %) 100 (

  2 330 150

• Untuk Trafo Tenaga dengan hubungan belitan Y dimana kapasitas belitan delta sama besar dengan kapasitas belitan Y, maka X

  Perlu diingat bahwa Impedansi Sumber ini adalah nilai Ohm pada sisi 150 kV, karena arus gangguan hubung singkat yang akan dihitung adalah gangguan hubung singkat disisi 20 kV, maka Impedansi Sumber tersebut harus dikonversikan dulu ke sisi 20 kV, sehingga pada perhitungan Arus gangguannya nanti sudah dengan menggunakan sumber 20 kV. (tidak lagi menggunakan tegangan 150 kV sebagai sumber, karena semua Impedansi sudah dikonversikan ke sistem tegangan 20 kV).

• Untuk Trafo Tenaga dengan hubungan belitan Yyd dimana kapasitas belitan delta (d) biasanya sepertiga dari kapasitas belitan Y (belitan yang dipakai untuk menyalurkan daya, sedangkan belitan delta tetap ada didalam tetapi tidak dikeluarkan kecuali satu terminal delta untuk ditanahkan), maka nilai X t0 = 3*X t1 , dan dalam contoh perhitungan X
• Untuk Trafo Tenaga dengan hubungan belitan YY dan tidak mempunyai belitan delta didalamnya, maka besarnya X t0 berkisar antara 9 s/d 14*X t1 , dalam
• X

JUST TI, Volume 9 Nomor 1, Januari 2017: 60 - 69 75 75%*14,2*(0,6452+j0,3678)=6,87+ j3,917 100 100%*14,2*(0,6452+j0,3678)=9,16+ 5,223 Urutan Nol % Panjang Impedansi Penyulang Urutan Nol (Z ) 25 25%*14,2*(0,7932+j1,6553)=2,81 + j5,876 50 50%* 14,2*(0,7932+j1,6553)=5,63+ j11,75 75 75%*14,2*(0,7932+j1,6553)=8,44+ j17,63 100 100%*14,2*(0,7932+j1,6553)=11,26+23,50

  Untuk mengkonversikan Impedansi yang terletak di sisi 150 kV ke sisi 20 kV, dilakukan dengan cara seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.

  150

  20 ) 20 (

  2

  2

   = 1,212 Ohm.

  Menghitung Reaktansi Trafo Reaktansi Trafo 30 MVA adalah sebesar 11,201 %.

  Untuk mencari nilainya dalam Ohm dihitung dengan cara sebagai berikut : Cari dulu nilai Ohm pada 100 % untuk Trafo 30 MVA pada sisi 20 kV,

  Xs ohm kv sisi 2 , 68 *

  Menghitung Impedansi Ekivalen Jaringan

  2 29 , 2 11560 6 ,

  2

  =

  

  5 58 , 4 11560 6 , j

  303 ,

  50

   =2509,6 A

  3

  5 58 , 4 11560 6 ,

  2 997 ,

  =

   j

  3 29 , 2 11560 6 ,

  997 ,

  25

  juga ada 4 nilai. % Panjang Arus Gangguan Hubung Singkat 3 Fasa

  3fasa

  2 303 ,

  

  1 11560 6 , 3 

  100

  2 16 , 9 11560 6 ,

  7

  2 915 ,

  =

   j

  7 16 , 9 11560 6 ,

  915 ,

   =1212,7 A

  = 1649,8 A

  2 87 , 6 11560 6 ,

  6

  2 609 ,

  =

  

  6 87 , 6 11560 6 , j

  609 ,

  75

  Seperti diketahui bahwa lokasi gangguan diasumsikan terjadi pada 25%, 50%, 75% dan 100% panjang penyulang, maka Z 1 eq juga didapat 4 buah nilai sesuai dengan lokasi gangguan tersebut, hasilnya, I

  I

  Perhitungan besarnya nilai Impedansi Positif (Z 1 eq ), Negatif (Z

  atau sebesar 14,8 Ohm, dan nilai Tahanan pentanahan 3R

  ( Z

  1 eq

  Karena lokasi gangguan di asumsikan terjadi pada 25 %, 50 %, 75 % dan 100 % panjang Penyulang, maka Z 1eq (Z 2eq ) yang didapat adalah : % Panjang Impedansi Z

  1 penyulang 1 penyulang

  = j1,212+ j1,48 Z

  Perhitungan Z 1 eq dan Z 2 eq ; Z 1 eq = Z 2 eq = Z s1 + Z t1 + Z 1 penyulang

  N = 3* 40 Ohm = 120 Ohm.

  t1

  ) 25 2,692 + ( 2,29 + j1,305 ) =2,29 +j3,997 50 2,692+ ( 4,58 + j2,611 ) = 4,58 + j5,303 75 2,692+ (6,87 + j3,917 ) = 6,87 + j6,609 100 j2,692+ (9,16 + j5,223 ) = 9,16 + j7,915 Perhitungan Z

  = 10*X

  to

  dimulai dari titik gangguan sampai ke Trafo Tenaga yang Netralnya ditanahkan. Untuk menghitung Impedansi Z 0 eq ini, trafo tenaga yang terpasang mempunyai hubungan YY, dimana mempunyai nilai X

  0 eq

  ) dari titik gangguan sampai ke Sumber. Karena dari sumber ke titik gangguan impedansi yang terbentuk adalah tersambung seri, maka perhitungan Z 1eq dan Z 2eq dapat langsung menjumlahkan Impedansi-Impedansi tersebut , sedangkan untuk perhitungan Z

  0 eq

  ) dan Nol (Z

  2 eq

  2 eq

  0 eq

  3  Z eq fasa

  Z eq Vph fasa

  20

  3 000 .

  1

  I

  Z eq fasa

  1 3 

  I

  3 = V ph Z = Impedansi Urutan Positip (Z 1 eq ) sehingga arus gangguan hubung singkat 3 Fasa dapat dihitung sebagai berikut :

  Z 0 eq = Z t0 + 3R N + Z 0 penyulang = j14,8 + 120 + Z 0 penyulang Karena lokasi gangguan diasumsikan terjadi pada 25 %, 50 %, 75 % dan 100 %, maka perhitungan Z

  dimana , I = Arus gangguan 3 fasa, V= Tegangan Fasa netral sistem 20 kV=20.000/

  I V Z 

  Rumus dasar yang digunakan untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat 3 Fasa adalah :

  Gangguan hubung singkat 3 Fasa:

  Setelah mendapatkan Impedansi Ekivalen sesuai dengan lokasi gangguan, selanjutnya perhitungan arus gangguan hubung singkat dapat dihitung dengan menggunakan rumus dasar seperti dijelaskan diatas, hanya saja Impedansi ekivalen mana yang dimasukkan kedalam rumus dasar tersebut adalah tergantung dari jenis gangguan hubung singkatnya, dimana gangguan hubung singkat itu bisa gangguan hubung singkat 3 Fasa, 2 Fasa atau 1 Fasa ketanah.

  Menghitung Arus Gangguan Hubung Singkat

  menghasilkan : % Panjang Impedansi Z 0 eq 25 j14,8+120+( 2,81+j5,876)=122,81+ j20,676 50 j14,8+120+(4,58+j5,335)=124,58 + j20,135 75 j14,8+120+(6,87+j6,641)=126,87 + j21,441 100 j14,8+120+(9,16+j7,947)=129,16 + j22,747

  0 eq

   = 954,9 A

• 3

  20 ( 124 58 , ) 303 , 5 58 ,

  3 Fasa dan 2 Fasa, Arus gangguan 1 Fasa ketanah juga dihitung untuk lokasi gangguan yang diasumsikan terjadi pada 25%, 50%, 75% dan 100% panjang Penyulang, sehingga dengan rumus terakhir diatas dapat dihitung besarnya arus gangguan 1 fasa ketanah sesuai lokasi gangguannya sebagai berikut : % Panjang Arus Gangguan Hubung Singkat 1 Fasa ketanah

  135 ,

  50

   = 265,6 A

  2 127 39 , 34682 08 ,

  28

  2 67 ,

  =

  2 34682 08 ,  j j  

  20 ( 122 81 , ) 997 , 3 29 ,

  ) 676 ,

  25

  2 34682 08 ,

  Kembali sama halnya dengan perhitungan arus gangguan

  2 34682 08 ,  j j  

  Z eq eq Z    1 *

  =

  1 34682 08 ,

  2

  Z eq eq Z eq Z     

  =

  20

  3 000 .

  1

  2

  Z eq eq Z eq Z     

• dan nilai arus gangguan hubung singkat sesuai lokasi gangguan dapat dihitung : % Panjang Arus Gangguan Hubung Singkat 2 Fasa
• 2 (
• 2 (
• 4 (
• 4 (

  =

  1

  2 741 ,

• 9 (
• 6 (

  Dengan hasil perhitungan Arus Gangguan Hubung Singkat ini, (3 Fasa, 2 Fasa dan 1 Fasa ketanah) kita bisa melihat bahwa arus hubung singkat terbesar adalah pada gangguan hubung singkat 3 fasa, sedangkan gangguan terkecil pada gangguan 1 fasa ketanah.

   = 227,45 A

  2 147 5 , 34682 08 ,

  38

  2 577 ,

  =

  2 34682 08 ,  j j  

  7 16 ,

  22 ( 129 16 , ) 915 , 7 ,

  ) 747 ,

  100

   = 239,5 A

  2 140 61 , 34682 08 ,

  34

  2 659 ,

  =

  2 34682 08 ,  j j  

  21 ( 126 87 , ) 609 , 6 87 ,

  ) 441 ,

  75

   = 252,7 A

  2 133 74 , 34682 08 ,

  30

  =

• 9 (

• 3

  I      

  1

  Z Z  eq eq 

  2 000 .

  3 29 ,

  25 ) 997 .

  2   

  1

  2

  I V Z fasa ph ph eq

  , sehingga persamaan Arus gangguan hubung singkat 2 fasa diatas dapat disederhanakan menjadi :

  2 eq

  Seperti halnya gangguan 3 fasa, Gangguan Hubung Singkat 2 Fasa juga dihitung untuk lokasi gangguan yang diasumsikan terjadi pada 25%, 50%, 75% dan 100% panjang penyulang. Dalam hal ini dianggap nilai Z 1 eq = Z

  

  2 .

  = 2170,8 A

  1

  20 000

  =

    

  2  

  1

  2

  I V Z Z fasa ph ph eq eq

  Arus gangguan hubung singkat 2 Fasa dapat dihitung sebagai berikut :

  Gardu Induk Harapan Baru Samarinda Gangguan Hubung Singkat 2 Fasa

  Masing dan Karim, Koordinasi Relai Arus Lebih Berdasarkan Arus Gangguan Hubung Singkat Pada Jaringan Distribusi 20 KV di

  20  j

  50

  2

  Gangguan Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah

  Z eq eq Z eq Z Vph fasa

  1 Fasa ketanah dapat dihitung sebagai berikut:

  ) , Impedansi urutan Negatip ( Z 2 eq ) dan Impedansi Urutan Nol (Z 0 eq ). I 1fsa ketanah = 3* I . sehingga I hs

  1 eq

  = Z = Jumlah Impedansi Urutan Positip (Z

  20

  3 000 .

  dimana , I = Arus Urutan Nol atau = I , V = Tegangan Fasa - Netral sistem 20 kV =

  V I 

  Z

  Rumus dasar yang digunakan untuk menghitung besarnya arus gangguan hubung singkat 1 Fasa ketanah juga dengan rumus :

  = 826,4 A

  ) 303 ,

  20  j

  2 000 .

  7 16 ,

  ) 915 ,

  = 1046,2 A 100

  20

  75 000 .

  = 1427,6 A

  20  j

  2 000 .

  5 58 ,

  Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan, Breaking capacity suatu pemutus tenaga dapat ditentukan.pada suatu Gardu Indukyang diperlihatkan pada Tabel 3/

• – 6
• ) ( ) (  .
• 719 , 166

   14 ,

  1 02 ,

      

     

  

  set

  I fault

  I TMS t

  Untuk menentukan nilai Tms yang akan diset pada relay arus lebih diambil angka arus gangguan (I

  fault

  ) sebesar arus gangguan 3 fasa pada lokasi gangguan 25% panjang penyulang, dan waktu kerja relay arus lebih di penyulang itu (sesuai keterangan waktu tercepat) diambil selama 0,3 detik, maka nilai Tms yang akan diset pada Relay Arus Lebih adalah:

  1 02 ,

  Setelan Waktu (Tms)

     

     

   Set

  I fault I t

  Tms 14 ,

  1 02 . 166,719 2509 6 ,

     

     

     

      Tms

   = 0,119 dibulatkan = 0,12 Setelan Incoming 20 kV Trafo Tenaga

  Setelan waktu relay Standard Inverse dihitung dengan menggunakan rumus kurva Waktu Vs Arus. Ada berbagai macam kurva yang tersedia yang dikeluarkan oleh perusahaan-perusahaan yang memproduksi relay. Jenis kurva yang dikeluarkan tergantung dari perusahaan yang memproduksi relay. Pada penelitian ini akan menggunakan kurva Waktu Vs Arus dari Standard British, dengan persamaan sebagai berikut :

   

• 14 ,
•     
• 3 .

  beban .

  JUST TI, Volume 9 Nomor 1, Januari 2017: 60 - 69

  Tabel 3. Hasil perhitungan Arus Hubung Singkat 3 fasa, 2 fasa, 1 fasa ke tanah di Gardu induk Harapan Baru Fedeer H

  NO Jenis gangguan I hs

  Panjang Penyulang 25 % 50 % 75 % 100 % 1 3 Ø 2509,6

  1649,8 1212,7 954,9 2 2 Ø 2170,8 1427,6 1046,2 826,04 3 1 Ø

  G

  265,6 252,7 239,5 227,45

  Hasil perhitungan arus hubung singkat ini juga dapat digunakan untuk menghitung koordinasi relai proteksi pada penyulang sehingga selektivitas dapat tercapai dan keandalan dapat terjamin.

  Perhitungan Koordinasi Relay Arus Lebih

  Hasil Perhitungan Arus Gangguan Hubung singkat pada tahap pertama dipergunakan untuk menentukan nilai setelan Relay Lebih terhadap nilai setelan Tms (Time Multiple Setting) dan Realay Arus lebih dari jenis Inverse. Disamping itu, setelah nilai setelan Relay didapatkan, nilai-nilai arus gangguan hubung singkat pada setiap lokasi gangguan yang diasumsikan, dipakai untuk memeriksa kerja relay arus lebih, apakah masih dapat dinilai selektip atau nilai setelan harus diubah ke nilai lain yang memberikan kerja relay yang lebih selektip, atau didapatkan kerja selektifitas yang optimum (Relay bekerja tidak terlalu lama tetapi menghasilkan selektifitas yang baik). Sedangkan untuk setelan arus dari relay arus lebih dihitung berdasarkan arus beban yang mengalir di penyulang atau di Incoming Trafo Relay Inverse biasa diset sebesar 1,05 s/d 1,1 x I beban . Sedang Relay Definite diset sebesar 1, 2 s/d 1,3 x I

  Pernyataan lain yang harus dipenuhi adalah bahwa penyetelan waktu minimum dari relay arus lebih (terutama di penyulang) tidak lebih kecil dari 0, 3 detik. Perhitungan ini diambil agar relay tidak sampai trip lagi akibat arus inrush dari trafo-trafo distribusi yang memang sudah tersambung di jaringan distribusi, sewaktu PMT Penyulang tersebut dimasukkan.

  I sek set

  Stelan Relay Penyulang 20 kV Setelan Arus

  I Set (primer) = 1,05 x I

  beban

  = 1,05 x 158,78 = 166,719 Amp. Nilai setelan tersebut adalah nilai primer. Untuk mendapatkan nilai setelan sekunder yang dapat disetkan pada relay arus lebih, maka harus dihitung dengan menggunakan data rasio trafo arus yang terpasang di penyulang tersebut, yaitu sebagai berikut :

  CT Ratio pri set I sek set

  I

  1

  17 ,

  4 200 5 /

  1

  ) ( Amp

  Untuk menentukan nilai setelan Relay Arus Lebih di sisi Incoming 20 kV Trafo, perlu dihitung terlebih dahulu Arus Nominal Trafo Tenaga berdasarkan data hubung singkat trafo. Trafo yang digunakan mempunyai data sebagai berikut: Kapasitas = 30 MVA Tegangan = 150.20 kV Impedansi = 11,21% Racio CT =

• ) 4 .

  = 0,11

      t t = 0,302 detik

  Dengan cara yang sama dengan lokasi gangguan yang berbeda (50%, 75%, dan 100%) panjang penyulang, dan jenis gangguan yang lain (2 fasa), hasilnya dapat dilihat pada tabel 6.

     t t = 0,703

  02 ,  

  I I TMS t 909,3 2509 6 ,

        set fault

  02 ,  

  1

  Incoming 20 kV trafo tenaga

  2509 6 ,

  02 ,  

  I Set (primer) = 10% x I

  I I TMS t 1 166,719

        set fault

  02 ,  

  1

  Penyulang 20 kV

  Nilai setelan dengan Tms-Tms yang didapat masih harus diuji lagi dengan Arus gangguan yang lain seperti Arus Gangguan hubung singkat untuk lokasi gangguan yang lain misalnya, pada 50%, 75%, dan 100% panjang penyulang, juga untuk jenis gangguan hubung singkat 2 fasa. Untuk gangguan 3 fasa pada lokasi gangguan 25% panjang penyulang, waktu kerja relay arus lebih di penyulang dan Incoming 20 kV trafo tenaga adalah sebagai berikut:

   = 0,103

   Tms

  Gangguan 1 fasa ke Tanah Setelan Relay penyulang 20 kV

  = 10%x 227,45 = 22,745 Amp

  gangguan terkecil

     

      Tms

     

     

     

  1 02 . 22,745 265 6 ,

  Tms 14 ,

  I fault I t

   Set

     

  1 02 ,

     

  14 ,

  Setelan waktu 

  I  

  22 ) ( Amp sek set

  1

   . 568 , 1200 5 /

  1

  I I Sku pri set set

  CT Ratio

     

     

  1

  Amp

  I

  I Sku set

  CT Ratio pri set

  = 1,05 x 866,05 = 909,3 Amp. Nilai setelan tersebut adalah nilai Primer. Untuk mendapatkan nilai setelan Sekunder yang dapat disetkan pada relay arus lebih, maka harus dihitung dengan menggunakan data rasio trafo arus yang terpasang di Incoming 20 kV tersebut yaitu sebagai berikut:

  beban

  I Set (primer) = 1,05 x I

   

  I kV sisi n

  30 ) 20 (

     

  866 05 , 3 * 20 000 .

   .

  I kV sisi n

  3 * ) 20 ( kV kVA

  Arus Nominal Trafo pada sisi 20 kV :

  Gardu Induk Harapan Baru Samarinda

  Masing dan Karim, Koordinasi Relai Arus Lebih Berdasarkan Arus Gangguan Hubung Singkat Pada Jaringan Distribusi 20 KV di

• ) ( ) ( 

• 14 ,
• 909 3 ,

  . 789 ,

  3 1200 5 /

  1

  ) ( Amp

  I sek set

    Setelan Waktu (Tms)

• 14 ,

  Setelan waktu Relay Standard Inverse dihitung dengan menggunakan rumus kurva Waktu Vs Arus, yang dalam hal ini juga diambi rumus kurva Waktu Vs Arus dari Standard British, sebagai berikut:

  ( 3 .

  1 02 . 909 3 , 2509 6 ,

  14 ,

• 12 , 14 ,
• 103 , 14 ,
•     
• ) ( ) (
• , 745 3 ,
• 3 .

• 14 ,

   14 , 1 *

     

     

    

  Set fault

  I I t Tms

  Karena Tms pada Relay Arus Lebih di penyulang yang akan disetkan pada Relay Arus Lebihnya diambil dari arus gangguan sebesar arus gangguan 3 fasa pada lokasi 25% panjang penyulang. Denga demikian, perhitungan menentukan nilai Tms Relay Arus Lebih di Incoming juga harus berdasarkan besar arus gangguan hubung singkat 3 fasa di lokasi 25% panjang penyulang tersebut. Untuk waktu kerja Relay Arus Lebih di Incoming Trafo 20 kV harus dibuat lebih lambat 0,4 detik dari waktu kerja Relay di penyulang 20 kV (dari relay disisi hilirnya). Untuk itu, nilai Tms yang akan diset pada Relay arus lebih di Incoming 20 kV adalah:

  I I TMS t

        set fault

  02 ,  

  1

  02 ,  

•     
• ) ( ) (
• ) 4 , ( 3 . ^{02 .}
• 196 ,
• 14 ,
• 14 ,

• 11 , 14 ,
• 28 , 14 ,

  Jenis Gang- guan

  No.

  Tabel 5 Hasil perhitungan waktu kerja relay (detik) untuk lokasi 25%, 50%, 75%, dan 100% untuk tiga jenis gangguan hs di sisi penyulang .

  1  0.7117 0.7255 0.7410 0.7566

  3

  0.8214 1.5914 5.1359 7.5151

  2 2 

  1 3 

  0.7031 1.2032 2.4974 14.7451

  25% 50% 75% 100%

  Waktu Kerja Relay (detik) Incoming 20 Kv

  Jenis Gang- guan

  . No.

  Tabel 4 Hasil perhitungan waktu kerja relay (detik) untuk lokasi 25%, 50%, 75%, dan 100% untuk tiga jenis gangguan hs di sisi Incoming

  Dengan cara yang sama pada gangguan 1 fasa ke tanah dengan lokasi gangguan 50%, 75%, dan 100% dari panjang penyulang, hasilnya dapat dilihat pada tabel 4 dan 5.

        t t = 0,712

  Waktu Kerja Relay (detik) Penyulang 20 kV

  1

  25% 50% 75% 100%

  20 kV, penyulang 20 kV lebih selektif dibandingkan pada sisi incoming 20 kV.

  East Pitsburgh. Pennsylvania.

  [5] Stevenson, W.D. 1996. Analisis Sistem Tenaga Listrik. Edisi ke- 4. Erlangga. Jakarta. [6] Soekarto, J. Koordinasi Relay Arus Lebih dan Gangguan Tanah dengan Fasilitas Lotus 123. PT PLN(Persero). Jasa Pendidikan dan Pelatihan. [7] Westinghouse. 1950. Electrical Transmission and Distribution Referensi Book.

  McGraw-Hill Book Company. New York. [4] Anderson, P.M. 1978. Analysis of Faulted Power System. The Iowa State University Press. USA.

  Jilid II dan III. P.T. Pradnya Paramita. Jakarta. [3] Gonen, T. 1986. Electric Power Distribution System Engineering.

  Erlangga. Jakarta [2} Arismunandar, A dan Kuwahara, S. 1984, Buku Pegangan Teknik Tanaga Listrik.

  V. REFERENSI [1] Pabla, A.S. and Hadi, A. 1991. Sistem Distribusi Daya Listrik.

  4. Hasil kordinasi waktu kerja relay pada sisi incoming 20 kV dan penyulang 20 kV untuk tiga jenis gangguan pada jarak 25%, 50%, 75%, dan 100% dari panjang saluran masing-masing diperlihatkan pada Tabel 4 dan 5.

  2. Arus hubung singkat terkecil terjadi pada gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah. (tak simetris) 227,45 A 3. Berdasarkan hasil perhitungan selektifitas waktu kerja relay pada sisi Incoming 20 kV dan penyulang

  3  0.3015 0.2990 0.3015 0.3004

  Arus hubung singkat terbesar terjadi pada gangguan hubung singkat tiga phasa (simetris) 2509,6 A

  Dari hasil analisa beberapa hubung singkat yang memungkinkan terjadi pada jaringan distribusi terlihat bahwa: 1.

   KESIMPULAN

  1  0.3057 0.3121 0.3194 0.3268 IV.

  3

  0.3084 0.3004 0.3001 0.2981

  2 2 

  02 ,  

  265 6 .

  I I TMS t 1 18,196

   . 075 , 1200 5 /

     

  1 02 ,

   14 ,

  I _{sek set}   Setelan waktu

  18 _{) (} Amp

  1

  1

   Set

  I I _{Sku pri set set}

  CT Ratio

  = 8% x 227,45= 18,196 Amp

  terkecil

  I Set (primer) = 8% x I gangguan

  Setelan Relay Incoming 20 kV Trafo Tenaga

  JUST TI, Volume 9 Nomor 1, Januari 2017: 60 - 69

     

  I fault I t

        set fault

  02 ,  

  02 ,  

  1

        t t = 0,306 detik

  02 ,  

  265 6 ,

  I I TMS t 1 22,745

        set fault

  1

  Tms 14 ,

  = 0,28 Untuk Gangguan 1 fasa ke tanah pada lokasi 25% panjang penyulang adalah sbb:

   Tms

     

     

     

     

  1 18,195 265 6 ,

  .[8] IEEE Guide for Protective Relay Aplication to Transmission Lines”, Power system relay comitte, New York, 2000