Dasar Sistem Proteksi – Part V

Instrument Transformer

Sistem daya elektrik, dikarenakan ukuran daya yang besar, pada umumnya menggunkan sistem tegangan dan rating arus yang tinggi. Dengan demikian, sistem proteksi yang diaplikasikan harus dapat mengakomodasi kondisi tersebut. Namun di sisi lain, relay proteksi yang merupakan salah satu bagian dalam sistem proteksi adalah perlalatan elektronik, yang bekerja pada level tegangan dan atau arus yang relatif rendah.

Untuk mengatasi kondisi tersebut, instrument transformer (trafo instrumen) digunkan sebagai alat yang berfungsi untuk mentransformasikan tegangan dan arus dari level yang tinggi ke level yang lebih rendah sehingga dapat disensing oleh relay proteksi. Dalam bahasan ini akan dideskripsikan kedua jenis trafo instrumen secara singkat, sebagai dasar mempelajari sistem proteksi. Semoga bahasan yang lebih detail bisa disampaikan pada tulisan berikutnya, mengacu pada standard yang ada.

Current Transformer (CT)

CT berfungsi untuk mentransformasikan arus listrik dari level yang tinggi ke level yang lebih rendah, sesuai dengan rating dari relay proteksi, meter, instrumen atau peralatan kontrol yang lain. Terdapat dua bagian dalam CT yaitu sisi primer yang dikoneksikan secara seri dengan rangkaian daya. Bagian kedua adalah sisi sekunder yang terhubung dengan relay proteksi, meter, instrumen atau peralatan kontrol.

Secara umum terdapat dua macam CT berdasarkan aplikasinyaa, yaitu CT proteksi dan CT metering. CT proteksi bekerja dalam range saturasi yang cukup tinggi sehingga dapat mensensing arus gangguan yang tinggi, dengan sedikit efek saturasi; sehingga hasil pengukuran masih cukup valid meskipun arus gangguan beberapa kali dari rating CT tersebut. Sedangkan CT metering, dikarenakan berfungsi untuk pengukuran instrumentasi dan transaksi ekonomis (tariff metering), memiliki tingkat keakuratan yang tinggi selama berada dalam rating nominalnya. Jika melebihi rating, maka keakurasiannya akan menurun tajam sebagi akibat dari saturasi.

Rating sekunder dari trafo pada umumnya adaah 1A, 2A dan 5A. Namun yang populer adalah 1A untuk kawasan Eropa dan 5A untuk Amerika.

Potential/Voltage Transformer (PT atau VT)

Pada dasarnya, PT merupakan trafo konvensional yang mentransformasikan tegangan dari level yang tinggi ke level yang lebih rendah. Seperti CT, PT memiliki dua bagian yaitu primer dan sekunder dalam satu inti besi bersama. Namun, bagian primer dikoneksikan secara paralel terhadap sirkuit tegangan tinggi. Untuk menjaga keproporsionalan tegangan sekunder terhadap tegangan primer, maka voltage drop dalam lilitan harus betul-betul rendah. Hal ini dapat dicapai dengan cara mendesain fluksi magnet serendah mungkin agar arus magnetisasinya tidak terlalu tinggi.

Untuk kawasan Eropa, rating sekunder PT adalah 100V atau 110V (phase-to-phase), sedangkan untuk kawasan Amerika dan Kanada menggunakan 115V atau 120V (phase-to-phase).  

Part 4 | Part 6

Paiton, 12 Dec 2018 18.30

Dasar Sistem Proteksi – Part IV

Rangkaian Relay Proteksi

Pada bagian ini akan ditunjukkan rangkaian sistem proteksi pada satu aplikasi yang sederhana, terdiri dari peralatan yang diproteksi, circuit breaker (CB), baterai (power supply) dan relay proteksi. Model ini akan menjadi dasar untuk memahami rangkaian pada CB dan relay pada bahasan-bahasan selanjutnya. Rangkaian sederhana aplikasi sistem proteksi dapat dilihat pada gambar 4:

Gambar 4. Rangkaian Sederhana Relay Proteksi

 Berdasarkan gambar 4, berikut adalah deskripsi singkat sistemnya:

• terdapat CB (kode: 52) yang digunakan untuk proses switching untuk jalur yang diproteksi (protective line) 
• relay proteksi (kode: 51) mengukur besaran arus 3 phase, namun untuk penyederhanaan hanya digambarkan untuk fasa C saja]
• rangkaian tripping CB yang terdiri dari

• baterai sebagai power supply, 
• 52a adalah anak kontak dari CB, 
•  52TC adalah trip coil dari CB, serta 
• kontak relay yang berfungsi sebagai trigger rangkaian tripping

Pada saat kondisi normal, CB (kode: 52) dalam posisi menutup sehingga daya elektrik dapat disalurkan menuju beban. Dalam kondisi tersebut, bagian rangkaian tripping kode 52a juga dalam posisi menutup sehingga proses untuk trip CB hanyalah menunggu perintah relay kode 51.

Jika kondisi abnormal terjadi pada bagian yang diproteksi, maka hal ini akan dirasakan oleh relay melalui pembacaan arus (untuk relay proteksi yang lebih kompleks, sensing juga dilakukan terhadap tegangan). Apabila besar arus gangguan melebihi nilai yang sudah diseting (baik itu magnitudo maupun time delay) maka relay akan memerintahkan CB untuk trip dengan mekanisme:

•  kontak 51 akan aktif 
• arus DC dari baterai akan mengalir pada trip coil  52TC 
• CB membuka dan gangguan dapat dilepaskan

Untuk proteksi yang lebih kompleks, maka sensing variabelnya juga lebih kompleks namun memiliki kaidah dasar yang sama sebagaimana di atas. Peran baterai sebagai power supply sangatlah penting dan harus terus dimonitor. Jika terjadi kegagalan pada baterai berarti keseluruhan sistem proteksi tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya.

Part 3 | Part 5

Paiton, 6 Dec 2018 19.35

Dasar Sistem Proteksi – Part III

System Disturbance

Berdasarkan IEEE Std 100-1992 IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronics Terms, secara umum disturbance didefinisikan sebagai terjadinya variabel yang tidak diinginkan pada suatu sistem dimana kondisi ini cenderung berakibat buruk terhdap nilai variabel yang dikontrol.

Disturbance yang terjadi pada sistem daya elektrik sangat bervarisi, baik itu magnitudo maupun karakteristiknya. Dengan demikian, mengetahui sifat dan identifikasi yang mendalam terhadap disturbance akan memberikan manfaat dalam studi sistem proteksi.

Sebetulnya, terdapat beberapa klasifikasi dari system disturbance. Namun dalam artikel ini, akan digunakan klasifikasi sebagaimana yang digunakan oleh Security Assessment of Power System, U. S. Energy Research and Development Administration, dimana terdapat dua jenis disturbance yaitu:

1. Load Disturbance

Fluktuasi kecil yang bersifat acak yang terjadi karena variasi beban.

2. Event Disturbance

- gangguan sistem transmisi yang diakibatkan oleh malfungsi peraalatan atau kondisi alam seperti petir

- aksi bertingkat (caascding action) sebagai akibat dari bekerjnya suatu sistem proteksi di suatu sub-sistem yang menimbulkan kondisi overload  pada sub-sistem sisanya

- lepasnya unit pembangkitan sebagai akibat lepas sinkron atau gangguan pada sistem pembangkitan

Load disturbance sebetulnya merupakan bagian dari pengoperasian sistem daya karena sepanjang pengoperasiannya, frekuensi dan tegangan merupakan dua besaran yang nilainya selalu berubah-ubah. Dalam load disturbance yang umum, perubahan tersebut dipandang sangat kecil sehingga tidak memerlukan aksi dari sistem proteksi. Namun load disturbance yang besar memiliki kemungkinan untuk terjadi sebagai akibat lepasnya jaringan transmisi atau pembangkitan, ditandai dengan variasi tegangan dan frekuensi yang ekstrim.

Di sisi lain, event disturbance yang kecil juga merupakan bagian dari pengopersian sistem daya. Namun secara umum, event disturbance membutuhkan respon dari sistem proteksi. Jika tidak, maka akan menimbulkan gangguan yang lebih luas.

 

Gambar 3. Beberapa Tipe Disturbance

Disturbance kecil dan besar (small/large disturbance) secara lebih spesifik diklasifiksikan dalam gambar 3. Small disturbance seringkali tidak membutuhkan respon proteksi sistem daya, namun kadangkala direspon oleh sistem kontrol (stability enhancement).  Sedangkan large disturbance hampir selalu membutuhkan respon dari sistem proteksi.

Part 2 | Part 4

Paiton, 5 Dec 2018 19.45

Dasar Sistem Proteksi – Part II

Operasi Sistem Proteksi

Pada dasarnya, peralatan proteksi terdiri dari beberapa sub-elemen yang berfungsi untuk memonitor kondisi sistem, melakukan evaluasi terhadap variabel yang dimonitor, melakukan kalkulasi serta melakukan aksi proteksi yang diperlukan secara tepat. Secara sederhana, hal tersebut ditunjukkan dalam gambar 2.

Gambar 2. Diagram Operasi Sistem Proteksi

Metered Quantity:

Modul ini berfungsi untuk melakukaan pengukuran terhadap variabel elektrik dasar seperti tegangan dan arus, serta beberapa besaran kombinasinyaa seperti daya, impedansi, frekuensi dan lain-lain. Bagian ini adalah salah satu bagian yang cukup penting karena akan menyangkut kevalidan variabel pengukuran. Beberapa jenis filter akan diaplikasikan untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Selain itu, seringkali perhitungan komponen simetri (symmetrical component) akan diaplikasikan pada bagian ini.

Threshold Quantity:

Modul ini berisi nilai batas (limit) yang diseting oleh Engineer Proteksi, nilai tersebut mengindiksikan batasan antara nilai aman dan tidak aman dari peralatan yang diproteksi.

Comparison Element:

Elemen ini berfungsi untuk membandingkan nilai terukur dari Metered Quantity dengan nilai batas yang diseting dalam Threshold Quantity. Elemen ini biasanya terdiri dari beberapa tingkatan (stage), seperti low stage, high stage and high-high stage.

Decission Element:

Apabila suatu Comparison Element  mengindikasikan nilai diluar batas, maka Decission Element akan menjadi aktif. Modul ini dilengkapi time element (delay) yang berfungsi untuk mengevaluasi apakah kondisi yang tidak normal tersebut hanya sementara (gejala transien) atau gangguan yang bersifat kontinyu.

Action Element:

Apabila prekondisi proteksi terpenuhi, maka Action Element akan bekerja, yang pada umumnya berarti perintah untuk membuka circuit breaker (CB).

Pada umumnya, operasi sistem proteksi akan mengikuti langkah-langkah di atas. Yang perlu menjadi perhatian adalah beberapa langkah memberikan kontribusi terhadap delay time secara keseluruhan, terpisah dari seting delay time setting dalam Decission Element. Dalam permasalahan ini diperkenalkan istilah Clearing Time (Tc), didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan oleh sistem proteksi untuk melakukan corrective action. Clearing time merupakan penjumlahan dari tiga komponen waktu yaitu:

-       Comparison time (Tp)

-       Decission time (Td)

-       Action Time (Ta), yang termasuk waktu operasi CB

Clearing time adalah salah satu besaran yang cukup krusial dalam proteksi sistem daya karena menentukan koordinasi dengan sistem proteksi lain dalam jaringan.  Artinya, diharapkan bahwa peralatan proteksi yang paling dekat dengan sumber gangguan harus melakukan aksi terlebih dahulu dibanding yang lain. Hal ini berguna untuk tetap menjaga keandalan sistem secara keseluruhan dengan menghilangkan sesedikit mungkin sub-sistem karena adanya gangguan. 

Part 1 | Part 3

Paiton, 5 Dec 2018 18.51

Dasar Sistem Proteksi – Part I

Foreword

Pada dasarnya, hampir semua jenis failure mode  dapat dikendalikan dengaan tujuan membatasi kerusakan dan juga meningkatkan keandalan sebuah peralatan, baik itu peralaatan mekanik maupun elektrik melalui pengoptimalan desain peralatan. Namun, tentu saja hal ini memiliki keterbatasan dikarenakan gangguan dapat bersifat sangat ekstrim sehingga pengoptimalan sisi desain (untuk sistem elektrik dapat berupa desain sistem isolasi) sulit untuk dilakukan karena secara ekonomis menjadi sangat tidak layak. Solusi praktis dalam mengatasi keterbatasan sisi desain dalam mengatasi segala jenis kemungkinan kondisi gangguan adalah implementasi sistem proteksi; suatu sistem yang berfungsi untuk mendeteksi gangguan dan melakukan aksi.

Tipe Dasar Sistem Proteksi

Berdasarkan aksinya, terdapat dua tipe dasar sistem proteksi yaitu:

1. Reactionary Device

Tipe pertama berfungsi untuk mendeteksi gangguan spesifik di dalam suatu sistem dan melakukan aksi untuk menghilangkan gangguan tersebut. Hal ini berguna untuk menghindari kerusakan yang lebih luas dan parah. Dengan demikian, metode yang sering diaplikasikan adalah mengisolasi sub-sistem yang terganggu sehingga sub-sistem yang masih sehat dapat bekerja sebagaimana mestinya. Kinerjanya secara sederhana ditunjukkan dalam gambar 1.

Gambar 1. Diagram Kerja Reactionary Device

Suatu sistem dikatakan dalam kondisi normal (normal state) apabila setiap peralatan bekerja dalam batasan desain operasinya. Jika terjadi suatu gangguan (misalkan short circuit), maka sistem dikatakan berada dalam kondisi tidak normal (abnormal state). Abnormal state mengindikasikan efek yang lebih buruk apabila gangguan yang terjadi tidak segera diatasi.

Dalam kenyataannya, abnormal state dapat berupa kondisi transien yang akan hilang dengan sendirinya; namun jika abnormal state bersifat non-transien, maka harus dilakukan suatu langkah aksi (action state), melepas sub-sistem yang terganggu dari sistem utama.

Setelah sub-sistem yang terganggu dipisahkan, maka masuk ke dalam kondisi outage state. Dikarenkan kondisi tersebut bukanlah kondisi ideal, maka harus dilakukan manuver seperti melakukan inspeksi terhadap sistem yang terganggu, intervensi dari sub-sistem lain atau beberapa langkah lanjutan. Kondisi ini disebut sebagai restortive state yang berfungsi mengembalikan kondisi sistem seperti semula, yaitu kondisi normal state.

2.  Safeguard Device

Tipe kedua berfungsi untuk mendeteksi gangguan di dalam suatu sistem dan melakukan aksi untuk mengubah kondisi tersebut ke kondisi baru yang lebih aman. Apabila aksi yang dilakukan tidak memberikan hasil sesuai dengan yang diharapkan, maka safeguard device yang lain bertugas untuk mematikan peralatan agar tidak terjadi kerusakan yang lebih parah. Namun hal tersebut harus didesain secara tepat, karena di satu sisi keamanan suatu peralatan harus benar-benar dijaga sedangkan keandalan peralatan juga tidak boleh diabaikan.

Sebagai contoh, Safeguard Device diaplikasikan dalam suatu sistem yang memonitor adanya ketidakseimbangan antara beban dan frekuensi dalam sistem grid. Apabila suatu sistem grid kehilangan sejumlah pembangkit, maka frekuensi grid akan turun hingga di luar batas toleransi. Dalam kondisi tersebut, Safeguard Device  harus melakukan manuver yang disebut Frequency Control, misalkan salah satunya adalah memerintahkan unit pembangkit lain untuk menambah suplai daya. Apabila manuver tersebut tidak berhasil, Safeguard Device yang lain akan memerintahkan sebagian beban untuk dilepas dari grid agar frekuensi kembali ke nilai toleransi.

Faktanya, kedua tipe sistem proteksi tersebut seringkali diaplikasikan secara bersamaan untuk mendapatkan aspek keandalan dan keamanan dari peralatan yang sedang beroperasi.

Start | Part 2

Paiton, 4 Dec 2018 20.21