Protection Relay – Part I

Dalam suatu sistem proteksi, protection relay berperan sentral dalam proses pengukuran, identifiksi dan melakukan aksi proteksi. Dikarenakan fungsi yang kompleks, maka performansi protection relay sangat dipengaruhi dengan komponen yang digunakan. Berdasarkan komponennya, protection relay dibagi ke dalam beberapa jenis sebagai berikut:

Electromechnical Relay

Adalah representasi awal dari teknologi relay proteksi, digunakan secara luas untuk berbagai aplikasi. Umumnya, relay elektromekanis menggunakan konsep solenoid dan lempeng/silinder berputar (mirip dengan meter listrik konvensional). Artinya relay ini selalu dicirikan dengan adanya konsep magnetik dan pergerakan mekanik (armatur). Relay elektromekanis memiliki keunggulan dalam hal kekuatan struktur (robust) serta biaya yang rendah sehingga menjadi sangat populer di masanya. Namun, sensitivitas dan kecepatan menjadi isu yang cukup mengganggu.

Static Relay

Relay statis mulai diperkenalkan sejak 1960-an, sebagai respon atas kelemahan relay elektromeknis. Relay ini menggunakan solid-state sehingga tidak ada pergerakan armatur, respon lebih cepat dan ukuran yang lebih kecil serta beberapa keunggulan yang lain. Dapat dikatakan bahwa relay statis adalah generasi pertama relay elektronik.

Digital Relay

Relay digital merupakan generasi penerus dari relay statis, dengan menggunakan teknologi mini komputer. Pada awal perkenalannya di 1969, harga komputer masih belum ekonomis dan kecepatannya juga belum terlalu tinggi. Namun, dikarenakan perkembangan komputer yang sangat cepat dan diiringi dengan harga komputer digital yang semakin ekonomis, maka kelahiran relay digital berbasis microcontroller semakin dekat dengan kenyataan. Saat ini, dikarenakan keunggulannya, maka relay digital telah mendominasi relay proteksi di pasaran.

Selain dalam hal desain dan kecepatan, relay digital mampu melakukan monitoring terhadaap dirinya sendiri. Hal ini sangat penting dalam hal device supervision. Relay digital juga sangat mudah untuk diprogram; untuk aplikasi yang spesifik semisal overcurrent, relay digital dapat disetting dengan karakteristik yang sangat luas. Hal ini menjadikan relay digital sangat fleksibel untuk diaplikasikan dalam segala aspek sistem daya listrik.

Secara singkat, perkembangan relay proteksi dapat disimpulkan ke dalam lima generasi sebagai berikut:

Generasi 1:

Aplikasi tradisional dari relay proteksi, menggunakan konsep elektromekanis.

Generasi 2:

Diperkenalkan pada kurun 1960-an dengan menggunakan konsep relay statis, menandai penggunaan relay proteksi tanpa adanya pergerakan mekanis dalam komponennya. Hanya menggunakan solid-state.

Generasi 3:

Diperkenalkan dalam kurun 1970-an dengan menggunakan konsep integrated circuit (IC), sehingga fitur logic  dan kontrol bisa diterapkan.

  

Generasi 4:

Diperkenalkan dalam kurun 1980-an dengan menggunakan konsep sistem digital menjadikannya sangat berbeda dengan generasi-generasi sebelumnya. Generasi relay ini dicirikan dengan self-checking, programable serta dapat melakukan penyimpanan (record & logging) terhadap kondisi dan aksi proteksi yang dilakukan sehingga dapat dianalisis oleh Engineer Proteksi.

Generasi 5:

Merupakan penyempurnaan relay proteksi generasi 4, sehingga relay proteksi dapat melakukan serangkaian terintegrasi dari fitur proteksi, metering, komunikasi serta integrated control.

Start | Part 2

Paiton, 3 Dec 2019 19:28

Daya Dalam Sistem Listrik AC - Part 3 (Finished)

Daya Aktif, Daya Reaktif, dan Daya Kompleks

Konsep 3 daya ini sangat mudah dijelaskan dalam model matematis (kalkulasi). Namun ketika berbicara tentang apa sebetulnya 3 macam daya itu (hakikat atau fillosofinya), hal ini menjadi sangat rumit. Konsep tersebut tidak hanya menyulitkan bagi seseorang yang baru belajar elektrikal, namun yang sudah bergelut lama di bidang tersebut mengalami semacam ‘dilema’. Antara paham dan tidak paham, setengah- setengah, bingung, atau bahkan menganggap ketignya sebagai konsep di atas kertas saja. Mungkin tulisan ini tidak akan menjelaskan konsep 3 daya dengan gambalang, namun semoga sedikit membantu.

Seperti dikatakan dalam deskripsi sebelumnya, daya kompleks (S, [VA]) merupakan penjumlahan vektor dari daya aktif (komponen real, P, [watt]) dan daya reaktif (komponen imajiner, Q, [VAR]), sehingga dituliskan S = P + jQ. Kita dapat memahami hal ini dengan mudah. Daya kompleks adalah penjumlahan dua macam daya. Selanjutnya, perhatian kita tujukan pada setiap komponennya, yaitu daya aktif dan daya reaktif.

Daya aktif (atau daya nyata, daya real) adalah bentuk daya yang dapat diubah ke dalam kerja fisik. Seperti motor (listrik ke putaran), heater  (listrik  ke panas), dan lain-lain. Artinya, daya listrik aktif dapat dikonversikan ke dalam bentuk daya lain dengan satuan yang sama melalui mesin konversi energi. Maka konsep daya aktif juga mudah dipahami.

Namun ketika berbicara tentang daya reaktif, kesulitannya akan segera muncul. Namun untuk mempermudah pemahaman, pengenalan daya reaktif akan dilakukan dengan analogi yang sering dipakai pada saat kuliah elektrikal. Kita kembali ke 3 macam konsep daya, yaitu P, Q, dan S. 3 macam daya tersebut dianalogikan dengan segelas minuman bersoda, yang berisi air soda dan buihnya. Air soda dianalogikan sebagai P, yaitu bagian yang bisa dimanfaatkan dengan nyata. Buihnya dianalogikan sebagai Q, yaitu bagian yang hanya digunakan sebagai pelengkap. Segelas penuh berisi air soda dan buih, dianalogikan sebagai S. Hal ini digambarkan dalam gambar 3.

Dari analogi di atas, akan terasa bahwa daya reaktif adalah ‘daya pengganggu’, yang keberadaannya sangatlah merugikan. Namun jika berfikir sejenak, power plant dan Pusat Pengatur Beban melakukan pengaturan daya reaktif, pasti ada tujuannya. Yang menjadikan daya reaktif bukanlah ‘daya pengganggu’, daya ini diperlukan.

Boleh tidak suka, namun kita akan kembali membuat persamaan matematis dan grafik-grafik. Misalkan sebuah beban induktif disuplai oleh sumber. Besar tegangan dan arusnya adalah V dan arus I, yang masing masing memiliki besar 1 dan 0.75 satuan. Gelombang arus tertinggal 30°. Hal ini direpresentasikan pada gambar 4. Pada gambar 4a, digambarkan jika gelombang tegangan (biru) dan arus (merah) dikalian, maka akan dihasilkan gelombang daya semu, S (hijau).

Pada persamaan sebelumnya, dijelaskan bahwa daya kompleks adalah penjumlah daya aktif dan daya reaktif, S=P+jQ. Pada gabar 4b, gelombang S dipilah menjadi 2 porsi, yaitu daya aktif P (biru muda) dan daya reaktif Q (pink). Grafik P dan Q diperbesar pada gambar 4c dan 4d.

Dari gambar 4c, diperlihatkan bahwa grafik daya aktif selalu berada di daerah positif. Sehingga dapat dikatakan bahwa nilai rata-ratanya adalah positif, mengindikasikan aliran daya aktif adalah dari sumber ke beban (satu arah). Daya aktif diproduksi sumber, dan dikonsumsi oleh beban.

Namun pada gambar 4d, diperlihatkan grafik gelombang daya reaktif yang berosilasi pada sumbu nol. Nilai sesaatnya kadang negatif dan kadang positif, mengindikasikan bahwa aliran daya reaktif adalah memiliki dua arah. Dalam setengah siklus, mengarah ke beban. Dan dalam setengah siklus berikutnya, akan mengarh ke sumber. Nilai rata-rata grafik tersebut adalah nol, yang mengindikasikan bahwa daya ini tidak dikonsumsi. Daya ini hanya bergerak ‘to and fro’, atau ‘mondar mandir’.

Dari analisis grafik pada gambar 4, didapatkan bahwa daya reaktif adalah daya yang bergerak dari sumber ke beban dan sebaliknya, suatu indikasi bahwa daya reaktif adalah daya yang tidak dikonsumsi. Keberadaannya kekal. Hal ini mudah diterima dengan mengaplikasikan Hukum Thermodinamika I, hukum kekekalan energi.

Namun sangkalan akan kembali muncul jika kita belajar analisis jaringan. Entah apapun metodenya, akan didapatkan istilah “Rugi Daya Reaktif”, yang seolah-olah daya reaktif diserap oleh sistem transmisi (sebagaimana rugi-rugi panas, daya aktif di kawat penghantar). Sebetulnya nilai tersebut adalah selisih daya reaktif antara sumber dan beban. Dan ingat karakteristik saluran transmisi jika dibebani, tergantung nilai SIL, ia dapat berupa komponen induktif atau kapasitif.

Pada bahasan sebelumnya, dituliskan persamaan bahwa P= VI cosφ dan Q= VI sinφ, yang menjadikan keduanya mirip. Namun, gambar 5 menyajikan persamaan untuk keduanya. Nilai terukur untuk P adalah nilai rata-rata daya aktif yang disalurkan dari sumber ke beban. Sedangkan Q adalah nilai maksimum daya reaktif yang bergerak bolak balik dari sumber ke beban atau sebaliknya.

Uraian sepanjang ini tidak menjelaskan sama sekali apa sebenarnya daya reaktif, kita hanya membicarakan karakteristinya saja. Sering dikatakan bahwa daya reaktif adalah unused power, namun secara pribadi saya tidak setuju dengan istilah tersebut. Blackout di Ohio Utara 14 Agustus 2003 disinyalir sebagai akibat dari rendahnya suplai daya reaktif.

Namun ada beberapa hal yang bisa dituliskan dari uraian di atas mengenai daya reaktif:

1)     Daya reaktif akan muncul jika sistem tegangan menggunakan gelombang bolak balik, dan terhubung ke beban reaktif (induktif dan atau kapasitif).

2)     Daya ini bergerak dua arah antara sumber dan beban. Sering diistilahkan Sloshing Power.

3)     Nilai terukurnya adalah nilai maksimum, bukan nilai rata-rata. Meskipun memiliki persamaan yang mirip dengan daya aktif (berbeda fungsi sinus dan cosinus), namun keduanya memiliki artin berbeda.

4)     Adalah suatu daya yang digunakan untu me-maintain tegangan, agar dapat menyalurkan daya aktif di jaringan. Jika nilai daya rekatif cukup rendah, maka tegangan akan turun dan tidak dapat menyalurkan daya aktif.

5)     Daya reaktif adalah daya yang berperan sebagai media konversi energi, misal pada motor atau beban lain.

Dari beberapa catatan tersebut, saya tertarik bahwa daya reaktif adalah daya yang berperan dalam media konversi energi. Jika dianalogikan dalam sistem pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), daya reaktif adalah bentuk apresiasi atas kerja keras water yang digunakan dalam siklus PLTU. Water dipanaskan menjadi uap, digunakan memutar turbin, didinginkan lagi menjadi water, dan dipanaskan lagi. Sebetulnya, bisa dikatakan bahwa water (dan bentuk turunannya) tidak melakukan apa-apa, water hanya berfungsi sebagai media konversi energi dari bahan bakar (batubara, udara, dan lain-lain) menjadi putaran turbin.

Namun, paragraf terakhir adalah ide saja. Bukan ide, hanya sesuatu yang terlintas dan sempat untuk dituliskan. Bisa didiskusikan kalau tidak tepat. Semoga bermanfaat.

Saat ini, jika pembaca menanyakan “apakah daya reaktif itu?”, saya akan menjawab “saya tidak tahu”.

Paiton, 9 April 2014. 13:59 WIB.

Daya Dalam Sistem Listrik AC – Part II

Segitiga Daya

Pada deskripsi sebelumnya, sudah disebutkan bahwa pada sistem listrik AC terdapat 3 macam daya. Yaitu daya aktif (P, [Watt]), daya reaktif (Q, [VAR]), dan daya kompleks (S, [VA]). Secara matematis, dituliskan bahwa S²=P²+Q². Untuk mepermudah hubungannya, digunakan konsep segitiga daya. Yaitu suatu bentuk geometri yang secara jelas menunjukkan hubungan P, Q, S dan faktor daya.

Sebetulnya segitiga daya dibangun pada bidang cartesian (x-y plane). Daerah positif digunakan untuk merepresentasikan daya yang dikirim oleh sumber, sedangkan daerah negatif digunakan untuk merepresentasikan beban pada sisi beban. Namun, tidak ada aturan mutlak tentang representasi segitiga daya. Jadi kedua posisi di atas dapat diganti-ganti, dengan catatan harus konsekuen. Peletakan posisi harus lebih cermat saat kita membicarakan masalah kompensasi pada rangkaian AC (penambahan kapasitor untuk memperbaiki faktor daya).

Pada gambar 2 diperlihatkan sebuah segitiga daya. Misalkan, gambar tersebut adalah representasi daya yang dihasilkan oleh generator (sebetulnya dapat pula diasumsikan sebagai daya yang diserap oleh beban listrik). Generator menghasilkan daya aktif sebesar P, daya reaktif sebesar Q, dan totalnya secara vektor disebut daya kompleks S. Pada gambar tersebut direpresentasikan pula nilai faktor daya atau cos φ. Sudut φ dalam bahasan ini adalah sama dengan sudut φ pada bahasan bagian I. Pada bagian 1, φ direpresentasikan sebagai pergeseran sudut antara gelombang arus dan tegangan. Sedangkan pada bagian II ini, φ direpresentasikan dalam hubungannya dengan daya. Secara matematis hubungan 4 variabel adalah:

Lambang * diistilahkan sebagai conjugate, yaitu salah satu operasi matematis dalam matematika vektor. Sedangkan j adalah operasi imajiner, untuk menunjukkan bahwa Q adalah bagian imajiner dari S. Contoh berikut akan memberikan sedikit penjelasan tentang persamaan di atas dan operasi conjugate.

Gelombang daya dan arus yang dibangkitkan oleh generator satu fasa adalah sebagai berikut:

V = 230 ∠0°

I  = 10 ∠30°

Informasi ini mengandung arti bahwa gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan (lagging) dengan besar φ adalah 30°, yang berarti generator akan menyuplai P dan Q, dengan besar:

P= VI cosφ = 230 x 10 x cos(30) = 1991.85 Watt

Q= VI sinφ = 230 x 10 x sin(30) = 1150 Var

S = P+jQ = (1991.85 + j1150) VA

Atau

S = VI* = 230 x 10 ∠(30-0)°

   = 2300 ∠(30)°

   = 2300 cos(30) + j2300 sin(30)

   = (1991.85 + j1150) VA

Besarnya adalah:

|S| = |V| x |I| = 230*10 = 2300VA

  

Demikian untuk session ini, pembahaan lebih mendalam tentang Watt dan VAR akan dipaparkan dalam posting selanjutnya. Insya Allah.

Paiton, Mar 28th 2014 05:40 am.