PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK

RELAY DIFERENSIAL TIPE LONGITUDINAL UNTUK 
PROTEKSI  TRANSFORMATOR TIGA FASA BERBASIS 
MIKROKONTROLER AVR ATMEGA8535

Nama : Iwandy Sagala
NIM : 511131005
Jurusan Pendidikan Teknik Elektro
Universitas Negeri Medan 

Abstrak

Transformator tiga fasa merupakan salah satu  alat penting dalam sistem ketenagalistrikan karena  untuk pengkonversian tegangan, baik menaikkan atau nenurunkan tegangan sebelum masuk atau keluar dari jaringan untuk menyesuaikan  tegangan yang dipakai. Jika transformator mengalami gangguan, maka penyaluran tenaga listrik dapat terganggu, sehingga transformator memerlukan peralatan proteksi baik proteksi utama (main protection) maupun  proteksi cadangan.  Pada  transformator  sering  mengalami  gangguan  internal  sehingga  diperlukan  pengaman  utama  untuk transformator yaitu relay diferensial, sehingga dapat mengisolasi gangguan internal secepat mungkin tanpa mengakibatkan kerusakan yang lebih lanjut.

Tujuan tugas akhir ini adalah merancang relay diferensial tipe longitudinal untuk proteksi transformator tiga fasa berbasis mikrokontroler AVR ATMega8535. Mikrokontroler digunakan sebagai unit untuk mengontrol sistem dari relay diferensial yang dapat melakukan aksi saat transformator dalam keadaan normal maupun saat sedang mengalami gangguan. Aksi relay diferensial ini saat keadaan normal adalah memantau secara realtime nilai arus saluran masing-masing fasa pada transformator, sedangkan pada saat gangguan maka relay akan secara seketika mengisolasi transformator dengan cara memutus circuit breaker atau
kontaktor sehingga tidak akan terjadi kerusakan lebih lanjut. Selain itu relay ini juga disertai indikator yang menyatakan apakah relay dalam kondisi power on, relay normal atau relay sedang trip. Relay diferensial dapat digunakan untuk untuk proteksi transformator tiga fasa sampai dengan arus maksimum masingmasing fasa sebesar 8,5 A. Waktu operasi relay adalah antara 200-228 milisekon. 

  

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Transformator tiga fasa  merupakan salah satu peralatan  penting  yang  digunakan  dalam  sistem  tenaga listrik. Sistem tenaga listrik yang handal adalah apabila sistem tersebut bisa mencatu tenaga listrik dengan stabil dan berkesinambungan. Proteksi transformator dimaksudkan untuk mencegah transformator dari kerusakan  akibat gangguan- gangguan yang terjadi pada transformator  tersebut dan membatasi daerah (zone) pemadaman sekecil mungkin. Pada sistem pengaman tenaga listrik dikenal dengan daerah-daerah pengamanan, sehingga pengaman transformator merupakan   pengaman utama (main protection)  bagi transformator  dan  pengaman  cadangan untuk sistem-sistem yang terkait seperti saluran transmisi dan generator.   

Beberapa macam pengaman utama transformator dari gangguan internal antara lain adala relay bucholz,  relay  suhu,  relay  hubung  tanah dan relay diferensial. Relay diferensial digunakan sebagai pengaman utama pada transformator terhadap gangguan didalam transformator. Prinsip kerja relay diferensial adalah berdasarkan keseimbangan arus,dimana relay akan bereaksi  jika  dua  atau  lebih  besaran  listrik  yang  sama mempunyai nilai yang lebih besar dari nilai yang telah ditentukan (setting value). Relay diferensial dibagi menjadi  dua  jenis  yaitu  tipe  longitudinal  dan  percentage,  yang membedaan  diantara  keduanya  adalah  dalam  hal  cara penentuan nilai setting dan kontruksinya.

Masalah yang Dibahas

1. Transformator yang digunakan adalah transformator tiga fasa tiga inti.

2.Transformator  yang  digunakan  adalah  tipe  step down.

3.Variasi konfigurasi hubungan transformator adalah bintang-delta, delta-bintang, delta-delta dan bintang-bintang  tanpa  memperhatikan  konfigurasi  jam trafonya.

4.Konfigurasi   pada   sisi   sekunder   CT   adalah konfigurasi bintang.

5.  Tipe relay diferensialnya adalah tipe longitudinal.
6. Pemutus  tenaga  pada  perancangan  menggunakan kontaktor tiga phasa.

7.Sumber daya tiga fasa yang digunakan bertegangan fasa-fasa 380V± 5%.

8.Mikrokontroler  yang digunakan adalah ATMega8535.

B. Dasar Teori

1.  Transformator 3 Fasa

     a. Transformator Hubungan Bintang

Pada  hubungan  bintang  terdapat  titik  netral  dan saluran netral akan mengalirkan arus IN yang  besarnya IN = IA ⁺ IB ⁺ IC , dalam sistem yang seimbang IN ⁼ 0^.

Untuk hubungan bintang berlaku hubungan :

Besarnya daya pada hubungan bintang adalah tiga kali tiap transformator.

S = 3.Vp.Ip.............................(2.1)

Keterangan :

S          = daya semu transformator tiga fasa (VA)

VP       = tegangan fasa (Volt)

VL       = tegangan saluran (Volt)

IL        = arus saluran (A)

b.  Transformator Hubungan Delta
       Tegangan transformator tiga fasa dengan kumparan yang dihubungkan  secara  delta  V_AB,  V_BC,  V_CA  masing- masing berbeda 120°.

     V _AB + V_BC + V_CA = 0.......................(2.3)

        c. Transformator Hubungan Zig-zag
Pada  hubungan  zig-zag  dimana  masing-masing lilitan tiga fasa pada sisi tegangan rendah dibagi menjadi dua  bagian  dan  masing-masing  dihubungkan  pada  kaki yang berlainan.

Hubungan  silang  atau  zig-zag  digunakan  untuk keperluan khusus seperti pada ransformator distribusi dan transformator converter.

d.. Vektor Grup Transformator

Vektor  grup  transformator  atau  jam  trafo  akan menentukan pergeseran  sudut  arus primer  dan  sekunder pada transformator, hal ini akan menentukan sambungan relay diferensial.

          Vektor tegangan dan arah arus pada transformator daya dan transformator arus.

Gambar  dibawah ini menunjukkan contoh cara menentukan vektor grup transformator Yd11 serta cara merangkai wiring dari  kumparan  sisi  primer  dan  sekunder  transformator sehingga  arah  arah  arusnya  sesuai  dengan  vektor  grup transformator yang kita tentukan.

2. Sistem Proteksi

    a. Sistem Proteksi dan Atributnya

Suatu sistem proteksi akan merasakan keadaan yang abnormal pada bagian dari sistem tenaga dan memberikan peringatan atau mengisolasi keadaan tersebut dari sistem yang sehat. Pada gambar 2.5 menunjukan sebuah contoh sistem proteksi untuk proteksi relay jarak pada saluran transimisi, yang terdiri dari sebuah CT (Current Transformer) dan sebuah PT (Potential Transformer), sebuah relay dan pemutus tenaga (circuit breaker). Setiap sistem proteksi akan mempunyai komponen – komponen dasar tersebut.

Beberapa persyaratan yang harus dipenuhi oleh relay proteksi, adalah sbb :

1. Sensitivity (sensitif)

2. Selektivity (selektif) dan discrimination (diskriminasi)

3. Reliability (keandalan)

4. Speed (kecepatan)

    b. Organisasi Proteksi

Proteksi diorganisasi dengan cara yang sangat logis. Idenya adalah membuat cincin pengaman mengelilingi setiap elemen dari sistem tenaga. Jika terdapat gangguan pada daerah cincin ini, relay akan memerintahkan pemutus tenaga untuk trip dan mengamankan daerah yang sehat. Cincin pengaman ini disebut dengan zona proteksi. Pada Gambar di bawah ditunjukan suatu zona proteksi sederhana dari relay diferensial untuk proteksi pada transformator.

                                     Zona proteksi, gangguan internal dan eksternal

   c. Zona Proteksi

            Variasi zona proteksi untuk sistem tenaga secara khusus, ditunjukan oleh gambar 2.7. Dapat diamati bahwa zona-zona yang berdekatan saling melingkupi (overlap), dilain pihak terdapat bagian yang tidak terproteksi. Pada waktu yang bersamaan, harus disadari bahwa jika gangguan terjadi pada daerah yang dilingkupi maka lebih sedikit CB yang akan trip. Setiap zona akan menggunakan prinsip relay yang berbeda – beda.

Gambar Macam-macam zona proteksi untuk sistem tenaga.

     

      d. Proteksi Transformator

            Pr oteksi transformator dimaksudkan untuk mencegah transfor mator dari kerusakan akibat gangguangangguan yang terjadi pada transformato r te rsebut dan membat as i daerah pemadaman sekeci l mungkin. Berbagai kemungkinan gangguan yang terjadi pada transformator adalah sebagai berikut :

1. Hubung singkat pada kumparan transformator, yaitu antarkumparan fase, di dalam kumparan fase dan antarfase dengan tangki atau inti

2. Hubung singkat di luar transformator, baik simetris maupun asimetris

3. Beban lebih

4. Sambaran petir

5. Gangguan sistem pendingin

 Beberapa relay pengaman yang biasanya digunakan pada transformator antara lain adalah relay Bucholz, relaysuhu, relay hubung tanah (Earth Fault Relay), relay arus lebih (Over Current Relay), relay diferensial, relay tekanan lebih (Sudden Pressure Relay), relay tangki tanah, arrester.

 3. Relay Diferensial

            Relay diferensial merupakan suatu relay yang prinsip kerjanya berdasarkan keseimbangan (balance).Relay diferensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection). Relay ini sangat selektif sehingga tidak perlu dikoordinir dengan relay lain, disamping itu sistem kerjanya sangat cepat dan tidak memerlukan waktu tunda (time delay).

Relay diferensial ada dua jenis yaitu :

a.  Longitudinal Differensial Relay (LDR)

            Longitudinal differensial relay biasa dikenal sebagai circulating current type. Dalam keadaan normal, maka gangguan yang terjadi diluar daerah pengamanan (zone)mengakibatkan tidak ada arus atau bahkan sangat kecil yang mengalir di operating coil. Nilai setting longitudinal differensial relay adalah : i _setting = 

Keterangan :

isetting ,Δi = nilai setting longitudinal differensial relay (A)

i1 = arus sisi primer (A)

i2 = arus sisi sekunder (A)

 b.  Percentage Differensial Relay

Percentage differensial relay muncul karena kelemahan LDR yakni arus setting harus dibuat lebih besar dari arus operasi dalam keadaan normal untuk mengatasi arus inrush dan gangguan yang cukup besar berada diluar daerah proteksinya. Percentage differensial relay mempunyai restraining coil yang ditap pada bagian tengahnya, sehingga membentuk dua bagian dengan jumlah lilitan yang sama, Nr/2. Restraining coil dihubungkan pada bagian arus yang bersikulasi, sehingga menerima arus gangguan yang lewat (through fault current). Operating coil mempunyai jumlah lilitan No, yang dihubungkan pada bagian spill (spill path). Persamaan torsi untuk relay ini adalah sbb :

Torsi pada relay elektromagnetik adalah proporsional terhadap kuadrat dari flux, sehingga torsi 

Dimana M adalah kontanta proporsional, Sedangkan torsi restraining yang dihasilkan oleh spring adalah sebesar Tspring.

Relay trip jika torsi operating lebih besar daripada torsi restraining. Relay akan dalam operasi ambang ketika torsi operating seimbang torsi restraining.

Dengan menggabaikan torsi restraining yang disebabkan oleh spring, sehingga dapat dituliskan sebagai :

 dimana k = Nr/No

Jika efek dari spring (Ko) diperhitungkan, maka : 

Karakteristik operasi relay akan berupa garis lurus dari slope (Nr/No). Percentage differensial relay mempunyai dua setting yaitu setting slope dan setting minimum pick-up. Slope diatur dengan merubah tapping pada restraining coil. Setting minimum pick-up diatur dengan merubah spring dari restraining.

Blok diagram percentage differensial relay.

Secara umum besarnya setting slope relaydiferensial dapat dapat dirumuskan sebagai berikut :

Setting % = 

4. Mikrokontroler AVR ATMega8535

Sebuah mikrokontroler adalah suatu kombinasi dari mikroprosesor, piranti Input/Output (I/O) dan memori yang terdiri atas EEPROM dan RAM (Random Access Memory) dalam bentuk keping tunggal (single chip). Adapun secara lengkapnya mikrokontroler Atmel ATMega8535 ini memiliki fitur sebagai berikut :

1. Performa tinggi dan konsumsi daya rendah.

2. Mempunyai kecepatan maksimal 16 MHz.

3. Mempunyai dua Timer/Counter 8 bit, satu Timer/Counter 16 bit dan 4 kanal PWM.

4. Mempunyai 8 channel internal ADC.

5. Programable serial USART (Universal Synchronous and Asynchronous Receiver-Transmitter)

6. Analog Comparator dalam chip.

7. Mempunyai 6 pilihan sleep mode untuk penghematan daya listrik.

8. Mempunyai 32 jalur I/O yang dapat diprogram (PORT A-PORT D).

PERANCANGAN

A. Perancangan Perangkat Keras

1. Secara umum diagram blok perancangan sistem relay diferensial ditunjukkan pada di bawah :

2. Power Supply

Pembuatan power supply ini digunakan untuk menggerakan supply mikrokontroler, driver relay, rangkaian current to voltage converter dan rangkaian pengkondisi sinyal.

3. Current Transformer (CT)

Trafo arus (current transformer) yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah CT OTTO MSQ-30 dengan rasio 100/5. Dalam perancangan tugas akhir ini CT yang digunakan adalah sebanyak 6 buah, masing-masing sebanyak 3 buah dipasang pada sisi primer dan sekunder transformator 3 fasa.

      a. Current to Voltage Converter

Rangkaian ini digunakan untuk mengkonversi nilai arus AC menjadi tegangan DC.

Dari rangkaian nilai tegangan keluaran DC (Vout) yang besarnya dapat dirumuskan sbb :

Keterangan :

Vout : tegangan keluaran DC (Volt)

Vin : i x Ri : tegangan masukan AC (Volt)

I : arus masukan rangkaian I to V (A)

Ri, R1, R2, R3, R4 : resistor (Ω).

4. Pengkondisi Sinyal

Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi untuk menguatkan dan membalik nilai tegangan keluaran dari rangkaian current to voltage converter.

5. Sistem Minimum Mikrokontroler ATMega8535

Sistem mikrokontroler ATMega8535 digunakan sebagai unit kendali utama yang didalamnya berisi program untuk mengendalikan operasi relay diferensial. Didalamnya termasuk pengolahan nilai arus masing-masing fasa pada transformator tiga fasa, setting relay diferensial, dan pengaturan tampilan LCD.

6 Driver Trip Coil

Rangkaian output yaitu driver trip coil (driver relay) di kontrol oleh mikrokontroler ATMega8535. Rangkaian driver trip coil digunakan untuk mengemudikan/memicu koil pada kontaktor.

7. Kontaktor 3 Fasa

Kontaktor 3 fasa yang digunakan adalah kontaktor AC Chint NC1-0910 yang merupakan kontaktor AC magnetik yang menggunakan tegangan 220 Volt sebagai tegangan supply koilnya. Kontaktor ini memiliki keadaan  normal tertutup/close (NC).

Keypad

Keypad yang digunakan adalah matrik 4x4 dengan memanfaatkan port B pada mikrokontroler.

Keypad digunakan untuk setting konfigurasi transformator, rasio CT, input nilai arus setting (Iset) dan untuk mereset relay.

9. LCD

LCD matrik yang digunakan pada tugas akhir ini adalah M1632. LCD jenis ini dapat menampilkan 32 karakter dalam dua baris. Setiap baris berisi 16 karakter.

B. Perancangan Perangkat Lunak

Pemrograman mikrokontroler ATMega8535 dilakukan dengan menggunakan bahasa assembly dan C.

Flowchart program utama adalah seperti berikut :

PENGUJIAN DAN ANALISA

v  Pengujian Current Transformer

Pengujian terhadap current transformer (CT) dilakukan dengan cara mengukur arus masukan dan arus keluaran dari CT. Gambar

Grafik hubungan antara arus primer (Ip) terhadap arus sekunder (Is) CT berdasarkan hasil pengujian.

Berdasarkan nameplate, CT mempunyai rasio nominal 100/5 atau 20. Sedangkan dalam pengukuran sebenarnya masing-masing CT mempunyai rasio CT ratarata diatas rasio nominalnya yaitu lebih besar dari 20. Kesalahan transformator arus ini biasa disebut kesalahan rasio CT (ratio error) yaitu perbedaan antara rasio nameplate dengan rasio sebenarnya atau pengukuran. Kesalahan rasio CT (ratio error) dapat dirumuskan sbb :

Dimana :

Kn : rasio nominal CT

Ip : arus primer (A)

Is : arus sekunder (A)

Pengujian Current to Voltage Converter

Dari hasil pengujian current to voltage converterdidapatkan hasil bahwa terdapat perbedaan tegangan keluaran diantara masing-masing rangkaian current tovoltage converter. Perbedaan tegangan ini disebabkan olehnilai toleransi dari tahanan dan ketidakidentikan CT sehingga nilai masukan arus rangkaian current to voltage converter berbeda-beda pada saat keenam CT digunakan untuk mengukur arus dengan besar yang sama pada sisi primer CT.

Grafik hubungan antara arus primer CT terhadap tegangan keluaran rangkaian current to voltage converter.

Berdasarkan pembacaan arus beban maksimum transformator yang dapat dilakukan oleh rangkaian adalah sebesar 8,5 A. Nilai arus maksimum ini menyesuaikan dengan referensi tegangan ADC yaitu sebesar 5 volt.

Pengujian Hubung Singkat

Pengujian hubung singkat dilakukan pada sisi beban dari transformator. Transformator tiga fasa yang digunakan dirangkai dari tiga transformator satu fasa. Perbandingan lilitan antara sisi primer dan sekunder transformator atau rasio transformator adalah 390/110. Rasio CT yang digunakan adalah 100/5.

Wiring diagram pengujian hubung singkat fasa-fasa.

 

Wiring diagram pengujian hubung singkat fasa-tanah. 

Berdasarkan pengujian hubung singkat, besarnya waktu operasi relay (top) adalah berkisar 200-228 ms.

 Pengujian Software

Unjuk kerja relay diferensial sangat dipengaruhi oleh keakuratan pembacaan arus masing-masing saluran.

 

Grafik hubungan antara arus nominal saluran terhadap arus pembacaan oleh relay.

Dari Gambar di atas dapat dilihat bahwa semakin besar arus nominal saluran maka kesalahan pembacaan arus oleh relay relatif semakin kecil. Perbedaan ini akan mengakibatkan error pembacaan sebesar selisih antara arus nominal saluran dengan arus yang terbaca oleh relay. Pada perancangan, relay akan menampilkan nilai arus masing-masing fasa secara real-time pada       transformator pada saat relay dalam keadaan normal.

Sedangkan pada saat transformator mengalami gangguan relay akan mentribkan kontaktor serta menghitung dan menampilkan waktu operasi (top) relay. Relay juga akan mengindikasikan kondisi relay melalui lampu indikator.

 

PENUTUP

v  Kesimpulan

Berdasarkan perancangan, pengujian dan analisa yang telah dilakukan pada Tugas Akhir ini, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Relay diferensial dapat digunakan untuk untuk proteksi transformator tiga fasa sampai dengan arus maksimum masing-masing fasa sebesar 8,5 A.

2. Pada kondisi normal relay dapat digunakan sebagai media untuk pembacaan arus secara realtime masing-masing fasa dari transformator tiga fasa, sedangkan pada saat gangguan relay akan mentribkan kontaktor serta menampilkan waktu operasi relay.

3. Karakteristik waktu operasi relay adalah instantaneous dengan waktu operasi antara 200-228 milisekon untuk gangguan fasa-fasa maupun  gangguan fasa-tanah.

v  Saran

Saran yang dapat saya berikan dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Sebaiknya dapat digunakan CT yang seidentik mungkin supaya dapat melakukan pembacaan nilai arus yang seragam dari keenam buah CT.

2. Untuk pengembangan supaya relay dapat digunakan untuk transformator dengan kapasitas arus beban besar dapat dilakukan dengan meningkatkan range pembacaan arus maksimal oleh relay dengan cara mengubah nilai tahanan dan penguatan pada rangkaian current to voltage converter.