STUDI PENYETELAN RELAI DIFERENSIAL PADATRANSFORMATOR PT CHEVRON PACIFICINDONESIA

AbstractThe quality of an electric power system is measured by its continuity of service, good control and maintenance. The good continuity of service can be obtained if all the components of power systems can operate well in every situation and condition, either in normal or in abnormal condition. In abnormal condition, the protection system has an important role in detecting every disturbance and disconnecting the disturbed parts from the system. The power transformer is the main component in a substation. The disturbances in the transformer should be isolated so as not to disturb the system during distribution of the electric power to other load. The differential relay on the power transformer is a protectionrelay to detect internal disturbance. This paper discusses the setting and mismatch error ofdifferential relay in substation of Central Duri at switchgear #3 at PT Chevron PacificIndonesia (PT CPI).

Keywords: short circuit, differential relay, power transformer

PendahuluanSistem kelistrikan merupakan elemen penting untuk menunjang proses produksi pada industri. PT Chevron Pacific Indonesia merupakan salah satu perusahaan eksplorasi minyak asing di Indonesia dengan wilayah kerja yang cukup luas. PT Chevron memiliki sistem kelistrikan sendiriuntuk memenuhi kebutuhan listrik yang cukup besar. Sistem pembangkitan untuk penyediaan tenaga listrik yang terdiri atas fasilitas-fasilitas pembangkitan, transmisi, dan distribusi diatur agar sistem tidak hanya beroperasi dengan efisiensi yang setinggi mungkin, tetapi seluruh peralatannya juga diamankan dan dilindungi terhadap kerusakan.Manfaat sistem proteksi dan relai-relai pengaman adalah agar pemutus-pemutus daya yang tepat dioperasikan supaya hanya bagian yang terganggu saja yang dipisahkan secepatnya dari sistem, sehingga kerusakan peralatan listrik yang disebabkan oleh gangguan menjadi sekecil mungkin.

Salah satu komponen yang sangat penting peranannya dalam system tenaga listrik adalah transformator tenaga. Transformator tenaga ini berfungsi untuk mengubah besaran tegangan. Dengan menggunakan transformator tenaga, penyaluran energy dapat luas jangkauannya sehingga penempatan pembangkitan tidak harus berdekatan dengan beban.Untuk menjaga transformator tenaga dari gangguan diperlukan pengaman. Salah satu pengaman transformator tenaga adalah relai diferensial. Gambar sederhana sebuah sistem tenaga listrik diperlihatkan

pada Gambar 1. berikut:

Relai Diferensial

Relai diferensial adalah salah satu relai pengaman utama system tenaga listrik yang bekerja seketika tanpa koordinasi relai disekitarnya sehingga waktu kerja dapat dibuat secepat mungkin. Daerah pengamanannya dibatasi oleh pasangan trafo arus dimana relai diferensial dipasang sehingga relai diferensial tidak dapat dijadikan sebagai pengaman cadangan untuk daerah berikutnya. Proteksi relaidiferensial bekerja dengan prinsip keseimbangan arus (current balance).

Prinsip ini berdasarkan hukum kirchhoff yaitu membandingkan jumlah arus masuk ke primer (Ip) sama dengan jumlah arus yang keluar darisekunder (IS). (Kadarisman,No Year: 8-20).

Dimana:Id = Arus Diferensial (A)Ip = Arus Sisi Masuk (A)Is = Arus Sisi Keluar (A)Gambar 2. menunjukkan relai diferensial dalam keadaan arusnormal, dimana Ip dan Is sama besar dan berlawanan arah.

Gambar 2. Relai Diferensial Saat Arus Normal

Id = Ip + Is = 0 AmpereIdif = IP + IS = 0 AmpereMaka tidak ada tegangan yang melintasi coil relay dan tidak ada arus yang mengalir pada relai tersebut, sehingga relai diferensial tidak bekerja. (J lewis, Blackburn, 2004: 10).

Gangguan Diluar Daerah yang Dilindungi

Pada gangguan diluar (eksternal) daerah proteksi relai diferensial (diluar kedua trafo arus), relai diferensial tidak akan bekerja, karena Ip dan Is sama besar dan berlawanan arah(Id = Ip + Is = 0 Ampere, Idif = IP + IS = 0 Ampere), seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3. berikut. (J lewis, 2003:10).

Gambar 3. Relai Diferensial Saat Gangguan Eksternal

Gangguan Didalam Daerah yang Dilindungi

Untuk gangguan didalam (internal) daerah proteksi relai diferensial (diantara kedua trafo arus), Ip dan Is searah.Id = Ip + Is > 0 AmpereIdif = IP + IS > 0 AmpereKarena arus akan menuju titik gangguan, sehingga relai diferensial akanbekerja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Relai Diferensial Saat Gangguan Internal

Pada saat ada arus yang mengalir lewat relai, maka relai akan mengirim sinyal pada lock out relay. Sinyal ini akan di teruskan ke C/S dan memerintahkannya untuk lock out sehingga aliran energi listrik terputus,maka transformator tenaga yang diamankan bebas dari pengaruh gangguan yang ada.

3. Karakteristik Relai DiferensialKarakteristik diferensial dibuat sejalan dengan Unbalances current (Iμ), untuk menghindari terjadinya kesalahan kerja. Kesalahan kerja disebabkan karena CT ratio mismatch, adanya pergeseran fasa akibatbelitan transformator tenaga terhubung (Y) – (Δ).

Gambar 5. Prinsip Pengoperasian Relai Diferensial

Perubahan tap tegangan (perubahan posisi tap changer) pada transformator tenaga oleh On Load Tap Changer (OLTC) yang menyebabkan CT mismatch juga ikut berubah. Kesalahan akurasi CT, Perbedaan kesalahan CT di daerah jenuh (Saturasi CT), dan Inrush current pada saat transformator energizemenimbulkan unbalances current (Iμ) yang bersifat transient.

Untuk mengatasi masalah unbalance current (Iμ) pada relai diferensial caranya dengan menambahkan kumparan yang menahan bekerjanya relai di daerah Iμ. Kumparan ini di sebut Restraining Coil,sedangkan kumparan yang mengerjakan relai tersebut di sebut Operating Coil.Arus diferensial didapat dari menjumlahkan komponen arus

Jika arus berlawanan dalam arti yang satu menuju relai dan yang yang lainnya meninggalkan relai, maka akan saling mengurangi dan sebaliknya jika arus searah berarti yang kedua-duanya menuju ataumeninggalkan relai, maka akan saling menjumlahkan. Arus penahan (restrain) didapat dari arus maksimal komponen arus sekunder perfasa di belitan

Slope didapat dengan membagi antara komponen arus diferensial dengan arus penahan. Slope 1 akan menentukan arus diferensial dan arus penahan pada saat kondisi normal dan memastikan sensitifitas relai pada saat gangguan internal dengan arus gangguan yang kecil. Sedangkan Slope 2 berguna supaya relai tidak kerja oleh gangguan eksternal yang berarus sangat besar sehingga salah satu CT mengalamisaturasi (diset dengan slope lebih dari 50%).

Pada Gambar 6. halaman berikut merupakan karakteristik relai diferensial. Daerah di atas kurva adalah daerah kerja relai diferensial, sedangkan pada daerah di bawah kurva, relai tidak akan bekerja. (Anderson Anvenue, 2001: 214-300)

Gambar 6. Karakteristik Relai DiferensialSyarat Pengaman Relai Diferensial

a. Trafo arus yang digunakan oleh relai diferensial ini harus memiliki rasio perbandingan CT1 dan CT2 sama, contohnya 200:5 dan 1500:5, sehinggga Ip = Is, serta sambungan dan polaritas CT1 dan CT2 sama. Polaritas trafo arus memperlihatkan arah arus yang masuk dan keluar dari trafo arus Jika tidak, akan terjadi kesalahan dalam melihat arus yang masuk dan keluar melalui transformatortenaga. Hal ini, menyebabkan kesalahan dalam menentukan adanya gangguan di transformator tenaga.

b. Adanya pergeseran fasa akibat hubungan trafo tenaga yang terhubung delta (Δ) - (Y) maka untuk mengembalikan sudut phasa arus yang tergeser tersebut, hubungan trafo arus di buat berbeda dan sudut pada CT di sisi primer dan CT di sisi sekunder trafo berbeda 1800. Hubungan CT di primer berbeda dengan CT di sekunder yaitu satu sisi terhubung Y, lainnya Δ. Yang terhubung Δ menghasilkandan adanya arus magnetisasi dari trafo tenaga di sisi primer menyebabkan pergeseran fasa, Oleh karena itu diperlukan suatu CT tambahan (auxiliary CT – ACT) yang terhubung Y, karena proteksidiferensial harus membandingkan arus pada dua sisi tanpa perbedaan fasa.

c. Karakteristik kejenuhan CT1 dan CT2 harus sama

Gambar 7. Polaritas Trafo Arus

Pemilihan CT Ratio

Pemilihan CT disesuaikan dengan alat ukur dan proteksi. Pemilihan CT dengan kualitas baik akan memberikan perlindungan sistem yang baik pula. Relai diferensial sangat tergantung terhadap karakteristik CT. Jika karakteristik CT bekerja dengan baik, maka sistem akan terlindungi oleh relai diferensial ini secara optimal. CT ditempatkan dikedua sisi peralatan yang akan diamankan (transformator tenaga), seperti yang terlihat pada Gambar 8.

CT ratio untuk relai diferensial yang dipilih sebaiknya memiliki nilai yang mendekati nilai Irating . (Sukmawidjaja, 1995: 3-115)

Dimana:

n I : arus nominal (A)S : Daya yang tersalur (MVA)Dari persamaan 4, arus nominal dikedua sisi transformator adalah sebagaiberikut ;

Transformator dapat menarik beban lebih hingga 110% dari kapasitasnya, selama temperatur belitan dibawah temperatur maksimumnya.

Irating primer CT sisi 13,8 kV = 1,10 x 1171,432 = 1288,579 A

Maka perbandingan ratio trafo arus (CT ratio) dapat dihitung dari nilai arus rating dikedua sisi tegangan transformator tenaga tersebut dan disesuaikan dengan spesifikasi CT ratio yang ada dipasaran sedangkan nilai sekunder CT (5A atau 1A) disesuikan dengan peralatan proteksinya

Untuk CT ratio sisi 115 kV (CT1) = 200 : 5= 40DanUntuk CT ratio sisi 13,8 kV (CT2) = 1500 : 5= 300

Setelan Relai Diferensial

Diatas telah dihitung nilai CT ratio pada kedua sisi transformator tenaga, maka sekarang dapat dihitung di hitung nilai arus diferensial (Id) dan arus restraint (Ir) kemudian didapat nilai Setting Arus(Iset).

Relai diferensial hanya akan beroperasi saat ada gangguan didalam transformator dan tidak beroperasi saat keadaan gangguan diluar dan keadaan normal.

Perhitungan setelan Relai Diferensial Pada Gangguan Dalam

Untuk gangguan didalam transformator tenaga, relai diferensial beroperasi Jika:

iset < ioper = relai diferensial beroperasi

Arus diferensial (Id) merupakan arus operasi (Ioper) pada relai diferensial. Dari hasil perhitungan arus gangguan fasa R, S dan T yang mengalir pada saat gangguan hubung singkat tiga fasa didalam transformator dengan menggunakan program Microsoft Excel didapat arus diferensial diperlihatkan pada tabel berikut.

Dari hasil perhitungan dengan menggunakan program Microsoft Exceldidapat:I1 = 41,242 AI2 = 14,626 AIr = max (41,242;14,626)= 41,242 A

Slope pada Karakteristik relai difererensial pada gambar ada dua, yaitu slope 1 untuk gangguan didalam transformator 25% dan slope 2 untuk gangguan diluar transformator 100%.Untuk gangguan didalam transformator tenaga , setelan relai diferensial sebesar 25% dan untuk gangguan diluar transformator tenaga setelan relai diferensial sebesar 100%. Setelan persenan ini telah ditentukan dari karakteristik kerja relai diferensial.

Pada gangguan didalam transformator tenaga slope 1 di set 25%, dan relai diferensial bekerja jika iset < ioper maka Iset untuk gangguan tiga fasa ini pada fasa R adalah:

Iset = slope 1 x Ir = 25% x 41,242 = 10,310 A

Arus operasi sama dengan arus diferensial (Ioper = Id ) , pada Tabel 7. Id = 55,677 A

Karena iset < ioper maka relai diferensial trip.Untuk letak titik gangguan di gambar karakteristik relai diferensial arus diferensial dan arus restraint diubah dalam satuan pu.

Id = 55,677 AIr = 41,242 AIdasar sec CT = 5 A

Untuk menghitung arus dalam pu:

Dibawah ini adalah gambar karakteristik relai diferensial yang memperlihatkan letak titik nilai gangguan, untuk gangguan fasa R, S dan T yang mengalir pada saat gangguan hubung singkat tiga fasa didalamtransformator tenaga.

Keterangan:a : Karakteristrik Relai Diferensial T60 Dititik Gangguan Dalam

Transformator Untuk gangguan Tiga Fasa.

b : gangguan didalam jangkauan relai diferensial

Error Mismatch

Meskipun dari perhitungan telah di dapat ratio CT Pada halaman 10 yaitu pada sisi 115 kV (CT1) = 200 : 5, dan pada sisi 13,8 kV (CT2) = 1500 : 5. Nilai CT ratio yang dipilih ini adalah sesuai dengan CT yang ada dipasaran. Karena adanya perbedaan ini maka akan terjadi kesalahan dalammembaca perbedaan arus dan tegangan di sisi primer dan sekunder transformator tenaga serta pergeseran fasa di trafo arus. kesalahan ini disebut mismatch error. (Anderson Anvenue, 2001: 214-300).Pada relai diferensial untuk melihat mismatch error didapat dari perbandingan CT dengan tegangan pada persamaan

Untuk menghitung error mismatch sebelumnya terlebih dahulu menghitung nilai CT yang ideal di salah satu sisi transformator tenaga, misal untuk sisi 13,8 kV (CT2) dengan persamaan

Maka ratio CT2 di sisi 13,8 kV saat maxsimum load adalah = 1666,667 : 5

Ratio CT yang digunakan di sisi 13,8 kV adalah 1500 : 5, sedangkan idealnya CT untuk sisi 13,8 kV adalah 1666,667 : 5 .Maka, error mismatch didapat dari perbandingan antara CT ideal dengan CT yang adadipasaran. Error mismatch untuk relai diferensial adalah

Kesalahan relai diferensial dalam mengamankan transformator dari gangguan adalah sebesar 1,111 % .Untuk memperbaiki error mismatch pada relai diferensial ini dapat dilakukan dengan menaikkan atau menurunkan tap pada CT.

Error mismatch diharapkan nilainya sekecil mungkin agar proteksi relai diferensial bekerja secara optimal dalam mengamankan transformator tenaga. Dengan syarat kesensitifan relai diferensial dalam pengoperasian Mismatch error tidak boleh lebih dari 5%. Syarat ini ditentukan untuk proteksi agar optimal menjaga sistem tenaga listrik dari gangguan.

Kesimpulan Relai diferensial transformator adalah relai utama yang bekerja mengamankan transformator

tenaga dari gangguan didalam transformator tenaga dan tidak bekerja saat terjadi gangguan di luar transformator tenaga.

Pada karakteristik relai diferensial, setelan rele diferensial untuk gangguan didalam transformator tenaga sebesar 25% lebih kecil dibandingkan untuk gangguan di luar transformator sebesar yang 100% dan untuk nilai pick up di ambil dari ratio error CT.

Error mismatch adalah kesalahan dalam membaca perbedaan arus dan tegangan di sisi primer dan sekunder transformator tenaga serta pergeseran fasa di trafo arus. Nilai Error mismatch harus lebih kecil dari 5 % agar proteksi relai diferensial lebih optimal dalam mengamankan transformator tenaga.