26

BAB IILANDASAN TEORI

2.1 Sistem ProteksiDalam suatu proses industri sering dibutuhkan keandalan dan kemampuan kinerja pada suatu rangkaian kerja tersebut, agar terwujud hal tersebut maka perlunya sistem proteksi. Sistem proteksi merupakan suatu sistem yang berfungsi melindungi suatu benda, rangkaian sistem yang lain, makhluk hidup dari suatu gangguan yang menyebabkan kegagalan dari proses dan kerusakan sistem yang dilindungi tersebut dan makhluk hidup.Suatu kondisi-kondisi gangguan yang terjadi pada sistem kerja, dapat dilindungi dengan sistem proteksi. Pada laporan ini penulis akan memaparkan sistem proteksi pada sistem tenaga listrik, yaitu sistem proteksi yang dipasang pada peralatan-peralatan listrik suatu sistem tenaga listrik.

2.2 Sistem Proteksi Tenaga ListrikSistem pengaman tenaga listrik merupakan sistem pengaman pada peralatan-peralatan yang terpasang pada sistem tenaga listrik, seperti generator, bus bar, transformator, saluran udara tegangan tinggi, saluran kabel bawah tanah, dan lain sebagainya terhadap kondisi abnormal operasi sistem tenaga listrik tersebut (J. Soekarto, 1985)Kondisi abnormal itu dapat berupa antara lain: hubung singkat, tegangan lebih, beban lebih, frekuensi sistem rendah, asinkron dan lain-lain. Dengan kata lain sistem proteksi itu bermanfaat untuk:1. Menghindari ataupun untuk mengurangi kerusakan peralatan-peralatan akibat gangguan (kondisi abnormal operasi sistem). Semakin cepat reaksi perangkat proteksi yang digunakan maka akan semakin sedikit pengaruh gangguan kepada kemungkinan kerusakan alat.2. Cepat melokalisir luas daerah yang mengalami gangguan, menjadi sekecil mungkin.3. Dapat memberikan pelayanan listrik dengan keandalan yang tinggi kepada konsumen dan juga mutu listrik yang baik.4. Mengamankan manusia terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh listrik.Pengetahuan mengenai arus-arus yang timbul dari berbagai tipe gangguan pada suatu lokasi merupakan hal yang sangat esensial bagi pengoperasian sistem proteksi secara efektif. Jika terjadi gangguan pada sistem, para operator yang merasakan adanya gangguan tersebut diharapkan segera dapat mengoperasikan circuit-circuit breaker yang tepat untuk mengeluarkan sistem yang terganggu atau memisahkan pembangkit dari jaringan yang terganggu. Sangat sulit bagi seorang operator untuk mengawasi gangguan-gangguan yang mungkin terjadi dan menentukan CB (Circuit Breaker) mana yang dioperasikan untuk mengisolir gangguan tersebut secara manual.Mengingat arus gangguan yang cukup besar, maka perlu secepat mungkin dilakukan proteksi. Hal ini perlu suatu peralatan yang digunakan untuk mendeteksi keadaan-keadaan yang tidak normal tersebut dan selanjutnya menginstruksikan circuit breaker yang tepat untuk bekerja memutuskan rangkaian atau sistem yang terganggu. Dan peralatan tersebut kita kenal dengan relai.Proteksi dan tripping otomatis circuit-circuit yang berhubungan, mempunyai dua fungsi pokok:1. Mengisolir peralatan yang terganggu, agar bagian-bagian yang lainnya tetap beroperasi seperti biasa.2. Membatasi kerusakan peralatan akibat panas lebih (over heating), pengaruh gaya-gaya mekanik dan sebagainya.

2.3 Faktor-faktor Penyebab Gangguan/Keadaan AbnormalSistem tenaga listrik merupakan suatu sistem yang melibatkan banyak komponen dan sangat kompleks. Oleh karena itu, ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya gangguan pada sistem tenaga listrik, antara lain sebagai berikut:a. Faktor ManusiaFaktor ini terutama menyangkut kesalahan atau kelalaian dalam memberikan perlakuan pada sistem. Misalnya salah menyambung rangkaian, keliru dalam mengkalibrasi suatu piranti pengaman, dan sebagainya.b. Faktor InternalFaktor ini menyangkut gangguan-gangguan yang berasal dari sistem itu sendiri. Misalnya usia pakai (ketuaan), keausan, dan sebagainya. Hal ini bias mengurangi sensitivitas relai pengaman, juga mengurangi daya isolasi peralatan listrik lainnya. c. Faktor EksternalFaktor ini meliputi gangguan-gangguan yang berasal dari lingkungan di sekitar sistem. Misalnya cuaca, gempa bumi, banjir, dan sambaran petir. Di samping itu ada kemungkinan gangguan dari binatang, misalnya gigitan tikus, burung, kelelawar, ular, dan sebagainya.

2.4 Persyaratan Kualitas ProteksiAda beberapa persyaratan yang sangat perlu diperhatikan dalam suatu perencanaan sistem proteksi yang efektif, yaitu:a. Selektivitas dan diskriminasiSelekitivitas suatu sistem proteksi dapat dilihat dari kesanggupan sistem dalam mengisolir bagian yang mengalami gangguan saja.b. StabilitasSifat yang tetap beroperasi apabila gangguan-gangguan terjadi diluar zona yang dilindungi (gangguan luar).c. Kecepatan operasiSifat ini lebih jelas, semakin lama arus gangguan terus mengalir, semakin besar kerusakan peralatan, maka alat proteksi harus mempunyai kecepatan yang sangat tinggi untuk memutus sistem dari gangguan.

d. Sensitivitas (kepekaan)Yaitu besarnya arus gangguan agar alat bekerja. Harga ini dapat dinyatakan dengan besarnya arus dalam jaringan aktual (arus primer) atau sebagai persentase dari arus sekunder (trafo arus).e. Pertimbangan ekonomisDalam sistem distribusi aspek ekonomis hampir mengatasi aspek teknis, oleh karena jumlah feeder, trafo dan sebagainya yang begitu banyak, asal saja pesyaratan keamanan yang pokok dipenuhi. Dalam sistem-sistem transmisi justru aspek teknis yang penting. Proteksi relatif mahal, namun demikian pula sistem atau peralatan yang dilindungi dan jaminan terhadap kelangsungan peralatan sistem adalah vital.Biasanya digunakan dua sistem proteksi yang terpisah, yaitu proteksi primer atau proteksi utama dan proteksi pendukung (back up).f. Reliabilitas (keandalan)Sifat ini jelas. Penyebab utama dari outage rangkaian adalah tidak bekerjanya proteksi sebagaimana mestinya (mal-operation).

2.5 Tegangan TinggiPengukuran tegangan tinggi berbeda dengan pengukuran tegangan rendah, sehingga perlu penjelasan khusus mengenai pengukuran ini. Ada tiga jenis tegangan tinggi yang akan diukur dalam pengujian tegangan tinggi, yaitu tegangan tinggi bolak-balik, tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggi impuls. Pengujian tegangan tinggi pada umumnya diperlukan untuk mengetahui apakah peralatan tegangan tinggi yang diuji masih memenuhi standar kualitas dan kebutuhan yang dispesifikasikan pada peralatan tersebut. Lingkup studi teknik tegangan tinggi mencakup semua masalah seperti studi tentang korona, teknik isolasi, tegangan lebih pada sistem tenaga listrik, proteksi tegangan lebih, dan lain-lain. Dengan begitu banyaknya masalah yang mencakup tegangan tinggi, maka dibutuhkanlah pengujian tegangan tinggi dengan maksud sebagai berikut: 1. Untuk meneliti sifat-sifat listrik dielektrik yang baru ditemukan, sebagai usaha dalam menemukan bahan isolasi yang lebih murah. 2. Untuk verifikasi hasil rancangan isolasi baru, yaitu hasil rancangan yang telah dikurangi volume isolasinya.3. Untuk memeriksa kualitas peralatan sebelum terpasang, hal ini dilakukan untuk menghindarkan kerugian bagi pemakai peralatan. 4. Untuk memeriksa kualitas peralatan setelah beroperasi dalam rangka mengurangi kerugian semasa pemeliharaan. Perlunya pengujian tegangan tinggi seperti diuraikan di atas menuntut adanya cabang studi tegangan tinggi yang membahas khusus pengujian tegangan tinggi. Studi ini akan mempelajari cara kerja dan karakteristik peralatan-peralatan uji tegangan tinggi dan prosedur pengujian yang telah distandarisasi.Adapun peralatan-peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian tegangan tinggi adalah: 1. Pembangkit tegangan tinggi yang terdiri atas: pembangkit tegangan tinggi bolak-balik, pembangkit tegangan tinggi searah, dan pembangkit tegangan tinggi impuls. 2. Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atas alat ukur tegangan tinggi DC, alat ukur tegangan tinggi AC, dan alat ukur tegangan tinggi impuls. 3. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antara lain alat ukur rugi-rugi dielektrik, alat ukur tahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, dan alat ukur peluahan parsial.

2.6 Pembangkit Tegangan Tinggi ACTegangan tinggi bolak-balik diperoleh dari suatu trafo satu fasa dengan perbandingan belitan yang jauh lebih besar daripada trafo daya yang biasa disebut trafo uji.

Gambar 2.1 Rangkaian pembangkit tegangan tinggi AC variable

Belitan primer trafo dihubungkan ke sumber tegangan rendah bolak-balik, 220 VAC/50 Hz. Belitan sekundernya membangkitkan tegangan tinggi dalam orde ratusan kilovolt.Rangkaian pembangkit tegangan tinggi bolak-balik pada Gambar 2.1 membangkitkan tegangan tinggi bolak-balik pada frekuensi jala-jala (50 Hz).

2.7 Pembangkit Tegangan Tinggi Searah Tegangan tinggi searah dibangkitkan dengan menyearahkan tegangan tinggi bolak-balik.

Gambar 2.2 Rangkaian penyearah setengah gelombang

Gambar 2.3 Bentuk gelombang tegangan output penyearah setengah gelombang

Jika dibutuhkan tegangan keluaran yang lebih rata maka di terminal keluaran dipasang kapasitor perata.

2.8 Pembangkit Tegangan Tinggi ImpulsAda tiga bentuk tegangan impuls yang mungkin dialami sistem tenaga listrik yaitu: tegangan impuls petir, tegangan impuls surja hubung, dan tegangan impuls terpotong.

a. Impuls kilatb. Impuls surja hubungc. Impuls terpotong

Gambar 2.4 Jenis tegangan impuls

Alat pembangkit tegangan tinggi impuls antara lain adalah generator impuls RLC, generator impuls RC, dan generator marx. Untuk rangkaian generator impuls RC dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Rangkaian generator impuls RC

2.9 Mekanisme Terjadinya Tegangan Tembus pada Bahan IsolatorSuatu dielektrik tidak mempunyai elektron-elektron bebas, melainkan elektron-elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut. Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik. Pada Gambar 2.6 ditunjukkan suatu bahan dielektrik yang ditempatkan di antara dua elektroda piring sejajar. Bila elektroda diberi tegangan searah V, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban yang menekan dielektrik agar berubah sifat menjadi konduktor. Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas tersebut dan terpaan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantar arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik disebut tembus listrik atau breakdown. Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik disebut kekuatan dielektrik. Jika suatu dielektrik mempunyai kekuatan dielektrik sebesar Ek, maka terpaan elektrik yang dapat dipikulnya adalah Ek.Jika terpaan elektrik yang dipikul dielektrik melebihi Ek, maka di dalam dielektrik akan terjadi proses ionisasi berantai yang akhirnya dapat membuat dielektrik mengalami tembus listrik. Proses ini membutuhkan waktu dan lamanya tidak tentu tetapi bersifat statistik. Waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadi ionisasi sampai terjadi tembus listrik disebut waktu tunda tembus (time lag). Jadi tidak selamanya terpaan elektrik dapat menimbulkan tembus listrik, tetapi ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu: (1) terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan kekuatan dielektriknya dan (2) lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda tembus. Tegangan yang menyebabkan dielektrik tersebut tembus listrik disebut tegangan tembus atau breakdown voltage. Tegangan tembus adalah besar tegangan yang menimbulkan terpaan elektrik pada dielektrik sama dengan atau lebih besar daripada kekuatan dielektriknya.

Gambar 2.6 Medan elektrik dalam dielektrik

2.10 Magnetik Kontaktor.Magnetik kontaktor merupakan saklar elektromagnetik, yaitu saklar dengan yang dapat menutup dan membuka bila koil/kumparan dialiri arus listrik sesuai nominalnya. Magnetik kontaktor mempunyai bagian:

Gambar 2.7 Bagianbagian magnetik kontaktor

Kontak koil: kontak input tegangan agar magnetik kontaktor bisa bekerja. Kontak utama: Kontak NO (normally open) yang berfungsi sebagai saklar , akan menutup bila magnetik kontaktor bekerja, dan dihubungkan ke beban Kontak bantu: Kontak NO (normally open) dan NC (normally close) untuk membantu fungsi kontrol untuk mengendalikan magnetik kontaktor tersebut atau yang lainnya.Magnetik kontaktor digunakan untuk mengerjakan atau mengoperasikan dengan seperangkat alat kontrol beban, seperti: Penerangan Pemanas Pengendali motor listrik Pengaman motor listrikPada pengamanan motor-motor listrik beban lebih dilakukan secara terpisah. Kontaktor akan bekerja dengan normal bila diberikan tegangan 85% sampai dengan 110% dari tegangan permukaannya.Sedangkan bila lebih kecil dari 85%, kontaktor akan bergetar atau berbunyi. Jika lebih besar 110% kontaktor akan panas dan terbakar. Penandaan nomor pada kontak untuk kontaktor menurut IEC adalah:Tabel 2.1 Kode kontak pada kontaktor menurut IECKODEKETERANGAN

A1 , A2Hubungan kontak untuk sumber tegangan pada kontaktor

1 , 3 , 5Hubungan kontak untuk supply pada rangkaian utama.

2 , 4 , 6Hubungan kontak untuk beban pada rangkaian utama.

13 & 1423 & 2433 & 3463 & 6473 & 7483 & 8493 & 94Hubungan untuk kontak-kontak bantu pada kondisi NORMALLY OPEN (NO)

11 & 1221 & 2231 & 3261 & 6271 & 7281 & 8291 & 92Hubungan untuk kontak kontak bantu pada kondisi NORMALLY CLOSE (NC)

Sedangkan untuk simbol bagian kontaktor adalah sebagai berikut = Koil elektromagnetik dengan A1 dan A2 sebagai penghantar keluaran dari koil elektromagnetik.

= Kontak pada kondisi NORMALLY OPEN (NO).

= Kontak NORMALLY CLOSE (NC).

= Kontak ON DELAY pada kondisi NORMALLY OPEN (NO)

= Kontak OFF DELAY pada kondisi NORMALLY CLOSE (NC)

2.11 Push Button (Tombol Tekan)Push button merupakan suatu bentuk saklar yang sering digunakan dalam suatu rangkaian kontrol dan mempunyai fungsi sama dengan saklar-saklar lainnya pada umumnya, tetapi memliki perbedaan dalam penguncian.

Gambar 2.8 Push button1. Push Button Normally Open (NO) dengan fungsi jika ditekan bekerja (ON), apabila dilepas akan kembali semula (OFF).Simbol Rangkaian:

2. Push Button Normally Close (NC) dengan fungsi jika ditekan bekerja (OFF), apabila dilepas menjadi bekerja (ON)Simbol Rangkaian:

3. Push button mengunci, berfungsi jika ditekan bekerja (ON) dan apabila dilepas tetap bekerja (ON), tetapi jika ditekan untuk kedua kalinya maka akan tidak bekerja (OFF)Simbol Rangkaian:

2.12 Miniatur Circuit Breaker (MCB)MCB merupakan salah satu pengaman pada suatu rangkaian kontrol. Pada MCB memiliki fungsi sebagai pengaman beban/daya lebih dari daya yang dipakainya, sehingga apabila daya yang digunakan pada sistem tersebut melebihinya (P = V.I Cos ) maka akan terjadi trip pada MCB. MCB juga berfungsi sebagai pengaman kesalahan rangkaian, sehingga apabila terjadi short circuit (hubung singkat) maka MCB juga akan trip. Hubung singkat tersebut terjadi apabila antara penghantar/kabel fasa/line terhubung langsung dengan penghantar/kabel netral/nol dan juga ground/pentanahan. Dalam melakukan pendesainan kontrol dengan menggunakan MCB jenis 1 fasa. Tetapi pengamanan yang digerakkan oleh rangkaian kontrol tersebut dapat menggunakan MCB jenis 3 fasa, sehingga dalam suatu panel yang digunakan untuk mengontrol suatu sistem minimal terdapat 2 MCB yaitu 1 buah MCB jenis 1 fasa dan 1 buah MCB 3 fasa.

Gambar 2.9 MCB

2.13 TransformatorTransformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik kerangkaian listrik yang lain melalui suatu gandengan medan magnet dan berdasarkan prinsip-prinsip elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaanya dalam sistem tenaga memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh.Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokan menjadi:1. Transformator daya2. Transformator ditribusi 3. Transformator pengukuran: yang terdiri dari transformator arus (CT/current transformator) dan transformator tegangan (PT/potential transformator). Kerja transformator yang berdasarkan induksi elektromagnet menghendaki adanya gandengan medan magnet antara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan medan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama.Gambar 2.10 Transformator

Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi (reluctance) rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi (self induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi). (2.1)

dimana:e : gaya gerak listrik (volt)N : jumlah lilitan (turn) perubahan fluks magnet (webber/sec)Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus bolak-balik yang dapat ditransformasikan oleh transformator, sedangkan dalam bidang elektronika, transformator digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan arus bolak-balik antara rangkaian. Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common magnetic circuit).

2.14 Over Current Relay / Relai Arus LebihSebagaimana diketahui bahwa impedansi gangguan lebih rendah dari impedansi pada keadaan normal. Bila terjadi gangguan hubung singkat, impedansi menjadi rendah dan arus gangguan yang mengalir menjadi demikian besar melampaui batas normal. Dalam keaadaan ini diharapkan Circuit Breaker (CB) akan bekerja untuk mengisolir daerah gangguan sehingga bagaian yang lain yang tidak mengalami gangguan berjalan normal. CB akan bekerja setelah menerima perintah dari relai yang menerima sinyal dari sensor arus berupa trafo arus (CT). Bila arus yang diterima relai mencapai nilai arus pick-up maka relai tersebut akan bekerja dan memerintahkan CB melepaskan rangkaian. Dilihat dari waktu kerjanya, Relai arus lebih dikategorikan menjadi 2 yaitu: Relai arus lebih seketika (instantaneous over current relay) Relai arus lebih tunda waktu (definite time over current relay)Untuk menjelaskan rangkaian pemasangan relai arus lebih, secara sederhana ditunjukkan oleh Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Diagram pengawatan OCR

Relai arus lebih seketika (instantaneous over current relay)Relai arus lebih seketika adalah relai yang bekerja tanpa penundaan waktu, atau jangka waktu relai mulai saat relai arusnya pickup sampai selesai, sangat singkat (sekitar 20 sampai 100 ms). Gambar 2.12 menunjukkan karakteristik relai arus lebih seketika.

Gambar 2.12 Karakteristik instantanous relay

Relai arus tunda waktu (definite time over current relay)Berdasarkan jenis karakteristiknya relai arus lebih tunda waktu dapat dibedakan menjadi 3 yaitu:1. Waktu minimal tertentu terbalik (inverse definite minimum time)Relai arus lebih jenis inverse pada dasarnya hampir sama dengan relai arus lebih jenis definite, perbedaannya hanya pada waktu kerjanya saja. Gambar 2.13 menunjukkan karakteristik definite time relai.

Gambar 2.13 Karakteristik definite time relay

2. Sangat berbanding terbalik (very inverse time relay)Gambar 2.14 dibawah menunjukkan karakteristik very inverse time relay.

Gambar 2.14 Karakteristik very inverse time relay

3. Sangat berbanding terbalik (extremely inverse)

Gambar 2.15 Karakteristik extremely inverse time relay

Untuk relai arus lebih jenis very inverse dan extremely inverse, bisa diperoleh dengan memodifikasi rangkaian pengisian kapasitor, dioda zener atau lainnya yang merupakan modifikasi karakteristik waktu penundaan.Istilah-istilah yang digunakan pada relai arus lebih: Arus pickup (Ip): Arus minimum yang menyebabkan relai bekerja. Arus drop-out: Arus maksimum yang menyebabkan relai kembali tidak bekerja.Perbandingan antara arus kembali dan arus kerja (Id/Ip) merupakan gambaran kestabilan kerja terhadap kondisi kejutan, yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik. Sebagaimana kita ketahui bahwa pada saat operasi circuit breaker akan timbul gelombang transient yang waktunya sangat singkat. Relai arus lebih (RAL) harus direncanakan sedemikian rupa sehingga tidak akan menyebabkan trip pada sistem apabila terjadi arus kejutan atau transient.

Gambar 2.16 Skematik pengendalian tenaga pada alat uji tegangan tinggi6

Max

Min

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

Pick-Up Time ( Second)