Koordinasi proteksi merupakan susunan perangkat pengaman yang dibutuhkan untuk melakukan fungsi proteksi terhadap gangguan. Dari segi sirkuit listrik, gangguan tersebut umumnya berupa hubung singkat (short circuit) akibat dari kegagalan isolasi.

Prinsip Kerja Koordinasi Proteksi

Salah satu perangkat sistem proteksi adalah rele arus lebih (Overcurrent Relay / OCR). OCR banyak digunakan untuk proteksi arus lebih pada jaringan distribusi primer di ujung feeder tegangan menengah (TM), dan juga digunakan sebagai proteksi terhadap arus lebih pada gangguan tanah.

Rele arus lebih akan bekerja sama dengan CT (Current Transformer) dan CB (Circuit Breaker). Rele arus lebih akan bekerja apabila arus yang mengalir melalui kumparan CT lebih besar dari pada arus nominal / arus pickup. Selanjutnya rele akan memerintahkan CB untuk memutuskan sambungan jaringan listrik.

Tenggang waktu sejak arus lebih itu mulai terdetesi sampai saatnya rele harus trip bisa berbeda-beda. Tenggang waktu sering disebut dengan tundaan waktu (delayed trip). Perbedaan delayed trip tergantung pada :

1.Lokasi rele atau posisi rele tersebut terhadap rele lainnya.
2.Besar arus gangguan yang terdeteksi

SLD

Sebelum membuat simulasi jaringan, langkah pertama adalah menyesuaikan project standards menjadi standar IEC. Hal ini untuk menyesuaikan standar yang digunakan dalam artikel ini. Langkah untuk mengatur project standards dapat dilihat pada gambar berikut.

standard project

Berikut merupakan SLD yang akan digunakan untuk menjalankan simulasi Short Circuit Analysis. Untuk mengetahui bagaimana cara membuat SLD, dapat anda baca artikel kami disini.

single line diagram koordinasi proteksi

Jika anda mengalami kesulitan dalam membuat SLD seperti gambar diatas, anda dapat mengunduh SLD pada link yang telah disediakan dibawah.

Secara umum, SLD di atas mensimulasikan transmisi dari sebuah pembangkit listrik U1 menuju tiga buah beban listrik yang terbagi melalui Bus3. Masing-masing jalur beban listrik dilindungi oleh sistem proteksi yang tersusun atas CT, CB, dan OCR.

Pengaturan Current Transformer (CT)

Current Transformer / CT adalah alat listrik perubah arus, yang dapat mengubah besaran arus dari besar menjadi kecil dan sebaliknya sesuai dengan kebutuhan. Pada percobaan kali ini, CT akan digunakan untuk mengambil dan mengubah arus jaringan menjadi lebih kecil dan kemudian dijadikan sampel perbandingan untuk OCR. Pengaturan CT1 akan terlihat seperti gambar dibawah ini.

current transformer editor

CT1 menggunakan rasio 100 : 1, artinya setiap 100 A akan dirubah menjadi 1 A. Pada bagian Class Designation penulis menggunakan tipe 5P10, nilai ini menentukan tingkat presisi transformasi arus dari CT1 yang digunakan. Jika tipe tersebut adalah 5P10 artinya ketika arus yang mengalir melalui CT1 kurang dari 5 kali arus nominalnya, maka kesalahan nilai transformasi arus menjadi kurang dari +10%.

Pada bagian Class Burden penulis memasukkan nilai 2,5 VA. Nilai menunjukkan daya yang dikonsumsi oleh CT1 untuk melakukan proses pembebanan, pengukuran, dan instrumen pengukuran lainnya yang melengkapi CT1.

Pengaturan Overcurrent Relay (OCR)

Overcurrent Relay akan menerima umpan arus yang disample oleh CT1 yang kemudian untuk dijadikan perbandingan. Jika nilai sampel dari CT1 melebihi nilai arus nominal OCR1, maka OCR1 akan memerintahkan CB1 untuk melakukan trip atau pemutusan jaringan.

Untuk melakukan pengaturan pada OCR1, langkah pertama adalah memilih tipe komponen OCR1 yang telah disediakan. Pada percobaan kali ini penulis menggunakan OCR1 dengan tipe ALSTOM P120. Pemilihan tipe dapat dilihat pada gambar berikut.

pengaturan tipe ocr

Pada Overcurrent Relay Editor seperti gambar di bawah, hilangkan tanda centang “Instantaneous“. Jika hal ini tidak dilakukan, maka OCR1 akan memerintahkan trip pada CB1 sebanyak dua kali, yaitu pada kondisi seketika (Instantaneous) dan kondisi gangguang arus lebih (Overcurrent).

Prinsip koordinasi proteksi OCR1 dengan CB1 didasarkan pada pengaturan waktu tunda (time delay) dan besarnya arus gangguan. Untuk melakukan pengaturan pada dua hal tersebut, kita perlu melakukan pengaturan pada bagian Overcurrent seperti gambar berikut.

pengaturan overcurrent ocr

Curve Type

Curve Type digunakan untuk menentukan karakteristik kurva waktu tunda dalam proses pemutusan sambungan (trip). Secara umum, kurva dibedakan menjadi tiga, yaitu :

  1. Rele arus lebih seketika (Instantaneous Relay),

Rele jenis ini bekerja dengan seketika, mulai dari relay mengalami pickup hingga mulai bekerja membutuhkan waktu antara 10 – 20 ms. Rele jenis ini merupakan jenis yang paling sederhana karena tidak memiliki pengaturan waktu tunda.

2. Rele arus lebih waktu tertentu (Definite Time Relay)

Rele jenis ini bekerja dengan jangka waktu antara relay mengalami pickup hingga mulai bekerja dapat diperpanjang dengan nilai tertentu. Nilai waktu tunda ini dapat diatur secara bebas oleh pengguna dan nilai tidak dipengaruhi oleh besarnya arus gangguan.

3. Rele arus lebih terbalik (Inverse Time Relay)

Rele jenis ini bekerja dengan jangka waktu mulai pickup hingga rele mulai bekerja yang berbanding terbalik dengan besar arus yang melewati kumparan rele. Sederhananya, semakin besar arus pickup, semakin singkat waktu tunda rele, dan sebaliknya.

Pada kesempatan kali ini, penulis akan menggunakan karakteristik kurva Inverse Time Delay untuk menentukan jangka waktu tunda pemutusan jaringan. Berdasarkan standar IEC 60225, Inverse Time Delay terbagi lagi menjadi empat bagian, yaitu Standard Inverse, Very Inverse, Extremely Inverse, dan Long Time Inverse. Keempat bagian tersebut dibedakan untuk menentukan nilai Time Multiple Setting (TMS), TMS digunakan untuk menentukan nilai Time Dial pada bagian OCR1 Editor aplikasi ETAP.

Pickup dan Range Pickup

Pickup adalah arus pada sisi sekunder CT1 yang digunakan untuk membuat OCR1 bekerja. Jika nilai arus pada sisi sekunder CT1 belum mencapai batas nilai pickup, maka OCR1 belum akan mulai bekerja, artinya memang belum terjadi gangguan arus lebih. Nilai pickup dapat diambil menggunakan rumus sebagai berikut.

rumus arus setting ocr
Dengan:
Ipickup=Arus setting pada OCR.
Ifl=Arus beban penuh jaringan.
Rasio CT=Rasio perbandingan kumparan CT (primer/sekunder)
Errorpickup=Tolerasi kesalahan pickup (British Standard Pickup, BS142)
105% – 120% Untuk tipe kurva inverse time
120% – 130% Untuk tipe kurva definite time

Untuk mengetahui arus beban penuh (Ifl) dapat dicari dengan load flow analysis (lihat hasil simulasi disini). Karena karakteristik kurva menggunakan Inverse Time Relay, maka error pickup juga menggunakan nilai 120%.

penghitungan arus setting

Karena nilai Ipickup berada pada nilai 16,54 Ampere, maka Range Pickup perlu dirubah menjadi 0,1 – 25 xCT secondary agar nilai 16.54 terdeteksi.

Time Dial

Time dial merupakan pengaturan waktu yang digunakan oleh OCR1 untuk memepercepat atau memperlambat proses trip pada CB1. Secara sederhana, time dial merupakan faktor pengali kurva inverse time pada OCR. Time dial pada ETAP lebih sering disebut sebagai Time Multiple Setting (TMS). TMS tidak perlu dihitung untuk karakteristik kurva Definite Time, karena nilai TMS bisa diatur secara manual. Sedangkan untuk kurva Inverse Time Delay memiliki nilai TMS yang perlu dihitung menggunakan rumus. Rumus tersebut adalah sebagai berikut.

persamaan tms ocr
Dengan:
TMS=Faktor pengali kurva inverse time. (Time Dial)
t=Waktu tunda operasi OCR yang diinginkan. (detik)
Ift=Arus gangguan pada jaringan. (Ampere)
Iset=Arus minimum yang dianggap OCR sebagai arus gangguan.
Iset adalah arus di sisi primer CT, sedangkan
Ipickup adalah arus di sisi sekunder CT
Iset = Rasio CT x Ipickup.
K dan α=Konstanta karakteristik kurva Inverse Time.
(British Standard BS 142 dan IEC 60255-4)

Nilai K dan α merupakan konstanta yang digunakan untuk membedakan empat jenis karakteristik Inverse Time Delay. Masing-masing nilai konstanta tersebut adalah :

KarakteristikKα
Standard Inverse0,140,02
Very Inverse13,51,0
Extremely Inverse80,02,0
Long Time Inverse120,01,0

Pada percobaan ini penulis akan menggunakan karakteristik Very Inverse. Dan penulis menginginkan waktu tunda operasi OCR1 adalah sebesar 3334 milidetik (t = 3334 ms). Sehingga, perhitungan TMS untuk OCR1 diperoleh nilai sebagai berikut.

Nilai TMS pada OCR1 diperoleh sebesar 0,409. Seperti yang telah dikatakan sebelumnya, nilai TMS ini akan digunakan sebagai nilai Time Dial pada halaman OCR1 Editor.

Output OCR

Setelah proses pickup arus dan waktu tunda diselesaikan oleh OCR1, tahap selanjutnya adalah memerintahan HVCB (CB1) untuk trip. Pada Output OCR1 Editor perlu dilakukan pemilihan CB daerah mana saja yang akan melakukan proses trip. Pada percobaan kali ini, OCR1 hanya akan memerintahkan CB1 untuk melakukan trip. Pengaturan akan terlihat seperti pada gambar berikut.

pemilihat output ocr

Pengaturan High Voltage Circuit Breaker (HVCB)

HVCB akan menerima perintah dari OCR untuk melakukan pemutusan sambungan listrik. Pada percobaan yang dilakukan OCR1 hanya akan memutus sambungan CB1. Pengaturan CB1 diawali dengan pemilihan tipe CB berdasarkan library yang telah disediakan seperti gambar berikut.

pemilihat tipe circuit breaker

Tipe CB yang digunakan adalah ALSTOM HWX yang memiliki rating tegangan sebesar 15 kV. Dipilih jenis ini karena tegangan yang mengalir pada CB1 sebesar 10 kV yang masih di bawah batas aman. Perlu diperhatikan bahwa tipe ini memiliki waktu tunda paling cepat (Min. Delay) sebesar 0,03 detik.

Jika pengaturan CT1, OCR1, dan CB1 sudah dilakukan seperti di atas, maka jumlah total waktu tundanya adalah penjumlahan dari waktu tunda OCR1 (t) dan waktu tunda CB1.

Lakukan pengaturan serupa pada CT, OCR dan CB yang lain. Karena posisinya paling awal adalah adalah CB1, maka pengaturan waktu tunda CB1 wajib lebih lambat dari pengaturan CB yang lain.

KeteranganOCR2OCR3OCR4
Arus setting relay (Ipickup)4,824,824,82
TMS0.8860.8860.886
KurvaVery InverseVery InverseVery Inverse

Load Flow Analysis

Pada percobaan ini, pengujian Load Flow digunakan untuk menentukan dua hal, yaitu :

  • Arus beban penuh untuk penghitungan OCR
  • Inspeksi kesalahan pemasangan jaringan

Hasil pengujian Load Flow Analysis akan terlihat seperti gambar berikut.

simulasi load flow analysis

Short Circuit Analysis

Pengujian short circuit analysis dilakukan untuk mengetahui seberapa besar arus hubung singkat yang mungkin terjadi pada jaringan. Arus hubung singkat ini akan digunakan sebagai parameter penghitungan TMS pada OCR. Hasil pengujian adalah sebagai berikut.

simulasi short circuit analysis

Untuk mendapatkan hasil simulasi seperti gambar diatas, pilih pengujian simulasi menggunakan standar ANSI. Kemudian lakukan simulasi Run 3-Phase Device Duty.

run 3-phase device duty

Masih belum paham dengan Short Circuit Analysis? Tidak ada salahnya mempelajarinya lagi di sini.

Menjalankan Simulasi Koordinasi Proteksi

Edit Study Case

Sebelum melakukan simulasi koordinasi proteksi, langkah pertama adalah melakukan pengeditan study case. Yang perlu dilakukang pengubahan adalah pada bagian standar simulasi. Penulis melakukan percobaan menggunakan standar ANSI. Pengaturan akan terlihat seperti gambar berikut.

pengaturan standar simulasi koordinasi proteksi

Run Fault Insertion

Pada tahap ini, kita akan melakukan simulasi koordinasi proteksi menggunakan perintah Run Fault insertion. Perintah tersebut dapat dilakukan dengan mengklik salah satu busbar yang ingin disimulasikan mengalami gangguan. Pada percobaan ini, penulis memilih Bus6 untuk dianggap mengalami gangguan.

menjalankan simulasi koordinasi proteksi

Membaca Data

Membaca data hasil simulasi dapat dilakukan dengan dua cara. Cara pertama dengan membaca angka pengujian secara rinci dengan Sequence Viewer. Cara kedua adalah dengan membaca grafik / kurva proses koordinasi proteksi dengan Star View.

Sequence Viewer

Membaca data rinci dapat dilakukan dengan mengklik Sequence Viewer pada toolbar yang telah tersedia.

pengamatan sequence viewer

Pada gambar di atas terlihat pada OCR1 dan OCR4 memiliki arus gangguan yang sama, yaitu sebesar 4,393 kA. Dan tahapan pemutusan jaringan listrik diawali oleh OCR4 dan CB4 yang kemudian disusul oleh OCR1 dan CB1. Waktu yang dibutuhkan OCR4 untuk mendeteksi gangguan hingga memerintahkan CB4 trip adalah 1474 ms, dan waktu delay trip CB4 adalah 30 ms. Sehingga waktu total untuk memutus jaringan di CB4 adalah 1504 ms. Hal yang sama juga terjadi pada OCR1 dan CB1.

Star View

Pengamatan dengan grafik kurva dapat dilakukan dengan melakukan blok pada jaringan yang ingin diamati kemudian memilih Create Star View.

pengamatan star view
grafik star view very inverse coordination

Pada grafik di atas, terlihat bahwa karakteristik kurva inverse time mempengaruhi kelengkungan grafik yang menentukan durasi waktu delay. Sebagai perbandingan dapat dilihat pada gambar di bawah ketika OCR1 diubah karakter kurva menjadi Standard Inverse.

grafik perbandingan standard inverse koordination

Perbedaan Standar Inverse dengan Very Inverse terletak pada kecepatan respon waktu terhadap perubahan arus. Semakin besar arus maka semakin kecil waktu tundanya. Dengan besar arus yang sama Standar Inverse memili respon waktu yang lebih kecil/cepat. Oleh karena itu, Standar Inverse memiliki kelengkungan kurva yang lebih sempit.

Ingin belajar Software ETAP Lebih Lengkap? Kunjungi Halaman Kami di Belajar Simulasi Jaringan Listrik dengan ETAP

Referensi :