PERCOBAAN III

RELAY GANGGUAN TANAH DAN RELAY ARAH

3.1. Relay Alarm Gangguan Tanah

A. Tujuan percobaan

1. Untuk meneliti kinerja relay pada berbagai setting.

2. Menentukan sifat-sifat daya internal yang terpakai.

B. Dasar teori

Relay pengaman gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah tergantung

dari besarnya arus gangguan tanah, sedang besarnya arus gangguan tanah sangat

dipengaruhi oleh sistem pentanahannya.

Besarnya arus gangguan tanah (Io) adalah:

I o=E

Z1+Z2+( Z0+3 Zn )

Dimana Z1, Z2 dan Z0 masing-masing merupakan total impedansi urutan positif,

negatif dan nol sistem dilihat dari titik gangguan ke sumber dan Zn merupakan

impedansi pentanahannya, E merupakan tegangan fasa. Zn bias tak terhingga

besarnya, bila sistem tersebut tidak ditanahkan (pentanahn mengambang), Rn bila

ditanahkan dengan tahanan, Xn bila ditanahkan melalui reaktans atau kumparan

Peterson dan nol jika sistem ditanahkan langsung.

Karena arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah bisa kecil sekali

sampai besar sekali tergantung sistem pentanahannya maka gangguan ini

selanjutnya disebut gangguan tanah.

Pada pentanahan mengambang, karena Zn=∞ , maka secara teoritis (arus

kapasitansi diabaikan) arus gangguan tanah sama dengan nol. Tetapi terjadi

penyimpangan tegangan, dimana tegangan fasa yang terganggu terhadap tanah

menjadi nol, dan tegangan fasa yang tidak terganggu terhadap tanah naik menjadi

√3E atau sama dengan tegangan antar fasa.

Dengan demikian, pengamanan gangguan tanah tidak dapat diamankan

dengan relay arus lebih, tetapi dengan relay tegangan atau dengan memanfaatkan

voltmeter dari penyimpangan tegangan yang terjadi. Relay gangguan tanah atau

voltmeter ini hanya menunjukkan adanya gangguan tanah, tetapi tidak dapat

menunjukkan penyulang mana yang terganggu atau relay ini tidak selektif.

Bila sistem menggunakan relay tegangan urutan nol, relay ini tidak boleh

bekerja bila terjadi pergeseran tegangan pada keadaan normal. Dalam hal ini relay

diset pada V0 = 30% V, dimana V0 adalah penyetelan tegangan urutan nol dan V

adalah tegangan nominal.

C. Pertanyaan Pendahuluan

1. Sebut dan jelaskan jenis-jenis pentanahan yang anda ketahui?

D. Alat dan Bahan

1 buah transformator experimen 6 HU (cat. no. 725 77)

1 buah earth fault warning relay (cat. no. 745 291)

1 buah moving iron meter 100/400 V (cat. no. 727 39)

1 buah miliamper AC

supply tegangan 220 VAC

1 buah buzzer

jembatan penghubung warna hitam dan hijau/kuning secukupnya

kabel penghubung warna hitam, merah, biru, dan hijau/kuning secukupnya.

E. Langkah Percobaan

1. Membuat rangkaian seperti pada gambar 3.8

2. Relay diset pada keadaan:

Waktu tunda : 0.5 s

Resetting ratio UR/UA : 0.5

Jembatan 1-2 dihubungkan dan jembatan lainnya terbuka

3. Mengubah nilai operasi UA/UN dari 0.3 sampai 0.7 dengan step tiap

langkahnya adalah 0.1 (tegangan nominal UN dari masukan relay adalah 100

V).

4. Naikkan tegangan secara perlahan-lahan yang dimulai dari 0 V pada

eksperimen transformator sampai relay beroperasi. Catat hasilnya pada tabel

3.4.

5. Kemudian turunkan tegangan secara perlahan-lahan sampai relay release.

(penting pengubahan tegangan secara perlahan-lahan , karena reaksi relay

memiliki delay sebesar 0.5 s).

6. Mengulangi setiap pengukuran untuk resetting ratio UR/UA 0.9 dan 0.99 dan

mencatat hasilnya pada table 3.5 dan 3.6 pada lembar data percobaan yang

tersedia, dan bandingkan nilai-nilai hasil pengukuran dari setiap setting pada

relay.

7. Hitung nilai resetting ratio menggunakan persamaan (3.3).

8. Ukurlah daya nyata yang diserap oleh komponen-komponen elektronik sesuai

dengan gambar yang telah diberikan, kemudian hitung daya tersebut dengan

menggunakan persamaan (3.2).

9. Ukurlah daya nyata yang diserap oleh rangkaian (lihat gambar 3.7)

pengukuran dengan tegangan diatur pada tegangan 20 sampai 100 V. catat

hasilnya pada table 3.7.

Gambar 3.8.Rangkaian dasar untuk meneliti kelakuan dari relay alarm gangguan tanah.

Percobaan: Kelompok: Asisten:

Nama NIM TTD

F. Data Hasil Percobaan

1. Pengukuran tegangan operasi dan nilai release berdasarkan setting UR/UA dan

UA/UN yang berbeda-beda.

a. Tabel 3.4. Hasil percobaan untuk UR/UA = 0.5

Set nilai operasi UA/UN 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Nilai operasi terukur (V)

Nilai release terukur (V)

Resetting ratio

b. Tabel 3.5. Hasil percobaan untuk UR/UA = 0.9

Set nilai operasi UA/UN 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Nilai operasi terukur (V)

Nilai release terukur (V)

Resetting ratio

c. Tabel 3.6. Hasil percobaan untuk UR/UA = 0.99

Set nilai operasi UA/UN 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Nilai operasi terukur (V)

Nilai release terukur (V)

Resetting ratio

2. Pengukuran daya melalui komponen elektronik

U = 220 V I = ………… mA S = ……….. VA

3. Pengukuran daya nyata dengan tegangan antara 20 sampai 100 V.

Tabel 3.7. Hasil percobaan untuk pengukuran daya nyata pada relay alarm gangguan tanah.

U (V) 20 40 60 80 100

I (mA)

S (VA)

3.2. Relay Arah Satu Fasa

A. Tujuan Percobaan

1. Meneliti kinerja relay untuk arus-arus efektif, induktif, dan kapasitif

dengan pengesetan dan pengukuran sudut fasa yang berbeda-beda.

2. Mengukur daya yang diserap oleh relay.

B. Dasar Teori

Bila arus gangguan mengalir di dua arah melalui relay maka perlulah

ditambahkan kontrol elemen-elemen arah untuk menjadikan respon relaynya

berarah. Elemen ini pada dasarnya adalah alat pengukur daya dimana tegangan

sistem digunakan sebagai referensi untuk menentukan arah relatif atau arah fasa

dari gangguannya.

Walaupun secara prinsip merupakan alat pengukur daya, elemen-elemen

ini tidak disusun untuk merespon sistem daya aktualnya, karena:

1. Sistem daya terpisah dari beban dan bersifat reaktif, sehingga faktor daya

ganguan tersebut biasanya rendah. Suatu relay yang merespon secara

murni terhadap komponen aktif tidak akan membentuk suatu torsi yang

tinggi dan mungkin lebih lambat.

2. Tegangan sistem umumnya hilang pada titik hubung singkat. Bila

gangguannya satu fasa, tegangan diantara titik yang mengalami hubung

singkat berkurang. Jadi suatu gangguan fasa B – C akan menyebabkan

tegangan fasa B dan C bergerak bersama.

Pada titik gangguan vektor-vektor tersebut berimpitan dan menghasilkan

tegangan nol pada titik gangguan, tetapi tegangan gangguan ke tanah akan

menjadi setengah dari tegangan fasa netral. Pada titik-titik lain pada sistem

tersebut akan berkurang pergeseran vektornya, tetapi relay yang ditempatkan pada

titik semacam itu akan menerima tegangan yang tidak seimbang.

Efek dari ketidakseimbangan yang besar dalam arus dan tegangan adalah

menjadikan torsi yang dibangkitkan oleh elemen-elemen fasa yang berbeda akan

sangat bervariasi dan bahkan berbeda dalam tanda jika besaran yang diterapkan

pada relay tadi ditulis secara hati-hati. Untuk tujuan ini setiap fasa dari relay

tersebut terpolarisasi dengan suatu tegangan yang tidak berkurang secara

berlebihan kecuali oleh gangguan tiga fasa.

Untuk mendapatkan respon arah maka dibutuhkan suatu hubungan

tegangan yang disebut tegangan residual dari sistem tersebut yang merupakan

penjumlahan vektoris tegangan fasa. Jika lilitan sekunder suatu tegangan

transformator tiga fasa, lima lengan atau tiga unit fasa tunggal dikoneksikan

dengan hubung delta terbuka. Tegangan yang terbentuk di seluruh terminalnya

adalah jumlah vector dari tegangan-tegangan ke tanah sehingga merupakan

tegangan residu dari sistem tersebut.

Komponen arah atau sering juga disebut relay arah adalah relay yang

bekerja berdasarkan pada hubungan sudut fasa antara dua besaran input listrik,

yaitu:

1. Besaran patokan pembanding (referensi/polarizing), umumnya adalah

besaran tegangan karena fasa/arahnay tidak dipengaruhi oleh letak

gangguannya.

2. Besaran kerja penggerak, umumnya adalah besaran arus karena

fasa/arahnya ditentukan oleh letak gangguannya.

Kopel/torsi yang terjadi ditentukan oleh persamaan berikut:

T = k 0 p sin α

Keterangan:

T = torsi/kopel yang terjadi dengan harga α = 90o

k = konstanta

0 = fluksi kerja operasi

p = fluksi patokan/pembanding

0 = 0 sin (t+)

Sudut positif

p = p sin (t)

Sudut negatif

α =sudut antara fluksi kerja dengan fluksi patokan, harga positif bila besaran

operasi mendahului besaran patokan.

Gambar 3.9. Diagram vektor hubungan antara fluksi patokan dan fluksi operasi pada pengaman relay arah.

Persyaratan relay arah yang harus dipenuhi adalah:

1. Waktu kerja relay harus cepat, t = 20 – 40 ms.

2. Relay harus bias pick-up pada daya yang kecil.

Relay harus masih bias pick-up dengan arah yang betul pada tegangan

yang rendah (2.6 V). Perencanaan elemen arah dan sambungannya harus

sedemikian rupa sehingga daerah mati (dead zone) sekecil mungkin, baik

untuk gangguan tiga fasa maupun gangguan lainnya.

3. Konsumsi dari kumparan tegangan dan arus harus sekecil mungkin pada

keadaan normal, sehingga beban dari CT/PT tetap kecil.

4. Relay harus mempunyai harga pembanding antara drop-out dan pick-up

(kd) tinggi. kd mempunyai harga 0.9 mendekati 1.

5. Relay arah tidak boleh bekerja sendiri, kalau rangkaian tegangan hilang

dan kumparan arus dialiri arus.

6. Konstruksi relay arah sebaiknya sederhana, dapat diandalkan dalam

operasinya dan berukuran kecil.

Gambaran dari rangkaian relay yaitu dimana R, P dan T bekerja bersama-

sama. Relay R (overcurrent) akan bekerja meskipun gangguan terjadi. Relay T

(time delay relay) bekerja bila P dan R bekerja. Sedangkan relay P (power

directional relay) bekerja apabila dipenuhi keadaan:

T = K1 Ur Ir cos (r + ) > 0

Apabila gangguan terjadi pada saluran ujung circuit breaker yang

dihubungkan ke trafo CT, maka vektor Ur dan Ir bergeser sebesar sudut r, dimana

0 < r < 90o, jadi T (torque) mempunyai harga positif dan relay bekerja, akibatnya

circuit breaker yang ke dua tidak trip. Seadangkan bila gangguan terjadi pada

ujung circuit breaker 2 yang diseri dengan circuit breaker 1, pergeseran sudut

antara Ur dan Ir sebesar (180o + r), maka cosinus negatif dan T negatif, akibatnya

relay tidak bekerja dan circuit breaker 2 tidak trip.

C. Pertanyaan Pendahuluan

1. Berdasarkan gambar di bawah ini, tentukan letak relay arah seharusnya

dipasang?

= Tempat relayD. Alat dan Bahan

1 buah transformator experimen 6 HU (cat. no. 725 77)

1 buah beban resistif 1.0 (cat. no. 733 10)

1 buah L-C load (cat. no. 745 31)

1 buah relay directional, satu fasa (cat. no. 745 292)

1 buah moving iron meter 2.5 A (cat. no. 727 32)

1 buah moving iron meter 1 A (cat. no. 727 311)

1 buah moving iron meter 100/400 V (cat. no. 727 39)

1 buah miliampermeter AC

supply tegangan 220 VAC

1 buah buzzer

jembatan penghubung warna hitam dan hijau/kuning secukupnya

kabel penghubung warna hitam, merah, biru, dan hijau/kuning secukupnya.

E. Langkah Percobaan

1. Membuat rangkain seperti pada gambar 3.10.

2. Nilai L = 300 mH pada beban L-C load.

3. Posisi karakteristik sudut pada relay dimulai dari +1, kemudian posisi

tegangan pada eksperimen transformator adalah 0 V, kemudian naikkan

tegangan secara perlahan-lahan hingga relay trip (tegangan tidak boleh lebih

dari 100 V). jika relay tidak trip, ulangi percobaan ini untuk berbagai

karakteristik sudut pada relay hingga diperoleh trip. (tegangan harus nol setiap

kali mengganti karakteristik sudut pada relay). Catatlah hasil sudut setiap kali

relay trip.

4. Ulangi percobaan no. 3 untuk nilai C = 30 μ F pada beban L-C dan 100 ohm

pada beban resistif.

5. Membuat diagram fasor (arus terhadap tegangan) karakteristik bekerjanya

relay dari semua beban yang dicoba sesuai dengan sudut trip yang diperoleh.

Dimana 1α = 15o.

6. Mengukur daya nyata yang diserap oleh komponen elektronik (lihat gambar

3.7) dengan mengukur arus dan tegangan pada rangkaian tambahan, kemudian

menghitung daya yang diperoleh.

7. Menentukan daya nyata yang diserap oleh rangkaian pengukuran (lihat

gambar 3.7) dengan nilai tegangan ditentukan pada kondisi 100 V dan arus 1

A, kemudian hitung daya yang diperoleh berdasarkan setting tegangan dan

setting arus tersebut.

Gambar 3.10. Rangkaian untuk menginvestigasi kelakuan dari relay arah satu fasa.

Percobaan: Kelompok: Asisten:

Nama NIM TTD

F. Data Hasil Percobaan

1. Pengukuran sudut dari relay

Pengukuran dengan R (100 ohm): relay beroperasi pada α =

Pengukuran dengan L (300 mH): relay beroperasi pada α =

Pengukuran dengan C (30 μ F): relay beroperasi pada α =

2. Gambaran daya nyata pada komponen elektronik

U = …… V; I = ………. mA; S = ……… VA

3. Gambaran daya nyata dengan V = 100 V dan arus = 1A.

U = 100 V; I = ……. mA; S = …….. VA

I = 1A; V = ……… mV S = …………. VA