PROTEKSI TRANSFORMATOR
Oleh Ir. J. Soekarto
1. PENDAHULUAN. Fungsi transformator ialah memindahkan energi dari satu tegangan ke tegangan yang lain secara magnetik Transformator (trafo) dapat merupakan fase tunggal ataupun fase tiga. Arus penguatan trafo dari 0,1% - 0,6% untuk trafo tenaga, dan 0,5% s/d 2,5% untuk trafo distribusi, sehingga kapasitas trafo sisi primer praktis sama dengan sisi sekender. Pendinginan trafo - ONAN : Oil natural air natural - ONAF : Oil natural air force - OFAF : Oil force air force 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
2
2. JENIS & SIFAT GANGGUAN Jenis Gangguan Gangguan di luar daerah pengamanan yang berpengaruh pada trasformator Gangguan hubung singkat pada jaringan, dan kemungkinan kegagalan relai Beban lebih Surja petir atau surja hubung
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
3
Gangguan di dalam daerah pengamanan Gangguan pada lilitan trafo Hubung singkat antar fase Hubung singkat antar fase dan badan (bumi) Hubung singkat antar belitan Tegangan lebih (penguatan lebih, over excitation) Suhu lebih Gangguan pada inti Gangguan pada sadapan (tap changer) Gangguan pada bushing Kebocoran minyak, atau minyak terkontaminasi (umumnya dengan uap air) 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
4
Sifat Gangguan (a) Gangguan serius yang dapat dideteksi oleh arus atau tegangan, karena arusnya besar atau tegangannya seimbang tidak seimbang (b) Gangguan insiepient Gangguan ini kecil dan tidak dapat dideteksi oleh relai arus atau tegangan tetapi potensial dan gangguan ini menimbulkan gas.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
5
3. POLA PROTEKSI TRAFO Trafo Distribusi T.M
T.R MCCB
Sekring LBS Trafo distribusi T.M = Tegangan menengah
MCCB = Molded Case Circuit Breaker
T.R = Tegangan rendah LBS = Load Break Switch
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
6
Trafo Distribusi
B
T.M
T.R MCCB
T
CB F 51 F 51 = Relai arus lebih
Trafo distribusi B = Relai Bucholz
T = Relai suhu
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
7
Trafo Tenaga
B
T.T
T.M CB
T
CB F 51
Trafo Tenaga
F 51
F 51 = Relai arus lebih
B = Relai Bucholz
T T = Tegangan Tinggi
T = Relai suhu
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
8
Trafo Tenaga
B
T.T
T.M CB
T
CB F 51
F 51 F 87
F 87 = Relai diferensial
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
9
2. JENIS GANGGUAN Gangguan Di Luar Daerah Pengamanan Yang Berpengaruh Pada Trasformator Gangguan hubung singkat pada jaringan, dan kemungkinan kegagalan relai Beban lebih Surja petir atau surja hubung
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
10
4. RELAI BUCHOLZ.
Conservator
R. Bucholz Bushing
F Alarm V Trip
TRAFO TENAGA
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
11
Relai Buchholz fungsinya mendeteksi gas yang timbul di dalam transformator karena adanya percikan bunga api atau pemanasan setempat di dalam transformator. Tingkat 1 : mendeteksi gangguan inciepient Siny Tingkat 2 : gangguan hubung singkat Trip
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
12
Analisa gas yang terkumpul di dalam relai Bucholz H2 dan C2H2 menunjukkan adanya busur api pada minyak antara bagian-bagian konstruksi H2, C2H2 dan CH4 menunjukkan adanya busur api sehingga isolasi phenol terurai, misalnya terjadi gangguan pada sadapan. H2, C2H4 dan C2H2 menunjukkan adanya pemanasan pada sambungan inti. H2, C2H, CO2 dan C3H4 menunjukkan adanya pemanasan setempat pada lilitan inti.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
13
5. RELAI SUHU LILITAN
Mempunyai beberapa kontak untuk mengatur kipas, sinyal alarm dan trip 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
14
6. RELAI TEKANAN MEMDADAK. Transformator yang tidak menggunakan konservator, tidak dapat dipasang relai Bucholz, dalam hal ini dipasang relai tekanan mendadak.
Oil Oil
(a)
Tipikal seting relai ini untuk bekerja dengan kecepatan kenaikan tekanan 5g / cm / detik dan minimum beda tekanan 20 g /cm 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
15
7. PENGAMAN DENGAN SEKRING & MCCB. Trafo distribusi T.M
T.R MCCB
Sekring LBS Trafo distribusi
Trafo distribusi dari tegangan menengah ke tegangan rendah tanpa pemutus tenaga di TM tetapi menggunakan LBS proteksi seperti gambar di atas.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
16
Contoh karakteristik sekring dan MCCB
Penentuan elemen sekring dan seting MCCB
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
17
Penentuan seting MCCB Penentuan seting overload relai pada MCCB didasarkan pada kemampuan pembebanan dari transformatornya. Penentuan seting seketikanya didasarkan dengan arus hubung singkat yang terjadi di rel tegangan rendah. Penentuan elemen sekring Sekring di TM pada dasarnya untuk mengamankan bila terjadi hubung singkat di dalam trafo distribusinya. Dengan demikian didasarkan besarnya arus hubung singkat yang mungkin terjadi, dalam hal ini diambil besarnya arus hubung singkat di rel TR.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
18
Arus hubung singkat MVA T % ZS = * 100 % MVA HS
MVAHS MVAT
I HS =
100 * I NT % ZS + % ZT
T.R
T.M
MVAHS = MVA hubung
Sirkit ekivalen
singkat sisi TM
MVAHS
MVAT
MVAT = MVA trafo distribusi %ZT = %ZT sumber T.R
%ZS 28-31 Mei 2001
%ZT = %ZT trafo distribusi
%ZT Kursus Proteksi Pada Pembangkit
19
8. PENGAMAN DENGAN RELAI ARUS LEBIH. Trafo tenaga yang relatif kecil misalnya < 10 MVA hanya diamankan dengan relai arus lebih
B
T.T
T.M CB
T
CB F 51
28-31 Mei 2001
Trafo Tenaga
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
F 51
20
Fungsi relai arus lebih di sisi sekundair Sebagai pengaman utama bila terjadi gangguan setelah trafo dan gangguan di rel TM Sebagai pengaman cadangan bila proteksi penyulang (feeder) TM bila gagal bekerja. Dasar seting relai arus lebih dengan waktu F 51 Seting arus harus dapat menjangkau ujung saluran penyulang yang terpanjang Seting waktu dikoordinasikan dengan relai pada penyulang
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
21
Karakteristik relai harus sama dengan relai di penyulangnya. Bila di TM terdapat pembumian dengan tahanan (resistans), seting arus pada resistans diusahakan sesuai dengan kontinyu rating dari tahanannya, dengan koordinasi waktu dengan relai di penyulangnya. Seting waktu seketikanya (instantaneous, moment) F 50 Bila diseting akan tidak selektif dengan relai di penyulangnya Bila tidak diseting, kalau terjadi gangguan setelah trafo sampai rel TM akan bekerja dengan perlambatan waktu sesuai dengan seting waktunya. 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
22
Cara mengatasi digunakan relai numerikal dan disusun logic seperti gambar di bawah
F 50
F 50
F 50
F 50
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
23
Fungsi relai arus lebih di sisi primair Sebagai pengaman utama trafo Sebagai pengaman cadangan bila proteksi trafo sisi sekundair gagal bekerja. Dasar seting relai arus lebih dengan waktu F 51 Seting arus harus dapat menjangkau rel sisi TM Seting waktu dikoordinasikan dengan relai trafo pada sisi sekundair. Dalam keadaan terpaksa dapat disamakan / bila terdapat relai diferensial trafo
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
24
Seting waktu seketikanya (instantaneous, moment) F 50 Relai tidak boleh menjangkau rel sisi TM
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
25
9. PENGAMAN GANGGUAN TANAH. Gangguan 1 fase ke bumi (badan). Besar arus gangguan satu fase ke bumi tergantung : -
28-31 Mei 2001
Hubungan transformator Suplai dari sisi delta (segitiga) atau bintang Pembumian sisi bintang
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
26
Proteksi gangguan tanah. Relai arus lebih untuk mendeteksi arus sisi untuk trafo dengan sambungan delta (d), proteksi restricted earth fault yang prinsipnya diferensial tanah.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
27
Gangguan 1 fase ke bumi di luar daerah proteksi
Relai F 64 tidak dilalui arus sehingga tidak bekerja 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
28
Gangguan 1 fase ke bumi di dalam daerah proteksi
Relai F 64 dilalui arus sehingga relai bekerja 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
29
Relai pengaman tangki
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
30
9. PENGAMAN DEFERENSIAL. Untuk transformator yang besar umumnya di atas 10 MVA untuk pengamanan gangguan antar fase digunakan relai diferensial. Relai arus lebih hanyalah merupakan pengaman cadangan. Pengaman diferensial merupakan pengamanan yang mempunyai selektif mutlak, artinya batas daerahnya apakah untuk sumber dari satu sisi atau 2 sisi serta untuk pembangkitan yang berubah-ubah adalah tetap. Batas pengamanan ialah antara CT masuk dan keluar dari daerah/alat yang diamankan. 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
31
Dasar proteksi diferensial. Tidak ada gangguan atau gangguan di luar daerah proteksi Daerah proteksi CT1
i1 I1 = I2
I2 CT2
I1
F 87
id
i1 = i 2
i2 id = 0
Relai diferensial tidak bekerja 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
32
Gangguan dalam daerah proteksi, sumber 1 sisi Daerah proteksi CT2
CT1 I 1
i1
F 87
id
I1 = besar I2 = 0
i1 = besar i 2 = 0
id = i1 Relai diferensial bekerja 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
33
Gangguan dalam daerah proteksi, sumber 2 sisi Daerah proteksi I2 CT2
CT1 I 1
L
i1
F 87
id
I1 = besar I2 = besar
i2
L
i1 = besar i 2 = besar
id = i1 + i 2 Relai diferensial bekerja 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
34
Proteksi Diferensial Pada Transformator
B
I1
T.T
I2
T.M CB
T
CB F 51
F 51 F 87
ACT F 87 = Relai diferensial 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
35
Hal-hal yang harus diperhatikan Arus primer (I1) tidak sama dengan arus sekunder (I2) Arus primer (I1) belum tentu sama fasenya dengan arus sekunder (I2), tergantung vektor grupnya Hal ini menyebabkan Trafo arus 1 (CT1) tidak sama dengan Trafo arus 2 (CT2) Rangkaian sekunder harus disesuaikan dengan vektor grup transformatornya Secara umum diperlukan trafo arus pembantu ACT
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
36
Salah satu contoh sambungan relai diferensial untuk transformator dengan Yd1
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
37
Penyesuaian sudut pada ACT
Cara penyambungan secara rinci lihat lampiran 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
38
Relai diferensial Numerikal Penyesuai sudut dan ACT pada relainya.
Penyesuai sudut dinyatakan dalam seting
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
39
TRAFO ARUS PEMBANTU (Auxilliary CT, ACT) Fungsi ACT : Untuk menyesuaikan arus sekender CT sisi Primer dan sisi Sekender. Untuk menyesuaikan pergeseran sudut fase. Perbandingan tranformasi untuk penyesuai sudut fase: Hubungan yy sisi sekendernya 5 A atau 1 A Hubungan yd sisi sekendernya 5/V3 atau 1/V3 Dalam perbandingan jumlah lilitan
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
40
Letak ACT : a. Arus CT di sisi primer b. Arus CT di sisi sekender c. Arus CT di sisi primer dan sekender Contoh perhitungan Tap ACT Menggunakan ACT jenis 5 + 10 x 0,25 / 5 A Primer : 2,5 - 2,75 - . . . - 4,75 - 5 - 5,25 - . . . - 7,25 - 7,5 Sekunder : 5 A
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
41
Contoh perhitungan Tap
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
42
Arus nominal sisi H
Arus nominal sisi M
60000 IH = = 231A 150 3
60000 IM = = 3012A 11.5 3
Primer CT dipilih :
Primer CT dipilih 3000 A
231 3 = 400A Sekender CT untuk sisi H dan L dipilih 5 A
5 iH = * 231.A = 2,89.A 400
5 iM = * 3012.A = 5,02.A 3000
i ' H = 2.89 3A = 5,01A 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
43
Tap ACT x 5 , 01 = 5 5 , 02
28-31 Mei 2001
5 , 01 x= *5 = 5 5 , 02
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
44
Misalkan CT dipilih 300/5 A sisi H dan 3000/5 A sisi M
5 iH = * 231.A = 3,85.A 300
i' H = 3.85 3A = 6,67.A Tap ACT
x 6 , 67 = 5 5 , 02
5 iM = * 3012.A = 5,02.A 3000 iH" = IM = 5,02 A 6 ,67 x= * 5 = 6 ,64 5,02
Jadi tap ACT dipilih 6,50 A atau 6,75 A
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
45
10. ARUS INRUSH PADA SAAT STRAT. Komponen arus inrush mengandung arus searah dan bermacam harmonis. Tipikan besarnya arus searah dan komponen harmonis seperti tabel Komponen harmonis. Komponen
d.c
Harmonis 2
Nilai tipilal
28-31 Mei 2001
40-60 30-70
3
4
5
6
7
10-30
5,1
4,1
3,7
2
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
46
Bentuk gelombang arus inrush
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
47
Arus inrush hanya dirasakan pada sisi dimana trafo tersebut dimasukkan, sedang sisi lainnya tidak merasakan Untuk menghindari kesalahan kerja relai diferensial di antaranya - Menahan harmonis - Memblok harmonis. - Memblok secara resonansi
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
48
Contoh ACT dinyatakan jumlah lilitan. Number of turn Preliminary tap Terminal 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6
28-31 Mei 2001
Transformer rating 5/5 A 5/1 A 1/1 A 1 1 1 1 25
1 1 1 1 25
5 5 5 5 125
Number of turn Preliminary tap Terminal X- 7 7-8 8-9 S1 - S2 S3 - S4
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
Transformer rating 5/5 A 5/1 A 1/1 A 5 5 5 25 18
5 5 9 125 90
25 25 25 125 90
49
Menggunakan ACT jenis jumlah lilitan.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
50
Perhitungan jumlah lilitan diambil CTH 300/5 dan CTM 3000/5 A Dari perhitungan butir a didapat iH' = 6,67 A dan iM" = 5,02 A Dipilih NM = 18 lilitan IH NH = IM NM L = N /IH" * NH iMH' 5,02 NH = * NM = * 25 = 19..belitan iH" 6,67
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
51
Relai diferensial dengan sadapan (tap) pada relai
Dari contoh di atas seting tap sisi 150 kV ialah 5,02 A ----> 5 serta sisi 11,5 kV ialah 6,67 A -----> 6,75
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
52
Mis Match Bila kedua sisi mempunyai ACT dan antara perhitungan (keadaan ideal) dan kenyataan tap yang ada berbeda, maka akan terjadi kesalahan, kesalahan ini disebut mis match dan besarnya : a. ACT di dua sisi. T ip Mis match
=
Tis
− s
Tp Ts
* 100 %
a. ACT di satu sisi. Mis match
28-31 Mei 2001
=
Ti − T * 100 % s
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
53
dimana : T = sadapan yang ada Ti = Sadapan idial Tip = Sadapan idial sisi primer Tis = Sadapan idial sisi sekunder Tp = Sadapan yang ada sisi primer Ts = Sadapan yang ada sisi sekunder s=
Tip Tis
ataau
Tp Ts
dipilih yg kecil
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
54
PENYETELAN KECURAMAN A. Sadapan trafo dayanya dalam % B. Kemungkinan kesalahan CT sisi primer dan sisi sekunder C. Mis match D. Arus beban nol dalam % E. Faktor keamanan
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
55
Sebagai contoh : Trafo daya 60 MVA, 150 +/- 10% /20 kV, A. Sadapan trafo dayanya 10% B. Kemungkinan kesalahan CT sisi primer dan sisi sekunder 2 x 5% = 10% C. Berdasarkan perhitungan mis match = 3% D. Arus beban nol dalam = 0,5 - 1% E. Faktor keamanan 5% Dengan demikian penyetelan kecuraman : 29% atau diambil 30%
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
56
RELAI DIFERENSIAL NUMERIKAL
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
57
3 x IP , 3 x IS Analog - digitel - conversiom CT adaption Vevtor group adaption Idiff calculate IRest calculate fault
Protection program - rush detecttion - oferflux detection - Idif >>
Routin program - plausibility check - monitoring of measure value
- ceking of characteristic (Idiff>) - monitiring of CT saturation
- output signal monitoring - procedure check - operation measurement
- data fault recording - data even recordin
Command/information output Serial information 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
58
Sambungan relai diferensial numerikal
Penyesuai sudut dan ACT pada relainya dinyatakan dalam seting.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
59
Sambungan relai diferensial numerikal dilengkapi dengan ERF
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
60
Lampiran PENYAMBUNGAN RELAI DIFERENSIAL Bilangan jam (vektor grup) trafo daya . Vektor grup trafo daya menentukan pergeseran sudut arus primer dan arus sekundernya, hal ini sangat menentukan sambungan relai diferensial. Vektor tegangan dan arah arus pada trafo daya atau trafo arus. Dasar menentukan sambungan trafo didasarkan vektur grup trafo - Sambungan Yy - Sambungan Yd
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
61
Vektor tegangan dan arah arus pada trafo daya atau trafo arus.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
62
Dasar penyambungan trafo Yy0
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
63
Dasar penyambungan trafo Yd1
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
64
Macam-macam vektor grup transformator.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
65
Cara penyambungan relai diferensial Yd1 (penyesuai sudut fase pada CT utama) Tahap 1 : Tentukan sambungan trafo daya didasarkan vektor grup. Tentukan arus sisi primer maupun sisi sekender
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
66
Tahap 2 : - CT di sisi delta (d) pada trafo dayanya disambung bintang. - Penyesuai fase di CT primer - Tentukan arus sisi sekender didasarkan arus primer, di samping itu arah arusnya.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
67
Tahap 3 : Sambung relai diferensial dan arus sekender CT yang seharusnya pada sisi bintang Y didasarkan arus pada sisi delta
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
68
Tahap 4 : Sambung arus sekender CT pada sisi Y didasarkan arus yang ditentukan pada tahap ke 3.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
69
Cara penyambungan relai diferensial Yd1 (penyesuai sudut fase pada ACT) Tahap 1 : - Tentukan sambungan trafo daya didasarkan vektor grup. - Tentukan arus sisi primer maupun sisi sekunder Tahap 2 : - CT di sisi delta (d) dan bintang (Y) pada trafo dayanya disambung bintang, penyesuai fase di ACT sehingga sambungannya yd. ACT sisi primer disambung y dan sisi sekunder disambung d - Tentukan arus sisi sekunder didasarkan arus primer, disamping itu arah arusnya. 28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
70
Tahap 3 : - Sambung relai diferensial dan arus sekunder CT yang seharusnya pada sisi bintang Y didasarkan arus pada sisi delta Tahap4 : - Sambung arus sekunder ACT pada sisi d didasarkan arus yang ditentukan pada tahap ke 3.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
71
Sambungan relai diferensial
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
72
Cara penyambungan relai diferensial Yy0 Penyesuai sudut fase pada CT utama, dalam hal ini sambungan CT di primer maupun sekunder ialah sambungan delta (d) Pada dasarnya salah satu sisi CT disambung delta, dalam hal ini bebas. Kemudian sambungan CT sisi lainnya mengikuti sambungan CT sisi lainnya.
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
73
Sambungan relai diferensial Yy0
Bila arah arus hendak diubah berlawanan, tanda dibalik
28-31 Mei 2001
Kursus Proteksi Pada Pembangkit
74