Relai Urutan Negatif

Definisi

Relai urutan negatif, juga dikenal sebagai relai fasa tidak seimbang, dirancang untuk melindungi sistem elektrik dari komponen urutan negatif. Fungsi utamanya adalah untuk melindungi generator dan motor dari beban yang tidak seimbang, yang biasanya muncul akibat gangguan antar fase. Ketika gangguan tersebut terjadi, komponen urutan negatif dapat menyebabkan pemanasan berlebihan dan stres mekanis pada mesin-mesin elektrik, yang berpotensi mengakibatkan kerusakan serius jika tidak ditangani dengan tepat.

Prinsip Kerja dan Fitur

Relai urutan negatif menggunakan sirkuit filter khusus yang hanya merespons komponen urutan negatif yang ada dalam sistem elektrik. Mengingat bahwa bahkan arus overcurrent dengan magnitudo kecil yang disebabkan oleh komponen urutan negatif dapat menciptakan kondisi operasional berbahaya, relai dikonfigurasikan dengan pengaturan arus rendah. Ini memungkinkannya mendeteksi dan bereaksi cepat terhadap ketidakseimbangan halus sebelum mereka berkembang menjadi masalah besar.

Meskipun relai urutan negatif di-grounded, grounding ini utamanya bertujuan untuk melindungi terhadap gangguan fase-ke-tanah. Namun, grounding tidak secara langsung mengurangi gangguan fase-ke-fase; alih-alih, perannya adalah untuk mendeteksi komponen urutan negatif yang merupakan gejala dari gangguan tersebut dan memicu tindakan perlindungan yang sesuai.

Konstruksi

Konstruksi relai urutan negatif digambarkan dalam gambar di bawah ini. Relai ini memiliki empat impedansi, yang dinyatakan sebagai Z1, Z2, Z3, dan Z4, yang saling terhubung dalam konfigurasi jembatan. Impedansi-impedansi ini diberi energi oleh transformator arus, yang mengambil sampel arus listrik dari sistem yang dilindungi. Kumparan operasi relai terhubung ke titik tengah sirkuit jembatan ini. Penyusunan khusus ini memungkinkan relai untuk mendeteksi dengan akurat keberadaan dan magnitudo komponen urutan negatif dengan menganalisis perbedaan tegangan di antara lengan-lengan jembatan, memfasilitasi operasi yang andal dan presisi untuk perlindungan sistem elektrik.

Dalam sirkuit relai urutan negatif, Z1 dan Z3 menunjukkan karakteristik resistif murni, sementara Z2 dan Z4 memiliki sifat resistif dan induktif. Nilai impedansi Z2 dan Z4 disesuaikan dengan cermat sehingga arus yang melewati mereka selalu tertinggal dari arus yang mengalir melalui Z1 dan Z3 dengan sudut 60 derajat.

Ketika arus mencapai junction A, ia terbagi menjadi dua cabang, yaitu I1 dan I4. Secara signifikan, arus I4 tertinggal dari arus I1 dengan tepat 60 derajat. Hubungan fase-spesifik ini fundamental untuk fungsi yang tepat dari relai urutan negatif, memungkinkannya untuk mendeteksi dan merespons dengan akurat komponen urutan negatif dalam sistem elektrik.

Sama halnya, arus dari fase B terpecah di junction C menjadi dua komponen yang sama, I3 dan I2, dengan I2 tertinggal dari I3 sebesar 60º.

Arus I4 tertinggal dari I1 dengan sudut 30 derajat. Demikian pula, I2 tertinggal dari IB sebesar 30 derajat, sementara I3 unggul dari IB dengan margin 30 derajat yang sama. Arus yang mengalir melalui junction B setara dengan jumlah aljabar dari I1, I2, dan IY. Hubungan sudut yang tepat dan penjumlahan arus di junction B sangat penting untuk fungsi yang tepat dari relai urutan negatif, memastikan kemampuannya untuk mendeteksi kondisi tidak seimbang dalam sistem elektrik dengan menganalisis perbedaan fase dan magnitudo di antara arus-arus ini.

Aliran Arus Urutan Positif

Diagram fasor yang menggambarkan komponen urutan positif digambarkan dalam gambar di bawah ini. Dalam skenario di mana beban berada dalam keadaan seimbang, arus urutan negatif tidak ada. Dalam keadaan tersebut, arus yang melewati relai dapat dijelaskan oleh persamaan berikut. Hubungan antara keadaan beban seimbang, absennya arus urutan negatif, dan arus melalui relai ini fundamental untuk memahami operasi normal dan fungsi perlindungan dalam sistem elektrik.

Operasi Dalam Keadaan Seimbang

Akibatnya, relai tetap aktif selama operasi sistem elektrik yang seimbang, memastikan pemantauan berkelanjutan dan siap untuk merespons potensi anomali.

Aliran Arus Urutan Negatif

Seperti yang digambarkan dalam gambar di atas, arus I1 dan I2 menunjukkan magnitudo yang sama. Karena sifatnya yang sama dan berlawanan, mereka secara efektif saling menghilangkan. Akibatnya, hanya arus IY yang melewati kumparan operasi relai. Untuk melindungi terhadap efek berbahaya dari overload minor, yang dapat dengan cepat berkembang menjadi masalah sistem yang serius, pengaturan arus relai sengaja dijaga lebih rendah dari arus beban penuh normal. Kalibrasi sensitif ini memungkinkan relai untuk mendeteksi dan merespons dengan cepat terhadap kondisi tidak seimbang yang disebabkan oleh komponen urutan negatif.

Aliran Arus Urutan Nol

Dalam kasus arus urutan nol, arus I1 dan I2 diphasa-displaced satu sama lain dengan sudut 60 derajat. Hasil dari kedua arus ini sejajar dengan arus IY. Akibatnya, kumparan operasi relai mengalami arus total yang tepat dua kali magnitudo arus urutan nol. Penting untuk dicatat bahwa dengan menghubungkan transformator arus (CTs) dalam konfigurasi delta, relai dapat dibuat tidak beroperasi untuk arus urutan nol. Dalam setup koneksi delta ini, arus urutan nol tidak mengalir melalui relai, memberikan cara untuk memfilter atau melewati jenis-jenis arus gangguan tertentu tergantung pada kebutuhan perlindungan sistem.

Relai Urutan Negatif Tipe Induksi

Konstruksi relai urutan negatif tipe induksi mirip dengan relai overcurrent tipe induksi. Relai ini memiliki cakram logam, biasanya dibuat dari kawat aluminium, yang berputar di antara dua elektromagnet: elektromagnet atas dan bawah.

Elektromagnet atas dilengkapi dengan dua gulungan. Gulungan primer elektromagnet atas terhubung ke sisi sekunder transformator arus (CT) yang terhubung ke jalur yang dilindungi. Sementara itu, gulungan sekunder elektromagnet atas terhubung seri dengan gulungan-gulungan elektromagnet bawah.

Berkat adanya tapping pusat, gulungan primer relai memiliki tiga terminal. Fase R, dengan bantuan CTs dan transformator bantu, memberi energi pada setengah atas relai, sementara fase Y memberi energi pada setengah bawah. Transformator bantu disesuaikan secara khusus sehingga outputnya tertinggal dengan sudut 120º daripada 180º yang konvensional.

Operasi dengan Arus Urutan Positif

Ketika arus urutan positif hadir, arus IR dan IY mengalir melalui gulungan primer relai dalam arah yang berlawanan. Arus I’R dan I’Y memiliki magnitudo yang sama. Aliran arus yang seimbang ini memastikan bahwa relai tetap dalam keadaan tidak aktif, karena tidak ada gaya bersih untuk memicu operasinya.

Operasi dengan Arus Urutan Negatif

Dalam kejadian gangguan, arus urutan negatif I diinduksi untuk mengalir melalui gulungan primer relai. Arus urutan negatif ini mengganggu keseimbangan dalam relai, memicu serangkaian peristiwa yang mengarah ke aktivasi relai dan tindakan perlindungan selanjutnya.

Relai akan memulai operasinya begitu magnitudo arus gangguan melebihi nilai yang telah ditetapkan untuk relai. Ini berarti bahwa ketika arus gangguan menjadi cukup besar untuk melebihi ambang batas spesifik yang ditentukan untuk relai, relai dipicu untuk melakukan fungsinya dalam sistem elektrik.