Pelestarian Garis Udara – Kerusakan dan Perangkat Perlindungan
Kerusakan Umum pada Jaringan Udara
Penyebab paling umum dari kerusakan pada jaringan udara meliputi:
Artikel Terkait: Perlindungan & Kerusakan Trafo Daya
Perangkat Perlindungan Jaringan Udara
Perlindungan overcurrent berbasis waktu tidak efektif untuk jaringan transmisi udara tegangan tinggi (HV). Hal ini disebabkan oleh adanya sumber-sumber arus kerusakan yang terhubung, yang mungkin dibatasi oleh pembatas arus kerusakan. Persyaratan utama untuk skema perlindungan dalam jaringan transmisi udara HV adalah sebagai berikut:
Untuk memenuhi persyaratan ini, perangkat perlindungan berikut biasanya digunakan dalam jaringan udara HV:
Perlindungan diferensial biasanya diterapkan pada jaringan udara pendek, sementara perlindungan jarak lebih cocok untuk jaringan udara panjang. Klasifikasi jaringan udara sebagai pendek atau panjang didasarkan pada perbandingan induktansi, resistansi, dan kapasitansi. Garis dianggap pendek ketika resistansinya dan kapasitasnya dapat diabaikan dibandingkan dengan induktansinya. Penilaian ini sering dilakukan menggunakan diagram π dari jaringan udara.
Beberapa faktor mempengaruhi impedansi garis, respons fisiknya terhadap kondisi hubungan pendek, dan arus pengisian garis. Ini termasuk tingkat tegangan, konstruksi fisik dari garis transmisi, jenis dan ukuran konduktor, serta jarak antara konduktor. Selain itu, jumlah terminal garis mempengaruhi aliran beban dan arus kerusakan, yang harus dipertimbangkan oleh sistem perlindungan. Garis paralel juga mempengaruhi relaying, karena coupling mutual dapat mempengaruhi arus tanah yang diukur oleh relai perlindungan. Keberadaan trafo tap atau perangkat kompensasi reaktif, seperti bank kapasitor seri atau reaktor shunt, mempengaruhi pemilihan sistem perlindungan dan pengaturan perangkat perlindungan. Oleh karena itu, studi rinci tentang jaringan udara diperlukan untuk menentukan relai perlindungan yang paling tepat. Secara umum, garis dengan panjang hingga 80 - 100 km dapat dianggap pendek, meskipun ini dapat bervariasi tergantung pada tingkat tegangan dan karakteristik jaringan.
Sekitar 90% kerusakan jaringan udara bersifat sementara. Kerusakan dapat dikategorikan sebagai berikut:
Untuk kerusakan tersebut, trip tunggal mungkin diperlukan, memungkinkan garis untuk segera dipulihkan setelah pemutus sirkuit terputus. Oleh karena itu, skema trip tunggal dan auto-reclose sering digunakan dalam pemutus sirkuit yang terkait dengan jaringan transmisi udara (biasanya dengan tegangan 220 kV atau lebih tinggi). Ketika pemutus sirkuit memutus arus kerusakan, busur flashover padam, dan udara terionisasi menghilang. Auto-reclose biasanya berhasil setelah penundaan hanya beberapa siklus. Namun, ketika pekerjaan berenergi sedang dilakukan, perangkat reclose otomatis pada garis yang sedang dikerjakan harus diatur ke mode non-reclose. Pemutus sirkuit yang digunakan dalam aplikasi ini perlu dirancang khusus untuk menangani operasi ini dan kebal terhadap inkonsistensi kutub hingga perintah putus definitif dikeluarkan.
Perlindungan Diferensial dan Perbandingan Fasa
Perlindungan diferensial didasarkan pada hukum arus Kirchhoff. Dalam konteks garis transmisi, perlindungan ini bekerja dengan membandingkan arus yang masuk ke garis di satu terminal dengan arus yang keluar dari garis di terminal lainnya. Relai diferensial garis di setiap ujung garis transmisi menukar data arus garis melalui tautan komunikasi serat optik. Tautan ini sering dibuat menggunakan kabel Optical Power Ground Wire (OPGW), yang juga digunakan untuk desain perlindungan petir dari jaringan udara dan mengandung kabel serat optik dalam strukturnya. Gambar 1 menunjukkan diagram sistem perlindungan diferensial.
Gambar 1 – Diagram Perlindungan Diferensial Jaringan Udara
Sistem relaying perlindungan lain untuk garis transmisi tegangan tinggi (HV), yang didasarkan pada prinsip perlindungan diferensial dan sekarang digunakan bahkan untuk garis jarak jauh, adalah perlindungan perbandingan fasa.
Sistem ini bekerja dengan membandingkan sudut fase antara arus di kedua ujung garis yang dilindungi. Dalam kasus kerusakan eksternal, arus yang masuk ke garis memiliki sudut fase relatif yang sama dengan arus yang keluar dari garis. Sebagai hasilnya, relai perbandingan fasa di setiap terminal mendaftar sedikit atau tidak ada perbedaan sudut fase. Oleh karena itu, sistem perlindungan tetap stabil, dan tidak ada trip yang terjadi. Sebaliknya, selama kerusakan internal, arus mengalir ke garis dari kedua ujung, menyebabkan disparitas sudut fase yang dapat dideteksi oleh relai perbandingan fasa. Setelah identifikasi perbedaan ini, relai aktif untuk mengisolasi dan membersihkan kerusakan.
Dalam skema perbandingan fasa, relai starting memainkan peran penting. Relai ini memulai proses perbandingan fasa segera setelah kondisi kerusakan terdeteksi. Desain mereka memastikan operasi untuk kerusakan internal dan eksternal, memberikan pemantauan yang komprehensif.
Untuk fungsi efektif perlindungan perbandingan fasa, saluran komunikasi yang andal sangat penting. Dalam aplikasi modern, kabel serat optik yang terintegrasi dalam kabel Optical Ground Wire (OPGW) telah menjadi pilihan favorit untuk mendirikan tautan komunikasi ini.
Gambar 2 menunjukkan diagram satu garis dari sistem keseimbangan tegangan Merz Price, yang digunakan untuk perlindungan garis tiga fase.
Perlindungan Perbandingan Fasa dan Perlindungan Jarak
Perlindungan Perbandingan Fasa
Gambar 2 – Diagram Perlindungan Perbandingan Fasa
Dalam perlindungan perbandingan fasa, transformator arus (CT) yang identik ditempatkan strategis di setiap fase di kedua ujung garis transmisi. Setiap pasangan CT, satu di setiap ujung garis, dihubungkan secara seri dengan relai. Dalam kondisi normal, tidak ada kerusakan, tegangan sekunder yang dihasilkan oleh CT ini sama besar tetapi berlawanan arah, secara efektif menyeimbangkan satu sama lain.
Selama operasi sistem yang sehat, arus yang masuk ke garis di satu ujung tepat sama dengan arus yang keluar di ujung lainnya. Sebagai hasilnya, tegangan yang sama dan berlawanan diinduksi di sekunder CT di kedua terminal garis. Keseimbangan tegangan ini memastikan tidak ada arus yang mengalir melalui relai, menjaga stabilitas sistem perlindungan.
Namun, ketika terjadi kerusakan pada titik seperti F di garis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, distribusi arus terganggu. Secara khusus, arus yang jauh lebih besar akan mengalir melalui CT1 dibandingkan CT2. Perbedaan arus ini menyebabkan tegangan sekunder CT menjadi tidak sama. Akibatnya, arus sirkulasi terbentuk, mengalir melalui kabel pilot dan relai. Sebagai respons terhadap aliran arus ini, pemutus sirkuit di kedua ujung garis dipicu untuk membuka, segera mengisolasi garis yang rusak dari sisa sistem listrik.
Baca juga: Perlindungan Primer dan Sekunder atau Cadangan dalam Sistem Listrik
Perlindungan Jarak
Perlindungan jarak bergantung pada relai jarak, yang mengukur impedansi garis transmisi dengan menganalisis sinyal tegangan dan arus yang diterapkan kepada mereka. Ketika terjadi kerusakan pada garis, dua perubahan signifikan terjadi: arus melonjak ke tingkat yang jauh lebih tinggi, dan tegangan turun drastis.
Mengingat bahwa impedansi garis transmisi sebanding langsung dengan panjangnya, relai jarak dirancang untuk mengukur impedansi hingga titik yang ditentukan sebelumnya yang dikenal sebagai "titik jangkauan." Relai ini, sering disebut relai impedansi, menghitung impedansi menggunakan hukum Ohm, yang dinyatakan oleh rumus Z = U/I, di mana Z mewakili impedansi, U adalah tegangan, dan I adalah arus.
Relai jarak dirancang untuk beroperasi hanya untuk kerusakan yang terjadi antara lokasi relai dan titik jangkauan yang dipilih. Fitur desain ini memungkinkan mereka untuk membedakan antara kerusakan di bagian garis yang berbeda. Impedansi yang tampak yang dihitung oleh relai kemudian dibandingkan dengan impedansi titik jangkauan yang ditetapkan. Jika impedansi yang diukur lebih rendah dari impedansi titik jangkauan, dapat disimpulkan bahwa ada kerusakan pada garis antara relai dan titik jangkauan. Ketika impedansi yang dihitung jatuh dalam pengaturan jangkauan relai, relai aktif, memicu tindakan perlindungan.
Untuk memastikan perlindungan yang komprehensif, sistem perlindungan jarak dipasang di kedua ujung garis transmisi, dan tautan komunikasi dibuat antara titik-titik akhir ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Komunikasi ini memungkinkan operasi koordinasi relai di setiap ujung, meningkatkan efektivitas keseluruhan skema perlindungan.
Kinerja dan Karakteristik Relai Jarak
Gambar 3 – Diagram Perlindungan Jarak Jaringan Udara
Kinerja relai jarak dievaluasi terutama berdasarkan dua parameter kunci: akurasi jangkauan dan waktu operasi.
Akurasi Jangkauan
Akurasi jangkauan melibatkan perbandingan jangkauan ohmik sebenarnya dari relai jarak dalam kondisi praktis dunia nyata dengan nilai ohmik yang ditetapkan. Metrik ini sangat dipengaruhi oleh tingkat tegangan yang diterapkan ke relai selama kondisi kerusakan. Tegangan yang lebih rendah atau terdistorsi dapat menyebabkan ketidakakuratan dalam impedansi yang diukur, mempengaruhi kemampuan relai untuk mengidentifikasi lokasi kerusakan dalam jangkaunya yang ditetapkan. Selain itu, teknik pengukuran impedansi yang digunakan dalam desain relai tertentu memainkan peran penting. Algoritma dan konfigurasi perangkat keras yang berbeda dapat menghasilkan tingkat presisi yang berbeda, sehingga mempengaruhi akurasi jangkauan keseluruhan relai.
Waktu Operasi
Waktu operasi relai jarak adalah kuantitas variabel yang tergantung pada beberapa faktor. Magnitudo arus kerusakan memiliki efek langsung; arus kerusakan yang lebih tinggi kadang-kadang dapat menyebabkan operasi yang lebih cepat, sementara arus yang lebih rendah mungkin menghasilkan waktu respons yang lebih lama. Posisi kerusakan relatif terhadap pengaturan relai juga penting. Kerusakan yang lebih dekat ke sumber atau dalam jarak tertentu dari relai mungkin memicu respon yang lebih cepat dibandingkan dengan yang lebih jauh. Selain itu, titik pada gelombang tegangan di mana kerusakan terjadi dapat memperkenalkan variasi dalam waktu operasi.
Beberapa kesalahan sementara sinyal pengukuran, yang terkait dengan teknik pengukuran spesifik yang digunakan dalam desain relai, dapat mempersulit masalah. Misalnya, kesalahan yang dihasilkan oleh Transformator Tegangan Kapasitor (CVT) atau Transformator Arus (CT) yang jenuh dapat secara signifikan menunda operasi relai, terutama untuk kerusakan yang terjadi dekat titik jangkauan. Kesalahan sementara ini dapat mendistorsi sinyal tegangan dan arus, menyebabkan misinterpretasi impedansi dan penundaan dalam aktivasi relai.
Karakteristik Relai Jarak
Karakteristik relai jarak, sering disebut bentuk perlindungan, direpresentasikan secara grafis sebagai fungsi dari resistansi (R) dan impedansi (X) garis pada diagram R/X atau admittance. Dua bentuk yang paling tipikal adalah lingkaran (karakteristik mho) dan segi empat. Bentuk karakteristik ini ditunjukkan pada Gambar 10 dan 11, masing-masing. Setiap bentuk memiliki kelebihannya sendiri dan dirancang untuk mengoptimalkan kinerja relai dalam kondisi sistem listrik yang berbeda, memberikan cara yang andal untuk membedakan antara kondisi operasi normal dan kerusakan sebenarnya dalam bagian garis yang dilindungi.
Gambar 4 – Karakteristik Mho
Karakteristik, Pengaturan Jangkauan, dan Reclosing Relai Jarak
Gambar 5 – Karakteristik Segi Empat
Elemen impedansi mho mendapatkan namanya dari penampilan karakteristiknya pada diagram admittance, di mana ia muncul sebagai garis lurus. Namun, karakteristik impedansi poligonal, seperti bentuk segi empat, telah mendapatkan popularitas yang signifikan. Karakteristik ini menawarkan fleksibilitas luar biasa dalam menutupi impedansi kerusakan untuk kerusakan fase dan tanah. Kemampuan adaptasi ini telah menjadikannya pilihan favorit untuk sebagian besar relai jarak modern.
Relai jarak dapat dikonfigurasikan dengan hingga lima zona yang berbeda, beberapa di antaranya diatur untuk mengukur impedansi dalam arah balik. Zona-zona pengukuran balik ini berfungsi sebagai perlindungan cadangan untuk bus bar. Setiap zona terkait dengan waktu aktuasi tertentu untuk relai, memungkinkan respons yang nuansa dan terkoordinasi terhadap kerusakan yang terjadi di lokasi yang berbeda dalam jaringan listrik yang dilindungi.
Ketika relai jarak dipasang di kedua ujung garis transmisi, waktu respons mereka terhadap kerusakan bervariasi tergantung pada jarak titik kerusakan (F) dari setiap ujung garis. Misalnya, pertimbangkan jaringan udara yang menghubungkan Gardu A dan B. Relai jarak yang berada di gardu terdekat dengan titik kerusakan F akan mendeteksi kerusakan terlebih dahulu, dan pemutus sirkuit yang sesuai akan terputus sebelum yang di gardu lain.
Untuk mencegah kerusakan hubungan pendek terus menerima daya dari ujung lain garis hingga perlindungan jarak yang relevan aktif, tautan komunikasi antara relai perlindungan sangat penting. Biasanya, komunikasi ini dibuat melalui kabel serat optik yang terintegrasi dalam kabel Optical Ground Wire (OPGW). Pengaturan ini memungkinkan tripping simultan kedua pemutus sirkuit, memastikan isolasi cepat dan efektif dari bagian yang rusak.
Tidak praktis untuk memprogram relai impedansi untuk mengukur impedansi garis dengan tepat hingga pemutus di ujung jauh. Hal ini disebabkan oleh kesalahan dan ketidakakuratan inheren dalam komponen seperti transformator arus (CT), transformator tegangan (VT), relai itu sendiri, serta dalam perhitungan impedansi garis. Untuk mengakomodasi ketidakpastian ini, jangkauan relai diatur untuk mengukur nilai impedansi yang kurang dari total impedansi yang sesuai dengan panjang penuh garis. Misalnya, mengatur Zona 1 untuk menutupi hingga 85% impedansi garis adalah praktik umum dan aman. Sisa 15-20% berfungsi sebagai margin keamanan, secara efektif mencegah perlindungan Zona 1 dari overreach garis yang dilindungi karena kesalahan pengukuran dan ketidakakuratan. Tanpa margin ini, ada risiko kehilangan kemampuan untuk membedakan antara kerusakan pada bagian garis yang berdekatan, terutama ketika berurusan dengan skema perlindungan yang bereaksi cepat.
Kalibrasi hati-hati pengaturan jangkauan dan waktu tripping untuk setiap zona pengukuran sangat penting untuk mencapai koordinasi yang tepat antara relai jarak di seluruh sistem listrik. Penyesuaian teliti ini memastikan bahwa kerusakan dihapus dalam urutan yang benar, meminimalkan gangguan dan menjaga stabilitas jaringan listrik.
Bacaan Terkait: Pengantar Harmonik – Efek Harmonik pada Sistem Listrik
Reclosing
Seperti yang dibahas dalam Bagian 4.2, sebagian besar kerusakan pada jaringan udara bersifat asimetris dan sementara. Reclosing otomatis, fungsi kritis dalam sistem listrik, dieksekusi oleh relai recloser otomatis. Relai ini dipicu oleh perangkat perlindungan jaringan udara, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Reclosing Otomatis dalam Sistem Listrik
Gambar 6 – Relai Recloser Otomatis
Keputusan untuk melakukan reclosing pada garis listrik dipengaruhi oleh banyak faktor. Masukan dan panduan dari tim perencanaan dan operasional sangat penting untuk menentukan praktik reclosing yang paling sesuai dengan kebutuhan spesifik perusahaan utilitas dan wilayahnya. Pertimbangan kunci untuk reclosing tingkat transmisi meliputi:
Pertimbangan Utama
