Perlindungan Garis Udara – Kerosakan dan Peranti Perlindungan
Kesalahan Umum dalam Garis Udara
Penyebab utama kesalahan dalam garis udara termasuk:
Artikel Terkait: Perlindungan & Kesalahan Trafo Daya
Perangkat Perlindungan Garis Udara
Perlindungan overcurrent berbasis waktu tidak efektif untuk garis transmisi udara tegangan tinggi (HV). Ini disebabkan oleh adanya sumber-sumber arus kesalahan yang saling terhubung, yang mungkin dibatasi oleh pembatas arus kesalahan. Persyaratan utama untuk skema perlindungan dalam garis transmisi udara HV adalah sebagai berikut:
Untuk memenuhi persyaratan ini, perangkat perlindungan berikut umumnya digunakan dalam garis udara HV:
Perlindungan diferensial biasanya diterapkan pada garis udara pendek, sementara perlindungan jarak lebih cocok untuk garis udara panjang. Klasifikasi garis udara sebagai pendek atau panjang didasarkan pada perbandingan induktansi, resistansi, dan kapasitansi garis. Sebuah garis dianggap pendek ketika resistansinya dan kapasitasnya dapat diabaikan dibandingkan dengan induktansinya. Penilaian ini sering dilakukan menggunakan diagram π dari garis udara.
Beberapa faktor mempengaruhi impedansi garis, respon fisiknya terhadap kondisi hubungan singkat, dan arus pengisian garis. Ini termasuk tingkat tegangan, konstruksi fisik garis transmisi, jenis dan ukuran konduktor, serta jarak antar konduktor. Selain itu, jumlah terminal garis mempengaruhi aliran arus beban dan kesalahan, 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 bertapped atau perangkat kompensasi reaktif, seperti bank kapasitor seri atau reaktor shunt, lebih lanjut mempengaruhi pemilihan sistem perlindungan dan pengaturan perangkat perlindungan. Oleh karena itu, studi rinci tentang garis udara diperlukan untuk menentukan relai perlindungan yang paling tepat. Secara umum, garis dengan panjang hingga 80 - 100 km mungkin dianggap pendek, meskipun ini dapat bervariasi tergantung pada tingkat tegangan dan karakteristik jaringan.
Kira-kira 90% kesalahan garis udara bersifat sementara. Kesalahan dapat dikategorikan sebagai berikut:
Untuk kesalahan seperti itu, mungkin diperlukan trip tunggal-pole, memungkinkan garis untuk segera dipulihkan setelah pemutus sirkuit trip. Oleh karena itu, skema trip tunggal-pole dan auto-reclose umumnya digunakan dalam pemutus sirkuit yang terkait dengan garis transmisi udara (biasanya dengan tegangan 220 kV atau lebih tinggi). Ketika pemutus sirkuit memutus arus kesalahan, busur flashover padam, dan udara terionisasi menghilang. Auto-reclose biasanya berhasil setelah penundaan hanya beberapa siklus. Namun, ketika pekerjaan energi sedang dilakukan, perangkat reclose otomatis pada garis yang sedang bekerja harus diatur ke mode non-reclose. Pemutus sirkuit yang digunakan dalam aplikasi ini perlu dirancang secara khusus untuk menangani operasi ini dan kebal terhadap inkonsistensi pole hingga perintah trip definitif dikeluarkan.
Perlindungan Diferensial dan Perbandingan Fasa
Perlindungan diferensial didasarkan pada hukum arus Kirchhoff. Dalam konteks garis transmisi, ia bekerja dengan membandingkan arus yang masuk ke garis pada satu terminal dengan arus yang keluar dari garis pada terminal lainnya. Relai diferensial garis di setiap ujung garis transmisi menukar data arus garis melalui tautan komunikasi optik-serat. Tautan ini sering ditetapkan menggunakan kabel Optical Power Ground Wire (OPGW), yang juga digunakan untuk desain perlindungan petir garis udara dan berisi kabel optik dalam strukturnya. Gambar 1 mengilustrasikan diagram sistem perlindungan diferensial.
Gambar 1 – Diagram Perlindungan Diferensial Garis Udara
Sistem relaying perlindungan lainnya 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 kesalahan eksternal, arus yang masuk ke garis memiliki sudut fase relatif yang sama dengan arus yang keluar dari garis. Akibatnya, relai perbandingan fasa di setiap terminal mendaftarkan sedikit atau tidak ada perbedaan sudut fase. Oleh karena itu, sistem perlindungan tetap stabil, dan tidak ada trip yang terjadi. Sebaliknya, selama kesalahan 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 kesalahan.
Dalam skema perbandingan fasa, relai starting memainkan peran penting. Relai ini memulai proses perbandingan fasa segera setelah kondisi kesalahan terdeteksi. Desain mereka memastikan operasi untuk kesalahan internal dan eksternal, memberikan pemantauan komprehensif.
Untuk fungsi perlindungan perbandingan fasa yang efektif, saluran komunikasi yang andal sangat penting. Dalam aplikasi modern, kabel serat optik yang terintegrasi dalam kabel Optical Ground Wire (OPGW) telah menjadi pilihan utama untuk mendirikan tautan komunikasi ini.
Gambar 2 menggambarkan diagram single-line 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) identik ditempatkan secara 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 kesalahan, tegangan sekunder yang dihasilkan oleh CT ini sama besarnya tetapi berlawanan arah, sehingga saling menyeimbangkan.
Selama operasi sistem yang sehat, arus yang masuk ke garis di satu ujung tepat sesuai dengan arus yang keluar dari garis di ujung lainnya. Akibatnya, 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 kesalahan di titik seperti F pada garis, seperti yang digambarkan dalam Gambar 2, distribusi arus terganggu. Secara khusus, arus yang jauh lebih besar akan mengalir melalui CT1 dibandingkan dengan CT2. Perbedaan arus ini menyebabkan tegangan sekunder CT menjadi tidak sama. Akibatnya, arus sirkulasi terbentuk, mengalir melalui kabel pilot dan relai. Dalam respons terhadap aliran arus ini, pemutus sirkuit di kedua ujung garis dipicu untuk membuka, dengan cepat mengisolasi garis yang bermasalah dari sisa sistem tenaga.
Baca juga: Perlindungan Utama dan Sekunder atau Cadangan dalam Sistem Tenaga
Perlindungan Jarak
Perlindungan jarak bergantung pada relai jarak, yang mengukur impedansi garis transmisi dengan menganalisis sinyal tegangan dan arus yang diterapkan kepadanya. Ketika terjadi kesalahan pada garis, dua perubahan signifikan terjadi: arus melonjak ke level yang jauh lebih tinggi, dan tegangan turun tajam.
Mengingat 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 secara eksklusif untuk kesalahan yang terjadi antara lokasi relai dan titik jangkauan yang dipilih. Fitur desain ini memungkinkan mereka untuk secara efektif membedakan antara kesalahan di bagian-bagian garis yang berbeda. Impedansi yang tampak yang dihitung oleh relai kemudian dibandingkan dengan impedansi titik jangkauan yang telah ditetapkan. Jika impedansi yang diukur lebih rendah dari impedansi titik jangkauan, dapat disimpulkan bahwa ada kesalahan pada garis antara relai dan titik jangkauan. Ketika impedansi yang dihitung jatuh dalam pengaturan jangkauan relai, relai aktif, memicu tindakan perlindungan.
Untuk memastikan perlindungan komprehensif, sistem perlindungan jarak dipasang di kedua ujung garis transmisi, dan tautan komunikasi dibuat antara kedua ujung tersebut, seperti yang digambarkan dalam Gambar 3. Komunikasi ini memungkinkan operasi koordinatif relai di setiap ujung, meningkatkan efektivitas keseluruhan skema perlindungan.
Kinerja dan Karakteristik Relai Jarak
Gambar 3 – Diagram Perlindungan Jarak Garis Udara
Kinerja relai jarak sebagian besar dievaluasi berdasarkan dua parameter kunci: akurasi jangkauan dan waktu operasi.
Akurasi Jangkauan
Akurasi jangkauan melibatkan perbandingan jangkauan ohmik sebenarnya dari relai jarak dalam kondisi dunia nyata dan praktis dengan nilai ohmik yang telah ditetapkan. Metrik ini sangat dipengaruhi oleh tingkat tegangan yang diterapkan ke relai selama kondisi kesalahan. Tegangan yang lebih rendah atau terdistorsi dapat menyebabkan ketidakakuratan dalam impedansi yang diukur, mempengaruhi kemampuan relai untuk mengidentifikasi posisi kesalahan dalam jangkauannya yang ditunjuk. 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 bervariasi, sehingga mempengaruhi akurasi jangkauan keseluruhan relai.
Waktu Operasi
Waktu operasi relai jarak adalah kuantitas variabel yang bergantung pada beberapa faktor. Magnitudo arus kesalahan memiliki efek langsung; arus kesalahan yang lebih tinggi kadang-kadang dapat menyebabkan operasi lebih cepat, sementara arus yang lebih rendah mungkin menghasilkan waktu respons yang lebih lama. Posisi kesalahan relatif terhadap pengaturan relai juga penting. Kesalahan yang lebih dekat ke sumber atau dalam jarak tertentu dari relai mungkin memicu respons yang lebih cepat dibandingkan dengan yang lebih jauh. Selain itu, titik pada gelombang tegangan di mana kesalahan terjadi dapat memperkenalkan variasi dalam waktu operasi.
Beberapa kesalahan sementara sinyal pengukuran, yang terkait dengan teknik pengukuran tertentu yang digunakan dalam desain relai, dapat lebih mempersulit situasi. Misalnya, kesalahan yang dihasilkan oleh Transformator Tegangan Kapasitor (CVT) atau Transformator Arus (CT) yang jenuh dapat secara signifikan menunda operasi relai, terutama untuk kesalahan yang terjadi dekat titik jangkauan. Kesalahan sementara ini dapat mendistorsi sinyal tegangan dan arus, menyebabkan misinterpretasi impedansi dan penundaan subsekuensial 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 digambarkan dalam Gambar 10 dan 11, masing-masing. Setiap bentuk memiliki keunggulan sendiri dan dirancang untuk mengoptimalkan kinerja relai dalam kondisi sistem listrik yang berbeda, menyediakan cara yang dapat diandalkan untuk membedakan antara kondisi operasional normal dan kesalahan 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 kesalahan baik untuk fase maupun tanah. Fleksibilitas ini telah membuatnya menjadi 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 yang berlawanan. Zona pengukuran berlawanan ini berfungsi sebagai perlindungan cadangan untuk bus bar. Setiap zona dikaitkan dengan waktu aktuasi tertentu untuk relai, memungkinkan respons yang halus dan terkoordinasi terhadap kesalahan yang terjadi di lokasi yang berbeda dalam jaringan listrik yang dilindungi.
Ketika relai jarak dipasang di kedua ujung garis transmisi, waktu respons mereka terhadap kesalahan bervariasi tergantung pada jarak titik kesalahan (F) dari setiap ujung garis. Misalnya, pertimbangkan garis udara yang menghubungkan Substasi A dan B. Relai jarak yang berada di substasi terdekat dengan titik kesalahan F akan mendeteksi kesalahan terlebih dahulu, dan pemutus sirkuit yang sesuai akan trip sebelum yang di substasi lain.
Untuk mencegah kesalahan hubungan singkat terus menerima daya dari ujung lain garis hingga perlindungan jarak yang relevan aktif, tautan komunikasi antara relai perlindungan sangat penting. Biasanya, komunikasi ini ditetapkan melalui kabel serat optik yang terintegrasi dalam kabel Optical Ground Wire (OPGW). Konfigurasi ini memungkinkan trip simultan kedua pemutus sirkuit, memastikan isolasi cepat dan efektif dari bagian yang bermasalah.
Tidak praktis untuk memprogram relai impedansi untuk mengukur impedansi garis secara tepat hingga pemutus di ujung jauh. Hal ini disebabkan oleh kesalahan dan ketidakakuratan inheren dalam komponen seperti transformator arus (CT), transformator tegangan (VT), relai sendiri, serta dalam perhitungan impedansi garis. Untuk mengakomodasi ketidakpastian ini, jangkauan relai diatur untuk mengukur nilai impedansi yang kurang dari impedansi total yang sesuai dengan panjang penuh garis. Misalnya, mengatur Zone 1 untuk menutupi hingga 85% impedansi garis adalah praktik umum dan aman. 15-20% sisanya berfungsi sebagai margin keamanan, secara efektif mencegah perlindungan Zone 1 melebihi garis yang dilindungi karena kesalahan pengukuran dan ketidakakuratan. Tanpa margin ini, ada risiko kehilangan kemampuan untuk membedakan antara kesalahan di bagian garis yang berdekatan, terutama ketika menangani skema perlindungan beraksi cepat.
Kalibrasi hati-hati dari pengaturan jangkauan dan waktu trip untuk setiap zona pengukuran sangat penting untuk mencapai koordinasi yang tepat antara relai jarak di seluruh sistem tenaga. Penyesuaian teliti ini memastikan bahwa kesalahan dihapus dalam urutan yang benar, meminimalkan gangguan dan mempertahankan stabilitas jaringan listrik.
Baca Juga: Pengantar Harmonik – Efek Harmonik pada Sistem Tenaga
Reclosing
Seperti yang dibahas dalam Bagian 4.2, sebagian besar kesalahan pada garis udara bersifat asimetris dan sementara. Reclosing otomatis, fungsi kritis dalam sistem tenaga, dieksekusi oleh relai recloser otomatis. Relai ini dipicu oleh perangkat perlindungan garis udara, seperti yang digambarkan dalam Gambar 6.
Reclosing Otomatis dalam Sistem Tenaga
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 utama untuk reclosing tingkat transmisi termasuk:
Pertimbangan Utama
