Relay Diferensial

Relai yang digunakan dalam proteksi sistem tenaga listrik berbeda jenisnya. Di antaranya relai diferensial adalah relai yang sangat umum digunakan untuk melindungi transformator dan generator dari kerusakan lokal.
Relai diferensial sangat sensitif terhadap kerusakan yang terjadi di dalam zona perlindungan, tetapi mereka paling tidak sensitif terhadap kerusakan yang terjadi di luar zona perlindungan. Sebagian besar relai bekerja ketika kuantitas tertentu melebihi nilai yang telah ditentukan, misalnya relai arus berlebih bekerja ketika arus melewatinya melebihi nilai yang telah ditentukan. Namun, prinsip relai diferensial sedikit berbeda. Ia bekerja tergantung pada perbedaan antara dua atau lebih kuantitas listrik yang serupa.

Definisi Relai Diferensial

Relai diferensial adalah relai yang bekerja ketika ada perbedaan antara dua atau lebih kuantitas listrik serupa melebihi nilai yang telah ditentukan. Dalam skema sirkuit relai diferensial, ada dua arus yang berasal dari dua bagian sirkuit tenaga listrik. Kedua arus ini bertemu di titik pertemuan di mana kumparan relai terhubung. Menurut Hukum Arus Kirchhoff, arus hasil yang mengalir melalui kumparan relai hanyalah penjumlahan dari kedua arus, yang berasal dari dua bagian sirkuit tenaga listrik. Jika polaritas dan amplitudo kedua arus disesuaikan sehingga jumlah fasa kedua arus tersebut, adalah nol pada kondisi operasi normal. Dengan demikian, tidak akan ada arus yang mengalir melalui kumparan relai pada kondisi operasi normal. Tetapi, jika terjadi gangguan apa pun pada sirkuit tenaga, dan keseimbangan ini terputus, artinya jumlah fasa kedua arus tersebut tidak lagi nol, dan akan ada arus non-nol yang mengalir melalui kumparan relai, sehingga relai bekerja.

Dalam skema diferensial arus, ada dua set transformator arus yang masing-masing terhubung ke sisi-sisi peralatan yang dilindungi oleh relai diferensial. Rasio transformator arus dipilih sedemikian rupa sehingga arus sekunder dari kedua transformator arus cocok satu sama lain dalam besarnya.
Polaritas transformator arus disusun sedemikian rupa sehingga arus sekunder dari CT ini saling menentang. Dari sirkuit jelas bahwa hanya jika ada perbedaan non-nol antara kedua arus sekunder ini, maka arus diferensial ini akan mengalir melalui kumparan operasi relai. Jika perbedaan ini lebih dari nilai puncak relai, relai akan beroperasi untuk membuka pemutus sirkuit untuk memisahkan peralatan yang dilindungi dari sistem. Elemen relai yang digunakan dalam relai diferensial adalah relai tipe tarik armatur instan karena skema diferensial hanya disesuaikan untuk membersihkan kerusakan di dalam peralatan yang dilindungi dengan kata lain, relai diferensial harus membersihkan hanya kerusakan internal peralatan, sehingga peralatan yang dilindungi harus dipisahkan segera setelah terjadi kerusakan di dalam peralatan itu sendiri. Tidak perlu ada penundaan waktu untuk koordinasi dengan relai lain dalam sistem.

Jenis-jenis Relai Diferensial

Ada dua jenis relai diferensial tergantung pada prinsip kerjanya.

1. Relai Diferensial Seimbang Arus

2. Relai Diferensial Seimbang Tegangan

Dalam relai diferensial arus, dua transformator arus dipasang di sisi-sisi peralatan yang akan dilindungi. Sirkuit sekunder CT dihubungkan secara seri sehingga mereka membawa arus sekunder CT dalam arah yang sama.

Kumparan operasi elemen relai dihubungkan di seluruh sirkuit sekunder CT. Dalam kondisi operasi normal, peralatan yang dilindungi (baik transformator daya atau alternator) membawa arus normal. Dalam situasi ini, misalkan arus sekunder CT1 adalah I1 dan arus sekunder CT2 adalah I2. Juga jelas dari sirkuit bahwa arus yang melewati kumparan relai hanyalah I1-I2. Seperti yang kami katakan sebelumnya, rasio dan polaritas transformator arus dipilih sedemikian rupa, I1 = I2, sehingga tidak akan ada arus yang mengalir melalui kumparan relai. Sekarang, jika terjadi kerusakan di luar zona yang ditutupi oleh CT, arus kerusakan melewati primer kedua transformator arus, dan oleh karena itu arus sekunder kedua transformator arus tetap sama seperti dalam kasus kondisi operasi normal. Oleh karena itu, pada situasi tersebut relai tidak akan beroperasi. Tetapi, jika terjadi kerusakan tanah di dalam peralatan yang dilindungi seperti yang ditunjukkan, kedua arus sekunder tidak akan lagi sama. Dalam hal ini, relai diferensial akan beroperasi untuk memisahkan peralatan yang rusak (transformator atau alternator) dari sistem.
Secara prinsip, sistem relai semacam ini memiliki beberapa kekurangan

1. Mungkin ada kemungkinan ketidakcocokan impedansi kabel dari sekunder CT ke panel relai jarak jauh.

2. Kapasitansi kabel pilot ini menyebabkan operasi relai yang tidak tepat ketika terjadi kerusakan besar di luar peralatan.

3. Pencocokan karakteristik yang akurat dari transformator arus tidak dapat dicapai, sehingga mungkin ada arus tumpahan yang mengalir melalui relai dalam kondisi operasi normal.

Relai Diferensial Persentase

Ini dirancang untuk merespons arus diferensial dalam bentuk hubungan fraksionalnya terhadap arus yang mengalir melalui bagian yang dilindungi. Dalam jenis relai ini, ada kumparan pembatas selain kumparan operasi relai. Kumparan pembatas menghasilkan torsi yang berlawanan dengan torsi operasi. Dalam kondisi normal dan kerusakan melalui, torsi pembatas lebih besar dari torsi operasi. Dengan demikian, relai tetap tidak aktif. Ketika terjadi kerusakan internal, gaya operasi melebihi gaya bias, sehingga relai beroperasi. Gaya bias ini dapat disesuaikan dengan mengubah jumlah putaran pada kumparan pembatas. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah, jika I1 adalah arus sekunder CT1 dan I2 adalah arus sekunder CT2, maka arus melalui kumparan operasi adalah I1 – I2 dan arus melalui kumparan pembatas adalah (I1 + I2)/2. Dalam kondisi normal dan kerusakan melalui, torsi yang dihasilkan oleh kumparan pembatas karena arus (I1+ I2)/2 lebih besar dari torsi yang dihasilkan oleh kumparan operasi karena arus I1– I2 tetapi dalam kondisi kerusakan internal ini menjadi berlawanan. Dan pengaturan bias didefinisikan sebagai rasio (I1– I2) ke (I1+ I2)/2.

Jelas dari penjelasan di atas, semakin besar arus yang mengalir melalui kumparan pembatas, semakin tinggi nilai arus yang diperlukan untuk kumparan operasi agar beroperasi. Relai disebut relai persentase karena arus operasi yang diperlukan untuk trip dapat dinyatakan sebagai persentase dari arus melalui.

Rasio dan Koneksi Transformator Arus untuk Relai Diferensial

Aturan sederhana ini adalah bahwa transformator arus pada setiap gulungan bintang harus dihubungkan dalam delta dan transformator arus pada setiap gulungan delta harus dihubungkan dalam bintang. Ini dilakukan untuk menghilangkan arus urutan nol dalam sirkuit relai.
Jika CT dihubungkan dalam bintang, rasio CT akan menjadi In/1 atau 5 A
CT yang dihubungkan dalam delta, rasio CT akan menjadi In/0.5775 atau 5×0.5775 A

Relai Diferensial Seimbang Tegangan

Dalam susunan ini, transformator arus dihubungkan di sisi-sisi peralatan sedemikian rupa sehingga tegangan induksi di sekunder kedua transformator arus akan saling menentang. Artinya, sekunder dari transformator arus dari kedua sisi peralatan dihubungkan secara seri dengan polaritas yang berlawanan. Kumparan relai diferensial dimasukkan di suatu tempat dalam loop yang dibuat oleh hubungan seri sekunder transformator arus seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Dalam kondisi operasi normal dan juga dalam kondisi kerusakan melalui, tegangan induksi di kedua sekunder CT adalah sama dan berlawanan, sehingga tidak akan ada arus yang mengalir melalui kumparan relai. Tetapi, segera setelah terjadi kerusakan internal pada peralatan yang dilindungi, tegangan ini tidak lagi seimbang, sehingga arus mulai mengalir melalui kumparan relai, sehingga pemutus sirkuit bekerja.

Ada beberapa kekurangan dalam relai diferensial seimbang tegangan seperti konstruksi transformator multi tap diperlukan untuk keseimbangan yang akurat antara pasangan transformator arus. Sistem ini cocok untuk perlindungan kabel dengan panjang relatif pendek, jika tidak kapasitansi kabel pilot mengganggu kinerja. Pada kabel panjang, arus muatan akan cukup untuk mengoperasikan relai bahkan jika keseimbangan sempurna transformator arus dicapai.
Kekurangan-kekurangan ini dapat dihilangkan dari sistem dengan memperkenalkan sistem/skema Translay yang merupakan modifikasi dari sistem relai diferensial seimbang tegangan. Skema Translay terutama diterapkan untuk perlindungan diferensial feeder.

Di sini, dua set transformator arus telah dihubungkan di ujung-ujung feeder. Sekunder setiap transformator arus dilengkapi dengan relai tipe induksi ganda individu. Sekunder setiap transformator arus memberi makan sirkuit primer relai tipe induksi ganda. Sirkuit sekunder setiap relai dihubungkan secara seri untuk membentuk loop tertutup dengan menggunakan kabel pilot. Hubungan harus sedemikian rupa sehingga, tegangan yang diinduksi di sekunder coil satu relai akan menentang yang sama dari relai lainnya. Perangkat kompensasi menetralkan efek arus kapasitansi kabel pilot dan efek ketidakseimbangan inheren antara kedua transformator arus.

Dalam kondisi normal dan kondisi kerusakan melalui, arus di kedua ujung feeder sama, sehingga arus yang diinduksi di sekunder CT juga akan sama. Karena arus yang sama di sekunder CT, primer setiap relai menginduksi EMF yang sama. Akibatnya, EMF yang diinduksi di sekunder relai juga sama, tetapi kumparan dihubungkan sedemikian rupa sehingga EMF ini berlawanan arah. Sebagai hasilnya, tidak akan ada arus yang mengalir melalui loop pilot, dan oleh karena itu tidak ada torsi operasi yang dihasilkan oleh salah satu relai.

Tetapi, jika terjadi kerusakan di dalam feeder di antara zona di antara transformator arus, arus yang meninggalkan feeder akan berbeda dari arus yang masuk ke feeder. Akibatnya, tidak akan ada kesamaan antara arus di kedua sekunder CT. Arus sekunder CT yang tidak sama ini akan menghasilkan tegangan sekunder yang tidak seimbang di kedua relai. Oleh karena itu, arus mulai beredar di loop pilot dan oleh karena itu torsi dihasilkan di kedua relai.

Karena arah arus sekunder berlawanan ke dalam relai, oleh karena itu, torsi di satu relai cenderung menutup kontak trip dan pada saat yang sama torsi yang dihasilkan di relai lain cenderung mempertahankan gerakan kontak trip dalam posisi normal yang tidak dioperasikan. Torsi operasi bergantung pada posisi dan sifat kerusakan di zona perlindungan feeder. Bagian feeder yang rusak dipisahkan dari bagian yang sehat ketika setidaknya satu elemen dari salah satu relai beroperasi.

Perlu dicatat bahwa dalam skema perlindungan translay, cincin tembaga tertutup dipasang dengan limb pusat inti primer relai. Cincin-cincin ini digunakan untuk menetralkan efek arus kapasitansi pilot. Arus kapasitansi mendahului