## Analisa Perhitungan dan Pengaturan Relai Arus Lebih dan Relai Gangguan Tanah pada Kubikel Cakra 20 KV Di PT XYZ

## Muhalan, Budi Yanto Husodo
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana Jakarta Email: husodo2008@gmail.com
Abstrak --  Gangguan  hubung  singkat  fasa  ke  tanah  dan  fasa-fasa  merupakan  salah  satu permasalahan  yang  mungkin  timbul  dalam  pengoperasian  transformator  daya  dalam  sebuah Gardu  Induk.  Gangguan  yang  disebabkan  oleh  adanya  hubung  singkat  menimbulkan  banyak kerugian,  kerugian  pada  sistem  transmisi  kelistrikan  maupun  kerugian  di  pihak  konsumen  energi listrik.  Salah  satu  cara  untuk  mengatasi  gangguan  ini  adalah  dengan  memasang  peralatan pengaman  pada  transformator.  Relai  arus  lebih  merupakan  relai  proteksi  yang  bekerja  dengan Pemutus  Tenaga  (Circuit  Breaker).  Pada  tulisan  ini  diberikan  perhitungan  setting  relay  arus  lebih dan relay tanah pada pada penyulang keluar dari kubikel Cakra 20 kV di sebuah perusahaan, yang karena  alasan  privacy  disebutkan  sebagai  PT  XYZ.  Analisa  yang  dilakukan  menunjukkan  bahwa setting relay arus lebih dan relay tanah eksisting telah sesuai dengan standar yang berlaku.
Kata kunci :  arus hubung singkat, relai arus lebih, setting relai
Abstract -- Short circuit phase to grounding and phase to phase were problems that may emerged in  the  power  transformer  operation  at  substation.  Short  circuit  caused  a  lot  of  detriments,  in  the electrical  transmission  system  and  consumers.  This  fault  could  be  eliminated  by  using  electrical safety  equipments  that  put  in  transformer.  Over  current  relay  was  one  of  the  electrical  safety equipments  that  operated  with  Circuit  Breaker  (CB).  The  fault  caused  by  short  circuit  would produced electrical current that exceed of current relay setting and time setting has been reach by the  protection  relay,then  protection  relay  will  send  trip  signal  to  the  Circuit  Breaker  changed  from Normally  Cloce  (NC)  Condition  to  Normally  Open  (NO)  condition.  This  new  condition  would eliminated risks in the electrical systems.
Key words : current short circuit, over current relay, relay setting

## 1. PENDAHULUAN
Listrik  merupakan  salah  satu  komoditi strategis dalam perekonomian Indonesia, karena  selain  digunakan  secara  luas  oleh masyarakat terutama untuk keperluan penerangan,  listrik  juga  merupakan  salah  satu sumber energi utama bagi sektor industri.
Di dalam penyediaan tenaga listrik, dapat dibedakan secara jelas tiga proses penyampaian tenaga listrik, yaitu pembangkitan,  transmisi,  dan  distribusi  yang dapat dianggap sebagai produksi atau pembuatan,  pengangkutan,  dan  penjualan eceran tenaga listrik (Arismunandar, 1995).
Pada  pelaksanaannya,  penyaluran  atau pendistribusian  tenaga  listrik  ini  terdapat  resiko gangguan  hubung  singkat  fasa-fasa  atau  fasa- tanah  atau  biasa  juga  terjadi  pada  sambungan dan  akan  menjadi  gangguan  permanen.  Untuk mengatasi  hal  tersebut  maka  diperlukan pengaturan/penyetelan  relai  yang  baik  agar relai  dapat  memproteksi  peralatan-peralatan listrik  lain  dari  gangguan  arus  hubung  singkat maupun beban lebih.

## 2. TEORI DASAR

## Relai proteksi
Relai Proteksi merupakan bagian penting dalam  sebuah  sistem  tenaga  listrik.  Peralatan ini sangat dibutuhkan bilamana sistem mengalami gangguan atau kondisi tidak normal. Relai  Proteksi  dibutuhkan  untuk  menginisiasi pemutusan  dan  mengisolasi  daerah  yang mengalami  gangguan  dan  menjaga  agar daerah  yang  tidak  mengalami  gangguan  tetap dapat menjalankan fungsinya.
Secara umum pengertian sistem proteksi ialah  cara  untuk  mencegah  atau  membatasi kerusakan peralatan akibat gangguan, sehingga  kelangsungan  penyaluran  tenaga listrik dapat dipertahankan.
Gangguan  pada  sistem  distribusi  tenaga listrik  hampir  seluruhnya  merupakan  gangguan hubung  singkat,  yang  akan  menimbulkan  arus yang besar. Semakin besar sistemnya semakin besar arus  gangguannya.  Arus  yang besar bila tidak segera dihilangkan akan merusak peralatan  yang  dilaluinya.  Untuk  memisahkan daerah  yang  terganggu  itu  dari  sistem
diperlukan  suatu  sistem  proteksi,  yang  pada dasarnya adalah alat pengaman yang bertujuan untuk  melepaskan  atau  membuka  sistem  yang terganggu,  sehingga  arus  gangguan  ini  akan padam.
Adapun  tujuan  dari  sistem  proteksi antara lain :  Untuk menghindari atau mengurangi kerusakan  akibat  gangguan  pada  peralatan yang  terganggu  atau  peralatan  yang  dilalui oleh arus gangguan.
 Untuk melokalisir (mengisolir) daerah gangguan menjadi sekecil mungkin.
 Untuk  dapat  memberikan  pelayanan  listrik dengan  keandalan  yang  tinggi  kepada konsumen  serta  memperkecil  bahaya  bagi manusia.

## Standar Relai Arus Lebih I.D.M.T
Karakteristik  pemutusan  arus/waktu  relai IDMT bervarisi sesuai dengan kebutuhan waktu pemutusan  yang  diperlukan  dan  karakteristik dari  peralatan  proteksi  lain  yang  dipergunakan dalam jaringan. Untuk keperluan ini, IEC 60255 mendefinisikan  sejumlah  karakteristik  standar sebagai  berikut:  Standard  Inverse  (SI),  Very Inverse  (VI),  Extremely  Inverse  (EI),  dan Definite Time (DT).
Untuk tipe Relai lainnya, langkah penyetelan  mungkin  sangat  terbatas  untuk mendapatkan pengaturan yang kontinyu. Sebagai  tambahan,  pada  umumnya  hampir semua  Relai  arus  lebih  dilengkapi  dengan elemen penyetelan instantaneous. Dalam banyak  kasus,  penggunaan  kurva  standar  SI telah  memberikan  hasil  yang  memuaskan, namun  bila  diskriminasi  yang  diinginkan    tidak dapat  dicapai,  maka  dapat  digunakan  kurva  VI atau EI.

## Gangguan Hubung Singkat 3 Fasa
Rumus  dasar  yang  digunakan  untuk menghitung  besanya  arus  gangguan  hubung singkat 3 fasa adalah:
Sehinggga  arus  gangguan  hubung  singkat  3 fasa dapat dihitung sebagai berikut :

## √

## Gangguan hubung singkat 2 fasa
Rumus  dasar  yang  digunakan  untuk menghitung  besarnya  arus  gangguan  hubung
singkat 2 fasa adalah sebagaimana persamaan (1):
Sehingga arus gangguan hubung singkat 2 fasa dapat dihtung sebagai berikut :

## Gangguan  Hubung  Singkat  Satu  Fasa  ke Tanah
Pada gangguan satu fasa ke tanah misal fasa A mengalami gangguan akan menyebabkan  kenaikan  arus  pada  fasa  A  dan drop  tegangan  di  phasa  A  (menjadi  nol) sedangkan  arus  pada  phasa  yang  lain  menjadi nol yang diikuti dengan kenaikan tegangan fasa yang  lain  (phasa  B  dan  Phasa  C  tidak  sama dengan  nol  sedangkan  arus  phasa  B  sama besarnya  dengan  phasa  C  yaitu  nol  Ampere) (Tjahjono, 2000).
Gangguan  tidak  simetris  menyebabkan arus  tidak  seimbang  dalam  sistem,  sehingga dibutuhkan komponen simetris untuk perhitungannya  sebagaimana  uraian  di  atas. Sehingga  arus  gangguan  hubung  singkat  1 Fasa ke tanah dapat dihitung sebagai berikut :
√

## 3. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  cara mengumpulkan data-data spesifikasi transformator  daya  dan  setting  relai  arus kemudian melakukan pengamatan dan pengambilan data Gardu Induk.
Berdasarkan data-data yang ada, dilakukan  analisa  dan  perhitungan  besar  arus gangguan  terhadap  relai  proteksi  agar  relai arus  lebih  bekerja  dan  dapat  mentripkan pemutus tenaga / CB ( Circuit Breaker ).

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Di  Gardu  Induk  Jambi  terdapat  3  jenis trafo tenaga dengan tegangan kerja 150/20 kV, dimana  masing-masing  trafo  berkapasitas  60 MVA.  Karena  pada  trafo  2  memasok  5
penyulang,  maka  diperlukan  penyetelan  relai yang  baik  agar  relai  dapat  memproteksi peralatan-peralatan  listrik  yang  lain  dari  arus gangguan hubung singkat maupun beban lebih. Adapun  data-data  yang  diperlukan  untuk analisis ini adalah sebagai berikut:
 Merk = TRAFINDO  Daya = 50 MVA  Tegangan = 150 / 20 KV
 Impedansi ( Z % ) = 12,15%  Teg Primer = 150 KV  Teg sekunder = 20 KV  Ratio CT Trafo = 2000/5
 Arus Nominal Trafo   = 1443,4
 Hub. belitan trafo = YNyn0(d11)  Ground Resistor = 14 ohm Perhitungan Arus Gangguan Hubung

## Singkat
Data  Hubung  Singkat  di  bus  sisi  primer (150kV)  di  Gardu  Induk  adalah  sebesar  2.586 MVA. Maka impedansi sumber (X s ) adalah :
Untuk  mengetahui  Impedansi  di  sisi  sekunder, yaitu di bus sisi 20 kV maka:
Besarnya  reaktansi  trafo  tenaga  satu  di Gardu  Induk  adalah  12,13%,  agar  dapat mengetahui  besarnya  nilai  reaktansi  urutan positif,  negatif  dan  reaktansi  urutan  nol  dalam ohm,  maka  perlu  dihitung  dulu  besar  nilai  ohm pada 100 % nya.
Besarnya nilai ohm pada 100 % yaitu :
Nilai reaktansi trafo tenaga:
 Reaktansi urutan positif, negatif ( Xt1 = Xt2 ) Xt = 12,15% .8 = 0,972 Ohm
 Reaktansi urutan nol ( Xt0 )
Karena trafo daya yang mensuplai penyulang  mempunyai  hubungan  Ynyn0 yang  tidak  mempunyai  belitan  delta  di dalamnya,  maka  besarnya  Xt0  berkisar antara 9 s.d. 14 . Xt1, dalam perhitungan ini diambil  nilai  Xt0  lebih  kurang  10  .  Xt1.  Jadi Xt0 = 10. 0,972 = 9,72 ohm.
Dari  data  yang  diperoleh  bahwa  jenis penghantar  yang  digunakan  pada  penyulang hanya  menggunakan  satu  tipe  kabel  yaitu XLPE 210 mm2.
Panjang  penyulang  =  5,309  km,  dengan panjang  penghantar  XLPE  210  mm2  =  5,309. Z 1 = Z 2 (XLPE 210) = (0,118 + j0,095) Ω / km x
5,309 = 0,624 + j0, 504 Ohm. Z 0 (XLPE 210) = (0,255  +  j0,024)  Ω  /  km  x  5,309  =  1,354  + j0,127 Ohm.
Dengan demikian nilai impedansi penyulang untuk lokasi gangguan dengan jarak 0%,  25%,  50%,  75%  dan  100%  panjang penyulang,  sebagaimana  ditampilkan  pada Tabel 1.
Tabel 1 Impedansi Penyulang Urutan Positif &
Negatif (% Panjang) Impedansi Penyulang (Z 1 & Z 2 ) 0 0% . ( 0,624 + j0,504 ) = 0 Ohm 25 25% . ( 0,624 + j0,504 ) = 0,156 + j0,126 Ohm 50 50% . ( 0,624 + j0,504 ) = 0,312 + j0,252 Ohm 75 75% . ( 0,624 + j0,504 ) = 0,468 + j0,378 Ohm 100 100% . ( 0,624 + j0,504 ) = 0,624 + j0,504 Ohm Tabel 2 Impedansi Penyulang Urutan Nol (% Panjang) Impedansi Penyulang (Z 0 ) 0 0% . ( 1,354 + j0,127 ) = 0 Ohm 25 25% . ( 1,354 + j0,127 ) = 0,339 + j0,032 Ohm 50 50% . ( 1,354 + j0,127 ) = 0,677 + j0,064 Ohm 75 75% . ( 1,354 + j0,127 ) = 1,016 + j0,095 Ohm 100 100% . ( 1,354 + j0,127 ) = 1,354 + j0,127 Ohm

## Menghitung Impedansi Ekivalen Jaringan
Perhitungan Z 1eq dan Z 2eq : Z 1eq = Z 2eq = Z iS(sisi 20 kV) + Z iT + Z 1penyulang
= j0,155 + j0,972 + Z 1 penyulang
= j1,127 + Z 1 penyulang
Karena  lokasi  gangguan  diasumsikan  terjadi pada  0%,25%,  50%,  75%  dan  100%  panjang penyulang  ,  maka  Z 1eq (Z 2eq )  yang  didapat adalah:
Tabel 3 Impedansi Ekivalen Z 1eq (Z 2eq ) (% Panjang)  Impedansi Z 1eq (Z 2eq ) 0 0 + j1,127 Ohm 25 0,156 + j1,253 Ohm 50 0,312 + j1,379 Ohm 75 0,468 + j1,505 Ohm 100 0,624 + j1,631 Ohm
Perhitungan Z 0 eq :
Z 0 eq = Z ot + 3R N + Z 0 penyulang = j9,72 + 3 x 14 + Z 0 penyulang = j9,72 + 42 + Z 0 penyulang
Untuk  lokasi  gangguan  di  0%,25%,  50%,  75% dan 100% panjang penyulang, maka perhitungan Z 0 eq menghasilkan:
Tabel 4 Impedansi Ekivalen Z 0eq
(% Panjang) Impedansi Z 0 eq 0 42 + j9,72 Ohm 25 42,339 + j9,752 Ohm 50 42,677 + j9,784 Ohm 75 43,016 + j9,815 Ohm 100 43,354 + j9,847 Ohm
Impedansi  ekivalen  yang  telah  didapatkan selanjutnya  digunakan  untuk  menghitung  arus hubung  singkat  menggunakan  persamaan- persamaan  (2),  (3),  (4).  Hasil  perhitungan disajikan pada table 5 berikut ini.
Tabel 5 Hasil Perhitungan Arus Gangguan
Hubung Singkat (%) Jarak Arus Hubung Singkat (A) 3 fasa 2 fasa 1 fasa 0 0 10245,79 8873,11 793,18 25 1,327 9215,51 7980,94 780,6 50 2,655 8373,56 7758,34 768,42 75 3,982 7672,64 6645,39 756,6 100 5,309 7080,1 6132,77 745,15

## Setelan Relai Arus Lebih Penyulang
Untuk  setelan  relai  yang  terpasang  di penyulang  dihitung  berdasarkan  arus  beban maksimum.  Untuk  relai  inverse  biasa  diset sebesar  1,05  sampai  dengan  1,1  x  Imaks, sedangkan untuk relai definite diset sebesar 1,2 sampai dengan 1,3 x Imaks.
Persyaratan  lain  yang  harus  dipenuhi yaitu  untuk  penyetelan  waktu  minimum  dari relai  arus  lebih  (terutama  di  penyulang  tidak lebih kecil dari 0,3 detik). Keputusan ini diambil agar  relai  tidak  sampai  trip  lagi  akibat  adanya arus inrush dari trafo-trafo distribusi yang sudah tersambung  di  jaringan  distribusi,  pada  saat PMT penyulang tersebut di masukan.

## Setelan Arus
I beban
= 381,26 Ampere, CT = 400/5A
Iset (primer) = 1,05 x I beban
= 1,05 x 381,26 Ampere = 400,32 Ampere
Nilai  arus  tersebut  merupakan  nilai  setelan pada  sisi  primer,  sedangkan  nilai  yang  akan disetkan  pada  relai  adalah  nilai  sekundernya. Oleh  karena  itu  dihitung  menggunakan  nilai rasio trafo arus yang terpasang pada penyulang. Besarnya arus pada sisi sekundernya adalah : I set (sekunder) = I set (primer) x A
= 400,32 x A
= 5,004 A ≈ 5 A
Setelan TMS ( Time Multiplier Setting ) Arus  gangguan yang  dipilih  untuk menentukan  besarnya  setting  TMS  relay  OCR sisi penyulang 20 kV transformator tenaga yaitu arus  gangguan  hubung  singkat tiga  fasa  di  0% panjang  penyulang.  Waktu  kerja  paling  hilir yang ditetapkan t = 0,3 detik.
Keputusan  ini  diambil  agar  relai  tidak sampai  trip  lagi  akibat  adanya  arus  inrush  dari trafo-trafo  distribusi  yang  sudah  tersambung  di jaringan  distribusi,  pada  saat  PMT  penyulang tersebut di masukan.
Jadi didapat :
( )
( )
Tms = 0,144 Setelan Relai Arus Lebih Incoming Setelan Arus
Arus nominal trafo pada sisi 20 kV :
I n (sisi 20 kV)
= √
= √
= 1443,38 Ampere
I set primer = 1,05 . I beban = 1,05 . 1443,38 Ampere = 1515,55 Ampere Nilai setelan pada sisi sekunder :
I set (sekunder) = I set (primer) x A
= 1515,55 x A
= 3,789 A ≈ 4 A
Setelan  TMS  ( Time  Multiplier Setting ) Incoming t incoming = (0,3+0,4) = 0,7 detik Jadi didapat :
(
)
( )
Tms = 0,195
Setelan Relai Gangguan Tanah Penyulang

## Setelan Arus
Setelan arus gangguan tanah di penyulang  diset  10%  x  arus  gangguan  tanah terkecil di penyulang tersebut. Hal ini dilakukan untuk menampung tahanan busur. I set primer = 0,1 x 745
= 74,5 Ampere I set (sekunder) = I set (primer) x A
= 74,5 x A = 0,93 A Setelan TMS ( Time Multiplier Setting )
( )
( )
Tms = 0,104

## Setelan Relai Gangguan Tanah Incoming Setelan Arus
Setelan  arus  relai  gangguan  tanah  di  incoming 20  kV  harus  lebih  sensitif,hal  ini  berfungsi sebagai  cadangan  bagi  relai  di  penyulang  20 kV dibuat 8% x arus gangguan tanah terkecil. I set primer = 0,08 x 745 = 59,6 Ampere
I set (sekunder) = I set (primer) x A
= 59,6 x A = 0,149 A
Setelan TMS ( Time Multiplier Setting ) t incoming = (0,3+0,4) = 0,7 detik Jadi didapat :
( )
( )
Tms = 0,27
Tabel 6 Pemeriksaan Waktu Kerja Relai Untuk
Gangguan 3 Fasa Lokasi Gangguan (% Panjang) Waktu Kerja Relay Incoming (detik) Waktu Kerja Relay Penyulang (detik) Selisih Waktu (detik) 0% 0,701 0,301 0,4 25% 0,743 0,311 0,432 50% 0,785 0,322 0,463 75% 0,828 0,331 0,497 100% 0,872 0,341 0,531
Tabel 7 Pemeriksaan Waktu Kerja Relai Untuk Gangguan 2 Fasa Lokasi Gangguan (% Panjang) Waktu Kerja Relay Incoming (detik) Waktu Kerja Relay Penyulang (detik) Selisih Waktu (detik) 0% 0,759 0,315 0,444 25% 0,808 0,327 0,481 50% 0,822 0,33 0,492 75% 0,91 0,348 0,562 100% 0,963 0,359 0,604 Tabel 8 Pemeriksaan Waktu Kerja Relai Untuk Gangguan 1 Fasa ke Tanah Lokasi Gangguan (% Panjang) Waktu Kerja Relay Incoming (detik) Waktu Kerja Relay Penyulang (detik) Selisih Waktu (detik) 0% 0,711 0,301 0,410 25% 0,716 0,303 0,413 50% 0,721 0,305 0,416 75% 0,725 0,307 0,418 100% 0,729 0,309 0,420

## PERBANDINGAN HASIL PERHITUNGAN DENGAN KONDISI EKSISTING
Tabel  8  menunjukkan  setting  relai  arus  lebih hasil perhitungan dengan kondisi eksisting.
Tabel 8 Perbandingan Hasil Perhitungan
dengan Kondisi eksisting No Nama Relay Data hasil Perhitungan Data yang terpasang di lapangan 1 OCR (sisi incoming) TMS        = 0,194 Rasio CT = 2000/5 A t               = 0,697 detik TMS        = 0,16 Rasio CT = 2000/5 A t               = 0,7 detik 2 GFR (sisi incoming) TMS        = 0,27 Rasio CT = 2000/5 A t               = 0,709 detik TMS        = 0,26 Rasio CT = 2000/5 A t               = 0,69 detik 3 OCR (sisi penyulang) TMS        = 0,164 Rasio CT = 300/5 A t               = 0,298 detik TMS        = 0,16 Rasio CT = 300/5 A t               = 0,30 detik 4 GFR (sisi penyulang) TMS        = 0,104 Rasio CT = 300/5 A
t               =
0,299 detik
TMS        = 0,19
Rasio CT = 2000/5
A
t               = 0,29
detik

## 5. KESIMPULAN
Berdasarkan perhitungan dan pengujian yang telah dilakukan dapat dikatakan bahwa:
1.  Besarnya  arus  gangguan  hubung  singkat  di pengaruhi oleh jarak titik gangguan, semakin  jauh  jarak  titik  gangguan  maka semakin  kecil  arus  gangguan  hubung singkatnya, begitu pula sebaliknya.
2.  Waktu kerja relai di penyulang lebih cepat di bandingkan  dengan  waktu  kerjadi  incoming dengan selisih waktu (grading time) rata-rata sebesar 0,4 detik.
3.  Dari  hasil  perhitungan  di  atas,  nampak bahwa  data  yang  ada  di  lapangan  masih dalam  kondisi  yang  sesuai  (perbedaannya tidak terlalu jauh), sehingga dapat disimpulkan  bahwa  secara  keseluruhan
setting  OCR-GFR  yang  ada  di  lapangan masih dalam kondisi baik.

## DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, 1995 Hendra  Marta  Yudha.  2008. Rele  Proteksi – Prinsip  dan  Aplikasi .  Palembang  :  Jurusan
Teknik  Elektro  Fakultas  Teknik  Universitas Sriwijaya. Gonen, Turan. 1986. Electrical Power
Distribution System Engineering . New York :
McGraw-Hill Book Company Grigsby,  Lenoanrd  L.  2006. Electrical  Power Engineering  Handbook –  Power  System Stability and Control . Boca Raton : Taylor & Francis Group, LLC. Tajhjono, 2000