Relai Jarak/Distance Relay

Relai jarak atau distance relay digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada Suatu sistem transmisi, baik SUTT maupun SUTET, dan sebagai cadangan atau backup untuk seksi didepan. Relai jarak bekerja dengan mengukur besaran impedansi (Z), dan transmisi dibagi menjadi beberapa daerah cakupan pengamanan yaitu Zone-1, Zone-2, dan Zone-3, serta dilengkapi juga dengan teleproteksi (TP) sebagai upaya agar proteksi bekerja selalu cepat dan selektif didalam daerah pengamanannya.




Prinsip Kerja Relai Jarak

Relai jarak mengukur tegangan pada titik relai dan arus gangguan yang terlihat dari relai, dengan membagi besaran tegangan dan arus, maka impedansi sampai titik terjadinya gangguan dapat ditentukan. Perhitungan impedansi dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:

Zf=Vf/If

Dimana:
Zf = Impedansi (ohm)
Vf = Tegangan (Volt)
If = Arus gangguan

Relai jarak akan bekerja dengan cara membandingkan impedansi gangguan yang terukur dengan impedansi setting, dengan ketentuan:
a. Bila harga impedansi ganguan lebih kecil dari pada impedansi seting relai maka relai akan trip.
b. Bila harga impedansi ganguan lebih besar daripada impedansi setting relai maka relai akan tidak trip.


Gambar Blok Diagram Relai Jarak.


Pengukuran Impedansi Gangguan Oleh Relai Jarak

Menurut jenis gangguan pada sistem tenaga listrik, terdiri dari gangguan hubung singkat tiga fasa, dua fasa, dua fasa ke tanah dan satu fasa ke tanah. Relai jarak sebagai pengaman utama harus dapat mendeteksi semua jenis gangguan dan kemudian memisahkan sistem yang terganggu dengan sistem yang tidak terganggu.

1. Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa

Pada saat terjadi gangguan tiga fasa yang simetris, maka amplitudo tegangan fasa VR,VS,VT turun, namun beda fasanya tetap 1200 listrik. Impedansi yang diukur relai jarak pada saat terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa adalah sebagai berikut:

Vrelai = VR

Irelai=IR

ZR= VR /IR

Dimana,
ZR = impedansi terbaca oleh relai
VR = Tegangan fasa ke netral
IR = Arus fasa

2. Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa

Untuk mengukur impedansi pada saat terjadi gangguan hubung singkat dua fasa, tegangan yang masuk ke komparator relai adalah tegangan fasa yang terganggu, sedangkan arusnya adalah selisih (secara vektor) arus-arus yang terganggu. Misalkan terjadi hubung singkat antara fasa S dan T , maka pengukuran impedansi untuk hubung singkat antara fasa S dan T adalah sebagai berikut:

V relai = VS – VT

I relai = IS - IT

Sehingga,

ZR = Vrelai/Irelai = ( VS – VT ) / ( IS – IT )

3. Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa Ke Tanah

Untuk mengukur impedansi pada saat hubung singkat satu fasa ke tanah, tegangan yang dimasukkan ke relai adalah tegangan yang terganggu, sedangkan arus fasa terganggu di tambah arus sisa dikali faktor kompensasi. Misalnya terjadi gangguan hubung singkat satu fasa R ke tanah, maka pengukuran impedansi dilakukan dengan cara sebagai berikut:

Tegangan pada relai: Vrelai = VR

Arus pada relai : Irelai = IR+K0.In

Arus netral : In=IR+IS+IT

Kompensasi urutan nol : K0=1/3(Z0-Z1/Z1)

Z1=VR/(IR+K0.In)

untuk gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah, Impedansi urutan nol akan timbul pada gangguan tanah. Adanya K0 adalah untuk mengkompensasi adanya impedansi urutan nol tersebut. Sehingga impedansi yang terukur menjadi benar.

Karakteristik Relai Jarak

Karakteristik relai jarak merupakan penerapan langsung dari prinsip dasar relai jarak. Karakteristik ini biasa digambarkan didalam diagram R-X. Macam-macam karakteristik relai jarak adalah sebagai berikut:

> Karakteristik impedansi
> Karakteristik Mho
> Karakteristik Reaktance
> Karakteristik Quadrilateral


1. Karakteristik impedansi
Ciri-ciri nya :
a. Merupakan lingkaran dengan titik pusatnya ditengah-tengah, sehingga mempunyai sifat non directional. Untuk diaplikasikan sebagai pengaman SUTT perlu ditambahkan relai directional atau relai arah.
b. Mempunyai keterbatasan mengantisipasi gangguan tanah high resistance.
c. Karakteristik impedansi sensitive oleh perubahan beban, terutama untuk SUTT yang panjang sehingga jangkauan lingkaran impedansi dekat dengan daerah beban.

2. Karakteristik Mho
Ciri-ciri:
a. Titik pusatnya bergeser sehingga mempunyai sifat directional.
b. Mempunyai keterbatasan untuk mengantisipasi gangguan tanah high resistance.
c. Untuk SUTT yang panjang dipilih Zone-3 dengan karakteristik Mho lensa geser.

3. Karakteristik Reaktansi
Ciri-ciri:
a. Karateristik reaktansi mempunyai sifat non directional. Untuk aplikasi di SUTT perlu ditambah relai directional atau relai arah.
b. Dengan seting jangkauan resistif cukup besar maka relai reaktansi dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan tahanan tinggi.

4. Karakteristik Quadrilateral
Ciri-ciri:
a. Karateristik quadrilateral merupakan kombinasi dari 3 macam komponen yaitu : reaktansi, berarah dan resistif.
b. Dengan seting jangkauan resistif cukup besar, maka karakteristik relai quadrilateral dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan tahanan tinggi.
c. Umumnya kecepatan relai lebih lambat dari jenis mho. 
 




Diagram R-X

Karakteristik Impedansi

Ciri-ciri nya :
- Merupakan lingkaran dengan titik pusatnya ditengah-tengah, sehingga mempunyai sifat non directional. Untuk diaplikasikan sebagai pengaman SUTT perlu ditambahkan relai directional.
- Mempunyai keterbatasan mengantisipasi gangguan tanah high resistance.
- Karakteristik impedan sensitive oleh perubahan beban, terutama untuk SUTT yang panjang sehingga jangkauan lingkaran impedansi dekat dengan daerah beban.

Gambar 1. Karakteristik Impedansi

Karakteristik Mho

Ciri-ciri :
- Titik pusatnya bergeser sehingga mempunyai sifat directional.
- Mempunyai keterbatasan untuk mengantisipasi gangguan tanah high resistance.
- Untuk SUTT yang panjang dipilih Zone-3 dengan karakteristik Mho lensa geser.

Gambar 2a. Karakteristik Mho


Gambar 2b. Karakteristik Mho Z1,Z2 parsial Cross-polarise Mho, Z3 Lensa geser.

Karakteristik Reaktance

Ciri-ciri :
- Karateristik reaktance mempunyai sifat non directional.
- Untuk aplikasi di SUTT perlu ditambah relai directional.
- Dengan seting jangkauan resistif cukup besar maka relai reactance dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan tahanan tinggi.

Gambar 3. Karakteristik Reaktance dengan Starting Mho.

Karakteristik Quadrilateral

Ciri-ciri :
- Karateristik quadrilateral merupakan kombinasi dari 3 macam komponen yaitu: reactance, berarah dan resistif.
- Dengan seting jangkauan resistif cukup besar maka karakteristik relai quadrilateral dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan tahanan tinggi.
- Umumnya kecepatan relai lebih lambat dari jenis mho.

Gambar 4. Karakteristik Quadrilateral

Pola Proteksi

Agar gangguan sepanjang SUTT dapat di-trip-kan dengan seketika pada kedua sisi ujung saluran, maka relai jarak perlu dilengkapi fasilitas teleproteksi. Pola-pola proteksi tersebut adalah:

1. Pola Dasar
Ciri-ciri Pola dasar :
- Tidak ada fasilitas sinyal PLC
- Untuk lokasi gangguan antara 80 – 100 % relai akan bekerja zone-2 yang waktunya lebih lambat (tertunda).


2. Pola PUTT (Permissive Underreach Transfer Trip)
Prinsip Kerja dari pola PUTT :
- Pengiriman sinyal trip (carrier send) oleh relai jarak zone-1.
- Trip seketika oleh teleproteksi akan terjadi bila relai jarak zone-2 bekerja disertai dengan menerima sinyal. (carrier receipt).
- Bila terjadi kegagalan sinyal PLC maka relai jarak kembali ke pola dasar.
- Dapat menggunakan berbeda type dan relai jarak.


3. Permissive Overreach transfer Trip
Prinsip Kerja dari pola POTT :
- Pengiriman sinyal trip (carrier send) oleh relai jarak zone-2.
- Trip seketika oleh teleproteksi akan terjadi bila relai jarak zone-2 bekerja disertai dengan nmenerima sinyal (carrier receipt).
- Bila terjadi kegagalan sinyal PLC maka relai jarak kembali ke pola dasar.
- Dapat menggunakan berbeda type dan relai jarak.


4. Pola Blocking (Blocking Scheme)
Prinsip Kerja dari pola Blocking :
- Pengiriman sinyal block (carrier send) oleh relai jarak zone-3 reverse
- Trip seketika oleh teleproteksi akan terjadi bila relai jarak zone-2 bekerja disertai dengan tidak ada penerimaan sinyal block. (carrier receipt).
- Bila terjadi kegagalan sinyal PLC maka relai jarak akan mengalami mala kerja.
- Membutuhkan sinyal PLC cukup half duplex.
- Relai jarak yang dibutuhkan merk dan typenya sejenis.


Penyetelan Daerah Jangkauan pada Relai Jarak

Relai jarak pada dasarnya bekerja mengukur impedansi saluran, apabila impedansi yang terukur / dirasakan relai lebih kecil impedansi tertentu akibat gangguan (Zset < ZF) maka relai akan bekerja. Prinsip ini dapat memberikan selektivitas pengamanan, yaitu dengan mengatur hubungan antara jarak dan waktu kerja relai.

Penyetelan relai jarak terdiri dari tiga daerah pengamanan, Penyetelan zone-1 dengan waktu kerja relai t1, zone-2 dengan waktu kerja relai t2, dan zone-3 waktu kerja relai t3.

1. Penyetelan Zone-1
Dengan mempertimbangkan adanya kesalahan-kesalahan dari data saluran, CT, PT, dan peralatan penunjang lain sebesar 10% - 20 %, zone-1 relai disetel 80 % dari panjang saluran yang diamankan.
Zone-1 = 0,8 . Z L1 (Saluran)
Waktu kerja relai seketika, (t1= 0) tidak dilakukan penyetelan waktu .

2. Penyetelan Zone-2
Prinsip peyetelan Zone-2 adalah berdasarkan pertimbanganpertimbangan sebagai berikut:
Zone-2 min = 1,2 . ZL1
Zone-2 mak = 0,8 (Z L1 + 0,8. ZL2)
Dengan : ZL1 = Impedansi saluran yang diamankan.
ZL1 = Impedansi saluran berikutnya yang terpendek (Ω)
Waktu kerja relai t2= 0.4 s/d 0.8 dt.

3. Penyetelan zone-3
Prinsip penyetelan zone-3 adalah berdasarkan pertimbanganpertimbangan sebagai berikut:
Zone-3min = 1.2 ( ZL1 + 0,8.ZL2 )
Zone-3mak1 = 0,8 ( ZL1 + 1,2.ZL2 )
Zone-3mak2 = 0,8 ( ZL1 + k.ZTR )
Dengan : L1 = Impedansi saluran yang diamankan
ZL2 = Impedansi saluran berikutnya yang terpanjang
Waktu kerja relai t3= 1.2 s/d 1.6 dt.

4. Peyetelan zone-3 reverse
Fungsi penyetelan zone-3 reverse adalah digunakan pada saat pemilihan teleproteksi pola blocking. Dasar peyetelan zone-3 reverse ada dua jenis :
- Bila Z3 rev memberi sinyal trip.
Zone-3 rev = 1.5 Z2-ZL1
- Bila Z3 rev tidak memberi sinyal trip.
Zone-3 rev = 2 Z2-ZL1.

5. Penyetelan Starting
Fungsi starting relai jarak adalah:
1. Mendeteksi adanya gangguan.
2. Menentukan jenis gangguan dan memilih fasa yang terganggu.

Prinsip penyetelan starting di bagi 2, yaitu :
1. Starting arus lebih :
I fasa-fasa = 1.2 CCC atau ct
I fasa-netral = 0.1. CCC atau ct

2. Starting impedansi
Zsmin = 1.25 x Zone-3
Zs max= 0.5 x kV/(CCC atau Ct x√3)

6. Penyetelan Resistif reach
Fungsi penyetelan resistif reach adalah mengamankan gangguan yang bersifat high resistance. Prinsip penyetelan resistif reach (Rb) tidak melebihi dari kreteria setengah beban (1/2 Z beban ).
- Untuk system 70 kV:
Rb = 15 x Zone-1 x k0 x 2.
- Untuk system 150 dan 500 kV:
Rb = 8 x Zone-1 x k0 x 2