Nama: Michael Stevano Sinurat
NIM : 5113331025
M.kuliah : Sistem
Proteksi Tenaga Listrik
RELAI PROTEKSI pada
MOTOR
Abstrak
Motor listrik adalah
alat untuk mengybah energi listrik menjadi energi mekanik. Proteksi motor
sangat variatif dan sedikit berbeda dengan proteksi peralatan sistem tenaga lainnya.Hal ini disebabkan sangat variatifnya
ukuran, jenis dan aplikasi motor. Proteksi sangat tergantung dari seberapa
berharganya motor tersebut, yang umumnya sangat erat kaitannya dengan ukuran
motor. Pada tulisa ini saya akan mengemukakan
beberpa jenis proteksi motor dan
aplikasinya. Tulisan ini akan dilakukan untuk motor-motor yang pensaklarannya
dilakukan dengan pemutus tenaga, kontaktor atau starter, dan proteksi yang dipergunakan terpisah dari peralatan tersebut
dan motor itu sendiri. Artinya proteksi
yang akan dibicarakan adalah proteksi bagi motor-motor dengan tegangan masukkan
mulai dari 480 sampai 600 Volt atau lebih.
PROTEKSI MOTOR SECARA UMUM
Proteksi sebuah motor
dapat terdiri dari berbagai tipe, bentuk, desain dan dengan berbagai kombinasi, maupun dalam
bentuk paket. Masing-masing memiliki fiture yang berbeda yang tidak akan
dibicarakan dalam buku ini. Tujuan dasar dan utama dari suatu sistem proteksi motor adalah untuk
menjaga motor agar mampu beroperasi diatas kondisi normal tetapi tidak melebihi batasan mekanis
dan termis pada waktu beban lebih
dan pada waktu motor beroperasi tidak normal serta memiliki sensitivitas pada saat gangguan. Hal ini dapat
dicapai dengan cara berikut:
PROTEKSI
GANGGUAN FASA
Rele arus lebih tanpa arah seketika dapat
dipergunakan untuk proteksi motor induksi. Gangguan yang terjadi umumnya akan
menghasilkan arus gangguan yang lebih besar dari
arus pengasutan motor rotor terkunci, kecuali untuk gangguan antar belitan.
Arus gangguan dapat mengalir diantara belitan, namun sayangnya hanya
sedikit bukti yang dapat dirasakan pada
terminal rotor sampai
gangguan tersebut berubah
menjadi gangguan antar fasa atau
atara fasa ke tanah.
Motor merupakan
peralatan yang terhubung pada bagian akhir dari suatu sistem tenaga elektrik, oleh karena itu rele
instantaneous dapat digunakan dan tidak ada masalah dalam hal koordinasi.
Konstribusi motor induksi sebagai sumber gangguan pada sistem relatif kecil (1/X d + offset) dan akan menghilang dengan cepat dalam
beberapa siklus,jadi tidak dibutuhkan
rele arah. Ratio CT yang dipilih sebagai masukan rele dipilih sehingga arus maksimum motor
disisi sekunder berkisar antara 4 dan 5A. Rele fasa instantaneous harus diset berada
diatas arus unsimetri rotor terkunci namun masih dibawah arus gangguan minimum.
PROTEKSI
DIFERENSIAL
Proteksi diferensial lebih disukai, namun
proteksi jenis ini tidak dapat diperguna kan untuk semua motor. Untuk
motor-motor yang tidak memiliki kedua ujung belitan, maka rele ini tidak dapat digunakan. Bila kedua
belitan tersedia, keunggulan diferensial
dalam sensitivitas, kecepatan, dan sekuritas dilalukan melalui suatu konduktor belitan melalui suatu CT toroidal seperti diperlihatkan dalam Gambar 9-3a. CT jenis ini telah dijelaskan dalam bab sebelumnya dan juga dipergunakan untuk generator-generator kecil seperti yang dikemukakan dalam bab 5. Tipikal maksimum bagian terbuka atau jendela pada CT ini dengan ukuran diameter sebesar 8 inchi. Dengan ratio tetap 50:5 \dan rele arus lebih instantaneous sensitif dapat dihasilkan arus angkat primer sebesar 5A. Harga ini adalah sebuah diferensial keseimbangan fluk dari beban dan magnitude arus pengasutan dan dengan hanya satu CT per fasa, maka unjuk kerja kecocokan CT tidak muncul. Proteksi tanah dan fasa internal diperoleh antara Motor sampai kelokasi CT. Proteksi lain dibutuhkan untuk menghubungkan ke Pemutus Tenaga, Starter, dan seterusnya. Kelemahannya adalah keterbatasan yang disebabkan ukuran jendela CT.
dalam sensitivitas, kecepatan, dan sekuritas dilalukan melalui suatu konduktor belitan melalui suatu CT toroidal seperti diperlihatkan dalam Gambar 9-3a. CT jenis ini telah dijelaskan dalam bab sebelumnya dan juga dipergunakan untuk generator-generator kecil seperti yang dikemukakan dalam bab 5. Tipikal maksimum bagian terbuka atau jendela pada CT ini dengan ukuran diameter sebesar 8 inchi. Dengan ratio tetap 50:5 \dan rele arus lebih instantaneous sensitif dapat dihasilkan arus angkat primer sebesar 5A. Harga ini adalah sebuah diferensial keseimbangan fluk dari beban dan magnitude arus pengasutan dan dengan hanya satu CT per fasa, maka unjuk kerja kecocokan CT tidak muncul. Proteksi tanah dan fasa internal diperoleh antara Motor sampai kelokasi CT. Proteksi lain dibutuhkan untuk menghubungkan ke Pemutus Tenaga, Starter, dan seterusnya. Kelemahannya adalah keterbatasan yang disebabkan ukuran jendela CT.
Gambar 9-3:
Proteksi Diferensial pada Motor dimana lead netral tersedia
a). dengan ring
toroidal dan rele arus lebih seketika;
b). dengan CT konvensional dan
rele Diferensial
Rele
Diferensial konvensional dengan CT pada netral dan lead keluaran harus
digunakan bilamanan tipe
Toroidal tidak dapat dipergunakan. Biasanya, dua set CT dengan tipe dan ratio sama, sehingga rele
Diferensial dengan dua belitan penahan (87) digunakan, seperti diperlihatkan dalam Gambar
9-3b. Dengan ratio CT sama, maka arus sekunder yang melalui belitan penahan
rele (R) secara esensi sama untuk semua gangguan eksternal dan beban, dan arus operasi (OP) sangat
kecil atau mendekati Nol. Untuk gangguan Motor antara kedua set CT, seluruh
arus-arus gangguan mengalir melalui belitan operasi (OP) untuk mendapatkan
sensitivitas tinggi untuk gangguan fasa maupun tanah, CT sisi jaringan harus seperti pada
gambar sehingga zona diferensial termasuk Pemutus dan lead terhubung sebagaimana Motor.
PROTEKSI GANGGUAN TANAH
Sebagaimana pada proteksi Fasa, rele arus
lebih seketika digunakan pula untuk proteksi gangguan
tanah. Apabila dimungkinkan, metoda yang disediakan adalah menggunakan CT tipe Ring, dengan ketiga konduktor Motor
dilewatkan melalui jendela CT. Hal ini memberikan
suatu penjumlahan magnetik dari ketiga arus Fasa sehingga keluaran sekunder
CT ke rele adalah arus urutan nol (3I0). Hal ini diperlihatkan pada Gambar 9-4a.
Ratio CT, umumnya 50:5,
tidak tergantung ukuran
Motor, sedangkan CTkonvensional pada
Fasa harus seukuran
beban Motor. Keuntungannya adalah sensitivitas tinggi dan
sekuritas baik, tetapi dibatasi oleh ukuran konduktor yang dapat dilewatkan pada jendela CT. Seperti disebut pada
seksi sebelumnya, tipikal sensitivitas adalah
5A primer.
Gambar 9-4: Proteksi gangguan
tanah pada Motor ;
(a). dengan CT tipe Ring dan;
(b). CT tipe konvensional
Untuk Motor dan
konduktor ukuran besar, rele Tanah pada netral harus digunakan seperti pada Gambar 9-4b. Meskipun beban mempengaruhi
ratio CT, rele Tanah dapat disetel lebih sensitif dan baik dibawah beban
Motor. Rele 50N, harus diset diatas setiap kesalahan arus residual yang
dapat ditimbulkan karean unjuk kerja CT yang tidak sama pada arus
asut ofset dengan
perbedaan tinggi. Hal
ini sukar diketahui,
tetapi kemungkinan
munculnya masalah sangat kecil bilamana burden fasa seimbang dan tegangan
CT yang disebabkan oleh arus pengasutan maksimum tidak lebih dari 78% tegangan klas akurasi CT. Tap rele 50N, rendah dan
konsekuensinya burden menjadi tinggi, dapat dibantu dengan memaksa
ketiga CT untuk jenuh berulang kali. Tahanan pada sirkit netral dapat pula membantu. Hal ini menaikkan burdsen, namun
tidak boleh terlalu tinggi
sehingga mengurangi sensitivitas rele. Hal terakhir ini dapat diperbaikik
selama proses start-up.
Penundaan waktu harus
digunakan sampai arus
ofset hilang/menurun, tetapi
penundaan ini putus untuk gangguan aktual.
Dengan pembatasan gangguan tanah, seperti
umumnya pada sistem pensuplai Motor, arus
gangguan tanah akan lebih kecil dari gangguan fasa. Jika digunakan
pentanahan resistansi tinggi, arus gangguan tanah dalam orde 1 -
10 A. Proteksi pada Gambar 9.4b dapat
memberikan sensitivitas yang dapat diterima untuk sistem tersebut bilamana
arus gangguan tanah lebih besar
dari 5A. Sensitivitas yang lebih baik dapat dicapai bila digunakan rele Pengali (32N). Tipe ini telah
dijelaskan pada bagian sebelumnya. Untuk penggunaan disini, sebuah
rele dengan suatu koil arus dan koil tegangan dapat dipakai. Rele
beroperasi pada perkalian tegangan dan arus, dan untuk penggunaan pada
sistem pentanahan resistansi
tinggi, torka maksimum
terjadi bilamana arus
mendahului tegangan
sebesar 450. Koil arus dihubungkan pada
netral CT pada tempat rele 50N, dalam
Gambar 9-4b, dan koil tegangan menyeberangi resistor pentanahan dan
paralel dengan rele 59G pada gambar sebelumnya. Polaritas dimana rele
akan beroperasi bilamana arus
urutan nol mengalir menuju Motor, untuk sistem pentanahan tinggi, arus
pada tahanan pentanahan akan kecil, tetapi tegangan urutan nol menjadi
besar. Tipikal pick-up untuk
rele arus lebih pengali adalah berkisar 7 - 8 mA, dengan tegangan 69,5V. Harga ini jauh dibawah level gangguan
tanah, yaitu 1 - 10A.
PROTEKSI THERMAL DAN ROTOR
TERKUNCI
Proteksi ini melibatkan aplikasi rele yang
sedekat mungkin cocok dengan kurva termal dan rotor terkunci Motor pada Gambar 9-1. Sekali lagi perlu diingat
bahwa kurva termal Motor
adalah pendekatan dari representasi zona kerusakan termis untuk operasi umum
atau normal. Rele harus beroperasi sebelum batasan ini tercapai atau
terlampaui. Selama ini keinginan tersebut dicapai dengan
menggunakan rele termis untuk proteksi termis, dan rele arus lebih waktu terbalik untuk proteksi rotor terkunci.
Proteksi ini didesain dan dikemas dalam berbagai cara, memberikan
proteksi yang baik untuk kebanyakan Motor.
Rele Termis tersedia dalam
beberapa bentuk:
1. Tipe ‘Replica’ dimana karakteristik pemanasan
Motor
dekat dengan elemen bimetal diantara unit arus
pemanas.
Rele ini
beroperasi hanya karena arus saja.
2. Operasi rele berasal dari koil eksplorasi,
biasanya berupa Tahanan Pengindera Temperatur atau dalam bahasa
aslinya disingkat RTD, disatukan pada belitan Motor.
Rele beroperasi hanya
karena temperatur belitan
dan pengindera diletakkan pada Motor oleh desainer
pada titik panas yang paling mungkin atau pada
areal yang berbahaya. Hal ini biasanya dipakai pada Motor-Motor 250 HP keatas,
dan mungkin pula tidak terpasang pada Motor ukuran tertentu, kecuali dinyatakan.
3. Rele yang beroperasi berdasarkan kombinaso arus dan
temperatur.
Gambar 9-5: Tipikal proteksi beban
lebih, rotor terkunci,
dan gangguan pada Motor
Perbandingan antara
kurva pengasutan Motor dan kurva rele arus lebih waktu terbalik yang diplot
bersama seperti diperlihatkan
pada Gambar 9-5, dapat
memberikan informasi yang salah. Hal ini dapat terjadi dimana ruang
antara arus pengasutan dan batas
arus rotor terkunci sangat sempit, yang umum terdapat pada Motor besar. Seringkali pada
kasus ini, kelihatannya
mungkin untuk menyetel rele
arus lebih sehingga karakteristiknya diatas
kurva pengasutan Motor dan dibawah batasan arus rotor terkunci, hanya untuk menemukan pada pelayan
bahwa rele arus lebih beroperasi pada saat pengasutan normal dilakukan.
Sesungguhnya, kurva pengasutan Motor dan
operasi rele adalah dua kurva karakteristik yang sedikit berbeda. Kurva pengasutan Motor adalah penggambaran dari
perubahan arus terhadap waktu
mulai dari saat rotor terkunci atau
kondisi pengasutan sampai arus operasi Motor. Karakteristik operasi rele menyatakan waktu operasi untuk
berbagai harga arus konstan. Dengan rele arus lebih di setel pada 1,5
kali arus rotor terkunci atau lebih kecil,
yang akan mulai beroperasi pada waktu Motor energise, kecuali arus pengasutan
turun dibawah arus pick-up sebelum waktu kerja rele tercapai, hal ini akan menginisiasi Pemutusan yang tidak diinginkan. Waktu
operasi rele tidak langsung tersedia
dari karakteristiknya. Hal ini merupakan perhitungan yang komplek, namun pabrik telah mengembangkan kriteria bagi
penggunaan rele individu.
MOTOR DAN KETIDAK SEIMBANGAN SISTEM
Penyebab umum ketidak seimbangan pada
Motor 3 fasa dikarenakan oleh kehilangan fasa
akibat Fuse terbuka, konektor atau konduktor terbuka. Ketidakseimbangan pada beban dapat pula mempengaruhi Motor. Ketidak
seimbangan tegangan sebesar 3,5% akan
mengakibatkan kenaikan 25% atau lebih temperatur Motor. Hal ini terutama
akibat arus urutan
negatif yang dihasilkan
oleh ketidak seimbangan.
Arus ini menimbulkan fluks
pada celah udara Motor, berputar berlawanan arah putaran Motor sesungguhnya. Efek kulit meyebabkan resistansi
tinggi, dan seperti disebut diatas, impedansi
urutan negatif merupakan hal penting pada harga rotor terkunci. Jadi arus tinggi akan menimbulkan pengaruh pemanasan.
Total pemanasan pada Motor
sebanding dengan: I1 t + K I2 t
Dimana I1 dan I2 adalah arus-arus
urutan positif dan negatif, dan K
adalah:
Dimana Rr1 dan Rr2
adalah resistansi urutan positif dan negatif dari rotor Motor. ILR arus rotor terkunci dalam pu.
Persamaan diatas menunjukkan bahwa komponen urutan negatif mempengaruhi kenaikan
temperatur Motor.
Jaringan komponen
simetris untuk satu fasa terbuka ditunjukkan pada Gambar 9-7. Ini adalah sirkit yang merupakan penyederhanaan dari suatu
sistem yang direpresentasikan dengan
sebuah sumber dengan impedansinya ZS1 = ZS2. Untuk kasus-kasus spesifik, sirkit
ini dapat diekspansi untuk menunjukkan detail yang ada dari sumber atau
beban. Transformator dapat direpresentasikan dengan
reaktansinya, XTR atau
XT. Untuk keadaan fasa terbuka
antara Transformator dan Motor, XT harus ditambahkan secara seri dengan impedansi sumber sebagai harga ekivalen
ZS1 dan ZS2. Bilamana fasa terbuka terjadi diantara sisitem dan
Transformator, XT tidak termasuk dalam ekivalen sumber, tetapi ditambahkan secara seri dengan impedansi Motor. Sirkit
ini untuk Motor yang tidak
ditanahkan, seperti umumnya dipakai. Jaringan urutan nol tidak terlibat pada keadaan satu fasa terbuka, kecuali kedua sisi
sistem maupun Motor ditanahkan.
Gambar 9-7: Representasi komponen
simetris yang
disederhanakan pada fasa
terbuka .
Distribusi arus untuk
fasa terbuka menggunakan jaringan pada Gambar 9-7 yang ditunjukkan dalam Gambar 9-8 untuk beberapa
kasus. Tipikal harga perunit impedansi berdasarkan
dasar kVA Motor dan adalah:
ZS1=ZS2 =0,05900 pu
ZL1=ZL2 =1,0150 pu untuk beban statik
ZM2 = 0,90250
ZM2 = 0,15850
Sudut ini dimasukkan
pada perhitungan, tetapi untuk penyederhanaan diasumsikan seluruh impedansi pada sudut sama
dan cenderung tidak berubah. Dengan seluruh harga pada 900, contoh ; IS1 = 0,87 tidak 0,96 pu seperti
dalam Gambar 9-8a. Dari arus-arus urutan ini, dapat dilihat bahwa pada kedua
sisi terbuka
Ia = I1 + (-I2) = 0.
demikian pula pada Gambar 9-8a,
arus Ib dan Ic adalah 1,66 pu. Dapat dilihat bahwa fasa terbuka hanya menyebabkan kenaikan
arus fasa yang relatif kecil, sehingga rele arus
lebih tidak mampu mendeteksi fasa terbuka.
Gambar
9-8: Arus urutan positif dan negatif pada Kondisi fasa terbuka dengan dan
tanpa beban statis :
(a). Fasa terbuka tanpa beban statis;
(b). Arus urutan dengan
bebanstatis pada bus Motor pada keadaan fasa terbuka disisi sistem Motor dan beban;
(c).
Arus urutan dengan beban statis pada bus Motor, pada keadaan fasa terbuka antara Motor dan beban
Apabila beban statik terhubung paralel
dengan Motor seperti dalam Gambar 9-7, dan dihitung dalam contoh pada Gambar 9-8b. Putaran Motor yang masih berkelanjutan
akan
membangkitkan tegangan pada
fasa terbuka. Hal
ini sama saja
dengan memberikan tegangan secara kontinyu pada beban yang
terhubung pada fasa tersebut. Daya yang
dialihkan sepanjang celah udara Motor akan mengurangi daya shft Motor
sehingga terjadi hentakan. Satu contoh memperlihatkan bahwa Motor akan
menarik 20% dari rating beban dengan beban statis tiga kali lebih
besar dari beban Motor atau pada 50%
dari rating beban dengan beban statis sama dengan beban Motor. Dengan kata lain, rendahnya impedansi urutan negatif
Motor berarti bahwa bagian terbesar dari arus urutan negatif mengalir ke Motor yang mengakibatkan kenaikan
pemanasan. Distribusi ini
ditunjukkan dalam Gambar 9-8b. Arus urutan negatif Motor dapat saja lebih
rendah, seperti dalam Gambar 9-8c, hanya apabila beban statis adalah beban
satu fasa.
Hal mendasar dalam
fasa terbuka adalah bahwa arus urutan positif dan negatif sama dan berlawanan sepanjang arus urutan
nol tidak terlibat. Hal ini sangat berguna untuk mengembangkan/membangkitkan arus
tidak seimbang melalui bank Transformator hubungan delta - wyei. Hal tersebut, seperti halnya perhitungan pada Gambar 9.8 adalah untuk kondisi sesaat
setelah fasa terbuka dan sebelum Motor melambat, stall, atau impedansi internal
berubah, dan seterusnya. Arus untuk keadaan fasa terbuka pada sisi primer Transformator wyei -
delta yang mensuplai Motor seperti ditunjukkan pada Gambar 9-9 dan dalam Gambar 9-10 keadaan fasa terbuka pada sekunder sisi
Motor. Bilamana arus urutan positif tergeser 300 dalam arah melalui
bank, arus urutan negatif tergeser 300 dalam arah yang berlawanan.
Gambar 9-9: Arus
tidak seimbang mengalir melalui bank Transformator delta - wyei menuju Motor pada kondisi salah satu fasa terbuka disisi
sumber
Arah arus yang diperlihatkan pada
sirkit diagram untuk kedua gambar benar bagi diagram
fasor. Tanpa spesifikasi fasor diagram
tersebut, arus IB pada Gambar 9-9 dapatditunjukkan
menuju Motor sebagaimana diperlihatkan., tetapi pada 3
Magnitudnyadengan IC pada 3 mengalir menuju sumber. Ini
adalah aliran yang sebenarnya, yang
ditunjukkan pada Gambar 9-9 oleh diagram fasor, memperlihatkan bahwa IB mengalir seperti
diperlihatkan, tetapi IC berbeda 1800 dengan IB, keduanya
dalam 3 Magnitudnya. Jika IB dan IC ditunjukkan
dalam arah berlawanan
dalam sirkit diagram, fasor sebenarnya akan menunjukkan IB dan IC sefasa. Arus-arus tersebut
dapat ditacer melalui Transformator dengan menunjukkan ketidakseimbangan,
ingat bahwa 1.0 pu arus
dibelitan wyei akan muncul sebagai arus 0,577 pu pada belitan delta.
Gambar 9.10. Arus tidak seimbang
mengalir melalui bank
Transformator delta - wyei pada kondisi fasa A terbuka disidi
Motor atau sekunder
Tegangan urutan
negatif bermanfaat pada proteksi Motor. Dari definisi dasar bahwa sanya V2 =
- I2 Z2.
Dengan acuan contoh pada Gambar 9-8,
untuk kasus a V2 = 0,96 x 0,15 = 0,144 pu
untuk kasus b V2 = 1,51 x 0,15 = 0,277 pu
untuk kasus c V2 = 0,12 x 0,15 = 0,018 pu
untuk kasus c V2 = 0,12 x 0,15 = 0,018 pu
Hal ini menunjukkan bahwa V2 berguna untuk proteksi
kehilangan fasa bilamana fasa terbuka terjadi
antara sumber dan titik dimana V2
diukur, tetapi umumnya tegangan sangat kecil bila fasa terbuka terjadi antara titik
pengukuran V2 dan Motor. Generalisasi ini didasarkan
pada relatif rendahnya
impedansi sumber dibandingkan
dengan impendasi Motor,
sebagaimana kasus-kasus yang terjadi. V2
pada Gambar 9-8a, bila diukur pada sisi
sumber untuk gangguan fasa terbuka downstream adalah 0,96 x 0,05 = 0,048 pu dibandingkan terhadap fasa terbuka upstream
sebesar 0,144 pu.
PROTEKSI TEGANGAN KURANG
Tegangan kurang
pada Motor dapat
berakibat meningkatkan arus
dan kegagaln pengasutan untuk mencapai rating
kecepatan Motor atau kehilangan kecepatan dan mungkin berhenti berulang, proteksi tegangan kurang
termasuk bagian dari peralatan Starter Motor, tetapi
sebuah rele Tegangan
kurang waktu terbalik direkomendasikan untuk
digunakan guna memutus kondisi ini agar tidak berlangsung lama dan sebagai rele cadangan.
Gambar 9-11:
Rekomendasi tipikal proteksi Motor : (a) untuk Motor tanpalead netral
dan tersedia RTD; (b). untuk Motor
yang memiliki lead netral dan tersedia RTD
KESIMPULAN
Motor
listrik merupakan alat untuk mengubah energi lstrik menjadi energi
mekanik / gerak. Pada motor listrik ini sering trjadi gangguan ganguan yang
tidak diinginkan, maka untuk melindungi gangguan-gangguan tersebut maka dibuat
lah relai proteksi
Jenis jenis dari gangguan yang mungkin
terjadi di motor listrik, yaitu:
1. Gangguan -
phasa dan atau tanah.
2. Kerusakan termis akibat :
a. Beban lebih (kontinyu atau intermitent)
b. Rotor terkunci (gagal asut, atau jamming)
3. Kondisi tidak normal
a. Operasi tidak seimbang
b. Tegangan lebih dan tegangan kurang
c. Pembalikan
phasa
d. Penutupan balik kecepatan tinggi (re-energize
sewaktu sedang jalan)
e. Temperatur yang tidak lazim dan atau
lingkungan (dingin, panas, damp)
f. Urutan pengasutan yang tidak lengkap.
Untuk melindungi motor listrik
tersebut dari gangguan-gangguan maka
digunakan relai seperti relai arus lebih, relai tegangan kurang , dan relai
diferensial.
