K3_Proteksi STL 1

MACAM RELAI PROTEKSI

Klasifikasi relai proteksi bila ditinjau dari prinsip kerjanya dapat dibagi dalam 5 macam, yakni :

1) Relai Elektromagnetik

2) Relai Thermal

3) Relai Gas

4) Rele Statik

5) Relai Numerik

K3_Proteksi STL 2

1. RELAI ELEKTROMAGNETIKRelai ini dapat dibagi dalam 2 jenis, yakni :

Electromagnetic attraction type relayElectromagnetic induction type relay

1.1 Electromagnetic attraction type relaya. Attracted armature relayRelai ini ada beberapa macam bila dilihat dari konstruksinya,

yakni :Plunger typeHinged Armature type, Balanced beam type, danPolarized moving iron type.

K3_Proteksi STL 3

(a) Plunger type (b) Hinged Armature type

Gambar 1 Attracted armature relay

K3_Proteksi STL 4

(c) Balanced beam type (d) Polarized moving iron type

Gambar 1 Attracted armature relay

Relai-relai tersebut merupakan type relai yang paling sederhana.

K3_Proteksi STL 5

Gaya elektromagnetik yang digunakan oleh elemen gerak (bagian yang bergerak) sebanding dengan pangkat dua dari fluksi diantara celah udara, atau sebanding dengan kwadrat arus.

re FFF −=

( )( )

22

1212

121

222

121

22

1

22

1

2

2

KtcosIKIK

KtcosIIK

KtsinIK

KIKF

maksmaks

maksmaks

maks

−ω−=

−ω−=

−ω=

−=

Dimana : Fe = Gaya elektromagnetikFr = Gaya penahan (Pegas) = K2F = Gaya kerja K1 = konstantaI = Arus kerja

K3_Proteksi STL 6

Dari persamaan diatas terlihat bahwa gaya elektromagnetik terdiri dari dua komponen, yang satu tidak tergantung waktu dan yang lain tergantung pada waktu dan bergetar pada ganda frekuensi besaran bolak-balik yang diterapkan

( )221

maksI.K

( )tcosI.K maks ω2221

Gambar 2 Kurva arus dan gaya elektromagnetik sebagai fungsi waktu.

Relai akan pick up pada saat t1 dan drop-off pada saat t2 yaitu apabila arus kerja dan lebih kecil dari :

1

2KKI =

K3_Proteksi STL 7

Kejadian ini akan berulang-ulang (vibrasi) dan dapat menyebabkan rusaknya kontak relay. Untuk menghindari vibrasi tersebut dapat secara mudah dengan memberikan kutub bantu (shaded pole) seperti yang terlihat pada gambar 3.

Gambar 3. Hinged Armature Relay dengan Shaded PoleFluksi yang melewati kutub dengan shading ketinggalan dibelakangfluksi yang melewati kutub tanpa shading.

K3_Proteksi STL 8

Hal yang sama juga dapat dicapai dengan memberikan dua belitanpada elektromgnet yang memiliki sirkit yang mengubah fasa. Satusirkit sederhana ditunjukkan dalam Gambar 4(a) yang memiliki duabelitan W1 dan W2 pada elektromgnet yang sama. Gambar 4(b) memperlihatkan diagram vektor. Namun metoda belitan shading lebihsederhana dan digunakan secara luas.

Gambar 4 Relai elektromagnetik dengan dua belitan;(a) Diagram skematik; (b) diagram vektor

K3_Proteksi STL 9

Balanced Beam RelayBalanced beam relay mempunyai dua buah coil (kumparan).

Arus dalam kumparan 1 (I1) akan memberikan gaya elektromagnetik F1 (gaya kerja), sedangkan yang satunya (I2) akan menghasilkan gaya elektromagnetik F2 (gaya lawan). Apabila F1 > F2 kontak relai akan tertarik, berarti relai bekerja.

K3_Proteksi STL 10

Dengan mengabaikan pengaruh pegas, torsi kerja dapat dinyatakan sebagai berikut :

222

211 IKIKT −=

Dengan K1 dan K2 adalah konstanta-konstanta.Apabila relai dalam keseimbangan maka,

222

211 IKIK = 1

2

2

1KK

I

I=

Arus yang memberikan torsi kerja atau torsi positip disebut arus operasi. Dan karakteristik operasinya dapat dilihat sepertigambar 6.

K3_Proteksi STL 11

K3_Proteksi STL 12

Permanent Magnet Moving Coil Relay.Relai ini mempunyai kumparan berputar dalam medan magnet permanen. Torsi yang dihasilkan merupakan interaksi antara medan magnet permanen dan medan magnet kumparan karena adanya arus yang melalui kumparan tersebut dan hanya dapat bekerja untuk arus searah.

Gaya yang dihasilkan oleh kumparan adalah :

Dimana :F = GayaN = Jumlah lilitanH = Kuat medan magnetI = Arus yang melalui kumparanL = Panjang kumparan.Dan torsi :Dengan : r = jari-jari kumparan.

LIHNF ∝

FrT 2=

Jenis lain dari moving coil relay yang populer dapat dilihat pada gambar 8.

K3_Proteksi STL 13

K3_Proteksi STL 14

Kumparan bergerak pada sumbu dan bergerak datar. Relai ini lebih cepat beroperasi dari pada rotating coil type relay karena hanya memerlukan gerakan yang sedikit untuk menutup kontak dan bagian-bagian yang bergerak ringan, dengan order waktu 30 millidetik, dan VA burden yang kecil. Sensitifitas dapat dibuat rendah (0,1 milliwatt) dan harus ditangani dengan berhati-hati.

K3_Proteksi STL 15

1.2 Electromagnetic Induction RelayJenis relai ini dapat dibagi dalam 2 type, yakni :

Induction disc RelayInduction Cup relay

Torsi yang dihasilkan pada rotor (bagian yang bergerak) mempunyai prinsip kerja yang sama seperti pada motor induksi, dan prinsip ini hanya dapat diterapkan untuk arus bolak-balik.

Gambar 9. Prinsip torsi relai induksi.

K3_Proteksi STL 16

Ambil( )α+ω∝φ tsinI22tsinI ω∝φ 11

tcosIdt

de ωω∝φ

∝ 11

1 ( )α+ωω∝φ

∝ tcosIdt

de 22

2

( )λ−ωω∝ tcosIi 11 ( )λ−α+ωω∝ tcosIi 22

Oleh karena itu, resultan torsi diberikan oleh.

2112 iiT φ−φ∝

( ) ( ) ( )[ ]λ−α+ωω−λ−ωα+ωω∝ tcostsintcostsinII 21

λαω∝ cossinII 21 αω∝ sinIIT 21

Dari persamaan ini dapat dikatakan relai induksi merupakanKomparator Sinus di mana torsi maksimum dihasilkan ketika αadalah 90o atau 270o dan torsi nol ketika α adalah 0o dan 180o.

K3_Proteksi STL 17

Induction Disc RelayPada relai ini, metal disc berputar diantara dua kutub electromagnet

yang bekerja dengan arus bolak-balik. Medan yang dibangkitkanoleh kedua kutub magnet tersebut berbeda fasa. Torsi yang ditimbulkannya merupakan interaksi antara fluksi dari salah satukutub magnet dan arus edy yang diinduksikan pada disc olehkutub magnet lainnya.

Gambar 10. Shaded Pole Induction Disc Relay

K3_Proteksi STL 18

Konstruksi yang umum dari relay ini ada dua macam :Shaded Pole Induction Disc Relay (Gambar 10)Wattmetric Induction Disc relay (Gambar 11)

Rotor

Gambar 11. Watthour Meter Induction Disc Relay

K3_Proteksi STL 19

b. Induction Cup relayDalam stator terdapat dua, empat atau lebih kutub-kutub magnet

elektris (kutub magnet yang ditimbulkan arus listrik).

Rotor terdiri dari silinder metal berongga (Hollow Metallic Cylindrical Cup) dan dapat berputar bebas diantara inti besi/magnet permanen dan magnet elektris. Arus edy diinduksikan pada metallic cup dan berinteraksi dengan fluksi yang ditimbulkan oleh magnet elektris sehingga dapat menimbulkan torsi.

K3_Proteksi STL 20

2. RELAI THERMAL.

Relai thermal bekerja / beroperasi berdasarkan pengaruh panas yang ditimbulkan oleh arus listrik, umumnya tidak mengukur suhu secara langsung.

Relai thermal merasakan arus dengan kenaikan suhu/temperatur yang dihasilkannya, dan dapat juga beroperasi karena arus gangguan tiga fasa yang tidak seimbang yang menyebabkan kenaikan temperatur, yakni komponen arus urutan negatif.

Relai thermal yang sederhana banyak digunakan dalam motor starter peralatan proteksi beban lebih yang menggunakan bimetallic stripyang terpasang dalam kumparan pemanas.

Arus listrik yang melalui kumparan pemanas menyebabkan bimetallic strip menyimpang/melengkung dan dapat digunakan untuk menutup/membuka kontak relai.

K3_Proteksi STL 21

Gambar 13. Relai Bimetallic

K3_Proteksi STL 22

Bimetallic strip.

Terdiri dari dua metal strip dengan koefisien pemuaian yang berbeda, dan disatukan / dilekatkan.

Bilamana kombinasi strip tersebut dipanasi, satu strip akan mengembang lebih panjang dari lainnya.

Dengan salah satu ujungnya tetap dan dengan adanya pengembangan tersebut, kombinasi strip akan melengkung.

Efek ini dapat dimanfaatkan untuk mendapatkan kontak relai tertutup.

K3_Proteksi STL 23

Thermocouple.

Banyak digunakan untuk peralatan indikator temperatur (diatas 300o C) dan indikator kontrol, yang dapat juga digunakan untuk relai proteksi.

Thermocouple terdiri dari dua bahan material yang dipilih secarakhusus dan dihubungkan (junction) secara elektris.

Perbedaan temperatur dari titik hubung (junction) akan menghasilkan emf.

Emf inilah yang diukur dengan elemen gerak yang sensitif.

K3_Proteksi STL 24

Resistance Temperature Detector

Peralatan pengukur suhu dimana menggunakan prinsip bahwa resistans konduktor akan naik dengan bertambahnya suhu/teperatur.

Peralatan resistans ini dapat digunakan untuk mengukur temperatur.

Pada generator yang besar, detector temperatur digunakan untuk mengukur temperatur dari lilitan / kumparan stator.

K3_Proteksi STL 25

3. Relai Gas

Relai gas bekerja berdasarkan adanya gas (sifat-sifat gas), dan banyak dipergunakan pada transformator-transformator yang besar, yang dikenal dengan nama “Buchholz Relay”.

Gangguan didalam / dibawah permukaan minyak transformator akan menimbulkan gas karena adanya penguraian minyak trafo akibat adanya busur api.

Gas inilah yang memberikan tekanan pada bagian relay sehingga relay bekerja.

K3_Proteksi STL 26

4. Relai Statik.Relai statik menggunakan komponen-komponen semikonduktor

(misalnya : Transistor, Dioda, Varistor, Thermistor, dan lain-lain.) dan akhir-akhir ini telah banyak digunakan untuk proteksi sistem tenaga listrik.

5. Relai Numerik.Perkembangan dibidang komputer saat ini sudah dimanfaatkan

untuk keperluan relai, dimana komponen utama relai numerik ini merupakan chip yang dapat diprogram.

Jadi secara fisik relai-relai ini kelihatan sama satu dengan yang lainnya, tetapi bila dilihat dari karakteristik/fungsinya akan jauh berbeda.

Hal ini dapat dilakukan dengan mengisikan program yang berbeda pada chipnya.