Perlindungan Sistem kuasa-Basic Protection Equipment - Bahagian 3

Methods of eliminating the arc in circuit breaker

There are two methods of extinguishing the arc in circuit breaker which are:-

a.    High resistance method

b.    Low resistance or current zero method

a.  High resistance method
    (Kaedah rintangan yang tinggi)

Dalam kaedah ini, rintangan arka dibuat untuk meningkat dengan masa sehingga arus dikurangkan kepada nilai yang tidak mencukupi untuk mengekalkan arka. Akibatnya, arus terganggu atau arka dipadamkan. Rintangan arka boleh ditingkatkan dengan:

In this methods, arc resistance is made to increase with time is so that current is reduced to a value insufficient to maintain the arc. Consequently, the current is interrupted or the arc is extinguished. The resistance of the arc may be increased by:


i. Memanjangkan arka

Rintangan arka adalah berkadar terus dengan panjangnya. Panjang arka boleh ditingkatkan dengan meningkatkan jurang antara contact.

i. Lengthening the arc 

The resistance of the arc is directly proportional to its length. The length of the arc can be increased by increasing the gap between contacts.


ii. Menyejukan arka

Penyejukan membantu dalam penyahionisasi medium antara contact. Ia meningkatkan krintangan arka. Penyejuk cekap boleh diperolehi melalui letupan gas yang diarahkan sepanjang arka.

ii. Cooling the arc 

Cooling helps in the deionization of the medium between the contacts. It increases the arc resistance. Efficient cooling may be obtained by a gas blast directed along the arc.

iii. Mengurangkan bahagian-x arka

Jika kawasan bahagian-x arka dikurangkan, voltan yang diperlukan untuk mengekalkan arka akan meningkat. Dengan kata lain, rintangan arka meningkat. Keratan rentas arka dapat dikurangkan dengan membiarkan arka melewati bukaan sempit atau dengan melakukan lebih kecil area pengendalian.

iii. Reducing x-section of the arc

If the area of x-section of the arc is reduced, the voltage necessary to maintain the arc is increased. In other words, the resistance of the arc is increased. The cross-section of the arc can be reduced by letting the arc pass through a narrow opening or by having smaller area of conducts.

iv. Memecahkan arka

Rintangan arka boleh ditingkatkan dengan memecah arka menjadi beberapa arka yang lebih kecil dalam siri. Setiap satu arka ini mengalami kesan pemanjangan dan penyejukan. Arka boleh dipisahkan dengan memperkenalkan beberapa plat yang dikendalikan antara contact.

iv. Splitting the arc

The resistance of the arc can be increased by splitting the arc into a number of smaller arcs in series. Each one of these arcs experiences the effect of lengthening and cooling. The arc may be split by introducing some conducting plates between the contacts.


b.  Low resistance or current zero method
(Rintangan rendah atau kaedah sifar arus)

Dalam hal ini, rintangan arka sentiasa rendah, untuk memastikan tenaga arka menjadi minimum dan penggunaan dibuat daripada arus semulajadi atau  arus buatan sifar bila  arka menghapuskan dirinya dan kemudian dicegah daripada  restriking. Peningkatan pesat dielektrik medium berhampiran arus sifar  boleh dicapai dengan:

a) Menyebabkan zarah terionisasi di ruang antara contact untuk dikombinasi-semula ke dalam molekul neutral.


b) Menyapu keluar zarah terionisasi dan menggantikannya dengan zarah yang tidak terionisasi.

In this the arc resistance is kept low, in order to keep the arc energy to a minimum and use is made of a natural or artificial current zero when the arc extinguishes itself and is then prevented from re striking. The rapid increase of dielectric of the medium near current zero can be achieved by:

a) Causing the ionized particles in the space between contacts to recombine into neutral molecules.

b) Sweeping the ionized particles away and replacing them by un-ionized particles.

Perlindungan Sistem kuasa-Basic Protection Equipment - Bahagian 2

Low voltage circuit breaker

a)Function of circuit breaker

Pemutus litar (circuit breaker-CB) peranti pensuisan yang boleh dikendalikan secara manual dan juga secara automatik untuk mengawal dan melindungi sistem kuasa elektrik masing-masing.  CB adalah suis automatik yang boleh mengganggu (interrupt) arus 'fault'.
Semasa keadaan operasi normal, pemutus litar berada dalam kedudukan tertutup. Semasakeadaan tidak normal atau rosak, relay mengesan 'fault' dan menutup litar 'trip' CB. 
Selepas itu CB dibuka. Jadi CB adalah peranti yang actually isolates bahagian yang rosak dan peranti keluaran akhir skim pelindung. Semasa membuka contact CB, arka dihasilkan di antara mereka.

A circuit breaker is a switching device which can be operated manually as well as automatically for controlling and protection of electrical power system respectively.     Circuit Breakers are automatic switches which can interrupt fault currents. During normal operating conditions the circuit breaker is in closed position. During abnormal or faulty conditions, relays sense the fault and close the trip circuit of circuit breaker. There after the circuit breaker opens. So circuit breaker is the device which actually isolates the faulty part and is final output device of protective scheme. On opening of circuit breaker contacts an arc is drawn out between them.

CB adalah peralatan yang direka untuk melindungi litar elektrik daripada kerosakan yang disebabkan oleh litar pintas atau beban. Prinsip kerja CB asas ialah ia merupakan suis elektrik yang dikendalikan secara automatik. Ia mengesan keadaan kerosakan dan interrupt kesinambungan untuk menghentikan aliran elektrik serta-merta. Ia tidak seperti fius yang beroperasi sekali dan perlu diganti, CB boleh direset semula (sama ada secara manual atau secara automatik) untuk meneruskan operasi normalnya. Terdapat pelbagai saiz dan jenis CByang boleh didapati mengikut penggunaannya. Ia digunakan untuk melindungi peralatan rumah  sehingga sistem pengedaran besar (Stesen Kuasa).

A circuit breaker is equipment which is designed to protect an electric circuit from damage caused by short circuit or overload. The basic circuit breaker working principle is that it is an automatically operated electric switch. It detects the fault condition and interrupts the continuity to stop the flow of electricity immediately. It is not like a fuse which operates once and need to be replaced, a circuit breaker can be reset (either manually or automatically) to resume its normal operation. There are variable sizes and varieties of circuit breakers are available according to the use. It is used for the protection of small household appliances up to the large distribution systems (Power Stations).

the arc phenomenon and methods of eliminating it
fenomena arka dan cara menghapuskannya

Apabila litar pintas berlaku, arus tinggi mengalir melalui contact CB sebelum dibuka oleh sistem pelindung. Seketika apabila contact mula berpisah, kawasan contact berkurangan dengan cepat dan menyebabkan arus 'fault' yang besar menyebabkan density arus meningkat, oleh itu suhu meningkat.


Semasa  contact CB terbuka, medium di antara pembukaan contact menjadi sangat terionisasi di mana interrupt mendapat laluan rintangan yang rendah dan arus terus mengalir melalui laluan ini walaupun contact ini secara fizikal dipisahkan. Semasa  arus mengalir dari satu contact ke yang lain, laluan menjadi sangat panas sehingga ia bersinar. Ini dipanggil arka.

When short-circuit occurs, a heavy current flows through the contact of the circuit breaker before they are opened by the protective system. At the instant when the contacts begin to separate, the contact area decrease rapidly and large fault current causes increased current density and hence rise in temperature.

During opening of current carrying contacts in a circuit breaker the medium in between opening contacts become highly ionized through which the interrupting current gets low resistive path and continues to flow through this path even the contacts are physically separated. During the flowing of current from one contact to other the path becomes so heated that it glows. This is called arc.

Methods of eliminating it

There are two methods of extinguishing the arc in circuit breaker which are:-

a.    High resistance method

b.    Low resistance or current zero method

Perlindungan Sistem kuasa-Basic Protection Equipment - Bahagian 1

The need of switchgear in power system

Jurutera kanan pelanggan pengedaran elektrik  pernah  mengatakan bahawa switchgear adalah kejahatan yang perlu.  Ia perlukan wang untuk membeli, memasang dan menyelenggara dan ia tidak menghasilkan sebarang pendapatan. 

Ini jelas adalah terlalu banyak masalah kerana pengguna akhir hanya membeli kuasa elektrik, jadi mesti melakukan yang mungkin untuk menyumbang kepada tujuan itu.

Jurutera-jurutera pelanggan ini, bagaimanapun, mengakui bahawa switchgear adalah perlu untuk mengasingkan peralatan yang menjadi rosak, dan ia juga membenarkan sistem itu dibahagikan kepada seksyen untuk membolehkan pemulihan bekalan kuasa yang pantas.

Walaupun sistem pengedaran elektrik agak pasif, misalnya, keadaan di kilang, terutamanya yang menggunakan proses pembuatan, atau di stesen penjanaan - boleh menjadi aktif; di mana switchgear isolate bahagian kritikal dalam mengawal apa yang berlaku.

So, switchgear is needed

(a)           To isolate faulty equipment;

(b)           To divide large networks into sections for repair purposes;

(c)            To reconfigure networks in order to restore power supplies; and

(d)           To control other equipment. 

Define switchgear

The apparatus used for switching, controlling, and protecting electrical circuits and equipment is known as switchgear.

Switchgear equipment, symbol and function

Simple single-phase diagram (Figure 1) illustrates the basic component functions within switchgear. It will be seen in Figure 1 that the basic components within switchgear are:

(a) Supply-side and load-side conductors;

(b) Insulation from earth to support the conductors;

(c)  A moving contact arranged to be able to join, or separate, the two conductors;

(d) A driving mechanism and its associated drive linkage to the moving contact.

The conductors (a) are required to carry electrical current and will, therefore, generate heat due to their internal resistance, and will also be subjected to mechanical forces due to the electromagnetic effects of electrical current.

The insulators (b) are required to provide electrical insulation to earth to withstand both the system voltage and any transient voltages which may be impressed upon the switchgear.

It is the function of the operating mechanism (c) to drive the moving contact between the open and closed positions, and to withstand the electromagnetic ‘blow-off’ forces that may be generated when a short circuit occurs. Operating mechanisms come in many different forms, but all of them are obliged to provide the power for operation independent of the rate at which the external power is supplied. This is to ensure that the contact speed during operation is constant. It will be appreciated that this is particularly important for manually charged operating mechanisms.

The main classes of equipment are as follows:

•          Disconnectors or isolators
•          Switches
•          Fuse-switch combinations
•          Circuit breakers
•          Earthing switches

Pemutus (Disconnectors) adalah peranti pensuisan mekanikal yang dalam kedudukan terbuka menyediakan jurang kerja yang selamat (safe working gap) dalam sistem elektrik yang bertahan dengan voltan sistem kerja normal dan sebarang voltan yang lebih tinggi yang mungkin berlaku. Ia dapat membuka atau menutup sebuah litar jika arus yang diabaikan dihidupkan, atau jika tiada perubahan yang signifikan terjadi pada voltan antara terminal kutub. Arus boleh dibawa untuk masa-masa tertentu dalam operasi normal dan di bawah keadaan tidak normal.

Suis (Switches) peranti mekanikal yang mampu membuat, membawa dan mengganggu arus di bawah keadaan normal dalam sistem, dan menutup litar dengan selamat, walaupun ada kerosakan. Oleh itu, ia mestilah dapat ditutup dengan memuaskan dengan membawa arus puncak bergantung kepada tahap kerosakan litar pintas, dan ia mesti dapat membawa arus kerosakan ini untuk tempoh tertentu, biasanya satu atau tiga saat.

Fius dan suis (A fuse and a switch) boleh digunakan dalam kombinasi dengan penarafan yang dipilih supaya fius beroperasi pada arus yang melebihi had mengganggu atau memecahkan kapasiti suis. Peranti sedemikian dikenali sebagai 'suis fius' jika pemegang fius juga digunakan sebagai sebahagian daripada perhimpunan kenalan bergerak utama, atau 'fius suis' jika fius adalah bahagian berasingan dan statik dalam satu gabungan termasuk suis yang disambungkan dalam siri.

Pemutus litar (Circuit breaker) peranti pensuisan mekanikal yang tidak hanya mampu membuat, membawa dan mengganggu arus yang berlaku dalam sistem di bawah keadaan normal, tetapi juga untuk membawa masa yang ditentukan dan untuk membuat dan mengganggu arus yang timbul dalam sistem di bawah keadaan yang tidak normal, seperti litar pintas. Ia mengalami tugas yang paling berat dari semua tugas pensuisan dan merupakan peranti utama dalam banyak sistem pensuisan dan perlindungan.

     Suis bumi (earthing switch)  peranti mekanikal untuk bumi dan litar pintas litar. Ia dapat menahan arus untuk masa yang ditentukan di bawah keadaan yang tidak normal, tetapi tidak diperlukan untuk membawa arus normal. Suis bumi juga mungkin mempunyai kapasiti litar pintas.

Perlindungan Sistem kuasa (Power-system protection) - Bahagian 6

Primary and back up protection, (unit and non-unit protection)

Untuk mencapai kebolehpercayaan yang lebih tinggi (higher reliability), tindakan pantas dan penambahbaikan dalam fleksibiliti operasi skim perlindungan, unsur-unsur berasingan sistem kuasa (separate elements of a power system), sebagai tambahan kepada perlindungan utama (main or primary protection), disediakan back-up dan perlindungan tambahan (a back-up and auxiliary protection).


i. Main or primary protection

Pertama dalam barisan pertahanan adalah perlindungan utama yang memastikan tindakan pantas dan pembaikan terpilih dari kerosakan dalam sempadan bahagian litar (boundary of the circuit section) atau elemen yang ia lindungi. Perlindungan utama pada asasnya disediakan sebagai peraturan.


ii. Back-up protection

Ini adalah pertahanan kedua dalam kes kegagalan perlindungan utama. Ia direka untuk beroperasi dengan lengah masa yang mencukupi supaya geganti utama akan diberi masa yang cukup untuk berfungsi jika ia boleh berfungsi. Perlindungan back up memberikan alternatif kepada perlindungan utama, apabila perlindungan utama tidak berfungsi atau sedang dibaiki dan sebagainya.

Kegagalan (Failure) perlindungan utama mungkin disebabkan oleh sebab-sebab berikut: -
a) Bekalan D.C ke litar 'trip' gagal
b) Bekalan arus atau voltan ke geganti gagal
c) Mekanisme 'tripping' pemutus litar gagal
d) Pemutus litar gagal berfungsi
e) Geganti pelindung utama gagal


Perlindungan back up boleh diberikan sama ada menggunakan pemutus litar (same CB) yang sama yang akan dibuka oleh perlindungan utama atau boleh menggunakan pemutus litar(different CB) yang berbeza. Biasanya, lebih daripada seksyen rosak diasingkan apabila perlindungan back up beroperasi. Selalunya perlindungan utama litar bertindak sebagai perlindungan back up bagi litar bersebelahan. Perlindungan back up disediakan di mana perlindungan utama litar bersebelahan gagal untuk menyokong litar yang diberikan. Untuk memudahkan, perlindungan back up boleh mempunyai faktor kepekaan yang lebih rendah dan beroperasi ke atas zon back up yang  terhad... di mana beroperasi untuk hanya sebahagian daripada litar yang dilindungi.

Methods of back up protection can be classified as follows:-
A) Relay Back-up
B) Breaker Back-up
C) Remote Back-up
D) Centrally Co-ordinated Back-up

Power protection system can be implemented into two ways which are ‘non-unit schemes’ and ‘unit schemes’.

Unit Protection
-A protection scheme having a defined area of coverage.
- Also referred to as “main protection”
- Fast operating time

Tujuan utama skim perlindungan unit adalah untuk melindungi zon dikenalpasti atau diskret zon yang biasanya zon dibatasi oleh 2CT yang digunakan untuk pengukuran arus pembezaan. Relay yang digunakan dalam skim Perlindungan Unit biasanya Differential Protection relay. Sistem perlindungan hendaklah direka bentuk untuk memenuhi keperluan berikut:

1) Under normal conditions the breakers are not tripped
2) Under fault conditions only the breaker closest to the fault will trip
3) If the closest breaker fails to operate, then the next breaker closest to the fault will trip

The figure above shows the operation of a unit protection. The two CT is used to measure the incoming and outgoing current into the protected load M. Under normal operating condition, IS1 will be equal to IS2, therefore, I1 = I2, thus result in Id=0. However, when I1 ≠ I2 (Fault at F1), then Id will have the value of I1-I2. The current is then detected by the relay that will then cause trip in the system. For this protection scheme, if the fault occurs at F2, the protection system will not be able to detect the fault because it is happening outside the protection zone of the system

Non-Unit Protection
- No defined area of coverage.
- Also known as “back-up protection”
- Slower operating time

The Non-Unit protection scheme work on the system and it might overlap with another protection
device in the systems. The use of this mode of protection is usually to isolate the whole circuit when a fault occurs.

There are three protection relays installed in this system for the protection. If instantaneous relay is use, fault occurring at 3 will cause the whole system to trip because relay 1 and 2 also can see the fault. If IDMT (Inverse Definite Minimum Time) is use, the relay will isolate in the smallest section which in 3.

Note that relay at 2 will trigger after several settable times and take over (isolate) the fault if relay at 3 fail to isolate the fault. The advantage of this system is it has the backup capability and it guarantee that the fault will be removed by at least one of the protection relay.

Adam Ahmad:Kau Pergi Jua

Wajahmu

Seindah serinya pelangi yang indah

Seharum mawar putih segar berkembang

Wajahmu

Mengapa sering terbayang di mataku

Sehingga terbawa di dalam mimpiku

Sayangku

Tahukah kau di dalam hatiku ini

Tersimpan perasaan cinta nan suci

Kau bunga

Ingin ku suntingmu menjadi milikku

Lantas ku abadikan dalam jiwaku

Sayangnya

Harapan yang selama ini ku bawa

Hancur berkecai musnah jua akhirnya

Semuanya bagaikan sebuah mimpi

Kau pergi jua

Setelah cinta ku kini membara

Belum sempat ku curahkan kasihku

Kau pergi tak kembali

Sayangku

Tahukah kau di dalam hatiku ini

Tersimpan perasaan cinta nan suci

Kau bunga

Ingin ku suntingmu menjadi milikku

Lantas ku abadikan dalam jiwaku

Sayangnya

Harapan yang selama ini ku bawa

Hancur berkecai musnah jua akhirnya

Semuanya bagaikan sebuah mimpi

Kau pergi jua

Setelah cinta ku kini membara

Belum sempat ku curahkan kasihku

Kau pergi tak kembali

Sayangku

Tahukah kau di dalam hatiku ini

Tersimpan perasaan cinta nan suci

Kau bunga

Ingin ku suntingmu menjadi milikku

Lantas ku abadikan dalam jiwaku

Perlindungan Sistem kuasa (Power-system protection) - Bahagian 5

Basic circuit diagram of protective scheme:-

Operasi semasa keadaan normal

Talian X sentiasa peropeasi seperti biasa.
CT sentiasa  compare dengan VT atau PT.
(Contohnya jika CT=5A , maka VT = 5A)

Oleh itu, relay (2) sentiasa dalam keadaan terbuka (NO)
Oleh itu, trip circuit (4) tidak beroperasi.

Operasi semasa keadaan abnormal

Apabila arus di X meningkat (increase), arus akan melalui circuit breaker(CB)(1) dan CT(8).

Oleh kerana, arus yang melalui CT(8) melebihi 5A(CT>5A), maka CT(8) akan compare dengan
VT atau PT(7)

Maka relay (2) mendapat feedback dari PT(7) untuk menutup relay contact (6)

Trip coil (3) akan di'energized' dan menghasilkan kesan 'electromagnetic'
dan excite CB (1)  untuk terbuka (open circuit)

Oleh itu laluan X selamat...



Basic component for protection system
1. Voltage trasnformer :To decrease the primary voltage
2. Current transformer: To decrease the primary current.
3. Relays : To convert the signals from the monitoring devices and give instruction to open a
circuit under faulty condition or give alarm when the equipment being protected,
is approaching toward possible destruction.
4. Fuses: To protect the equipment from over current.
5. Circuit breaker: To break the circuit carrying the fault current.
6. DC batteries: To give power source to the circuit breaker trip coil.

Perlindungan Sistem kuasa (Power-system protection) - Bahagian 4

Keadaan abnormal dan kesan2nya

( Abnormal conditions and their effects)

- Litar pintas (short-circuit).

Litar pintas boleh jadi phase-to-ground, phase-to-phase, phase-to-phase-to-ground, three-phase, or three-phase-to-ground. Litar pintas mungkin berkisar dari 'faults' arus (current) yang sangat rendah, mempunyai laluan impedans yang tinggi, kepada 'faults' arus (current) yang sangat tinggi, mempunyai laluan impedans yang sangat rendah. Semua litar pintas menghasilkan aliran arus yang tidak normal dalam satu atau lebih konduktor fasa atau dalam litar neutral atau 'ground'. Gangguan seperti ini dapat dikesan dan selamat diasingkan (safely isolated).

- Other Disturbances.

Sumber gangguan lain seperti lightning, load surges, and loss of synchronism biasanya mempunyai sedikit kesan keseluruhan ke atas koordinasi sistem dan boleh dikendalikan secara individu untuk peralatan tertentu untuk dilindungi.

Overloading - menyebabkan overheating of insulation (kualiti yang merosot , mengurangkan kehidupan dan kegagalan muktamad).

Overvoltage - stressing the insulation beyond its limits.

Under frequency - causing plant to behave incorrectly.

Power swings - generators going out-of-step or synchronism with each other.