Jenis dan Revolusi Relai Listrik

Jenis dan Revolusi Relai Listrik

Pendahuluan:

Relai proteksi bekerja sama dengan perangkat penginderaan dan kontrol untuk menjalankan fungsinya. Dalam operasi sistem daya normal, relai proteksi tetap diam dan tidak menjalankan fungsi aktif. Namun, saat terjadi gangguan atau kondisi yang tidak diinginkan, relai harus dioperasikan dan berfungsi dengan benar.
Sistem Daya terdiri dari berbagai komponen listrik seperti Generator, transformator, saluran transmisi, isolator, pemutus sirkuit, busbar, kabel, relai, transformator instrumen, pengumpan distribusi, dan berbagai jenis beban. Gangguan dapat terjadi di bagian mana pun dari sistem daya sebagai hubungan pendek & gangguan pembumian. Gangguan dapat berupa Saluran Tunggal ke Tanah, Saluran Ganda ke Tanah, Saluran ke Saluran, hubungan pendek tiga fase, dll. Hal ini mengakibatkan aliran arus gangguan yang besar melalui sistem. Tingkat gangguan juga bergantung pada impedansi gangguan yang bergantung pada lokasi gangguan yang dirujuk dari sisi sumber. Untuk menghitung tingkat gangguan di berbagai titik dalam sistem daya, analisis gangguan diperlukan.
Sistem proteksi beroperasi dan mengisolasi bagian yang terganggu. Pengoperasian sistem proteksi harus cepat dan selektif, yaitu hanya mengisolasi bagian yang rusak dalam waktu sesingkat mungkin yang menyebabkan gangguan minimum pada sistem. Selain itu, jika proteksi utama gagal beroperasi, harus ada proteksi cadangan yang memerlukan koordinasi relai yang tepat. Kegagalan relai proteksi dapat mengakibatkan kerusakan peralatan yang parah dan waktu henti yang lama.

Working of Protective Scheme:

Relai proteksi mendeteksi kondisi abnormal pada bagian sistem tenaga listrik dan memberikan alarm atau mengisolasi bagian tersebut dari sistem yang sehat. Relai proteksi merupakan kerja sama tim dari CT, PT, relai proteksi, relai tunda waktu, rangkaian trip, pemutus arus, dll.
Relai proteksi berperan penting dalam meminimalkan gangguan dan juga meminimalkan kerusakan jika terjadi gangguan.

Gambar menunjukkan koneksi dasar kontrol pemutus sirkuit untuk operasi pembukaan. Sirkuit terlindungi X ditunjukkan dengan garis putus-putus. Ketika terjadi gangguan pada sirkuit terlindungi, relai yang terhubung ke CT dan PT akan bekerja dan menutup kontaknya.
Arus mengalir dari baterai di sirkuit trip. Saat kumparan trip pemutus sirkuit diberi energi, mekanisme operasi pemutus sirkuit akan bekerja dan beroperasi untuk operasi pembukaan. Dengan demikian, gangguan akan terdeteksi dan sirkuit trip akan bekerja oleh relai dan bagian yang terganggu akan terisolasi.

Apa itu Relay:

Relai adalah perangkat otomatis yang mendeteksi kondisi abnormal pada sirkuit listrik dan menutup kontaknya. Kontak-kontak ini kemudian menutup dan menyelesaikan rangkaian kumparan pemutus arus sehingga pemutus arus bekerja untuk memutus bagian sirkuit listrik yang rusak dari bagian sirkuit yang sehat.

Fungsi Relai Proteksi:

Untuk membunyikan alarm atau menutup rangkaian trip pemutus arus untuk memutus Bagian yang Rusak.
Untuk memutus bagian yang beroperasi secara tidak normal untuk mencegah kesalahan berikutnya. Misalnya, proteksi kelebihan beban pada mesin tidak hanya melindungi mesin tetapi juga mencegah kegagalan Isolasi.
Untuk mengisolasi atau memutus rangkaian atau peralatan yang rusak dengan cepat dari sisa sistem sehingga sistem dapat terus berfungsi dan meminimalkan kerusakan pada bagian yang rusak. Misalnya – Jika mesin terputus segera setelah terjadi kesalahan lilitan, hanya beberapa kumparan yang mungkin perlu diganti. Namun jika kesalahan berlanjut, seluruh lilitan dapat rusak dan mesin mungkin tidak dapat diperbaiki lagi.
Untuk melokalisasi efek kesalahan dengan memutus bagian yang rusak dari bagian yang sehat, sehingga gangguan pada sistem yang sehat menjadi paling kecil.
Untuk memutus bagian yang rusak dengan cepat untuk meningkatkan stabilitas sistem, kontinuitas layanan, dan kinerja sistem. Stabilitas transien dapat ditingkatkan dengan menggunakan relai proteksi yang lebih baik.
Untuk meminimalkan bahaya bagi personel

Desirable qualities of protective relaying:

Selectivity,
Discrimination
Stability
Sensitivity,
Power consumption
System Security
Reliability
Adequateness
Speed & Time

Terminology of protective relay:

Tingkat penerimaan sinyal penggerak: Nilai kuantitas penggerak (tegangan atau arus) yang berada pada ambang batas di atas mana relai mulai beroperasi. Jika nilai kuantitas penggerak ditingkatkan, efek elektromagnetik kumparan relai meningkat dan di atas tingkat kuantitas penggerak tertentu, mekanisme penggerak relai mulai bergerak.
Tingkat pengaturan ulang: Nilai arus atau tegangan di bawah mana relai membuka kontaknya dan kembali ke posisi semula.
Waktu Pengoperasian Relai: Tepat setelah melampaui tingkat penerimaan kuantitas penggerak, mekanisme penggerak (misalnya cakram berputar) relai mulai bergerak dan akhirnya menutup kontak relai di akhir perjalanannya.
Waktu yang berlalu antara saat kuantitas penggerak melebihi nilai penerimaan hingga saat kontak relai menutup.
Waktu pengaturan ulang Relai: Waktu yang berlalu antara saat kuantitas penggerak menjadi kurang dari nilai pengaturan ulang hingga saat kontak relai kembali ke posisi normalnya. Jangkauan Relai: Relai jarak beroperasi setiap kali jarak yang dilihat oleh relai kurang dari impedansi yang telah ditentukan sebelumnya.
Impedansi penggerak dalam relai adalah fungsi jarak dalam relai proteksi jarak. Impedansi atau jarak yang sesuai ini disebut jangkauan relai.

History of Protective Relay:

Evolusi relai proteksi dimulai dengan relai elektromekanis. Selama dekade terakhir, relai ini telah ditingkatkan dari teknologi elektromekanis menjadi teknologi solid state untuk mendominasi penggunaan mikroprosesor dan mikrokontroler.
Garis waktu pengembangan relai proteksi ditunjukkan di bawah ini

1900 to 1963	1963 to 1972	1972 to 1980	1980 to 1990
Electromechanical Relay.	Static Relay	Digital Relay	Numerical Relay
1925=Single Disc Type Relay (Single Input)	1963=Static Relay (All Purpose)	1980=Digital Type Relay (All Purpose)	1990=Numerical Type Relay (All Purpose)
1961=Single Cup Type Relay (Impedance Relay)	1972=Static Relay with self checking (All Purpose)	1980=Digital Type Relay (All Purpose)	1990=Numerical Type Relay (All Purpose)

Types of Relays:

Jenis-jenis relay proteksi yang ada pada umumnya adalah

(A) Based on Characteristic:

Definite time Relays.
Inverse definite minimum time Relays (IDMT)
Instantaneous Relays
IDMT with Instantaneous.
Stepped Characteristic
Programmed Switches
Voltage restraint over current relay

(B) Based on logic:

Differential
Unbalance
Neutral Displacement
Directional
Restricted Earth Fault
Over Fluxing
Distance Schemes
Bus bar Protection
Reverse Power Relays
Loss of excitation
Negative Phase Sequence Relays etc.

(C) Based on Actuating parameter:

Current Relays
Voltage Relays
Frequency Relays
Power Relays etc.

(D) Based on Operation Mechanism:

(A) Electro Magnetic Relay
(B) Static Relay
Analog Relay
Digital Relay
Numerical /Microprocessor Relay
(C) Mechanical relay.
(1) Thermal
(a) OT Trip (Oil Temperature Trip)
(b) WT Trip (Winding Temperature Trip)
(C) Bearing Temp Trip etc.
(2) Float Type
(a) Buchholz
(b) OSR
(c) PRV
(d) Water level Controls etc.
(3) Pressure Switches.
(4) Mechanical Interlocks.
(5) Pole discrepancy Relay.

(E) Based on Applications:

Primary Relays.
Backup Relays

Jenis Relay Berdasarkan Mekanisme Kerja Relay :

(1) Relai Elektromagnetik:

Relai elektromagnetik lebih lanjut dikategorikan ke dalam dua kategori berikut.
(A) Relai Tarik Elektromagnetik:
Relai ini bekerja berdasarkan Prinsip Tarik Elektromagnetik
(B) Relai Induksi Elektromagnetik:
Relai ini bekerja berdasarkan Prinsip Induksi Elektromagnetik

(2) Relai Solid State (Statis):

Relai solid state (dan statis) dikategorikan lebih lanjut berdasarkan sebutan berikut.
(A) Relai Analog:
Dalam relai Analog, kuantitas terukur diubah menjadi sinyal tegangan rendah tetapi serupa, yang kemudian digabungkan atau dibandingkan secara langsung dengan nilai referensi dalam detektor level untuk menghasilkan keluaran yang diinginkan.
(B) Relai Digital:
Dalam relai Digital, kuantitas ac terukur dimanipulasi dalam bentuk analog dan selanjutnya diubah menjadi tegangan gelombang persegi (biner). Rangkaian logika atau mikroprosesor membandingkan hubungan fase gelombang persegi untuk membuat keputusan trip.
(C) Relai Numerik:
Dalam relai Numerik, kuantitas ac terukur diambil sampelnya secara berurutan dan diubah menjadi bentuk data numerik. Mikroprosesor melakukan operasi matematika dan/atau logika pada data untuk membuat keputusan trip.

(1) Relai Elektromekanis:

Sejarah Relai: Ini adalah sistem relai tertua generasi pertama dan telah digunakan selama bertahun-tahun. Relai ini telah mendapatkan reputasi yang pantas untuk akurasi, keandalan, dan keandalan. Ada dua jenis dasar mekanisme pengoperasian: relai tarik-elektromagnetik dan relai induksi-elektromagnetik.
Prinsip Pengukuran: Relai pelindung elektromekanis mengubah tegangan dan arus menjadi gaya dan torsi magnetik dan listrik yang menekan tegangan pegas pada relai. Tegangan pegas dan keran pada kumparan elektromagnetik pada relai adalah proses utama yang digunakan pengguna untuk memasang relai.
Fungsi Relai: Relai ini biasanya bekerja seketika, tanpa penundaan waktu yang disengaja, menutup segera setelah pengaktifan sesuai dengan gerakan mekanis yang diizinkan. Kita dapat menambahkan penundaan waktu dengan menggunakan bellow, dashpot, atau mekanisme escapement jarum jam. Namun, akurasi pengaturan waktunya jauh kurang tepat dibandingkan dengan relai tipe induksi. Karena itu, pengguna jarang memilih relai dengan penundaan waktu ini dalam aplikasi peralatan sakelar. Relai Elektromekanis dapat beroperasi dengan arus bolak-balik (AC) atau arus searah (DC) pada kumparannya. Oleh karena itu, komponen arus searah dari gangguan asimetris pasti memengaruhi relai ini menggunakan prinsip ini.
Sebagian besar relai disertakan dalam wadah yang dapat ditarik keluar dengan pemasangan semi-rata. Pemasang biasanya memasang relai di pintu bilik sakelar. Mereka membawa kabel sensor dan kontrol ke sambungan pada wadah. Relai dimasukkan ke dalam wadah dan dihubungkan melalui sakelar kecil atau colokan penghubung, tergantung pada produsennya.
Dengan demikian, kita dapat memutus dan menariknya dari wadah tanpa mengganggu kabel. Ketika relai terputus, sambungan transformator arus (CT) dalam wadah secara otomatis dihubung singkat untuk menghubung singkat lilitan sekunder CT dan melindungi CT dari tegangan berlebih dan kerusakan.
Pengoperasian Relai Tarik-Elektromagnetik: Gambar menunjukkan relai elektromekanis yang umum. Tegangan masukan diterapkan ke mekanisme kumparan. Tegangan masukan memagnetisasi inti yang menarik lengan ke arahnya. Tindakan ini menyebabkan kontak keluaran bersentuhan, menutup sirkuit beban. Ketika tegangan input dihilangkan, tuas pegas akan mendorong kontak saling menjauh, sehingga memutus sambungan sirkuit beban.

Pengoperasian Relai Induksi Elektromagnetik: Relai induksi tersedia dalam berbagai variasi untuk memberikan respons arus waktu dan pengambilan yang akurat untuk berbagai sistem sederhana atau kompleks.
Relai induksi sebenarnya seperti motor induksi. Pada relai, elemen yang bergerak (rotor) biasanya berupa cakram logam, meskipun terkadang berupa silinder atau cangkir logam. Bagian yang diam (stator) adalah satu atau lebih elektromagnet integral, dengan kumparan arus atau potensial yang menginduksi arus dalam cakram, yang menyebabkannya berputar. Hingga gaya rotasi cukup besar untuk memutar cakram dan membawa kontak yang bergerak melawan kontak yang diam, pegas menahan gerakan cakram.

Ini menutup sirkuit yang dikontrol relai. Semakin besar kesalahan yang terdeteksi, semakin besar arus dalam kumparan, dan semakin cepat cakram berputar.
Penyetelan terkalibrasi yang disebut tombol waktu mengatur jarak antara kontak bergerak dan diam; ini memvariasikan waktu pengoperasian relai dari cepat (kontak hanya sedikit terbuka) hingga lambat (kontak hampir berjarak satu putaran cakram penuh). Tindakan pengaturan ulang dimulai setelah menghilangkan gaya putar, baik dengan menutup kontak relai yang memicu pemutus arus atau dengan menghilangkan malfungsi yang terdeteksi relai. Pegas penahan mengatur ulang cakram ke posisi semula. Waktu yang diperlukan untuk mengatur ulang bergantung pada jenis relai dan pengaturan tombol waktu (jarak kontak).
Sebagian besar Relai elektromekanis biasanya diberi peringkat untuk tegangan isolasi input ke output minimum 1500 hingga 2000 VAC.

Keterbatasan Relai Elektromagnetik:

Kecepatan operasi rendah.
Perubahan karakteristik selama periode tertentu karena efek penuaan.
Kegagalan komponen yang menyebabkan kegagalan relai.
Relai Besar: Karena ada komponen mekanis internal dengan batasan dimensi fisik, ukuran paket Relai elektromekanis dapat membatasi ukuran desain PCB. Konsumsi daya yang berlebihan.
Memberikan beban tinggi pada CT.
Tidak ada data kesalahan yang tersedia kecuali indikasi fase.
Sebagai bagian dari desainnya, Relai Elektromekanis harus membuat kontak mekanis untuk mengganti beban. Pada titik kontak ini, kerusakan oksidasi terjadi selama siklus masa pakai yang diperpanjang (biasanya 106 operasi), dan relai perlu diganti.
Saat Relai elektromekanis diaktifkan, pantulan terjadi di lokasi kontak. Pantulan menciptakan jendela waktu di mana rangkaian beban berkedip antara terbuka dan tertutup, suatu kondisi yang mungkin perlu dipertimbangkan dalam desain beban.
Tegangan isolasi adalah area lain di mana Relai Elektromekanis terbatas.

(2) Relai Solid State (Relai Statis):

Sejarah Relai: Relai statis adalah relai generasi berikutnya. Relai Statis solid pertama kali diperkenalkan pada tahun 1960-an. Istilah ‘statis’ menyiratkan bahwa relai tidak memiliki bagian mekanis yang bergerak di dalamnya. Dibandingkan dengan Relai Elektromekanis, relai Statis solid memiliki masa pakai yang lebih lama, kebisingan yang berkurang saat beroperasi, dan kecepatan respons yang lebih cepat. Namun, relai ini tidak sekuat Relai Elektromekanis.
Relai statis diproduksi sebagai perangkat semikonduktor yang menggabungkan transistor, IC, kapasitor, prosesor mikro kecil, dll.
Relai statis telah dirancang untuk menggantikan hampir semua fungsi yang dicapai sebelumnya oleh relai elektromekanis.
Prinsip pengukuran: Prinsip kerja relai Statis Padat mirip dengan Relai Elektromekanis yang berarti relai Statis Padat dapat melakukan tugas yang dapat dilakukan oleh Relai Elektromekanis.
Relai Statis Padat menggunakan perangkat elektronik analog, bukan kumparan magnetik dan komponen mekanis untuk menciptakan karakteristik relai. Pengukuran dilakukan oleh sirkuit statis yang terdiri dari pembanding, detektor level, filter, dll. Sementara pada relai elektromagnet konvensional, pengukuran dilakukan dengan membandingkan torsi operasi (atau gaya) dengan torsi penahan (atau gaya). Kuantitas relai seperti tegangan/arus diperbaiki dan diukur. Ketika kuantitas yang diukur mencapai nilai tertentu yang terdefinisi dengan baik, perangkat keluaran dipicu dan dengan demikian sirkuit trip pemutus sirkuit diberi energi.
Pada relai solid state, bentuk gelombang tegangan dan arus masuk dipantau oleh sirkuit analog, tidak direkam atau didigitalkan. Nilai analog dibandingkan dengan pengaturan yang dibuat oleh pengguna melalui potensiometer di relai, dan dalam beberapa kasus, mengetuk transformator.
Pada beberapa relai solid state, mikroprosesor sederhana melakukan sebagian logika relai, tetapi logikanya tetap dan sederhana. Misalnya, pada relai solid state dengan arus lebih, arus AC yang masuk pertama-tama diubah menjadi nilai sinyal AC kecil, kemudian arus AC dimasukkan ke penyearah dan filter yang mengubah arus AC menjadi nilai DC yang proporsional dengan bentuk gelombang AC. Sebuah op-amp dan pembanding digunakan untuk membuat arus DC yang naik saat titik trip tercapai. Kemudian mikroprosesor yang relatif sederhana melakukan konversi A/D kecepatan lambat dari sinyal DC, mengintegrasikan hasilnya untuk membuat respons kurva arus lebih, dan trip saat integrasi naik di atas titik yang ditetapkan. Meskipun relai ini memiliki mikroprosesor, ia tidak memiliki atribut relai digital/numerik, dan karenanya istilah “relai mikroprosesor” bukanlah istilah yang jelas.
Fungsi Relai: Versi awal menggunakan perangkat diskrit seperti transistor dan dioda bersama dengan resistor, kapasitor, induktor, dll., tetapi kemajuan dalam elektronik memungkinkan penggunaan sirkuit terpadu linier dan digital dalam versi selanjutnya untuk pemrosesan sinyal dan implementasi fungsi logika. Meskipun rangkaian dasar mungkin umum untuk sejumlah relai, pengemasannya pada dasarnya masih terbatas pada satu fungsi perlindungan per kasus, sedangkan fungsi yang kompleks memerlukan beberapa kasus perangkat keras yang saling terhubung dengan baik.

Pemrograman pengguna dibatasi pada fungsi dasar penyesuaian kurva karakteristik relai. Oleh karena itu, relai dapat dilihat secara sederhana sebagai pengganti elektronik analog untuk relai elektromekanis, dengan beberapa fleksibilitas tambahan dalam pengaturan dan beberapa penghematan dalam persyaratan ruang.
Dalam beberapa kasus, beban relai berkurang, sehingga mengurangi persyaratan keluaran CT/VT. Dalam relai statis tidak ada jangkar atau elemen bergerak lainnya dan respons dikembangkan oleh komponen elektronik, magnetik, atau lainnya tanpa gerakan mekanis.
Relai yang menggunakan kombinasi unit statis dan elektromagnet juga disebut relai statis asalkan unit statis menghasilkan respons.
Unit relai elektromekanis tambahan dapat digunakan dalam tahap keluaran sebagai relai bantu. Sistem proteksi dibentuk oleh relai statis dan relai bantu elektromekanis.
Kinerja relai statis lebih baik daripada relai elektromagnetik karena bekerja cepat dan akurasi pengukuran lebih baik daripada relai elektromagnetik.
Kendala dalam relai statis adalah fungsi/fitur yang terbatas. Dalam dekade terakhir, beberapa prosesor mikro diperkenalkan dalam relai ini untuk mencapai fungsi-fungsi seperti (i) Fitur kegagalan sekering (ii) Fitur pemeriksaan mandiri (iii) Deteksi Kutub Mati dan iv) Fitur perlindungan yang dibantu pembawa.
Pengoperasian Relai: Komponen-komponen penting relai statis ditunjukkan pada gambar. Output CT dan PT tidak cocok untuk komponen statis sehingga diturunkan ke level yang sesuai oleh CT dan PT tambahan. Kemudian output CT tambahan diberikan ke penyearah. Penyearah menyearahkan kuantitas relai yaitu, output dari CT atau PT atau Transduser

Output yang diperbaiki disalurkan ke unit pengukuran yang terdiri dari pembanding, detektor level, filter, dan sirkuit logika. Output diaktifkan saat input dinamis (yaitu, kuantitas relai) mencapai nilai ambang batas. Output unit pengukuran ini diperkuat oleh amplifier dan diumpankan ke perangkat unit output, yang biasanya berupa perangkat elektromagnet. Unit output memberi energi pada kumparan trip hanya saat relai beroperasi.

Keunggulan Solid State Relay:

Beban Relay Statis lebih ringan daripada relay jenis Elektromagnetik. Oleh karena itu, kesalahannya lebih sedikit.
Bobot Ringan
Memerlukan Lebih Sedikit Ruang yang menghasilkan penghematan ruang panel.
Pengalihan tanpa busur
Tidak ada kebisingan akustik.
Integrasi multifungsi.
Respon cepat.
Umur panjang (Keandalan Tinggi): lebih dari 109 operasi
Rentang Pengaturan Tinggi dibandingkan dengan Relay elektromekanis
Lebih Akurat dibandingkan dengan Relay elektromekanis
Interferensi Elektromagnetik Rendah.
Konsumsi daya lebih sedikit.
Tahan guncangan dan getaran
Tidak ada pantulan kontak
Kompatibel dengan mikroprosesor.
Isolasi Tegangan
Tidak ada bagian yang bergerak: Tidak ada bagian yang bergerak yang dapat aus atau kontak yang melengkung yang dapat memburuk yang sering kali menjadi penyebab utama kegagalan dengan Relay Elektro Mekanik.
Tidak ada pantulan kontak mekanis atau lengkung: Relay solid-state tidak bergantung pada gaya mekanis atau kontak yang bergerak untuk operasinya tetapi bekerja secara elektronik. Dengan demikian, pengaturan waktunya sangat akurat bahkan untuk arus serendah nilai pickup. Tidak ada pantulan atau lengkung kontak mekanis, dan waktu pengaturan ulang sangat singkat.
Tingkat sinyal input rendah: Ideal untuk industri telekomunikasi atau kontrol mikroprosesor. Relai solid state dengan cepat menjadi pilihan yang lebih baik dalam banyak aplikasi, terutama di seluruh industri telekomunikasi dan kontrol mikroprosesor.
Masalah Biaya: Di masa lalu, terdapat kesenjangan yang cukup besar antara harga relai elektromekanis dan harga relai solid state. Dengan kemajuan berkelanjutan dalam teknologi manufaktur, kesenjangan ini telah berkurang secara dramatis sehingga keunggulan teknologi solid state dapat diakses oleh semakin banyak insinyur desain.

Keterbatasan relai statis:

Persyaratan tegangan tambahan untuk Operasi Relai.
Relai statis sensitif terhadap transien tegangan yang disebabkan oleh pengoperasian pemutus dan isolator di sirkuit primer CT dan PT.
Tegangan berlebih yang serius juga disebabkan oleh putusnya sirkuit kontrol, kontak relai, dll. Lonjakan tegangan dengan durasi kecil seperti itu dapat merusak komponen semikonduktor dan juga menyebabkan mal operasi relai.
Ketergantungan suhu relai statis: Karakteristik perangkat semikonduktor dipengaruhi oleh suhu sekitar.
Sirkuit isolasi dan filter yang sangat canggih harus dibangun ke dalam desain relai untuk menangani interferensi elektromagnetik dan gangguan peralihan transien dalam sistem daya.
Diperlukan sirkuit catu daya yang sangat andal.
Pengaruh kondisi lingkungan seperti kelembaban, suhu sekitar yang tinggi, penumpukan debu pada PCB yang menyebabkan pelacakan.
Kegagalan komponen.
Tidak tersedianya data kesalahan.
Variasi karakteristik seiring berjalannya waktu.

(A) Relai Digital:

Sejarah Relai: Sekitar tahun 1980-an, relai digital mulai dipasarkan. Dibandingkan dengan Relai Solid State, relai digital memanfaatkan keunggulan pengembangan mikroprosesor dan mikrokontroler. Alih-alih menggunakan sinyal analog, relai digital mengubah semua besaran analog yang diukur menjadi sinyal digital.
Relai proteksi digital merupakan langkah revolusioner dalam mengubah teknologi Relai. Dalam Relai Digital, Mikroprosesor dan mikrokontroler digunakan untuk menggantikan sirkuit analog yang digunakan dalam relai statis guna menerapkan fungsi relai. Relai proteksi digital diperkenalkan pada tahun 1980. Namun, teknologi tersebut akan sepenuhnya digantikan dalam lima tahun ke depan oleh relai numerik.
Pada pertengahan tahun 1990-an, relai solid state dan elektromekanis sebagian besar telah digantikan oleh relai digital dalam konstruksi baru. Dalam aplikasi distribusi, penggantian oleh relai digital berlangsung sedikit lebih lambat. Sementara sebagian besar relai pengumpan dalam aplikasi baru saat ini adalah digital, relai solid state masih digunakan di mana kesederhanaan aplikasi memungkinkan relai yang lebih sederhana, dan yang memungkinkan seseorang untuk menghindari kompleksitas relai digital.
Prinsip pengukuran: Dibandingkan dengan relai statis, relai digital memperkenalkan Konverter Analog ke Digital (konversi A/D) dari semua kuantitas analog yang diukur dan menggunakan mikroprosesor untuk mengimplementasikan algoritme proteksi. Mikroprosesor dapat menggunakan beberapa jenis teknik penghitungan, atau menggunakan Transformasi Fourier Diskrit (DFT) untuk mengimplementasikan algoritme.
Mikroprosesor yang digunakan dalam Relai Digital memiliki kapasitas pemrosesan dan memori yang terbatas dibandingkan dengan yang disediakan dalam relai numerik.
Fungsi Relai: Oleh karena itu, fungsionalitasnya cenderung terbatas dan sebagian besar dibatasi pada fungsi proteksi itu sendiri. Fungsionalitas tambahan dibandingkan dengan yang disediakan oleh relai elektromekanis atau statis biasanya tersedia, biasanya berupa rentang pengaturan yang lebih luas, dan akurasi yang lebih tinggi. Tautan komunikasi ke komputer jarak jauh juga dapat disediakan.

Daya terbatas dari mikroprosesor yang digunakan dalam relai digital membatasi jumlah sampel bentuk gelombang yang dapat diukur per siklus. Hal ini, pada gilirannya, membatasi kecepatan pengoperasian relai dalam aplikasi tertentu. Oleh karena itu, relai digital untuk fungsi proteksi tertentu mungkin memiliki waktu pengoperasian yang lebih lama daripada relai statis yang setara. Namun, waktu tambahan tersebut tidak signifikan dalam hal waktu tripping keseluruhan dan kemungkinan efek stabilitas sistem daya.
Pengoperasian Relai: Relai digital terdiri dari: (1) Subsistem masukan analog, (2) Subsistem masukan digital, (3) Subsistem keluaran digital, (4) Prosesor beserta RAM (data scratch pad), memori utama (file data historis) dan catu daya

Relai digital melibatkan pemrosesan digital satu atau lebih sinyal analog dalam tiga langkah: Konversi sinyal analog ke bentuk digital Pemrosesan bentuk digital Keputusan Boolean untuk melakukan trip atau tidak melakukan trip.

Keunggulan Relai Digital:

Integrasi fungsionalitas tingkat tinggi.
Fungsi pemantauan tambahan.
Fleksibilitas fungsional.
Mampu bekerja dalam rentang suhu yang luas.
Dapat menerapkan fungsi yang lebih kompleks dan umumnya lebih akurat.
Pemeriksaan mandiri dan kemampuan beradaptasi mandiri.
Mampu berkomunikasi dengan peralatan digital lainnya (pear to pear).
Kurang sensitif terhadap suhu, penuaan.
Ekonomis karena dapat diproduksi dalam jumlah besar.
Lebih akurat.
Bidang untuk relai jarak jauh dimungkinkan.
Penyimpanan sinyal dimungkinkan.

Keterbatasan Relai Digital:

Umur pakainya pendek karena terus berkembangnya teknologi baru.
Perangkat cepat usang.
Kerentanan terhadap transien sistem daya.
Karena sistem digital menjadi semakin kompleks, diperlukan staf yang terlatih khusus untuk Pengoperasian.
Pemeliharaan pengaturan dan pemantauan data yang tepat.

(B) Relai Numerik:

Sejarah Relai: Perangkat proteksi pertama yang berbasis mikroprosesor digunakan pada tahun 1985. Penerimaan teknologi numerik yang meluas oleh pelanggan dan pengalaman pengguna membantu dalam pengembangan relai numerik generasi kedua pada tahun 1990.
Relai elektromekanis dan statis konvensional adalah relai yang terhubung dengan kabel. Pengkabelannya tetap, hanya pengaturannya yang dapat diubah secara manual. Relai numerik adalah relai yang dapat diprogram. Karakteristik dan perilaku relai dapat diprogram.
Relai numerik generasi pertama terutama dirancang untuk memenuhi karakteristik proteksi relai statis, sedangkan perangkat proteksi numerik modern mampu memberikan proteksi lengkap dengan fungsi tambahan seperti kontrol dan pemantauan. Perangkat proteksi numerik menawarkan beberapa keuntungan dalam hal proteksi, keandalan, dan pemecahan masalah serta informasi kesalahan.
Perbedaan antara relai digital dan numerik terletak pada poin-poin detail teknis yang halus, dan jarang ditemukan di bidang selain Proteksi. Relai numerik dapat dilihat sebagai perkembangan alami relai digital sebagai hasil dari kemajuan teknologi. Biasanya, mereka menggunakan prosesor sinyal digital (DSP) khusus sebagai perangkat keras komputasi, bersama dengan perangkat lunak terkait.
Prinsip pengukuran: Sinyal analog input diubah menjadi representasi digital dan diproses sesuai dengan algoritma matematika yang sesuai. Pemrosesan dilakukan menggunakan mikroprosesor khusus yang dioptimalkan untuk aplikasi pemrosesan sinyal, yang dikenal sebagai prosesor sinyal digital atau disingkat DSP. Pemrosesan sinyal digital secara real time memerlukan mikroprosesor berdaya sangat tinggi.
Prinsip dan teknik pengukuran relai konvensional (elektromekanis dan statis) lebih sedikit daripada teknik numerik, yang dapat berbeda dalam banyak aspek seperti jenis algoritma proteksi yang digunakan, pengambilan sampel, pemrosesan sinyal, pemilihan perangkat keras, disiplin perangkat lunak, dll. Ini adalah relai berbasis mikroprosesor yang berbeda dengan relai lain yang dikontrol secara elektromekanis.
Fungsi Relai: Perangkat proteksi sistem tenaga modern dibuat dengan fungsi terintegrasi. Multifungsi seperti proteksi, kontrol, pemantauan, dan pengukuran tersedia saat ini dalam perangkat proteksi sistem tenaga numerik. Selain itu, kemampuan komunikasi perangkat ini memfasilitasi kendali jarak jauh, pemantauan, dan transfer data. Secara tradisional, relai proteksi elektromekanis dan statis menawarkan satu fungsi dan satu karakteristik, sedangkan proteksi numerik modern menawarkan multi-fungsi dan beberapa karakteristik.
Prinsip dan teknik pengukuran relai konvensional (elektromekanis dan statis) lebih sedikit daripada teknik numerik, yang dapat berbeda dalam banyak aspek seperti jenis algoritma proteksi yang digunakan, pengambilan sampel, pemrosesan sinyal, pemilihan perangkat keras, disiplin perangkat lunak, dll.
Relai numerik generasi pertama terutama dirancang untuk memenuhi karakteristik proteksi relai statis, sedangkan perangkat proteksi numerik modern mampu memberikan proteksi lengkap dengan fungsi tambahan seperti kontrol dan pemantauan. Perangkat proteksi numerik menawarkan beberapa keunggulan dalam hal proteksi, keandalan, dan pemecahan masalah serta informasi kesalahan. Perangkat proteksi numerik tersedia untuk sistem pembangkitan, transmisi, dan distribusi.

Relai numerik adalah relai berbasis prosesor mikro dan memiliki fitur perekaman parameter yang digunakan sebagai perekam gangguan, fleksibilitas pengaturan & alarm, dan dapat digunakan satu relai untuk semua jenis proteksi satu peralatan, sehingga area yang dibutuhkan lebih sedikit. Rentang pengaturan yang luas, lebih akurat, beban rendah, sehingga diperlukan VA CT yang rendah yang meminimalkan biaya. Relai numerik mengambil kuantitas analog input dan mengubahnya menjadi nilai numerik. Semua fungsi relai dilakukan pada nilai numerik ini.
Bagian berikut mencakup perangkat keras relai, perangkat lunak relai, beberapa karakteristik proteksi, karakteristik proteksi adaptif, penyimpanan data, fitur instrumentasi, fitur pemeriksaan mandiri, kemampuan komunikasi, fungsi tambahan, ukuran, dan efektivitas biaya.
Perangkat proteksi numerik tersedia untuk sistem pembangkitan, transmisi, dan distribusi. Perangkat proteksi sistem tenaga modern dibuat dengan fungsi terintegrasi. Multifungsi seperti proteksi, kontrol, pemantauan, dan pengukuran tersedia saat ini dalam perangkat proteksi sistem tenaga numerik. Selain itu, kemampuan komunikasi perangkat ini memfasilitasi kendali jarak jauh, pemantauan, dan transfer data.
Relai ini memberikan presisi dan kemudahan yang tinggi dalam aplikasi pada produk elektronik yang canggih. Dengan menggabungkan beberapa fungsi dalam satu kasus, relai numerik juga menghemat biaya modal dan biaya perawatan dibandingkan relai elektromekanis. Kerugian relai elektromekanis konvensional diatasi dengan menggunakan pengendali mikro untuk mewujudkan pengoperasian relai. Relai berbasis pengendali mikro bekerja dengan sangat baik dan biayanya relatif rendah.
Selain itu, kemampuan komunikasi perangkat ini memfasilitasi kendali jarak jauh, pemantauan, dan transfer data. Secara tradisional, relai proteksi elektromekanis dan statis menawarkan fungsi tunggal, karakteristik tunggal, sedangkan proteksi numerik modern menawarkan multifungsi dan beberapa karakteristik. Beberapa proteksi juga menawarkan karakteristik yang dapat disesuaikan, yang secara dinamis mengubah karakteristik proteksi dalam kondisi sistem yang berbeda dengan memantau parameter input.
Pengoperasian Relai: Sinyal arus dari CT diubah menjadi sinyal tegangan proporsional menggunakan konverter I ke V.
Tegangan ac yang proporsional terhadap arus beban diubah menjadi dc menggunakan penyearah presisi dan diberikan ke multiplexer (MUX) yang menerima lebih dari satu input dan memberikan satu output.
Mikroprosesor mengirimkan sinyal perintah ke multiplexer untuk menyalakan saluran yang diinginkan guna menerima tegangan yang diperbaiki yang proporsional terhadap arus di sirkuit yang diinginkan.

Output dari Multiplexer diumpankan ke konverter analog ke digital (ADC) untuk memperoleh sinyal dalam bentuk digital. Mikroprosesor kemudian mengirimkan sinyal ADC untuk memulai konversi (SOC), memeriksa apakah konversi telah selesai dan setelah menerima akhir konversi (EOC) dari ADC, menerima data dalam bentuk digital. Mikroprosesor kemudian membandingkan data dengan nilai pick-up. Jika input lebih besar dari nilai pick-up, mikroprosesor mengirimkan sinyal trip ke pemutus sirkuit dari sirkuit yang diinginkan.
Jika terjadi relai arus lebih sesaat, tidak ada penundaan waktu yang disengaja dan pemutus sirkuit trip secara instan. Jika terjadi relai arus lebih terbalik normal, sangat terbalik, sangat terbalik, dan terbalik panjang, karakteristik arus-waktu terbalik disimpan dalam memori mikroprosesor dalam bentuk tabel yang disebut tabel pencarian.

Keunggulan Relai Numerik:

Ukuran Kompak: Relai Elektromekanik menggunakan perangkat pembanding mekanis, yang menjadi alasan utama ukuran relai yang besar. Relai ini menggunakan sistem tanda untuk tujuan indikasi apakah relai telah diaktifkan atau belum. Sementara Relai Numerik berukuran Kompak dan menggunakan Indikasi pada LCD untuk aktivasi Relai.
Proteksi digital secara fisik dapat lebih kecil, dan hampir selalu memerlukan lebih sedikit kabel panel daripada fungsi setara yang diimplementasikan menggunakan teknologi analog.
Fleksibilitas: Berbagai fungsi proteksi dapat dicapai dengan modifikasi yang sesuai pada perangkat lunak saja, baik dengan perangkat keras yang sama atau dengan sedikit modifikasi pada perangkat keras.
Keandalan: Peningkatan signifikan dalam keandalan relai diperoleh karena penggunaan komponen yang lebih sedikit menghasilkan lebih sedikit interkoneksi dan berkurangnya kegagalan komponen.
Kemampuan Multi Fungsi: Relai proteksi elektromekanik dan statis tradisional menawarkan fungsi tunggal dan karakteristik tunggal. Jangkauan operasi relai elektromekanik lebih sempit dibandingkan dengan relai numerik.
Berbagai jenis karakteristik relai: Dimungkinkan untuk menyediakan pencocokan karakteristik proteksi yang lebih baik karena karakteristik ini disimpan dalam memori mikroprosesor.
Pengaturan Ulang Otomatis & Diagnosis Mandiri: Relai elektromekanis tidak memiliki kemampuan untuk mendeteksi apakah kondisi normal telah tercapai setelah diaktifkan sehingga pengaturan ulang otomatis tidak memungkinkan dan harus dilakukan oleh personel yang mengoperasikan.
Sementara pada Relai Numerik, Pengaturan Ulang Otomatis Dimungkinkan
Dengan menggabungkan beberapa fungsi dalam satu kasus, relai numerik juga menghemat biaya modal dan biaya perawatan dibandingkan relai elektromekanis.
Koneksi terpisah tidak diperlukan, tegangan dan arus urutan nol dapat diturunkan di dalam prosesor.
Perangkat keras dasar dibagi antara beberapa fungsi, biaya fungsi perlindungan individual dapat dikurangi secara signifikan.
Fitur kehilangan tegangan membantu memblokir relai jika terjadi kehilangan tegangan sesaat/permanen.

Keterbatasan Relai Numerik:

Relai Numerik menawarkan lebih banyak fungsi dan presisi yang lebih tinggi. Sayangnya, hal itu tidak serta merta menghasilkan perlindungan yang lebih baik.
Relai Numerik dapat membuat keputusan yang lebih cepat. Namun, di dunia nyata, perlindungan yang lebih cepat itu sendiri tidak ada nilainya karena pemutus sirkuit masih diperlukan untuk memutus arus sesuai arah peralatan pelindung, dan kemampuan untuk membuat pemutus sirkuit memutus arus lebih cepat sangat terbatas.
Perlindungan Relai Numerik sering kali bergantung pada perangkat lunak non-eksklusif, yang membuat sistem rentan terhadap risiko peretasan.
Perlindungan Relai Numerik terkadang terpapar pada gangguan transien bersumber eksternal yang tidak akan memengaruhi teknologi konvensional.
Perlindungan Relai Numerik memiliki fungsi yang sama. Ini berarti bahwa ada mode kegagalan umum yang dapat memengaruhi beberapa elemen perlindungan. Misalnya, kegagalan catu daya atau prosesor sinyal input dapat menonaktifkan seluruh perangkat pelindung yang menyediakan banyak fungsi perlindungan yang berbeda. Masalah ini telah menerima banyak perhatian desain, dan pengalaman secara umum telah mendukung gagasan bahwa peralatan memiliki keandalan yang sangat tinggi setelah melewati tahap kematian bayi. Namun, ada hal yang perlu diperhatikan.
Relai numerik multifungsi dapat menyediakan proteksi arus lebih tiga fase, ground, dan urutan negatif terarah atau non-terarah dengan empat penutup ulang, proteksi daya maju atau mundur, kegagalan pemutus arus, frekuensi lebih/kurang, dan proteksi tegangan lebih/kurang, pemeriksaan sinkronisasi, pemantauan dan kontrol pemutus arus. Diperlukan 10 – 11 relai Solid State atau Elektromekanis fungsi tunggal dengan biaya minimal 5 hingga 6 kali lipat. Selain itu, relai numerik memiliki kemampuan Komunikasi, perekaman urutan kejadian, pelaporan kesalahan, frekuensi laju perubahan, dan fungsi pengukuran, semuanya dalam sistem terintegrasi.

Characteristic	Electro Mechanical Relay	Static Relay	Digital Relay	Numerical Relay
Technology Standard	1st generation Relays.	2nd generation Relays.	Present generation Relays.	Present generation Relays.
Operating Principle	They use principle of electromagnetic principle.	In this relays transistors and IC’s r been used	They use Microprocessor. Within built software with predefined values	They use Microprocessor. Within built software with predefined values
Measuring elements/ Hardware	Induction disc,Electromagnets, Induction cup, Balance Beam	R, L, C, Transistors, Analogue ICs comparators	Microprocessors, Digital ICs, Digital Signal Processors	Microprocessor s,Digital ICs, DigitalSignal processors
Measuring method	Electrical Qtysconverted intomechanical force, torque	Level detects,comparison withreference value in analogue Comparator	A/D conversion,Numericalalgorithmtechniques	A/D conversion,Numericalalgorithmtechniques
Surrounding Environment	Depend upon gravitation and the value changes to the surrounding magnetic fields also.	There value may vary with respect to temperature also.
Relay Size	Bulky	Small	Small	Compact
Speed of Response	Slow	Fast	Fast	Very Fast
Timing function	Mechanical clock works, dashpot	Static timers	Counter	Counter
Time of Accuracy	Temp .Dependant	Temp. Dependant	Stable	Stable
Reliability	High	Low	High	High
Vibration Proof	No	Yes	Yes	Yes
Characteristics	Limited	Wide	Wide	Wide
Requirement of Draw Out	Required	Required	Not Required	Not Required
CT Burden	High	Low	Low	Low
CT Burden	8 to 10 VA	1 VA	<0.5 VA	<0.5 VA
Reset Time	Very High	Less	Less	Less
Auxiliary supply	Required	Required	Required	Required
Range of settings	Limited	Wide	Wide	Wide
Isolation Voltage	Low	High	High	High
Function	Single Function	Single Function	Multi Function	Single Function
Maintenance	Frequent	Frequent	Low	Very Low
Resistance	100 mille ohms	10 Ohms	10 Ohms	10 Ohms
Output Capacitance	< 1 Pico Farad	> 20 Pico Farads	> 20 Pico Farads	> 20 Pico Farads
Deterioration due to Operation	Yes	No	No	No
Relay Programming	No	Partially	Programmable	Programmable
SCADA Compatibility	No	No	Possible	Yes
Operational value indication	Not Possible	Possible	Possible	Possible
Visual indication	Flags, targets	LEDs	LEDs, LCD	LEDs, LCD
Self monitoring	No	Yes	Yes	Yes
Parameter setting	Plug setting, dial setting	Thumb wheel,dual in line switches	Keypad for numeric values,through computer	Keypad for numeric values,through computer
Fault Disturbance Recording	Not possible	Not possible	possible