LAPORAN KERJA PRAKTIK
STUDI PROTEKSI GENERATOR SINKRON MGT 9 PT. CHEVRON PACIFIC INDONESIA DISTRIK MINAS
Disusun oleh :
RAYYAN 10/297681/TK/36313 HARTANTO HARTANTO PRABOWO PRA BOWO 10/296805/TK/36226
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO DAN TEKNOLOGI INFORMASI I NFORMASI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2013
HALAMAN PENGESAHAN
STUDI PROTEKSI GENERATOR SINKRON MGT 9 PT. CHEVRON PACIFIC INDONESIA DISTRIK MINAS
LAPORAN KERJA PRAKTIK
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program S-1 Pada Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada
Disusun oleh : RAYYAN 10/297681/TK/36313 HARTANTO PRABOWO 10/296805/TK/36226
Telah disetujui dan disahkan pada tanggal 13 Desember 2013 2 013
Dosen Pembimbing Kerja Praktik
Avrin Nur Widiastuti NIP. 198004032005012003
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis sampaikan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan karunia-Nya kepada seluruh makhluk-Nya, sehingga Penulis dapat menyelesaikan laporan kerja praktik ini. Tidak Tidak lupa salawat beserta salam kepada junjungan alam Nabi Muhammad SAW yang telah membawa perubahan dari masa kebodohan ke masa berilmu pengetahuan seperti saat ini. Kerja Praktik ini dilaksanakan selama satu bulan di bagian Transmission and Distribution Operation (TDO),
Departemen Power Generation and
Transmission (PGT), distrik Minas PT. Chevron Pacific Indonesi, Provinsi Riau
mulai tanggal 1 Oktober 2013 sampai dengan 1 November 2013. Laporan kerja Praktik ini diberi judul “STUDI PROTEKSI GENERATOR SINKRON MGT 9 PT CHEVRON PACIFIC INDONESIA DISTRIK MINAS ” Laporan ini disusun untuk menyelesaikan salah satu syarat akademik pada Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Dalam pelaksanaan kerja praktik dan penyelesaian laporan ini tidak lepas dari dukungan dan bantuan dari berbagai pihak, mulai dari tahap persiapan awal sampai dengan laporan ini selesai disusun. Ucapan terima kasih sebesar-besarnya disampaikan kepada seluruh pihak yang telah memberikan ilmu pengetahuan, bimbingan, arahan, dukungan, dan bantuan lainnya selama melakukan kerja praktik dan penyusunan laporan, yaitu: 1. Bapak Sarjiya S.T., M.T., Ph.D. selaku Ketua Jurusan dan Bapak Eka Firmansyah S.T., M.Eng., Ph.D. sebagai sekretaris jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada yang telah memberikan izin untuk pelaksanaan kerja praktik ini. 2. Ibu Avrin Nur Widiati, S.T., M. Eng. selaku dosen pembimbing yang turut membantu terlaksananya kerja praktik ini. 3. Orang tua serta saudara-saudara penulis atas doa, kasing sayang, dan dukungan yang diberikan selama ini.
ii
4. Mas Harry Susanto, selaku mentor penulis di PT. CPI yang di tengah kesibukannya telah menyempatkan untuk membimbing, mengarahkan, serta memberikan ilmu dan perhatiannya selama kerja praktik. 5. Bapak Elwin Nasution di HR & TS PT. CPI yang telah memberikan kesempatan kepada penulis sehingga dapat melakukan kerja praktik di PT. CPI dari awal hingga akhir. 6. Mas Bobby Hariandja, selaku mentor awal penulis yang pada akhirnya digantikan oleh mas Harry. 7. Mas Herman yang sering datang ke ruangan kerja sambil membawa informasi penting dan menarik. Salah satunya adalah tentang gangguan di generator MGT 9. 8. Pak Satrianis, Pak Jalil, Pak Joko dan semua pegawai di TDO Minas lainnya yang telah menerima kami dengan senang hati, mengajak ngobrol, masuk ke gardu induk, serta berbagi cerita lucu dan pengalaman menarik. 9. Yana, mahasiswa angkatan 2009 yang baru bekerja di PT. CPI. Cerita tentang bagaimana bisa diterima bekerja di PT. CPI itu sungguh mengispirasi. 10. Teman-teman seperjuangan KP maupun TA yang selalu berbagi cerita, canda dan tawa: Andika, Hanna, Nugraha, Ian, Frindi dan Angga. Sampai bertemu lagi di Jogja. 11. Bang Wira, orang yang selalu ada bila kami perlu taksi. Kami pasti kangen suara abang. 12. Bang Iwan Fals yang sempat datang karena diundang PT. CPI untuk menghibur kami di tengah dingin malam komplek Minas. Kehadiran abang membuat kami terlupa kalau ini adalah KP. 13. Semua pegawai Mess Hall, uni Ami, uni Vera, uni Mesyi, uni Wulan, uni Rosa, uni Nita dan abang-abangnya yang telah menghidangkan makanan sehat dan bergizi sehingga kami dapat menyelesaikan laporan ini. Kami pasti rindu Mess Hall. 14. Bapak-bapak pegawai yang bersedia meminjamkan raketnya sehingga kami bisa ikut bermain.
iii
15. Semua abang-abang driver IOT maupun bus yang senantiasa mengantar jemput. Bang Abdurahman dengan „gerilya‟-nya, bang Hardianto dengan kacamatanya, pak Sam dengan kaset Badindinnya, dan pak supir bis 12.45 dengan tikungan messhall-nya. 16. Mas room-boy yang tidak pernah bosan antar-jemput pakaian kami. 17. Semua karyawan bowling, fitnes, renang, dan billiard yang menemani kami menghabiskan waktu sore. 18. Abang-abang security TDO yang biasa ngobrol bareng sambil menunggu taksi IOT saat pulang kerja. 19. Pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah sangat membantu dalam pelaksanaan hingga selesainya kerja praktik ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam Penyusunan Laporan Kerja Praktik ini masih banyak kekurangan dan jauh dari sempurna. Untuk itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan laporan kerja praktik ini. Semoga laporan ini dapat bermanfaat nantinya bagi yang membutuhkan. Demikian segala bantuan dan kemudahan yang telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan seluruh kegiatan kerja praktik ini. Tidak lupa penulis mengucapkan terima kasih, semoga amal dan segala kebaikan Bapak, ibu dan teman-teman diterima dan dibalas oleh Allah SWT.
Minas, 31 Oktober 2013
Penulis
iv
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN.................................................................................. i KATA PENGANTAR ............................................................................................ ii DAFTAR ISI ........................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii DAFTAR TABEL ................................................................................................... x BAB I ...................................................................................................................... 1 1.1
Latar Belakang ......................................................................................... 1
1.2
Tujuan ....................................................................................................... 2
1.3
Waktu dan Tempat Pelaksanaan ............................................................... 2
1.4
Batasan Masalah ....................................................................................... 2
1.5
Metode Pengumpulan Data ...................................................................... 3
1.6
Sistematika Penulisan ............................................................................... 3
BAB II ..................................................................................................................... 5 2.1
Sejarah PT. Chevron Pacific Indonesia .................................................... 5
2.2
Lokasi dan Daerah Operasi ...................................................................... 8
2.3
Departemen Power Generation and Transmission (PGT) ....................... 9
2.3.1
Gambaran Umum .............................................................................. 9
2.3.2
Struktur Organisasi PGT ................................................................. 10
2.3.3
Transmission and Distribution Operation (TDO) .......................... 10
BAB III ................................................................................................................. 13 3.1
Generator Sinkron dalam Sistem Tenaga Listrik ................................... 13
3.1.1
Desain dan Susunan Kumparan Generator ..................................... 13
3.1.2
Pentanahan Generator ..................................................................... 14
v
3.1.3
Sistem Eksitasi/Penguatan .............................................................. 18
3.1.4
Pengaturan Gardu Pembangkitan .................................................... 21
3.2
Peralatan Proteksi ................................................................................... 26
3.2.1
Generator Stator Thermal Protection .............................................. 26
3.2.2
Field Thermal Protection................................................................. 29
3.2.3
Generator stator fault protection ..................................................... 32
3.2.4
Generator Rotor Field Protection .................................................... 43
3.2.5
Generator Abnormal Operating Conditions .................................... 45
3.3
Skema Tripping ...................................................................................... 69
3.4
Skema Proteksi yang Direkomendasikan ............................................... 72
BAB IV ................................................................................................................. 74 4.1
Sistem Proteksi Generator Sinkron Berdasarkan IEEE Std 242-2001 ... 74
4.2
Sistem Proteksi Generator Sinkron MGT 9 PT. CPI .............................. 75
4.3 Perbandingan Proteksi Generator Sinkron MGT 9 PT CPI terhadap Standar IEEE ..................................................................................................... 75 4.4
Skema Pen-trip-an Sistem Proteksi Generator MGT 9 ......................... 78
BAB V ................................................................................................................... 80 5.1
Undervoltage Relay (27) ........................................................................ 82
5.2
Reverse Power Relay (32) ...................................................................... 83
5.3
Loss of Field Relay (40) ......................................................................... 84
5.4
Negative Phase/Unbalance Overcurrent Relay (46) .............................. 86
5.5
Overvoltage Relay (59) .......................................................................... 87
5.6
Stator Temperature Relay (49S) ............................................................. 88
5.7
Breaker (52GTX) ................................................................................... 88
5.8
Voltage Balance Relay (60V) ................................................................. 88
vi
5.9
Differential Relay (87G) ......................................................................... 89
5.10
Volts/Hertz Relay (95VH) ...................................................................... 91
5.11
Generator Earth Fault Relay (64G) ....................................................... 92
5.12 Instantaneous Earth Fault Relay (64GI) ................................................ 93 5.13 Lockout Relay (86G & 86GT) ................................................................ 93 5.14
Generator Tripping Relay (94G) ............................................................ 94
5.15 Distance Relay (21) ................................................................................ 94 6 BAB VI .............................................................................................................. 96 6.1
Kesimpulan............................................................................................. 96
6.2
Saran ....................................................................................................... 97
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 98 LAMPIRAN .......................................................................................................... 99
vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 3.1 Konfigurasi kumparan ....................................................................... 14 Gambar 3.2 Sistem dengan penguat komutator generator dc ............................... 18 Gambar 3.3 Sistem dengan penguat penyearah dan penguat stasioner dan penyearah stasioner ............................................................................................... 19 Gambar 3.4 Sistem dengan penguat penyearah alternator dan penyearah (brushless exciters)................................................................................................ 20 Gambar 3.5 Sistem dengan penguat statis ............................................................ 20 Gambar 3.6 Sistem eksitasi dengan suplai internal ............................................... 21 Gambar 3.7 Konfigurasi unit generator-transformer ............................................ 23 Gambar 3.8 Konfigurasi unit generator-transformer dengan breaker generator .. 23 Gambar 3.9 Cross-compound generators ............................................................. 24 Gambar 3.10 Generator sharing a transformer .................................................... 25 Gambar 3.11 Generator terhubung langsung ke sistem distribusi ........................ 25 Gambar 3.12 Generator percentage differential relay (phase scheme) dan ground differential scheme menggunakan rele diferensial ................................................ 34 Gambar 3.13 Variable slope differential relay ..................................................... 35 Gambar 3.14 self-balancing protection scheme .................................................... 36 Gambar 3.15 Overall differential scheme dari proteksi backup ganguan fase generator ................................................................................................................ 37 Gambar 3.16 Persentase kumparan stator yang tidak terproteksi oleh rele diferensial untuk gangguan fase ke tanah ............................................................. 39 Gambar 3.17 Proteksi gangguan tanah generator untuk high-impedance-grounded generator ............................................................................................................... 40 Gambar 3.18 Proteksi gangguan tanah dengan zigzag grounding bank ............... 42 Gambar 3.19 Field ground-fault protection menggunakan sumber dc ................. 44 Gambar 3.20 Field ground fault protection menggunakan pembagi tegangan .... 44
viii
Gambar 3.21 Karakteristik rele impedans loss-of-field menggunakan rele jarak offset mho ............................................................................................................. 47 Gambar 3.22 Proteksi loss-of-excitation menggunakan rele impedans, direksional, dan undervoltage ................................................................................................... 48 Gambar 3.23 Karakteristik rele electromechanical negative-sequence overcurre nt generator dan batas I 22t generator ....................................................................... 51 Gambar 3.24 Characteristic of static negative-sequence overcurrent relay showing generator I 22t limits ................................................................................. 52 Gambar 3.25 Aplikasi sistem rele backup untuk pengaturan generator-trafo ....... 58 Gambar 3.26 Aplikasi sistem rele backup pada generator yang terhubung langsung ke sistem ................................................................................................................ 59 Gambar 3.27 Diagram fungsional skema kegagalan breaker di zona generator ... 62 Gambar 3.28 Aplikasi rele voltage-balance.......................................................... 63 Gambar 3.29 Typical protective relay scheme untuk generator berkapasitas besar ............................................................................................................................... 73 Gambar 5.1 Sequential trip control logic ............................................................. 83 Gambar 5.2 Karakteristrik rele offset mho ........................................................... 85 Gambar 5.3 Perbandingan karakteristik setting rele mho MGT 9 terhadap standar IEEE C37.102 ....................................................................................................... 86 Gambar 5.4 typical excitation curves for multi-ratio C class CTs........................ 91 Gambar 5.5 Elemen rele jarak pada bidang RX .................................................... 95
ix
DAFTAR TABEL Tabel 3-1 Continuous and short-time unbalanced current capability of generator ............................................................................................................................... 50 Tabel 3-2 Maximum motoring power untuk penggerak mula ............................... 55 Tabel 3-3 Trip-logic table ..................................................................................... 70 Tabel 4-1 Tabel perbandingan proteksi generator MGT 9 terhadap standar IEEE Std. 242-2001 ........................................................................................................ 75 Tabel 4-2 Skema pen-trip-an sistem proteksi generator MGT 9........................... 78 Tabel 5-1 Parameter Generator Sinkron MGT 9................................................... 80 Tabel 5-2 Parameter Transformer 9 MNS ............................................................ 81
x
1BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Perguruan Tinggi adalah sebuah institusi yang merupakan wadah awal untuk seorang mahasiswa dalam mendapatkan ilmu pengetahuan yang berfungsi untuk membekali diri ketika memasuki dunia praktis atau industri nantinya. Akan tetapi, kegiatan perkuliahan saja tidaklah cukup untuk mempersiapkan seorang mahasiswa ke dunia kerja tanpa disertai pengalaman di lapangan kerja nyata / industri dan pengenalan akan ruang lingkup pekerjaan di lapangan dengan cara langsung terjun ke lapangan. Pentingnya pengalaman kerja di dunia industri dan pengenalan ruang lingkup pekerjaan inilah yang mendasari Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada mewajibkan setiap mahasiswanya mengikuti Kerja Praktik. Melalui kegiatan Kerja Praktik ini mahasiswa diharapkan dapat memperdalam berbagai materi yang telah didapatkan di bangku kuliah dan mengaplikasikannya dalam proses nyata di lapangan. Kerja praktik ini dilaksanakan di PT. Chevron Pacific Indonesia yang mana merupakan salah satu perusahaan minyak di Indonesia yang memiliki sistem tenaga listrik sendiri dalam operasi produksinya. Sebagai perusahaan besar, kebutuhan tenaga listrik sangatlah diperlukan untuk mendukung segala sistem operasional
produksi
minyak.
Energi
listrik
yang
dibangkitkan
untuk
menggerakkan pompa-pompa sumur minyak, pengoperasian stasiun – stasiun pengumpul hasil produksi (gathering station), dan mendukung kelistrikan di kantor-kantor dan rumah-rumah. Kurang lebih 95% beban kelistrikan yang harus dilayani oleh PT. Chevron Pacific Indonesia berupa motor atau pompa untuk mengeksplorasi dan memproduksi minyak yang mana kehandalan sistem tenaga listriknya dituntut sesempurna mungkin dan kalaupun ada gangguan harus ditanggulangi secara cepat. Bisa dibayangkan berapa kerugian yang akan diderita jika terjadi gangguan di pompa-pompa sumur minyak sehingga proses produksi terhambat.
1
Terdapat banyak jenis gangguan yang terjadi dalam sistem kelistrikan, baik di beban, sistem distribusi, sistem transmisi, maupun pada pembangkit. Diantara beberapa jenis tersebut, gangguan yang terjadi pada pembangkit khususnya generator merupakan yang paling banyak jenis gangguan dan paling rumit sistem proteksinya. Hal tersebutlah yang menjadikan ketertarikan bagi penulis untuk mempelajari dan membahas lebih lanjut mengenai sistem proteksi generator yang diterapkan di PT CPI dan bagaimana kesesuaiannya apabila dibandingkan dengan standar IEEE C37.102. 1.2
Tujuan
Selain untuk memenuhi salah satu mata kuliah wajib bagi mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Universitas Gadjah Mada, kerja prakrik ini memeiliki tujuan utama yaitu: a.
Mengetahui sistem kelistrikan di PT Chevron Pacific Indonesia.
b.
Mengetahui sistem proteksi generator yang diterapkan di PT CPI dan bagaimana kesesuaiannya terhadap standar IEEE.
c.
Menambah pengetahuan mengenai bagaimana sistem proteksi yang digunakan pada generator.
1.3
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Kerja Praktik ini dilaksanakan terhitung sejak tanggal 1 Oktober 2013 sampai dengan 1 November 2013 pada bagian Transmission and Distribusion Operation (TDO), Departemen Power Generation and Transmission (PGT), PT.
Chevron Pacific Indonesia, distrik Minas, Provinsi Riau. 1.4
Batasan Masalah
Masalah yang akan dijadikan studi pada laporan kerja praktik ini terbatas pada proteksi generator MGT 9, berupa meninjau bagaimana proteksi yang diterapkan pada generator tersebut dan dengan membandingkannya dengan standar IEEE C37.102.
2
1.5
Metode Pengumpulan Data
Dalam penulisan kerja praktik ini digunakan beberapa metode untuk mendapatkan data-data yang diperlukan sebagai pedoman dalam menulis laporan kerja praktik ini. Metodemetode tersebut adalah : 1. Wawancara Dengan cara mengadakan tanya jawab secara langsung kepada pembimbing dan para staff karyawan TDO Minas 2. Studi lapangan Dengan cara melakukan pendampingan langsung atas aktivitas yang dilakukan pembimbing maupun para staff di TDO Minas dalam melakukan tugas lapangan. 3. Studi literatur Melakukan pencarian informasi melalui buku-buku bacaan dan product manual yang diberikan oleh pembimbing lapangan serta para staff di TDO
Minas serta mencari informasi di internet yang mendukung terhadap pembuatan laporan kerja praktik ini. 1.6
Sistematika Penulisan
Untuk memberi gambaran secara garis besar, dalam hal ini dijelaskan isi dari tiap-tiap bab dari laporan ini, maka sistematika penulisan dalam pembuatan laporan ini adalah sebagai berikut: BAB I Pendahuluan Berisi tentang latar belakang kerja praktik, tujuan, batasan permasalahan, waktu
dan tempat pelaksanaan, metode pengumpulan data dan sistematika penulisan. BAB II Profil Perusahaan Berisi tentang gambaran umum PT Chevron Pacific Indonesia mengenai sejarah,
Departemen PGT khususnya unit TDO.
3
BAB III Dasar Teori
Berisi mengenai penjelasan-penjelasan mengenai generator sinkron baik susunan kumparan, sistem eksitasi, dan sistem pentanahan. Juga berisi penjelasan mengenai sistem proteksi pada generator baik berupa jenis gangguan dan peralatan proteksi untuk mencegah agar gangguan tidak merusak peralatan. BAB IV Perbandingan Sistem Proteksi Generator MGT 9 terhadap Standar IEEE C37.102
Berisi mengenai peralatan proteksi apa saja
yang diterapkan pada generator
MGT 9 dengan meninjau kesesuaiannya terhadap peralatan proteksi yang direkomendasikan oleh standar IEEE C37.102. BAB V Perhitungan Pengaturan Peralatan Proteksi Generator MGT 9 terhadap Standar IEEE C37.102
Berisi paparan bagaimana pengaturan peralatan proteksi generator MGT 9 saat ini dan membandingkannya dengan perhitungan pada IEEE C37.102 sehingga diketahui apakah pengaturan tersebut sudah sesuai atau tidak. BAB VI Penutup
Berisi tentang kesimpulan dan saran bagi PT Chevron Pacific Indonesia, khususnya pada bagian TDO Minas.
4
2BAB II PROFIL PERUSAHAAN 2.1
Sejarah PT. Chevron Pacific Indonesia
PT. Chevron Pacific Indonesia (PT. CPI) merupakan salah satu kontraktor bagi hasil ( Production Sharing Contract ) yang merupakan salah satu unit usaha perusahaan minyak Amerika yaitu Chevron Corporation. PT. CPI adalah salah satu unit bisnis di bawah wilayah IndoAsia Business Unit . Sejarah PT. CPI berawal pada Maret 1924, dimana pada waktu itu dilakukan upaya pencarian minyak oleh tim geologi Chevron Corporation (saat itu bernama Standard Oil Company of California -SOCAL) yang dipimpin oleh Emerson M.
Butterworth di daerah Sumatera, Jawa Timur, Kalimantan Timur, dan wilayah Papua. Pada tahun 1930, pemerintahan Hindia Belanda menyetujui permintaan SOCAL untuk memperoleh hak eksplorasi dengan cara menunjuk SOCAL sebagai minority partner dari suatu perusahaan yang didirikan oleh pemerintahan Hindia Belanda pada Bulan Juni 1930 dengan nama N.V. Nederlandsche Pacific Petroleum Maatschappij (NPPM) untuk melakukan eksplorasi di Papua.
Pada tahun 1935, NPPM mendapat tawaran daerah seluas 600.000 hektar di Sumatera bagian tengah yang belum layak dieksplorasi dan dianggap kurang memberikan harapan. Walaupun bukan daerah yang dikehendaki SOCAL namun tawaran tersebut diterima juga. Pada tahun 1936, Chevron dan TEXACO Inc. mendirikan kelompok perusahaan minyak bersama yang dinamakan California Texas Petroleum Corporation (CALTEX). Pemberian kontrak Caltex di Propinsi
Riau dimulai dengan diterimanya tawaran Pemerintahan Hindia Belanda tersebut. Setelah eksplorasi geofisika (Juni 1937), maka dilakukan pengeboran perdana pada area Kubu-1 (1938-April 1939) dan memeroleh indikasi gas di Rantaubais. Daerah-daerah migas yang ditemukan adalah: 1. Sebanga (Agustus 1936) sebagai sumur perdana 2. Rantaubais (November 1940) 3. Duri (1941)
5
Maka ditandatangani kontrak 5A untuk daerah Rokan I pada tanggal 2 April 1941 dengan pemasangan mercubor pertama di Minas-1, di mana pada waktu itu Indonesia diperintah oleh pendudukan Jepang. Namun pada masa itu terjadi Perang Dunia II yang menyebabkan terhentinya seluruh kegiatan eksplorasi minyak dan meninggalkan peralatan pengeboran seharga US$ 1 juta. Pada tahun 1944, dengan memanfaatkan peralatan
yang
ditinggalkan
sebelumnya,
tentara
Jepang
menyelesaikan
pengeboran eksplorasi Minas-1 pada lokasi yang sebelumnya dipilih dan dipersiapkan oleh Caltex. Ini merupakan satu-satunya sumur wildcat di Indonesia selama Perang Dunia II dengan kedalaman minyak 2623 ft (787,5 m). Setelah Perang Dunia II pada tahun 1957 Presiden Soekarno mengeluarkan perintah untuk menasionalisasikan perusahaan penghasil minyak di Indonesia yang dimilik oleh Belanda walaupun perintah Presiden Soekarno itu hanya terbatas pada perusahaan penghasil minyak Belanda, namun secara tidak langsung keputusan itu mengancam kedudukan Caltex sebagai salah satu perusahaan penghasil minyak asing terbesar di Indonesia. Pada tahun 1950-an Caltex telah menginvestasikan modalnya lebih dari US$50 juta di Indonesia. Selain itu ditemukan ladang minyak di Minas yang terbukti memiliki potensi sebagai penghasil minyak terbesar di dunia. Menjelang tahun 1958, produksi minyak Caltex telah mencapai 200.000 barel/hari. Kegiatan Caltex dilanjutkan dengan pengembangan lapangan Minas. Pada tanggal 20 April 1952, Menteri Perekonomian Sumanang, SH meresmikan selesainya proyek pengembangan lapangan Minas yang ditandai dengan pengapalan pertama Minas Crude Oil dari Perawang menuju Pakning di Selat Malaka untuk selanjutnya diekspor ke pasar dunia. Pada tahun 1957, dimulai proyek perluasan I meliputi pengembangan lapangan Duri, pembangunan jalan raya dan pemasangan pipa saluran minyak dari Minas melintasi rawa ke Dumai. Proyek ini juga mencakup pengembangan stasiun-stasiun pengumpul dan stasiun pompa pusat di Duri, serta kompleks perumahan dan perbengkelan di Duri maupun di Dumai dan diresmikan pada tanggal 15 Juni 1958 oleh Menteri Perindustrian Ir. F.J. Inkiriwang. Sejak saat itu
6
produksi Caltex diekspor melalui Dumai. Dalam rangka proyek perluasan I diselesaikan
juga
jembatan
ponton
yang
melintasi
sungai
Siak
dan
menghubungkan Pekanbaru dengan Rumbai. Dengan adanya jembatan Siak ini terwujudlah jalan lintas pulau yang pertama di Sumatera, merentang sepanjang 500 km dari Padang ke Dumai. Upaya menasionalisasikan perusahaan minyak asing di Indonesia diatur dalam Undang-Undang No. 44 tahun 1960. Berdasarkan undang-undang tersebut, ditetapkan bahwa semua kegiatan penambangan minyak dan gas bumi di Indonesia hanya dilakukan oleh perusahaan minyak negara (PERTAMINA). Pada tahun 1963, PT CPI menjadi badan hukum di Indonesia dengan pemilikan saham masing-masing 50% SOCAL dan 50% TEXACO. Pada tahun 1970, dimulai proyek perluasan II yaitu pengembangan lapangan Bangko dan Kota Batam. Dengan berlakunya Undang-Undang No. 44 tahun 1960 maka wilayah NPPM yang disebut Rokan I Block dan Rokan II Block seluas 9.030 km2 dikembalikan kepada Pemerintah Republik Indonesia dan kegiatan NPPM kemudian dilanjutkan oleh PT. CPI hingga sekarang. Perjanjian karya PT. CPI dengan Perusahaan Negara Pertamina pada bulan September 1963 kemudian memperoleh ratifikasi DPR RI, meliputi Rokan I dan III. Pada tahun 1968 ditambahkan empat area baru (Sebanga, Minas Tenggara, Libo Tenggara, dan Libo Barat Laut) sehingga luas kerja PT. CPI seluruhnya menjadi 9.898 km2. Sejak
1983
PT.
CPI
berstatus
sebagai
Kontraktor
Bagi
Hasil
(KPS)/ Production Sharing Contract (PSC) yang beberapa wilayah konsesinya akan berakhir di tahun 2021. Saat ini kegiatan PT. CPI di Propinsi Riau meliputi kawasan sekitar 31.700km2. Pada bulan Oktober 2005, ketika terjadi penggabungan (merger ) antara Chevron dengan Unocal, PT. Caltex Pacific Indonesia resmi berganti nama menjadi PT. Chevron Pacific Indonesia hingga sekarang ini.
7
2.2
Lokasi dan Daerah Operasi
Daerah kerja PT CPI yang pertama seluas hampir 10.000 km2 dikenal dengan nama Kanggaroo Block terletak di Kabupaten Bengkalis. Selain mengerjakan daerahnya sendiri PT. CPI juga bertindak sebagai operator bagi Calastiatic/Chevron dan Topco/Texaco (C&T). Pada bulan September 1963,
ditandatangani perjanjian C&T yang pertama (berdasarkan Perjanjian Karya) untuk jangka waktu 30 tahun, meliputi 4 daerah seluas 12.328 km2 yang dikenal dengan Blok A, B, C dan D. Setelah mendapat tambahan daerah seluas 4.300 km2, maka pada tahun 1968 sebagian Blok A, sebagian Blok D, dan seluruh Blok C diserahkan pada Pemerintah Republik Indonesia. Pengembalian daerah-daerah berikutnya dilakukan pada tahun 1973 dan 1978 sehingga tersisa 8.314 km2. Pada bulan Agustus 1971, C&T menandatangani Perjanjian Coastal Plains Pekanbaru Block seluas
21.975
km2.
Kemudian
bulan
Januari
1975,
menandatangani Perjanjian Mountain Front Kuantan Block seluas 6.865 km2. Setelah dilakukan pengembalian beberapa bagian daerah kerja secara bertahap, sekarang Coastal Plain Pekanbaru tinggal 9.996 km2. Antara tahun 1979-1991, C&T menandatangani lima perjanjian lagi, yaitu: 1.
Tahun 1979, Perjanjian Patungan ( Joint Venture) dengan Pertamina (Jambi Selatan Blok B) seluas 5.826 km2 sudah dikembalikan seluruhnya tahun 1988.
2.
Tahun 1981, KPS Singkarak Blok seluas 7.163 km2 di Sumatera Barat (telah dikembalikan seluruhnya pada Juni 1984)
3.
Tahun 1981, KPS Langsa Blok seluas 7.080 km2 di Selat Malaka di lepas Pantai Sumatera Utara dan Daerah Istimewa Aceh (juga dikembalikan seluruhnya pada Mei 1986)
4.
Tahun 1991, KPS Nias Blok seluas 16.116 km2.
5.
Perpanjangan Kontrak Karya kedalam bentuk KPS untuk Siak Blok seluas 8.314 km2 berlaku 20 tahun sejak 28 November 1993.
8
Berdasarkan luas operasi dan kondisi geografis yang ada serta pertimbangan efisiensi dalam pengoperasian maka PT. CPI membagi lokasi daerah operasi menjadi 5 distrik yaitu : 1)
Distrik Jakarta sebagai pusat administrasi keseluruhan.
2)
Distrik Rumbai sebagai pusat administrasi wilayah operasi PT. CPI di Sumatera.
3)
Distrik Minas sebagai daerah operasi (sekitar 30 km dari distrik Rumbai).
4)
Distrik Duri sebagai daerah operasi (sekitar 112 km dari distrik Rumbai).
5)
Distrik Dumai sebagai tempat pelabuhan untuk pemasaran/pengapalan minyak mentah (sekitar 184 km dari distrik Rumbai) arah timur laut.
2.3 2.3.1
Departemen Power Generation and Transmission (PGT) Gambaran Umum
Untuk menjalankan semua mesin – mesin produksi PT. CPI, baik pompa angguk maupun ESP ( Electrical Submersible Pump) serta peralatan listrik lainnya, diperlukan energi dalam jumlah yang cukup besar. Untuk memenuhi kebutuhan ini, PT. CPI memiliki departemen khusus yang menangani masalah kelistrikan yanng terdiri dari pembangkitan, transmisi, dan distribusi. Sampai tahun 1968, sebagian besar dari kebutuhan listrik PT. CPI diperoleh dari puluhan buah enginator (perpaduan mesin dan generator) yang tersebar disetiap lokasi dengan kapasitas sekitar 60 kW. Pada saat itu sistem enginator masih dirasakan efisien memasok energi listrik yang dibutuhkan untuk menggerakkan pompa di sumur pengeboran. Melihat perkembangan sumur minyak yang menggunakan pompa semakin banyak di lokasi yang berjauhan, manajemen PT. CPI membuat sebuah sistem tenaga listrik yang lebih 8 handal dibandingkan dengan hanya mengandalkan enginator. Pada tahun 1969 diresmikan pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) Duri yang terdiri dari 2 unit generator turbin gas Sulzer buatan Swiss dengan kapasitas masing – masing 10 MW. Dengan beroperasinya PLTG Duri ini, maka lahirlah sebuah departemen baru di PT. CPI dengan nama Power Generation and Transmission (PGT) yaitu sebuah departemen yang bertugas
9
memberikan tenaga listrik dan menghasilkan uap melalui pemanfaatan panas dari gas buang turbin untuk mendukung kebutuhan RG-SBU. Departemen PGT yang bernaung di dalam Divisi Support Operation mengemban tugas sebagai berikut: 1. Membangkitkan daya listrik yang cukup dan berkesinambungan secara efisien guna memenuhi pertumbuhan beban di PT. CPI. 2. Mencatu daya listrik yang andal dan baku guna memenuhi kebutuhan operasi PT. CPI. 3. Memanfaatkan gas buang panas dari turbin – turbin gas di Central Duri secara maksimal untuk menghasilkan uap guna kebutuhan operasi Duri Steam Flood. 4. Mempertahankan keselamatan kerja yang tinggi. 2.3.2
Struktur Organisasi PGT
Dalam struktur organisasi perusahaan, PGT termasuk salah satu departemen yang bernaung di bawah Support Operation SBU. Sejalan dengan misi yang digariskannya, PGT memiliki misi sebagai berikut : “ Memberikan tenaga listrik
dan menghasilkan uap melalui pemanfaatan panas dari gas buang turbin untuk mendukung kebutuhan RG&SBU dan lainnya dengan menjunjung tinggi kepentingan pelanggan, pengendalian mutu terpadu serta keselamatan, kesehatan, dan lingkungan kerja” . PGT memiliki sub – sub bagian, yaitu:
1. Administrator 2. Planning and Development 3. Power Generation and Operation (PG&O) 4. Transmission and Distribution Operation (TDO) 5. Gas Turbine Maintenance (GTM) 2.3.3
Transmission and Distribution Operation (TD O) Merupakan salah satu team di PGT yang bertanggung jawab dalam pengiriman
dan pendistribusian tenaga listrik yang dihasilkan oleh unit pembangkit ke beban, seperti pompa9 pompa di sumur-sumur minyak, mesin-mesin industri penyangga, penerangan jalan, perkantoran dan perumahan. Selain itu, TDO juga mempunyai
10
tugas lain, yaitu memelihara dan memperbaiki jaringan transmisi dan distribusi di PT. CPI. Kegiatan yang dilakukan TDO dalam rangka menjalankan tanggung jawabnya dapat digolongkan menjadi beberapa kategori, yaitu:
1.
Patroli Jaringan Kegitatan yang dilakukan adalah memeriksa jaringan transmisi dan
distribusi , mengirimkan informasi jika terjadi kerusakan pada jaringan yang dapat menimbulkan ganggua, untuk diperbaiki. 2.
Perbaikan dan Perawatan Jaringan ( Line Maintenance) Aktivitas yang dilakukan adalah memeriksa dan memperbaiki jaringan
transmisi dan distribusi di PT. CPI, selain itu line maintenance juga bertugas melaksanakan commisioning untuk instalasi yang baru dan menghubungkannya dengan jaringan yang sudah beroperasi. Dalam melaksanakan tugas perbaikan tersebut, harus diperhitungkan dampak kehilangan produksi dari sumur-sumur minyak produksi. Jika pekerjaan perbaikan tersebut dianggap mengganggu produksi minyak, maka akan dilakukan pekerjaan dalam keadaan bertegangan ( Hotlline Work ), yaitu pekerjaan pada jaringan yang tetap mengalirkan tenaga listrik ke beban. 3.
Pemeliharaan gardu induk (Sub-station Maintenance ) Kegiatan yang dilakukan adalah memasang, memelihara, dan memperbaiki
seluruh peralatan yang terpasang pada gardu induk, seperti OCB, trafo, dan lain sebagainya. Karena unit kerja yang harus ditangani TDO sangat luas, tim ini dibagi berdasarkan daerah operasinya. Tiap-tiap wilayah dipimpin oleh satu orang manager tim (team manager ). Ada empat unit TDO dalam departemen, yaitu: 1. TDO Bekasap: meliputi daerah Bekasap/Petani, Libo, Bangko/Balam & sekitarnya 2. TDO Duri: meliputi Duri field, Kulim, distrik Dumai dan sekitarnya 3. TDO Minas: meliputi distrik Minas, Minas field, dan sekitarnya 4. TDO Rumbai: meliputi distrik Rumbai, Pedada, Petapahan, dan sekitarnya
11
12
3BAB III DASAR TEORI 3.1 3.1.1
Generator Sinkron dalam Sistem Tenaga Listrik Desain dan Susunan Kumparan Generator
Kumparan stator pada generator sinkron 3-fase terdiri dari sejumlah koil belitan tunggal atau banyak yang terhubung seri membentuk rangkaian satu-fase. Salah satu atau beberapa rangkaian ini dihubungkan paralel untuk membentuk sebuah kumparan fase yang lengkap. Kumparan fase biasanya terhubung wye dengan netral ditanahkan melalui beberapa impedans eksternal. Kumparan fase yang terhubung delta terkadang digunakan tapi ini bukanlah hal yang biasa dilakukan. Gambar 3.1 memperlihatkan hubungan dan susunan kumparan yang mungkin dilakukan. Susunan kumparan yang ditunjukkan oleh bagian a) dan b) pada gambar 3.1 adalah konfigurasi yang biasa digunakan untuk semua tipe generator. Ketika lebih dari satu rangkaian digunakan oleh tiap fase seperti yang ditunjukkan bagian b) pada gambar 3.1, rangkaian tersebut akan terhubung secara paralel di dalam mesin dan dua kawat terhubung ke sambungan luar. Umumnya, sampai dengan tiga trafo arus (CT) tersedia pada tiap ujung kumparan fase baik untuk tujuan instrumentasi maupun operasi relay. Bagian c) pada gambar 3.1 memperlihatkan konstruksi kumparan ganda terhubung wye yang terkadang digunakan di turbin generator uap berukuran besar. Tiap fase memiliki dua kumparan terpisah yang terhubung secara eksternal membentuk dua hubungan wye. Terminal tegangan tinggi dari tiap fase dihubungkan paralel untuk membentuk satu output tiga-fase. Hubungan wye terpisah dipasang pada ujung netral tiap kumparan. Secara fisik biasanya berada di sisi yang berlawanan dari suatu mesin. Susunan ini terkadang ada pada mesin double-ended, 12-bushing dan digunakan saat total arus fase beban penuh
melebihi kemampuan hantar arus bushing -nya. Bushing pada tiap ujung kumparan mampu menampung tiga CT.
13
Pada generator yang terhubung delta, kemungkinan ada satu atau lebih rangkaian yang diparalel pada tiap fasenya dengan dua kawat terhubung ke sambungan luar. CT dapat berada di dalam delta, di luar delta, atau keduanya.
Gambar 3.1 Konfigurasi kumparan
3.1.2
Pentanahan Generator
Pada praktiknya, semua jenis generator ditanahkan melalui beberapa bentuk impedans eksternal. Tujuan dari pentanahan ini adalah untuk membatasi tekanan mekanik (mechanical stresses) dan kerusakan akibat gangguan ( fault damage) di dalam mesin, membatasi tegangan transien selama terjadi gangguan, dan memberikan cara untuk mendeteksi gangguan tanah di dalam mesin. Jenis pentanahan dapat dikategorikan menjadi empat, yaitu sebagai berikut: a) High-impedance grounding b) Low-resistance grounding
14
c) Reactance grounding d) Grounding-transformer grounding Pentanahan solid netral generator tidaklah umum digunakan karena pada praktiknya dapat menyebabkan tekanan mekanik yang tinggi dan kerusakan akibat gangguan yang berlebih. Berdasarkan IEEE Std C50.13, maksimum tekanan normal yang bisa ditahan oleh generator adalah saat terjadi gangguan tiga fase di teminal. Karena impendans urutan nol yang relatif rendah dan sudah menjadi sifat bawaan pada kebanyakan generator sinkron, suatu gangguan solid phase-to ground pada terminal mesin akan menghasilkan arus kumparan yang lebih tinggi
daripada saat terjadi gangguan tiga fase. Kemudian, untuk memenuhi standar ini, generator ditanahkan dengan suatu cara sehingga dapat membatasi arus gangguan fase ke tanah sehingga besarnya menjadi sama dengan, atau kurang dari besar arus gangguan tiga fase. Generator jarang dioperasikan tanpa pentanahan, karena dengan demikian akan membatasi arus gangguan fase ke tanah dengan sangat baik dan juga mengurangi kemungkinan kerusakan yang bisa terjadi pada mesin, tetapi hal ini akan menghasilkan tegangan lebih transien (transient overvoltages) yang cukup besar selama terjadi gangguan dan juga membuat lokasi gangguan sulit ditemukan.
H igh-I mpedance Grounding Dua metode pentanahan high-impedance yang digunakan sekarang: highresistance grounding dan ground fault neutralizer grounding. Pada kedua metode
tersebut, sisi primer trafo distribusi dihubungkan diantara netral generator dan ground , dengan rating kumparan sekunder adalah 120 V atau 240 V. Perlu
diperhatikan bahwa trafo distribusi dengan sekering internal atau circuit breaker tidak boleh digunakan, karena dapat terbuka sewaktu-sewaktu sehingga skema pentanahan dan proteksinya bisa tidak beroperasi saat terjadi gangguan. a) High-resistance grounding Metode ini menggunakan sebuah resistor yang terhubung melewati sekunder trafo distribusi untuk membatasi arus gangguan tanah maksimum.
15
Resistor dipilih sedemikian rupa agar selama gangguan satu-fase ke tanah pada terminal generator, disipasi daya pada resistor adalah sama dengan, atau lebih dari, tiga kalinya total kapasitif kVA urutan nol ke tanah. Kapasitif kVA ke tanah meliputi kumparan generator dan semua peralatan lain yang terhubung dengan terminal mesin. Dengan rating resistor ini, tegangan lebih transien selama terjadi gangguan akan dijaga pada nilai yang aman. Untuk gangguan satu-fase ke tanah pada terminal mesin, arus gangguan primer akan dibatasi pada suatu nilai sekitar 3 A sampai 25 A. Jika memungkinkan, level arus gangguan tanah harus dipilih agar bisa berkoordinasi dengan sekering primer (ketika digunakan) dari hubungan wye-wye trafo tegangan (VT) dengan netral yang ditanahkan ( grounded neutrals). b) Ground fault neutralizer grounding (tuned inductive reactor) Metode ini menggunakan sebuah reaktor yang dapat diatur untuk membatasi arus gangguan tanah maksimum. Nilai ohmik dari reaktor sekunder ini dipilih sedemikian rupa sehingga ketika dibawa ke rangkaian primer, reaktansnya sama dengan sepertiga dari total reaktans kapasitif urutan nol. Reaktans kapasitif ini meliputi generator dan semua peralatan yang terhubung sampai ke terminal generator dan juga kumparan hubungan delta dari trafo step-up utama serta station service. Tipe pentanahan ini membatasi arus gangguan satu-fase ke tanah sampai
1 A atau kurang. Arus gangguan yang rendah ini tidak akan menghasilkan busur api atau menyebabkan kerusakan hingga ke inti besi stator. Oleh karena itu, ground fault neutralizer grounding memungkinkan untuk mendeteksi impedans
tanah yang lebih tinggi daripada yang bisa dideteksi oleh high-resistance grounding . Selain itu juga dapat digunakan dengan semua instalasi unit sistem
dengan satu generator terhubung melalui trafo step-up wye delta ke sistem.
Low-R esistance Gr ounding Pada metode ini, sebuah resistor dihubungkan langsung diantara netral generator dan ground. Resistor dipilih untuk memberikan cukup arus untuk kepentingan selective ground relaying beberapa mesin, feeder, atau keduanya. Pada umumnya, resistor pentanahan dipilih untuk membatasi kontribusi generator
16
terhadap gangguan satu-fase ke tanah di terminalnya pada nilai 200 A hingga 150% arus beban penuh. Biaya dan ukuran resistor menghalangi penggunaan resistor untuk membatasi arus di bawah 200 A atau untuk memperbolehkan mengalirnya arus di atas arus rated mesin. Metode ini biasanya digunakan dimana dua atau lebih generator terhubung ke sistem melalui satu trafo step-up atau generator terhubung langsung ke sistem distibusi yang memiliki sumber impedans pentanahan yang rendah pada bus generator.
Reactance Grounding Metode ini menggunakan reaktans induktif diantara netral generator dengan ground. Reaktans induktif dipilih untuk menghasilkan rasio X 0 /X 1 pada terminal mesin dalam batasan 1 sampai 10. Pada praktik biasanya untuk menjaga sistem pentanahan secara efektif dengan menjaga rasio X 0 /X 1 pada 3 atau kurang, lihat IEEE Std C62.92.2. Metode pentanahan semacam ini menghasilkan level arus gangguan fase ke tanah yang relatif yang mendekati 25% sampai 100% besar arus gangguan 3-fase. Metode ini umumnya digunakan ketika generator terhubung secara langsung ke sistem distribusi yang ditanahkan secara solid (solidly grounded ).
Grounding Transformer Grounding Metode
ini
melibatkan
penggunaan
trafo
pentanahan
(grounding
transformer ) yang dihubungkan ke terminal mesin atau ke bus generator.
Pentanahan memungkinkan tersedia oleh sebuah trafo zigzag, trafo grounded wyedelta, atau oleh trafo grounded wye-broken delta dengan resistor terhubung
melewati sudut broken delta. Ketika trafo zigzag atau grounded wye-delta digunakan, impedans pentanahan efektif dipilih agar memberikan cukup arus untuk kepentingan selective ground relaying . Trafo grounded wye-delta dengan resistor terhubung melewati sudut broken delta dapat digunakan sebagai cara untuk mendeteksi gangguan tanah pada generator ungrounded-wye atau generator delta-connected .
17
3.1.3
Sistem Eksitasi/Penguatan
Terdapat empat tipe dasar sistem eksitasi yang digunakan untuk mengendalikan output mesin ac: penguat komutator-generator dc, penguat penyearah alternator dengan sistem penyearah stasioner, penguat penyearah alternator dengan sistem penyearah berputar, dan sistem penguatan statis. Berdasarkan waktu respon, sistem eksitasi dibagi menjadi dua kategori: berputar (rotating ) atau statis ( static). Penguat berputar (rotating exciter ) merespon lebih lambat daripada penguat statis ( static exciter ). Kecepatan respon sistem eksitasi biasa dinyatakan dalam respon nominal, yang mengindikasikan kecepatan respon selama periode 5 sekon setelah 20% pengurangan mendadak pada tegangan terminal generator. Penguat berputar memiliki respon nominal sebesar 0.5 pu sampai 1.0 pu exciter volt per sekon. Penguat statis memiliki respon nominal sebesar 2.5 pu sampai 3.5 pu exciter volt per sekon. Sistem dengan Penguat Komutator-Generator dc
Gambar 3.2 menunjukkan skema dari bagian primer sistem ini. Pada sistem ini, sinyal kontrol dc diberikan oleh excitation control ke medan stasioner dari penguat dc. Bagian yang berputar dari penguat kemudian menyuplai arus searah melalui breaker medan ke kumparan medan generator ac utama. Jangkar berputar (rotating armature) penguat dc diputar oleh poros yang sama dengan medan utama berputar (rotating main field ) generator atau bisa juga pada poros yang terpisah (motor-driven). Pada kasus lain, diperlukan komutator dc pada penguat dan sikat serta diperlukan cincin kolektor (collector rings) pada medan generator berputar untuk mengalirkan arus medan generator utama. Sistem ini hanya digunakan pada mesin yang kecil atau sudah tua.
Gambar 3.2 Sistem dengan penguat komutator generator dc
18
Sistem dengan Penguat Penyearah Alternator dan Penyearah Stasioner
Untuk menghilangkan masalah komutasi arus yang tinggi untuk mesin berukuran sedang dan besar, penguat dc digantikan oleh alternator. Sistem seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.3 menggunakan sebuah alternator dengan kumparan medan dc berputar dikendalikan dari poros generator ac utama. Arus untuk kumparan medan ini diperoleh dari excitation control melalui sikat dan cincin kolektor. Output ac tiga-fase dari alternator kemudian disearahkan melalui dioda bridge tiga-fase dan output arus searah diberikan ke kumparan generator melalui sikat dan cincin kolektor.
Gambar 3.3 Sistem dengan penguat penyearah dan penguat stasioner dan penyearah stasioner
Sistem dengan Penguat Penyearah Alternator dan Penyearah Berputar (Brushless E xciters)
Sistem pada gambar 3.4 masih menggunakan sebuah alternator tetapi dengan pemasangan kumparan medan dc pada stator penguat dan kumparan jangkar pada rotor, semua sikat dan komutator telah dihilangkan. Pada sistem ini, jangkar ac penguat, penyearah dioda bridge tiga-fase berputar, dan medan utama generator ac semuanya terpasang pada sistem poros yang sama. Semua sambungan elektris dibuat di sepanjang atau melalui bagian tengah poros ini.
19
Gambar 3.4 Sistem dengan penguat penyearah alternator dan penyearah ( brushless exciters)
Sistem dengan Penguat Statis
Skema terdahulu menggunakan energi secara langsung dari poros penggerak utama ( prime-mover ) untuk mendapatkan daya eksitasi yang diperlukan. Sistem eksitasi statis mendapatkan daya ini dari output elektris generator atau sistem yang tersambung. Pada gambar 3.5, daya eksternal CT atau daya VT (atau keduanya) melalui penyearah pada sistem pengaturan, pada gilirannya menyuplai arus searah ke kumparan medan utama generator melalui sikat dan cincin kolektor. Beberapa sistem hanya menggunakan trafo tegangan sebagai input daya, sedangkan beberapa menggunakan CT tambahan untuk meningkatkan input selama keadaan gangguan ketika tegangan terminal dikurangi. Selama close-in fault , sistem eksitasi yang hanya menggunakan trafo tegangan sebagai input daya
mungkin tidak bisa cukup lama mempertahankan arus gangguan sampai rele proteksi beroperasi.
Gambar 3.5 Sistem dengan penguat statis
20
Gambar 3.6 Sistem eksitasi dengan suplai internal
Pada gambar 3.6 daya eksitasi dicatu dari sumber tegangan dan arus di dalam generator utama. Sumber tegangan adalah seperangkat kumparan tiga-fase yang terpasang di tiga slot kumparan stator generator (P-bars dalam gambar 3.6). Kumparan tegangan ini dihubungkan ke tiap fase dari trafo eksitasi ungroundedwye. Sumber arus didapatkan dengan melewatkan tiap tiga kumparan utama stator
melalui lubang di tiap fase trafo eksitasi. Kumparan output dari tiga trafo eksitasi satu-fase dihubung delta untuk menyuplai rangkaian penyearah bridge eksternal. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.6, kumparan tegangan pada stator dihubung wye melalui reaktor linier. Titik netral ditanahkan menggunakan high-resistance grounding melalui trafo distribusi, dengan demikian memberikan cara untuk mendeteksi gangguan tanah yang mungkin terjadi di kumparan tegangan dan trafo eksitasi. 3.1.4
Pengaturan Gardu Pembangkitan
Pemilihan dan pengaturan proteksi untuk generator dipengaruhi oleh bagaimana generator terhubung ke sistem dan bagaimana pengaturan gardu pembangkitan secara keseluruhan. Berikut ini adalah beberapa jenis konfigurasi generator dan pengaturan gardu.
21
a) Unit generator-transformer configuration b) Unit generator-transformer configuration with generator breaker c) Cross-compound generators d) Generators sharing a unit transformer e) Generators connected directly to a distribution system
Unit generator-transformer configuration Pada konfigurasi ini, generator dan trafonya (unit transformer) terhubung sebagai sebuah unit dengan sistem seperti yang terlihat pada gambar 3.7. Generator biasanya terhunung wye dan menggunakan jenis pentanahan highresistance melalui trafo distribusi. Unit trafo adalah yang paling sering
menggunakan hubungan grounded wye-delta. Pada beberapa pemasangan generator turbin uap yang besar, generator dapat terhubung ke sistem melalui dua unit trafo yang terhubung secara paralel, tiap trafo memiki setengah dari rating total generator. Terkadang juga mungkin terdapat satu atau dua unit trafo tambahan (auxiliary), yang jenisnya adalah trafo dua-kumparan atau tiga-kumparan, tergantung dari ukuran unit generator. Pada banyak kasus, unit trafo tambahan dihubungkan delta-wye dengan titik netral wye dihubungkan ke ground melewati impedans.
Uni t generator-transformer configuratino with generator breaker Konfigurasi ini, seperti pada gambar 3.8, telah digunakan dengan beberapa generator berukuran besar. Generator terhubung wye dan jenis pentanahannya high-resistance melalui trafo distribusi. Dua unit trafo wye-delta berukuran
setengah dipasang untuk menghubungkan generator dengan sistem. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, dua unit trafo tambahan digunakan pada konfigurasi ini. untuk generator berukuran kecil dan sedang, konfigurasinya ditunjukkan oleh gambar 3.6. keuntungan dari konfigurasi ini adalah cepat dalam menghilangkan gangguan pada generator step-up juga trafo tambahan, serta mengijinkan trafo tambahan sebagai sumber start-up.
22
Cross-compound generators Konfigurasi menghubungkan generator ke sistem dengan metode ini dapat dilihat pada gambar 3.9. Unit low-pressure (LP) dan high-pressure (HP) menggunakan tegangan generator dan dihubungkan ke sistem melalui unit trafo grounded wye-delta. Kedua unit LP dan HP biasanya terhubung wye dan
disarankan hanya meng- ground -kan salah satu netral saja. Pentanahan jenis high resistance melalui trafo distribusi seringkali digunakan.
Gambar 3.7 Konfigurasi unit generator-transformer
Gambar 3.8 Konfigurasi unit generator-transformer dengan breaker generator
23
Gambar 3.9 Cross-compound generators
Generators sharing a unit transformer Gambar 3.10 memperlihatkan dua cara menghubungkan dua atau lebih generator ke dalam sistem menggunakan satu trafo step-up. Di bagian a gambar 3.10, dua atau lebih generator terhubung ke bus tegangan generator dan sebuah unit trafo grounded wye-delta dua-kumparan digunakan untuk menghubungkan mesin-mesin ini ke sistem. Di bagian b gambar 3.10, sejumlah generator terhubung ke sistem melalui trafo grounded wye-delta-delta tiga-kumparan. Cara seperti ini dapat digunakan pada generator hidrolik kecil atau generator turbin bakar (combustion turbine generator ). Gambar 3.11 menunjukkan pemasangan generator yang terhubung langsung ke sistem distribusi. Jika sistem ditanahkan secara efektif ( X 0/ X 1 ≤ 3, R0/ X 1 ≤ 1), netral generator akan ditanahkan dengan reaktans induktif netral. Sebagaimana yang dijelaskan sebelumnya bahwa trafo bus-grounded dengan reaktor netral dapat diaplikasikan apabila netral generator tidak ditanahkan. Jika sistem tidak ditanahkan secara efektif, netral generator atau netral trafo pentanahan biasanya akan ditanahkan melalui resistor ber-ohmik rendah.
24
Gambar 3.10 Generator shari ng a transformer
Gambar 3.11 Generator terhubung langsung ke sistem distribusi
25
3.2
Peralatan Proteksi
Sistem kelistrikan di industri dan komersial menggunakan generator sebagai sumber energinya, generator ini menyuplai seluruh atau sebagian dari total energi yang dibutuhkan, atau untuk memberikan daya darurat jika terdapat sumber lain yang rusak atau sedang dalam perawatan. Proteksi generator membutuhkan banyak pertimbangan dalam keadaan tidak normal yang tidak terdapat pada sistem kelistrikan lainnya. Adapun keadaan tidak normal yang dapat terjadi pada generator berupa: Pemanasan berlebih (Overheating)
Stator (disebabkan overload atau kegagalan pendinginan)
Rotor (disebabkan eksitasi berlebih, kegagalan pendinginan)
Gangguan pada kumparan (Winding faults )
Stator (gangguan fase dan tanah)
Rotor (gangguan fase dan hubung singkat antar belitan)
Overspeed dan underspeed
Overvoltage
Loss of excitation
Motoring
Unbalanced current operation
Out of step
Subsynchronous oscillations
Inadvertent energization
Nonsynchronized connections
3.2.1
Generator Stator Thermal Protection
Proteksi termal inti dan kumparan stator pada generator dapat disediakan sbb:
Overload pada generator
Kegagalan sistem pendingin
26
Localized hot spots yang disebabkan kegagalan isolasi inti atau
berkembangnya kegagalan kumparan dengan cepat. Fenomena semacam ini umumnya dalam jangka panjang dan tidak segera terdeteksi dengan peralatan proteksi lainnya. Pada gardu dengan pengawasan, generator akan jarang trip akibat suhu yang berlebih (overheating ), ini karena alarm telah diatur untuk memungkinkan operator mengambil langkah tepat dalam mengurangi suhu pada generator, sementara pada gardu yang tidak diawasi, generator lebih memiliki kemungkinan trip akibat fenomena diatas dibanding pada gardu yang diawasi. Resistance temperature detector (RTDs) terpasang pada kumparan stator
generator yang digunakan untuk mengetahui suhu kumparan yang sebenarnya. Umumnya, dipasang 6 RTD, dua buah per fasenya dan saklar pemilih disediakan untuk menghubungkan rele termal dengan RTD agar mengindikasikan suhu tertinggi saat beroperasi.
Overload pada generator a)
Proteksi suhu pada kumparan (Winding-temperature protection) Umumnya generator disuplai dengan adanya sensor suhu untuk memonitor
kumparan stator. Sensor yang digunakan biasanya RTD dan termokopel. Pada implikasinya RTD akan mendeteksi suhu dari perubahan resistans dari sensor, sementara
termokopel
akan
mendeteksi
suhu
dari
perubahan
tegangan
thermoelectric yang diinduksikan pada sambungan termokopel. Pada pembangkit
dengan pengawasan, sensor digunakan dalam sistem akuisisi data untuk merekam atau memberi alarm. Pada pembangkit tanpa pengawasan sensor digunakan dengan rele untuk alarm, untuk menginisiasi langkah tepat atau untuk men-tripkan suatu unit jika suhu yang terjadi melebihi batasan yang seharusnya. b)
Proteksi overload Dalam beberapa kasus, proteksi beban berlebih (overload ) pada generator
dapat menggunakan rele arus lebih torsi-terkontrol (controlled-torque overcurrent relay) yang dikoordinasikan dengan kurva kapabilitas short-time ANSI-1989
C50.13. Rele ini terdiri dari unit arus lebih instantaneous dan time-overcurrent
27
dengan karakteristik extremely inverse (EI). Unit instantaneous diatur agar arus pick up pada 115% dari arus beban penuh dan arus drop out harus 95% atau lebih
dari pengaturan arus pick up. Sementara untuk unit arus lebih waktu diatur agar arus pick up pada 75% hingga 100% dari arus beban penuh dan pengaturan waktu dipilih agar waktu operasi rele 7 detik pada 226% dari arus beban penuh. Dengan pendekatan ini, rele akan dicegah trip untuk beban berlebih dibawah 115% dari arus beban penuh dan belum trip pula untuk waktu yang diinginkan apabila beban berlebih diatas 115% dari beban penuh. Adanya alarm beban berlebih ini dapat memberi kesempatan kepada operator untuk mengurangi beban secara teratur. Peralatan ini seharusnya tidak akan memberi alarm pada gangguan luar dan harus sudah berkoordinasi sebelumnya dengan proteksi lainnya. Untuk generator dengan pendinginan udara yang dapat beroperasi pada suhu lingkungan, penting untuk mengkoordinasikan kemampuan termal ANSI C50.131989 dan pengaturan rele dengan peningkatan kemampuan turbin generator pada suhu lingkungan menurun. Sebaliknya, akan sulit untuk memproteksi generator untuk berkurangnya kemampuan ketika suhu lingkungan meningkat. Kegagalan sistem pendinginan
Berdasarkan rating dan desainnya, inti stator dan kumparan pada generator memiliki pendinginan dengan menggunakan udara, hidrogen, atau air. Pada pendinginan langsung, pendinginan memiliki kontak langsung dengan sumber panas dari kumparan stator. Sementara pada pendinginan tidak langsung, pendingin mendinginkan generator dengan mengandalkan perpindahan panas melalui isolasi. Untuk setiap jenis generator, kegagalan sistem pendingin dapat menyebabkan kerusakan yang cepat dari isolasi inti ataupun kumparan stator. Pada umumnya, produsen generator sudah memberikan semua kepentingan proteksi untuk sistem pendinginan. Proteksi ini dalam bentuk sensor seperti RTD, termokopel, dan sensor tekanan. Peralatan ini digunakan untuk memantau suhu kumparan atau suhu, aliran, atau tekanan. Ini tersambung dengan alarm untuk secara otomatis mengurangi beban pada level yang aman.
28
Untuk mesin tertentu, produsen generator harus berkonsultasi untuk memastikan batas suhu, perlindungan yang diberikan, dan prosedur operasi yang direkomendasikan untuk menghilangkan pendinginan
Core hot spots Localized hot spots pada inti stator dapat dihasilkan karena kegagalan
isolasi akibat kesalahan operasi, getaran karena longgar, benda asing yang tertinggal didalam mesin, kerusakan pada inti selama pemasangan atau perawatan, atau karena benda yang normalnya bagian dari mesin namun terlepas dari posisi normalnya dan pindah ke inti. Hot spots adalah hasil dari arus eddy yang tinggi, yang dihasilkan dari flux
inti, yang mengalir melalui isolasi. Pada beberapa desain, laminasi stator korslet secara bersamaan pada diameter luar dari inti dimana melekat pada frame stator. Kontak antara laminasi pada inti dalam akan menghasilkan suatu rangkaian arus eddy. Cara untuk mendeteksi hot spot dalam generator berpendingin udara adalah dengan menggunakan RTD dan termokopel yang dipasang di lokasi strategis. Karena jelas untuk memasang seluruh inti dan kumparan dengan alat ini adalah tidak mungkin untuk dipraktikkan. 3.2.2
Field Thermal Protection
F ield winding protection Kumparan medan dapat beroperasi secara terus-menerus pada arus yang sama atau kurang dari arus yang diperlukan untuk menghasilkan daya pada faktor daya dan tegangan yang sesuai dengan rated. Untuk faktor daya kurang dari rating, output generator harus dikurangi untuk menjaga arus medan tetap dalam batasan. Dibawah keadaan tidak normal, seperti hubung singkat dan gangguan sistem lainnya, ini diperbolehkan untuk melebihi batasan untuk waktu yang singkat seperti pada spesifikasi ANSI C50.13-1989. Kemampuan termal dalam waktu
29
singkat pada kumparan armatur diberikan dalam bentuk tegangan medan yang diizinkan sebagai fungsi waktu seperti tabel berikut:
Skema proteksi dapat menggunakan karakteristik ini untuk mencegah kerusakan termal pada rangkaian kumparan medan. Karena meletakkan sensor suhu secara langsung pada kumparan medan tidak mungkin dilakukan, hanya pantauan secara tidak langsung dari suhu kumparan medan yang mungkin dilakukan. Untuk sistem eksitasi yang menggunakan cincin kolektor medan utama (main field collector rings), suhu ratarata dari kumparan medan dapat didekati dengan mengkalkulasikan resistans medan menggunakan arus medan simultan dan tegangan. Resistans ini, dalam hubungannya dengan resistans dingin (cold resistance) adalah ukuran suhu saat beroperasi. Metode ini dijelaskan dalam IEEE Std 67-1990, memberikan indikasi suhu rata-rata yang melewati kumparan medan dan tidak lebih penting dibanding suhu hot spot.
F ield overexcitation protection Proteksi eksitasi berlebih (overexcitation) untuk kumparan medan umumnya disediakan menggunakan karakteristik kapabilitas waktu-singkat medan generator. Beberapa skema yang tersedia menggunakan rele atau elemen kontrol sistem eksitasi, atau keduanya. a)
Fixed time-delay relaying scheme
Skema ini merupakan bentuk paling sederhana dari proteksi medan, dan ini memanfaatkan kontak milliammeter atau voltmeter dengan rangkaian medan utama atau medan dari exciter ac. Perangkat ini beroperasi ketika arus medan melebihi rating nilai beban penuhnya. Ketika kondisi eksitasi berlebih terjadi, perangkat ini beroperasi dan akan bekerja sbb: 1. Menyalakan alarm.
30
2. Mengatur eksitasi medan untuk menentukan nilai yang telah dipilih pada rating tingkat beban penuh atau kurang. 3. Setelah tunda waktu, trip kan regulator generator atau pindahkan ke kontrol alternatif 4. Jika eksitasi berlebih tidak tereliminasi setelah beberapa tambahan kurun waktu yang singkat, lalu trip kan unit. Skema proteksi medan digunakan untuk keadaan eksitasi berlebih selama sistem mengalami gangguan dan untuk kejadian yang langka dari suatu komponen sistem eksitasi yang salah. Skema ini memiliki kelemahan yaitu terlalu berlebihan dalam melindungi mesin karena rele fixed time-delay haruslah diatur untuk kondisi maksimum eksitasi berlebih yang mungkin dapat terjadi. Dengan kata lain, untuk keadaan eksitasi berlebih yang kurang parah, pemutusan terjadi pada waktu yang lebih singkat dari yang diperlukan. Oleh karena itu, keuntungan dari penggunaan rele karakteristik waktu inverse tidak dapat diperoleh. b)
Inverse time-delay relaying scheme
Skema rele tunda-waktu inverse (inverse time-delay relay) memanfaatkan rele tegangan yang karakteristiknya mendekati karakteristik waktu-inverse dari medan generator. Rele ini dihubungkan pada terminal dari alternator eksitasi ac, dalam medan generator utama, atau medan dari exciter ac. Ketika terhubung dengan rangkaian medan, sebuah tranducer digunakan untuk mengkonversi sinyal dc menjadi bentuk ac. Rele umumnya diatur sehingga punya batasan 5% hingga 10% antara karakteristik rele dan kurva kapabilitas medan. Dalam kerjanya rele ini memiliki tahap yang sama dalam melakukan pemutusan terhadap masalah gangguan eksitasi berlebih dengan tahap yang
dilakukan fixed time-delay relay seperti yang dijelaskan sebelumnya. Skema ini memberikan
perlindungan
untuk
keadaan
eksitasi
berlebih
dan
untuk
kemungkinan kegagalan sistem ektsitasi. c)
Voltage regulator systems
Sistem eksitasi modern biasanya menggabungkan fungsi proteksi medan dan fungsi regulasi. Sistem ini dirancang dengan fungsi rele waktu tetap dan
31
fungsi rele waktu invers. Ketika kondisi eksitasi berlebih terjadi dan arus medan melebihi nilai aman untuk periode yang spesifik, fungsi proteksi akan mengurangi arus medan untuk nilai beban penuh atau untuk beberapa tingkat yang telah ditentukan lainnya. Pada beberapa sistem eksitasi, jika keadaan eksitasi berlebih berlanjut setelah upaya untuk mengurangi arus medan dibuat, fungsi proteksi akan memutuskan regulator atau memindahkan ke exciter alternatif untuk waktu yang singkat. Apabila langkah ini tidak menyelesaikan masalah, generator akan trip, dalam tipe sistem eksitasi ini, fungsi proteksi adalah memisahkan dari fungsi eksitasinya, oleh karena itu, dapat memberikan proteksi ketika kegagalan terjadi dalam sistem regulasi atau ketika regulator tidak dalam rangkaian kontrol. Jika fungsi proteksi adalah bagian dari sistem pengaturan, proteksi akan dihilangkan ketika regulator trip atau tidak beroperasi. Untuk jenis sistem ini, tambahan atau cadangan rele proteksi seperti yang dijelaskan sebelumnya dapat digunakan. Badan rotor (rotor body )
Tidak ada metode sederhana untuk proteksi termal secara langsung. Berbagai metode tidak langsung digunakan untuk pendekatan suhu rotor atau berperan langsung pada jumlah yang mengakibatkan suhu rotor berlebih. Oleh karena itu, difokuskan pada potensi yang menyebabkan gangguan termal. Sebagai contoh, arus urutan negatif pada stator, hilangya eksitasi, hilangnya sinkronisasi, induction motoring,
munculnya daya yang tidak disengaja yang dapat
menyebabkan lebihnya suhu pada rotor disebabkan arus sirkulasi di berbagai jalur pada badan rotor. 3.2.3
Generator stator fault protection
Gangguan generator biasanya dipertimbangkan secara serius karena hal tersebut dapat menyebabkan banyak kerusakan pada isolasi, kumparan, dan inti, juga dapat menghasilkan goncangan torsi mekanik pada poros dan kopling. Terlebih lagi, arus gangguan di generator tidak berhenti untuk mengalir ketika generator diputus dari sistem dan sistem dilepas. Arus gangguan dapat berlanjut
32
mengalir untuk beberapa detik karena fluks terperangkap di dalam mesin dan dengan demikian akan meningkatkan kerusakan. Konsekuensinya, untuk gangguan hubung singkat yang dekat dengan generator akan menghasilkan magnitud yang tinggi. Beberapa dari proteksi berkecepatan tinggi (high-speed protection) normalnya digunakan untuk men-tripkan dan mematikan mesin sesegera mungkin dalam rangka meminimalisir kerusakan. Impendans eksternal digunakan untuk membatasi arus gangguan untuk beberapa ampere, pada kasus tertentu dapat dibenarkan untuk mempertimbangkan penggunaan metode de-excitation yang cepat, yang menghasilkan kerusakan lebih cepat dari arus gangguan.
Phase fault protection Beberapa bentuk dari rele diferensial berkecepatan tinggi umumnya digunakan untuk proteksi gangguan fase dari kumparan stator generator. Rele diferensial mendeteksi gangguan 3 fase, gangguan fase ke fase, gangguan dua fase ke tanah, dan beberapa gangguan satu fase ke tanah tergantung bagaimana generator tersebut ditanahkan. Karena arus gangguan sebanding dengan tegangan di titik gangguan, semakin dekat posisi netral dari kumparan generator, semakin kecil tegangan dan arus gangguan resultan. Oleh karena itu, beberapa bentuk dari proteksi diferensial hanya dapat mendeteksi gangguan 5% hingga 10% dari netral generator. Rele diferensial tidak dapat mendeteksi gangguan antar belitan pada fase yang sama karena tidak terdapat perbedaan arus masuk dan arus keluarnya. Saat diaplikasikan, pemisahan proteksi gangguan belitan dapat menggunakan skema rele fase terpisah ( split-phase relaying scheme). Setelah mendeteksi gangguan tersebut, generator dengan cepat menghilangkannya dari jaringan untuk membatasi meluasnya kerusakan. Untuk proteksi generator yang lebih besar biasanya digunakan rele percentage differential . Rele fixed-percentage differential memiliki karakteristik
dari 10% hingga 50% tergantung dari produsennya untuk semua nilai arus gangguan. Rele variable-percentage differential punya skema yang lebih toleran
33
terhadap ketidaksamaan CT dan mengurangi sensitivitas rele untuk gangguan eksternal. Induction disk, induction cup, dan rele statis tersedia untuk digunakan pada skema proteksi percentage differential . Waktu operasi minimum dari standar rele induction disk adalah 6 siklus, dan high speed induction cup atau rele statik beroperasi dalam 1,2 siklus hingga 1,5 siklus.
Gambar 3.12 Generator percentage differential relay (phase scheme) dan ground dif ferential scheme menggunakan rele diferensial
Normalnya ketika skema percentage differential digunakan, CT harus ditempatkan sehingga CB generator merupakan bagian dari zona proteksinya. Konfigurasi ini memberikan proteksi maksimum untuk CB dan busbar atau kabel penghubung generator ke sistem pembangkit. a)
Variable slope percentage differential relay
Rele ini merupakan rele yang paling sering digunakan dari jenis rele diferensial lainnya untuk proteksi generator. Percentage slope characteristic dapat bervariasi mulai dari 5% pada nilai rendah dari arus yang mengalir hingga 50% atau lebih pada nilai tinggi dari arus yang mengalir seperti yang digambarkan pada gambar 3.13. Hasil karakteristik rele ini sensitif untuk gangguan dalam dan
34
tidak sensitif untuk arus kesalahan CT (CT error current ) di beberapa gangguan luar.
Gambar 3.13 Vari able slope differential relay
Rating arus primer CT haruslah sama atau lebih besar dibanding dengan rating arus generator, sebaiknya paling sedikit 150% dan juga harus memiliki kesamaan karakteristik untuk mencegah kesalahan operasi pada gangguan di luar zona proteksi diferensial. Ini diutamakan untuk menghindari terjadinya hubungan rele lainnya atau perangkat lainnya di rangkaian arus ini. a)
Self balancing differential scheme
Skema ini telah lama digunakan untuk gangguan fase atau gangguan tanah pada generator kecil dengan resistans pentanahan netral yang rendah. Beberapa perbedaan antara arus masukan dan arus keluaran dari kumparan terdeteksi dengan rele arus lebih instantaneous. Dalam aplikasinya skema ini mampu memberikan proteksi gangguan tanah dan gangguan fase secara sensitif.
35
Gambar 3.14 self-b self-ba alanc lancing ing prot prote ection ction sche schem me
Karena CT ini mendeteksi dengan perbedaan arus yang tipikalnya adalah nol saat keadaan normal, maka biasanya nilai rating yang digunakan tidak untuk arus beban. CT dengan rasio rendah tipikalnya digunakan pada aplikasi ini untuk mencapai sensitivitas yang lebih baik. CT ini biasanya memiliki lower ANSI CT accuracy designation , yang kecendrungan saturasinya lebih baik dibanding rating
beban CT. CT ini dapat mengalami saturasi bahkan bah kan pada gangguan tingkat ti ngkat rendah, dan sensitivitasnya dapat hilang. Selanjutnya, ketika diarahkan pada gangguan tingkat tinggi, inti CT dapat menjadi saturasi sehingga tidak dapat menghasilkan arus sekunder yang diperlukan untuk mengoperasikan relay. Karena kedua ujung kumparan generator harus melewati opening di di CT, Skema ini biasanya digunakan hanya pada generator di mana fleksibilitas konduktor memungkinkan untuk hubungan ini. CT biasanya dipasang di kotak terminal generator. Disebabkan rele juga tidak sensitif terhadap arus beban generator, rele arus lebih instantaneous dapat diatur agar tingkat sensitivitas pick up 5A hingga 10 A. b)
Differential backup protection
Tipe ini memberikan bentuk backup tergantung pada beberapa tingkat kapasitas generator dan pada metode bagaimana perhubungan generator tersebut terhadap sistem. Ketika generator dihubungkan ke sistem dalam konfigurasi generator-trafo, proteksi backup terhadap gangguan fase berkecepatan tinggi dapat diperoleh dengan memperpanjang zona proteksi dari skema rele diferensial trafo termasuk
36
generator, interkoneksi, dan trafo tambahan. Jenis backup ini sering disebut sebagai skema overall differential seperti seperti yang digambarkan dibawah ini.
Gambar 3.15 Over Over all diff di ffe er ential schem scheme dari proteksi backup ganguan fase generator
Dalam penyusunannya, CT pada rangkaian unit trafo tambahan harus memiliki rasio yang tinggi dalam rangka menyeimbangkan rangkaian diferensial. Rasio yang dibutuhkan agar diperoleh dengan CT single bushing atau dengan kombinasi dari bushing dan CT tambahan. Untuk beberapa kasus, unit trafo tambahan dapat tidak dimasukkan dari skema overall differrential sebagai indikasi koneksi alternatif. Pendekatan ini memperkenalkan titik buta (blind spot ) dalam proteksi untuk unit trafo tambahan. Untuk kesalahan yang dekat dengan sisi tegangan tinggi trafo, arus gangguan yang ada bisa mencapai 150 hingga 200 kali rating CT yang digunakan pada skema diferensial untuk unit trafo tambahan. Level arus yang tinggi ini akan menjadikan CT saturasi dan hasilnya sedikit atau bahkan tidak terdapat arus keluaran pada rele diferensial. Titik buta ini dihilangkan dengan menghubungkan skema overall differential sisi tegangan rendah dari unit trafo tambahan. Skema
37
ini mendeteksi beberapa gangguan, ketika unit diferensial tambahan mendeteksi gangguan pada level rendah. Berikut praktik yang umum dilakukan apabila terjadi gangguan agar sistem tetap berfungsi sebagai mana mestinya: 1. Breaker generator utama trip 2. Breaker medan dan/atau pengeksitasi (exciter ) trip 3. Penggerak mula ( prime prime mover ) trip 4. Aktifkan proteksi terhadap api di dalam generator berupa CO2 internal jika disediakan. 5. Operasikan alarm dan/atau annunciator 6. Pindahkan stasiun layanan ke sumber yang stand by.
Ground fault protection Skema proteksi yang didesain untuk mendeteksi gangguan stator 3 fase atau fase ke fase tidak memberikan proteksi untuk gangguan fase ke tanah dalam zona generator. Masalah utama dari proteksi gangguan tanah adalah bagaimana generator ditanahkan dan magnitud arus gangguan tanah yang ada. Arus maksimum gangguan fase ke tanah yang terdapat pada terminal generator bisa bervariasi dari level arus aru s gangguan 3 fase atau lebih l ebih atau bahkan hampir nol. n ol. Sebagai catatan, rele deferensial tidak memberikan proteksi gangguan tanah pada mesin dengan pentanahan yang impedansnya impedansn ya tinggi dimana level arus gangguan primer dibatasi 3A hingga 25A. Skema rele diferensial dapat mendeteksi beberapa gangguan fase ke tanah pada stator bergantung pada bagaimana generator ditanahkan. Gambar 3.18 mengilustrasikan hubungan antara arus gangguan tanah yang ada dan sebagian dari kumparan stator yang diproteksi dengan skema diferensial arus. Ketika level arus gangguan tanah dibatasi dibawah rating arus beban generator, maka sebagian besar dari generator menjadi tidak terlindungi.
38
Gambar 3.16 Persentase kumparan stator yang tidak terproteksi oleh rele diferensial untuk gangguan fase ke tanah
Disebabkan arus gangguan tanah yang ada kecil atau dibatasi untuk nilai yang kecil, praktik yang umum digunakan adalah dengan memisahkan proteksi arus gangguan yang sensitif. Sesuai dengan metode pentanahan generator, proteksi yang tersedia mencakup rele backup dan rele utama atau dapat digunakan untuk menambah proteksi apapun dengan rele diferensial. a)
High resistance grounding
Pentanahan ini dibuat untuk memisahkan rele utama dan rele backup untuk proteksi gangguan tanah. Skema proteksi yang paling umum digunakan adalah dengan metode trafo distribusi beban resistif dari pentanahan berupa rele tegangan lebih tunda-waktu (time-delay overvoltage relay) yang terhubung dengan pentanahan impedans untuk mendeteksi adanya gangguan urutan nol.
39
Gambar 3.17 Proteksi gangguan tanah generator untuk high-impedance-grounded generator
Rele yang digunakan untuk fungsi ini didesain untuk sensitif terhadap tegangan dan frekuensi fundamental dan tidak sensitif terhadap harmonik ketiga dan tegangan harmonik urutan nol lainnya yang berada pada netral generator. Karena impendansi pentanahan jauh lebih besar dibanding impedansi generator dan impedansi lainnya yang ada pada rangkaian, tegangan fase ke netral dipaksa melewati perangkat pentanahan untuk gangguan fase ke tanah pada terminal generator. Tegangan pada rele merupakan fungsi dari rasio trafo distribusi dan lokasi terjadinya gangguan. Tipikalnya rele tegangan lebih memiliki setting arus pickup minimum sekitar 5V. Dengan setting ini dan rasio trafo distribusi tipikal, skema ini mampu untuk mendeteksi gangguan dengan 2% hingga 5% dari netral stator. b)
Low resistance grounding
Pentanahan ini umum digunakan pada dua atau lebih generator yang digunakan pada tegangan generator dan terhubung pada sistem melalui sebuah trafo step up atau terhubung langsung dengan sistem distribusi.
40
Ketika netral generator ditanahkan melalui sebuah impedans yang membatasi arus gangguan tanah maksimum agar kurang dari rating primer CT, sebuah
skema
gangguan
tanah
diferensial
(87)
harus
dipertimbangkan.
Bagaimanapun juga, ini mampu untuk mendeteksi gangguan hingga 10% dari netral generator. Pemisahan netral CT dari rele ground overcurrent menjadi penting untuk mendapatkan sentivitas rele yang maksimum. CT ground differential harus punya rating arus primer dari 10% hingga 50% dari rating arus
netral. Untuk mencocokkan rasio fase dan netral CT, sebuah CT tambahan harus dipergunakan. Dan ini berarti CT tambahan tersebut yang memiliki karakteristik untuk mampu mencegah gagalnya operasi pada gangguan eksternal. c)
Reactance grounding
Pentanahan ini digunakan pada generator yang terhubung langsung pada sistem distribusi tanah secara efektif. Dengan demikian, level arus gangguan tanah berkisar dari 25% hingga 100% dari arus gangguan tiga fase. Dengan level arus gangguan yang tinggi, rele diferensial mampu memberikan proteksi hampir seluruh dari kumparan fase stator untuk banyak gangguan tanah. Bagaimanapun juga, rele diferensial tidak bisa mendeteksi gangguan resistans tinggi atau gangguan yang dekat dengan netral generator. Oleh karena itu, praktik yang umum digunakan dengan memberikan proteksi tanah tambahan sebagai backup bagi generator dan sistem gangguan tanah. Proteksi backup umumnya diberikan dengan rele time overcurrent yang terhubung dengan CT pada netral generator. Arus pick up dari rele haruslah diatur diatas arus normal yang mengalir di netral, ini disebabkan oleh beban dengan sistem yang tidak seimbang dan punya arus harmonik dari urutan nol. Karena rele arus lebih beroperasi untuk sistem gangguan tanah, ini mengharuskan adanya koordinasi waktu dengan sistem rele tanah. Untuk proteksi gangguan tanah yang lebih sensitif dapat diberikan dengan rele arus lebih direksional atau dengan rele arus lebih biasa yang terhubung dengan netral pada skema diferensial.
41
d)
Grounding transformer grounding
Pentanahan ini dapat digunakan pada trafo zigzag, atau trafo wye-delta yang ditanahkan atau pada trafo delta wye-broken ditanahkan ( grounded wye-broken delta) dan resistor terhubung melalui sudut dari broken delta.
Ketika trafo zigzag atau trafo wye-delta yang ditanahkan digunakan, impedansi pentanahan yang efektif dipilih untuk memberikan arus yang cukup untuk rele pentanahan yang selektif. Arus gangguan tanah yang ada umumnya berkisar 400A. Tipe dari pentanahan trafo yang umum digunakan adalah terhubung langsung pada sistem distribusi atau sebagai sumber pentanahan bus dimana beberapa wye ungrounded atau delta terhubung ke generator pada bus dengan tegangan generator.
Gambar 3.18 Proteksi gangguan tanah dengan zig zag grounding bank
Pada konfigurasi diatas, generator tidak ditanahkan, dan bank pentanahan adalah satu-satunya sumber dari arus gangguan tanah untuk gangguan pada generator atau pada feeder. Setiap generator dan breaker feeder punya rele grond overcurrent primer. Proteksi ini dapat menjadi rele arus lebih instantaneous yang
sensitif. Proteksi back up akan diberikan dengan rele arus lebih-waktu yang terhubung dengan sebuah CT di netral dari bank pentanahan.
42
Trafo hubungan wye-broken-delta ditanahkan dengan resistans di sudut broken delta umumnya berupa sistem resistans tinggi ditanahkan yang membatasi arus gangguan satu fase ke tanah untuk rentang 3A primer hingga 25A primer. Pendekatan ini umum digunakan untuk memberikan suatu cara untuk mendeteksi gangguan tanah pada generator yang tidak ditanahkan guna mensinkronkan generator kedalam sistem atau memberikan back up untuk generator impedansi tinggi yang ditanahkan. 3.2.4
Generator Rotor Field Protection
Rangkaian
medan
generator
normalnya
dioperasikan
dengan
tidak
ditanahkan. Sehingga, gangguan tanah single tidak menghasilkan kerusakan pada peralatan atau mempengaruhi kinerja dari generator. Bagaimanapun juga, gangguan tanah berikutnya dapat saja terjadi, ketidakseimbangan dari medan magnetik akan distabilkan oleh rotor. Ketidakseimbangan ini cukup untuk membuat getaran yang bersifat merusak bagi generator. Terdapat beberapa metode yang biasa digunakan untuk mendeteksi gangguan tanah medan rotor. Pada metode pertama, suatu tegangan dc diberikan diantara sisi negatif dari rangkaian medan generator dan ground melewati koil dari sebuah rele tegangan lebih seperti pada gambar 3.21. Ground yang terletak pada medan menyebabkan rele beroperasi. Sikat (brush) digunakan untuk pentanahan badan rotor karena minyak pelumas bisa mengurangi gesekan. Beberapa tunda waktu normal digunakan dengan rele ini untuk mencegah operasi yang tidak penting untuk sesaat atau saat transien dari rangkaian medan ke tanah. Ketidakseimbangan sesaat ini dapat disebabkan oleh operasi dari sistem eksitasi thyristor fast-response.
43
Gambar 3.19 F ield ground-fault protection menggunakan sumber dc
Metode kedua hampir sama dengan metode untuk mendeteksi pentanahan kontrol batere dan menggunakan prinsip pembagi tegangan dan rele overvoltage yang sensitif diantara pembagi titik tengah dan ground. Titik nol berada diantara positif dan negatif dimana gangguan tanah tidak menghasilkan tegangan yang melewati rele jika polaritas pada detektor ground adalah kebalikan dari waktu ke waktu. Rele tanah medan generator didesain untuk mengatasi masalah titik nol dengan menggunakan resistor nonlinear secara seri dengan salah satu dari dua resistor linear dalam pembagi tegangan. Resistansnya akan bervariasi sesuai dengan tegangan yang diaplikasikan. Pembagi ini diproporsionalkan sehingga titik nol kumparan medan berada pada titik tengah kumparan ketika tegangan pengeksitasi berada pada tegangan rating. Rangkaian pada metode kedua terdapat pada gambar 3.22.
Gambar 3.20 F ield ground fault protection menggunakan pembagi tegangan
44
Dari sisi proteksi, cara yang paling aman adalah dengan mematikan generator secara otomatis ketika gangguan tanah pertama terdeteksi. Gangguan tanah dapat menyebabkan kerusakan pada medan. Banyak sistem industri didesain untuk menghidupkan alarm dengan rele field ground dan telah dilengkapi instruksi bagi operator untuk melepaskan beban dan mematikan mesin dengan cara yang tepat sehingga mesin dapat mengambil beban dan gangguan pada sistem dapat dicegah. 3.2.5
Generator Abnormal Operating Conditions
Loss of field protection (D evice 40) Perangkat ini dapat mendeteksi ketika sistem eksitasi generator hilang. Proteksi ini penting ketika generator sedang beroperasi secara paralel, meskipun tidak dibutuhkan unit isolasi single. Sumber dari eksitasi untuk generator bisa secara penuh ataupun sebagian (parsial) melalui peristiwa seperti trip tanpa disengaja dari breaker , rangkaian medan terbuka, atau hilangnya suplai menuju sistem
eksitasi.
Apapun
penyebabnya
hilangnya
sistem
eksitasi
dapat
menyebabkan masalah baik bagi generator maupun sistem. Ketika generator kehilangan eksitasinya, generator tersebut akan overspeed dan beroperasi sebagai sebuah generator induksi. Secara kontinyu menyuplai beberapa daya ke sistem dan menerima eksitasi dari sistem dalam bentuk VAR. Pada umumnya, kondisi terberat bagi generator dan sistem adalah ketika generator kehilangan eksitasi ketika beroperasi pada beban penuh. Untuk kondisi ini, arus pada stator dapat mencapai lebih dari 2 per unit. Karena generator kehilangan sinkronisasi, level slip yang tinggi dapat terinduksi di rotor. Level arus yang tinggi ini menyebabkan pemanasan lebih yang berbahaya bagi kumparan stator dan rotor dalam waktu yang singkat. Terdapat setidaknya 3 tipe peralatan proteksi yang dapat memberikan proteksi terhadap masalah hilangnya eksitasi pada generator. Masing-msaing tipe memiliki perbedaan biaya relatif, pengaplikasian yang kompleks, dan tingkat perlindungan
yang ditawarkan. Pemilihan tipe yang digunakan haruslah
45
berdasakan pada aplikasi, faktor pertimbangan seperti biaya generator, biaya rele, dan seberapa penting keluaran generator. a)
Rele jarak (distance relay) Rele jarak (distance relays) memerlukan masukan arus dan masukan
tegangan, yang diperoleh pada lokasi rele, yaitu pada pangkal atau pada ujung sumber pengiriman daya. Kedua besaran tersebut dibandingkan untuk mendeteksi adanya gangguan pada sistem, yang pada umumnya ditandai dengan kenaikan nilai arus serta penurunan tegangan kalau terjadi hubung singkat. Karena arus dan tegangan diukur hanya dari satu ujung (yaitu ujung pengirim), maka tidak diperlukan kawat pilot (tidak seperti pada rele diferensial untuk saluran), dan merupakan sistem non-unit , seperti arus lebih, jadi dapat memberikan proteksi backup terhadap rele lain. Rele jarak banyak dipakai untuk proteksi saluran subtransmisi dan saluran transmisi karena kecepatannya yang tinggi, sebuah persyaratan untuk dapat mempertahankan stabilitas sistem ketika terjadi hubung singkat. Kinerja rele jarak ada bermacam-macam, sehingga dapat dipilih sebuah atau gabungan beberapa kinerja yang paling tepat, baik sensitivitas maupun stabilitas kerja relenya. Hasilnya adalah sebuah proteksi yang dapat memberikan proteksi utama yang akurat dan cepat seperti pada rele diferensial tetapi tidak memerlukan kawat pilot, dan dapat memberikan proteksi backup yang lebih baik dibandingkan rele arus lebih. Rele jarak juga memungkinkan tutup-balik otomatis (autoreclosing ) diterapkan pada saluran yang membutuhkannya Terdapat 2 rele jarak yang umum digunakan untuk mendeteksi masalah berkaitan dengan hilangnya eksitasi, adapun yang pertama adalah rele jarak offset mho.
46
Gambar 3.21 Karakteristik rele impedans loss-of-field menggunakan rele jarak offset mho
Kondisi saat generator beroperasi pada beban penuh direpresentasikan oleh titik A. Ketika hilangnya eksitasi, mungkin disebabkan terjadi hubung singkat pada kumparan, maka generator tersebut akan menyerap daya reaktif dari saluran sebagai pengganti eksitasi yang hilang. Hal tersebut menyebabkan generator bersifat leading , selain itu arus pada stator akan bertambah bahkan bisa melebihi batas kemampuannya. Jika dilihat dari gambar 3.21 adanya reaktans negatif akibat generator menyerap daya reaktif menjadikan titik A yang semula pada kuadran pertama berpindah pada kuadran keempat dan memasuki batas saat rele offset mho bekerja. Diketahui bahwa pada gambar 3.23 rele mho tersebut memiliki 2 zona berupa lingkaran, yang mana biasanya zona yang lebih besar merupakan zona ketika rele menyadari adanya gangguan loss of field dan memberikan alarm untuk memberi tahu operator untuk mengambil langkah tepat dalam mengatasi gangguan, sementara zona yang kecil merupakan saat ketika rele mho menyadari gangguan dan langsung men-trip-kan breaker. Adapun rele jarak kedua yang sering digunakan adalah kombinasi dari rele impedans, rele direksional, dan rele undervoltage yang diaplikasikan pada terminal generator dan diatur untuk memperhatikan mesin. Rele impedans (Z2)
47
dan rele direksional diatur untuk berkoordinasi dengan membatasi eksitasi minimum generator dan batas steady state. Selama kondisi eksitasi rendah, contohnya terjadi kegagalan membatasi eksitasi minimum, unit ini beroperasi dan membunyikan alarm untuk memperingati operator melakukan tindakan yang tepat untuk mengembalikan kondisi menjadi semula.
Gambar 3.22 Proteksi loss-of-excitation menggunakan rele impedans, direksional, dan undervoltage
Berbeda dengan rele offset mho yang hanya dapat mendeteksi gangguan loss of field, gabungan rele ini dapat mendeteksi ketika generator mulai
mengalami undervoltage. Karena undervoltage yang merupakan salah satu indikasi terjadinya loss of field dapat segera dideteksi oleh rele impedans. b)
Rele reaktif (VAR) Ketika generator dioperasikan deangan faktor daya leading, sistem akan
berusaha untuk memberikan daya reaktif untuk mengeksitasi generator. Rele yang mengukur aliran VAR menuju generator dapat mendeteksi adanya kehilangan eksitasi dan menginisiasi untuk trip.
48
Rele ini memberikan kurva karakteristik yang sama dengan kurva kapabilitas generator. Kurvanya ini dapat diberikan dengan pergeseran dari titik P (axis) pada diagram PQ. Pergeseran ini mengizinkan rele beroperasi untuk dikoordinasikan dekat dengan batas steady state dari generator. Jika batas steady state terlampaui maka generator dapat ditarik keluar dari sistem.
c)
DC undercurent relays
Skema proteksi ketiga adalah aplikasi dari rele undercurrent DC yang dihubungkan seri dengan medan. Karena biayanya murah menjadikan ini sering digunakan pada generator kecil dan untuk beberapa generator yang menyuplai beban yang sifatnya tidak kritis. Rele ini membutuhkan timer dalam rangka mengendalikan arus gangguan sesaat yang mungkin dapat menyebabkan hubung singkat di sistem kelistrikan. Rele tidak akan mengindikasi kehilangan eksitasi disebabkan gangguan pada kumparan medan dan tidak boleh beroperasi selama masih terdapatnya arus AC yang diinduksikan pada kumparan medan.
Unbalanced current protection Beberapa kondisi sistem yang menyebabkan arus 3 fase tidak seimbang pada generator diantaranya berupa sistem asimetris, beban tidak seimbang, kegagalan sistem tidak seimbang, dan hubung buka yang menghasilkan keadaan tidak seimbang bagi generator. Kondisi ini menghasilkan komponen arus urutan negatif, ini menyebabkan arus rotor sangat tinggi dan memungkinkan suhu yang tinggi dalam waktu singkat. Kemampuan dari generator untuk mengakomodasi arus tidak seimbang diperlihatkan dengan standar ANSI C50.13-1989 dalam hubungannya dengan arus urutan negatif diperlihatkan pada tabel dibawah ini:
49
Tabel 3-1 Continuous and short-time unbalanced current capability of generator
Cara yang umum digunakan untuk proteksi bagi generator pada kondisi tidak seimbang dari luar yang mungkin merusak mesin juga terdiri dari rele timeovercurrent yang responsif terhadap arus urutan negatif. Pengaturannya
menentukan tingkat proteksi yang ditawarkan oleh rele dan harus diatur agar sesuai batas I22t dari generator yang diproteksi. Dua rele yang tersedia untuk proteksi ini adalah rele time-overcurrent elektromekanik dengan karakteristik EI dan rele statis dengan karakteristik time-overcurrent yang sesuai dengan kurva kapabilitas I2t generator. Rele elektromekanik didesain terutama untuk memberikan proteksi bagi mesin dari gangguan sistem tidak seimbang. Arus pickup urutan negatif diatur pada 0,6 per unit dari rating arus beban penuh. Oleh karena itu, tidak dapat
50
mendeteksi
kondisi
beban
tidak
seimbang.
Berikut
karakteristik
rele
elektromagnetik:
Gambar 3.23 Karakteristik rele electromechanical negative-sequence overcurrent g enerator
dan batas I 2 2t generator
Rele statik umumnya lebih sensitif dan mampu mendeteksi serta men-tripkan arus urutan negatif pada kapabilitas continuous (I 2) generator. Berikut karakteristiknya:
51
Gambar 3.24 Characteristic of static negative-sequence overcurrent relay showing generator
I 2 2t limits
Loss of synchronism protection Sebagai akibat dari meningkatnya kapasitas mesin, pembangkitan reaktans per unit meningkat, dan konstanta inersia menurun. sebagai puncak dari faktor tersebut adalah menurunnya waktu clearing kritis yang dibutuhkan untuk mengisolasi gangguan yang dekat dengan pembangkit sebelum generator tersebut kehilangan sinkronisasi terhadap sistem kelistrikannya. Sebagai tambahan, hilangnya sinkronisasi generator dapat pula disebabkan dengan rendahnya tegangan sistem, rendahnya eksitasi mesin, tingginya impendans antara generator dan sistem. Ketika generator kehilangan sinkronisasi, hasilnya arus puncak dan frekuensi yang dihasilkan tidak sesuai harapan. Untuk mengurangi kerusakan, generator harus di trip tanpa adanya penundaan.
52
Proteksi yang normal diaplikasikan dala zona generator (seperti rele diferensial, sistem back up tunda waktu) tidak dapat mendeteksi hilangnya sinkronisasi. Rele hilangnya eksitasi (the loss-of-excitation relay) dapat memeberikan beberapa tingkat proteksi, namun tidak dapat diharapkan untuk mendeteksi hilangnya sinkronisasi generator dibawah kondisi sistem secara keseluruha. Oleh karena itu, jika selama hilangnya sinkronisasi pusat listrik terletak di daerah terminal tegangan tinggi dari generator tafo step up ke dalam generator, langkah-langkah pemisahan bagi rele harus disediakan untuk melindungi mesin. Proteksi ini dapat terhubung hanya untuk men-trip breaker generator utama dan dengan demikian memisahkan generator dengan cadangannya jika unit tersebut mempunyai kemampuan penolakan beban penuh (full-load rejection). Dengan cara ini,.ketika kondisi sistem telah stabil, unit tersebut akan secara siap untuk sinkron kembali ke sistem, jika unit tidak punya kemampuan penolakan beban penuh, proteksi ini harus diatur kembali untuk trip dan mematikan generator beserta penggerak mula.
Overexcitation protection Eksitasi berlebih pada generator atau beberapa trafo yang terhubung ke terminal generator terjadi ketika rasio tegangan ke frekuensi (voltage-to-frequncy ratio) yang diaplikasikan pada terminal peralatan melebihi 1,05 per unit dari
generator (misal base generator) dan 1,05 per unit saat beban penuh atau 1,1 per unit saat tanpa beban pada terminal tegangan tinggi untuk trafo (misal base trafo). Ketika melebihi rasio tersebut, saturasi dari inti magnetik generator atau trafo dapat terjadi, juga stray flux dapat terinduksi pada komponen yang tidak dilaminasi dan tidak dirancang untuk mengalirkan fluks sehingga dapat menyebabkan lebihnya tegangan di tiap lapisan di ujung dari inti. Arus medan pada generator juga berlebih, dan ini menyebabkan panas berlebih dan bahkan kegagalan isolasi (breakdown). Satu penyebab utama lebihnya rasio tegangan ke frekuensi pada generator dan trafo adalah operasi dari unit dibawah kontrol regulator pada frekuensi yang
53
diturunkan selama mesin dinyalakan ataupun dimatikan. Eksitasi berlebih juga dapat terjadi saat terdapat pelepasan beban di sistem transmisi yang terhubung dengan pembangkit. Dibawah kondisi ini, rasio tegangan ke frekuensi dapat melebihi 1,25 per unit. Selain itu kegagalan dari sistem eksitasi atau hilangnya sinyal tegangan untuk kontrol eksitasi dapat pula menyebabkan eksitasi berlebih. a)
Voltage-to-frequency limiters in excitations control Voltage-to-frequency limiters membatasi keluaran dari mesin ke nilai rasio
tegangan ke frekuensi maksimum tanpa menghiraukan kecepatan unit tersebut. Alat ini berfungsi hanya dalam mode kontrol otomatis. Untuk memberikan proteksi ketika unit sedang dikontrol secara manual, pembatas dapat memiliki sebuah keluaran sinyal rele yang mengaktifkan rangkaian proteksi tambahan untuk men-trip-kan medan generator. Rangkaian rele berfungsi walaupun kontrol eksitasi sedang ataupun tidak beroperasi. Baik dengan atau tanpa pembatas tegangan ke frekuensi pada kontrol eksitasi, praktik yang umum untuk memisahkan rele tegangan ke frekuensi untuk melindungi trafo dan generator ketika kontrol eksitasi sedang tidak beroperasi. b)
Voltage-to-frequency relay
Salah satu bentuk dari rele tegangan ke frekuensi yang digunakan di pembangkit yaitu fixed-time single voltage-to-frequency relay yang diatur pada 110% dari normalnya., yang memberi alarm dan men-trip-kan dalam 6 detik. Tipe lainnya menggunakan karakteristik inverse yang dapat diaplikasikan untuk memproteksi sebuah generator dan/atau trafo dari tingkatan yang melebihi rasio tegangan ke frekuensi dan rasio tegangan ke frekuensi tunda waktu. Tingkat operasi minimum dari rasio tegangan ke frekuensi dan tunda waktu biasanya diatur untuk memberikan kemiripan dari karakteristik rasio tegangan ke frekuensi generator-trafo yang dikombinasikan
Antimotoring protection Motoring pada generator terjadi ketika energi yang disuplai untuk
penggerak mula terputus ketika generator masih berada pada saluran. Ketika hal
54
ini terjadi generator akan berubah menjadi layaknya motor sinkron dan menggerakkan pengerak mula. Proteksi ini akan berfokus pada penggerak mulanya yang dapat mengalami kerusakan selama generator mengalami motoring. Motoring menyebabkan banyak kondisi yang tidak diinginkan. Turbin uap
bisa overheat disebabkan hilangnya pendinginan yang diberikan oleh turbin tersebut. Pada turbin uap, rotasi dari rotor dan sudu-sudu akan berbalik dan nantinya malah akan bergesekan dengan uap yang disalurkan (windage losses), hal ini menyebabkan sudu-sudu tersebut panas, panas yang tidak merata ini menjadikan bagian-bagian tertentu memuai. Adanya pemuaian ini menyebabkan bagian yang berputar dengan yang tidak akan mengalami gesekan, gesekan ini tentunya akan menimbulkan panas lagi yang memberikan kerusakan bagi turbin. Rugi gesekan angin tidak hanya menimbulkan masalah pada penggerak mula, namun juga menimbulkan masalah lainnya. Sebagai contoh pada turbin gas dapat menimbulkan masalah pada gerigi ( gear ). Sementara pada hidroturbin, motoring menyebabkan kavitasi dari sudu saat aliran air rendah. Indikasi utama dari motoring adalah aliran dari daya aktif menuju generator sehingga memiliki karakter sebagai motor sinkron. Rele reverse power mendeteksi adanya aliran daya balik yang akan terjadi apabila penggerak mula kehilangan energi masukannya. Magnitud dari daya motoring bervariasi bergantung tipe penggerak mula tersebut, seperti yang ditampilkan pada tabel berikut: Tabel 3-2 Maximum motori ng power untuk penggerak mula
Sensitivitas dan pengaturan dari rele bergantung pada tipe penggerak mula karena daya yang dibutuhkan untuk motor adalah fungsi dari beban dan rugi-rugi dari kemalasan berputar (idling ) penggerak mula.
55
Sebagai
contoh
pada
turbin
gas,
beban
kompresor
yang
besar
menggambarkan daya substansial yang dibutuhkan oleh sistem, bahkan mencapai 50% dari rating unit tersebut. Oleh karena itu, sensitivitas dari rele reverse power tidak dibuat kritis. Pada unit turbin uap, proteksi motoring digunakan untuk mengatur tekanan minyak dan skema aliran udara di turbin, dengan rele reverse power digunakan sebagai backup. Sementara pada turbin gas, mesin diesel, dan hidroturbin rele reverse power merupakan proteksi utama yang dibutuhkan.
Overvoltage protection Proteksi ini biasa diberikan pada mesin seperti hidrogenerator dimana kelebihan tegangan terminal yang diproduksi mengikuti pelepasan beban dari batas rasio tegangan ke frekuensi mesin. Kecepatan berlebih (overspeed ) yang terjadi pada hidrogenerator dapat melebihi 200% dari normal. Dibawah kondisi ini pada basis tegangan ke frekuensi, eksitasi mungkin tidak akan berlebih, tetapi magnitud tegangan bisa diatas batas yang diizinkan. Pada umumnya, masalah ini tidak terjadi pada turbin uap dan turbin gas karena tanggapan cepat yang diberikan oleh governor dan regulator tegangan yang menghalangi kemungkinan ini terjadi. Proteksi untuk masalah overvoltage ini dengan menggunakan rele frequency-compensated overvoltage. Rele ini memiliki baik fungsi instantaneous
dan fungsi tunda waktu dengan karakteristik waktu invers. Fungsi instantaneous biasanya diatur agar pickup pada 130% hingga 150% dari tegangan normal sementara fungsi waktu invers diatur agar pick up sekitar 110% dari tegangan normal. Proteksi ini umumnya terhubung untuk men-trip-kan breaker generator utama dan breaker medan.
Abnormal frequency protection Operasi dari generator saat frekuensi abnormal umumnya muncul dari adanya pelepasan beban secara penuh ataupun sebagian, juga dari kelebihan beban (overloading ) yang dirasakan generator. Overloading pada generator bisa disebabkan oleh berbagai variasi gangguan sistem dan/atau kondisi operasi. Kemungkinan dari kerusakan turbin gas atau turbin uap generator muncul ketika
56
beroperasi pada frekuensi yang dikurangi untuk waktu yang cukup lama. Pada umumnya, operasi saat underfrequency dari turbin generator lebih kritis dibandingkan dengan operasi saat overfrequency karena operator tidak memiliki pilihan
langkah kontrol
yang akan diambil.
Bentuk proteksi
ini
baik
underfrequency maupun overfrequency sering dibutuhkan oleh utilitas kelistrikan
ketika industri atau unit cogeneration dioperasikan secara paralel. Baik generator dan turbin dibatasi tingkat abnormal frekuensinya saat beroperasi. Pada frekuensi yang dikurangi (reduced frequency), kapabilitas keluaran dari generator juga dikurangi. Turbin biasanya dipertimbangkan untuk lebih terbatas dibandingkan dengan generator akibat reduced frequency karena adanya kemungkinan resonans mekanik dalam beberapa tahap dari sudu turbin. Proteksi underfrequency untuk turbin gas dan uap diberikan dalam bentuk implementasi dari program pelepasan beban (load-shedding ) otomatis pada sistem kelistrikan. Program pelepasan beban ini harus telah dirancang, sehingga untuk kemungkinan kondisi overload maksimum beban cukup dilepas secara cepat untuk mengembalikan frekuensi sistem kembali mendekati normal.
Undervoltage protection Rele undervoltage dapat digunakan untuk melayani satu dari beberapa fungsi proteksi bergantung pada tap tegangan dan pengaturan time-dial . AVR normalnya menjaga tegangan dengan batasan spesifik pada sistem multipleisolated. Oleh karena itu, undervoltage selanjutnya dapat mengindikasi beberapa
kondisi overload atau hilangnya suplai generator. Rele bisa digunakan untuk menyalakan unit yang standby. Untuk operasi single-machine, rele dapat digunakan untuk melepaskan beban dari generator apabila terjadi kegagalan pada regulator atau kegagalan pemakaian lainnya yang disebabkan unit tidak dapat menjaga tegangan yang tepat. Rele juga bisa digunakan untuk memberikan proteksi hubung singkat satu fase karena biasanya gangguan dalam akan menekan tegangan hingga cukup untuk membuat rele bekerja. Pada sistem terisolasi dengan banyak generator, rele undervoltage dapat digunakan sebagai backup dari
57
peralatan proteksi backup. Dalam aplikasinya, dibutuhkan tunda waktu dari 15 hingga 20 detik untuk memberikan kesempatan pada rele lainnya bekerja. Sistem Proteksi Backup
Rele proteksi yang telah dijelaskan sebelumnya memberikan sistem proteksi untuk semua tipe gangguan di zona generator dan saat kondisi operasi abnormal generator. Sebagai tambahan pada proteksi ini, praktik di lapangan memberikan rele proteksi yang mendeteksi dan beroperasi selama gangguan sistem eksternal ke zona generator tidak hilang karena adanya kegagalan pada peralatan sistem proteksi. Proteksi ini biasanya disebut dengan sistem backup, yang didesain untuk mendeteksi gangguan fase dan tanah uncleared pada sistem. Ini berfungsi untuk memberikan proteksi pada komponen sistem distribusi terhadap kerusakan berlebih dan juga mencegah generator beserta perlengkapannya melewati batas termalnya. a. Backup dengan menggunakan rele jarak Satu zona rele jarak dengan karakteristik mho biasanya digunakan pada sistem backup gangguan fase. Tegangan dan arus yang tepat haruslah digunakan agar rele ini merasakan impedans yang benar saat terjadi gangguan sistem. Bila diperlukan, pergeseran fase ini dilakukan dengan menggunakan VT tambahan yang terhubung delta-wye seperti terlihat pada gambar 3.27. ketika generator dihubungkan langsung ke sistem, sambungan ke rele ditunjukkan oleh gambar 3.28. Pada kedua kasus sambungan tersebut, rele tidak hanya memberikan backup untuk gangguan sistem, tetapi juga sebagai proteksi backup untuk gangguan fase generator dan zona generator sebelum dan sesudah sinkron dengan sistem.
Gambar 3.25 Aplikasi sistem rele backup untuk pengaturan generator-trafo
58
Gambar 3.26 Aplikasi sistem rele backup pada generator yang terhubung langsung ke sistem
b. Backup dengan menggunakan rele overcurrent Pada umumnya, rele overcurrent tidak dapat diatur secara tepat untuk memberikan proteksi backup yang cukup. Pengguna dan desainer sistem enggan menggunakan rele yang bekerja hanya untuk arus lebih karena ditakutkan akan men-trip generator ketika permintaan beban sedang tinggi-tingginya. Penggunaan rele time-overcurrent biasa menghadirkan dilema saat akan menentukan setting arus dan waktu yang tepat. Jika setting arus dan waktunya terlalu rendah, rele akan men-trip generator pada saat beban berlebih normal. Bila setting-nya terlalu tinggi untuk memberikan interval waktu koordinasi dengan peralatan lain, rele tidak akan merespon sama sekali karena arus gangguan lebih dahulu hilang. Setting pickup untuk rele seperti ini biasanya 1.5 sampai 2 kali arus rated beban penuh generator untuk menghindari trip yang tidak perlu selama beberapa kondisi beban berlebih darurat. Dengan setting pickup dan tunda waktu melebihi 0.5 detik, rele overcurrent biasa tidak akan pernah bekerja karena arus gangguan generator hilang sebelum mencapai setting pickup-nya. Setelah 0.5 detik atau lebih, arus gangguan generator ditentukan oleh reaktans sinkron mesin dan besar arusnya mendekati arus beban penuh rated yang berada di bawah setting rele. Tipe rele overcurrent yang biasa digunakan sebagai proteksi backup gangguan fase pada sebuah sistem adalah voltage-restrained atau voltagecontrolled. Keduanya didesain untuk memberikan perlindungan di bawah kondisi
beban berlebih normal maupun darurat dan masih memiliki sensitivitas yang cukup untuk mendeteksi gangguan.
59
-
voltage-restrained
overcurrent
relay:
memiliki
fungsi inverse
time-
overcurrent dan juga restraining voltage yang secara efektif mengurangi
setting sensitivitas secara proporsional melebihi batasan 4:1. Rele dikalibrasi dalam batasan setting tap, misal 0.5 A atau 16 A, dengan 100% tegangan diberikan ke koil restrain. Semakin rendah tegangan, arus yang dibutuhkan untuk mengoperasikan rele pada setting tap tertentu juga menurun. Perubahan ini memberikan serangkaian kurva karakteristik yang tak terbatas. -
Voltage-controlled
overcurrent
relay:
memiliki
fungsi inverse
time-
overcurrent dan juga high-speed voltage. Fungsi tegangan mengendalikan
ketika fungsi overcurrent merasakan arus. Fungsi high-speed voltage dapat diatur dalam batas 40% sampai 100% tegangan rated tergantung dari produsen rele. Ketika tegangan yang diberikan di atas setting pickup, kontak yang terhubung dengan rangkaian fungsi overcurrent terbuka dan tidak ada output operasi (misal, torsi) yang dihasilkan tanpa menghiraukan besar arus. Ketika tegangan jatuh di bawah nilai dropout, kontak di rangkaian overcurrent tertutup. Hal ini membuat rele dapat menghasilkan output operasi dan bekerja sebagai rele overcurrent biasa. Jika arus di atas setting tap, maka ia beroperasi menurut karakteristik time-current (TCC) yang ada padanya. Adapun kriteria dalam pemilihan setting tap rele adalah sebagai berikut.
Rele harus pick up pada arus sinkron untuk 0 V pada rele (misal, eksitasi konstan)
Rele tidak boleh pick up selama beban berlebih sedang (moderate overload ) hingga 150% arus beban penuh generator dengan 100% tegangan pada potential coil
c. Backup terhadap gangguan tanah
Backup gangguan tanah bisa dilakukan dengan rele time-overcurrent biasa dengan karakteristik inverse atau very inverse. Ketika generator terhubung dengan susunan generator-transformer, rele ground backup dihubungkan dengan CT di netral trafo step up (lihat gambar 3.27).
60
Idealnya, rele backup gangguan tanah dan fase diatur untuk mendeteksi dan beroperasi pada gangguan yang tidak jelas di bus dan saluran transmisi di luar zona generator. Ketika penguat statis VT digunakan, arus gangguan generator dapat hilang dengan cepat ketika tegangan pada generator menjadi rendah akibat gangguan. Sebagai konsekuensinya, rele backup gangguan fase overcurrent dengan tunda waktu yang lama tidak bisa beroperasi selama adanya gangguan sistem. Oleh karena itu, kinerja rele ini harus diperiksa menggunakan kurva faultcurrent decrement pada generator tertentu dan sistem eksitasi statis VT. Kedua
rele backup fase dan tanah harus saling berkoodinasi waktu dengan proteksi pada semua elemen sistem di luar zona generator untuk meyakinkan selektivitas yang tepat. Meskipun begitu, langkah ini tidak selelu memungkinkan. Dua mode pen-trip-an yang biasa digunakan pada proteksi backup sistem adalah sebagai berikut: -
Rele backup sistem terhubung untuk memberi daya hand-reset lockout relay, untuk men-trip breaker generator utama, breaker medan dan/atau penguat, serta penggerak mula.
-
Rele backup sistem terhubung dalam dua langkah mode pen-trip-an.
Langkah pertama: men-trip breaker generator utama saja. Ketika trip dengan
mode
ini,
generator
bisa
mengalami
overspeed yang
membahayakan. Generator harus dapat menolak beban penuh.
Langkah kedua: memberi daya hand-reset lockout relay, yang mengawali matinya mesin.
Proteksi Kegagalan Breaker Generator
Diagram fungsional dari skema kegagalan breaker di zona generator ditunjukkan oleh gambar 3.29 Seperti pada semua skema, ketika rele proteksi mendeteksi gangguan internal atau sebuah kondisi operasi yang tidak normal, ia akan men-trip generator sekaligus menghidupkan timer breaker-failure.
61
Gambar 3.27 Diagram fungsional skema kegagalan breaker di zona generator
Jika breaker tidak dapat menghilangkan gangguan atau kondisi abnormal dalam waktu tertentu, timer akan men-trip beberapa breaker yang diperlukan untuk melepas generator dari sistem. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.29 untuk menghidupkan timer breaker-failure, rele proteksi harus bekerja dengan disertai adanya arus yang tidak normal pada CD (current detector) atau breaker “a” ON. Breaker “a” diperlukan karena kondisi gangguan dan/atau operasi tidak normal
(misal, gangguan stator atau bus ground, eksistasi overvoltage-to-frequency, arus urutan negatif berlebih, underfrequency berlebih, reverse power) tidak dapat menghasilkan cukup arus untuk mengoperasikan CD.
Voltage Transformer (VT) Dua kekhawatiran yang seringkali muncul sehubungan dengan pemakaian VT di zona generator adalah putusnya sekering dan ferroresonans. Pada praktiknya, zona generator menggunakan dua atau lebih VT yang ditanahkan menggunakan grounded-wye-grounded-wye dan biasanya memiliki sekering sekunder dan mungkin juga primer serta digunakan untuk memberikan tegangan terhadap sejumlah rele proteksi dan regulator tegangan. Jika satu atau lebih sekering putus di dalam rangkaian VT, tegangan sekunder yang masuk ke rele dan regulator tegangan akan berkurang besarnya dan sudut fasenya bergeser. Perubahan tegangan ini dapat menyebabkan rele (21, 32, 40, 46, 51V) salah operasi dan regulator memberikan eksitasi lebih ke generator.
62
Untuk menghilangkan kemungkinan salah operasi, salah satu cara yang biasa
dipakai
adalah
dengan
memasang
rele
voltage-balance,
yang
membandingkan tegangan sekunder 3-fase dari dua VT seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.30. Ketika dua VT tersebut memiliki tegangan yang sama, maka rele seimbang dan kedua kontak kiri dan kanan terbuka. Jika sekering putus pada salah satu VT, ketidakseimbangan yang dihasilkan menyebabkan rele beroperasi. Ketika sekering putus di fase manapun dari VT, ketidakseimbangan menyebabkan kontak yang terhubung dengannya tertutup. Ketika sekering kedua juga putus, kontak yang terhubung dengannya juga tertutup. Rele terhubung dengan alarm, memutus regulator tegangan dari sistem, dan memblok kemungkinan salah trip oleh rele proteksi yang kinerjanya dipengaruhi oleh perubahan tegangan. Rele voltage-balance harus diatur sesensitif mungkin karena korosi atau buruknya
kontak VT dapat mengakibatkan drop tegangan pada rangkaian dan itu cukup signifikan bagi regulator (overexcitation), tapi terlalu kecil untuk dideteksi oleh rele.
Gambar 3.28 Aplikasi rele voltage-balance
Feroresonans dapat terjadi ketika VT yang ditanahkan terhubung dengan sistem yang tidak ditanahkan. Pada kondisi ini, tegangan pada satu atau lebih VT dapat terdistorsi 60 Hz atau tegangan subharmonik, dan VT dapat beroperasi dalam keadaan overexcited di daerah saturasi. Arus eksitasi VT akan tinggi dan bila diperbolehkan berkerja di kondisi ini, VT akan gagal secara termal dalam waktu yang singkat.
63
Kemungkinan feroresonans VT dapat diminimalisir dengan menggunakan line-to-line rated VT yang tersambung ke tanah. Pengaturan ini sebenarnya tidak
menghilangkan masalah. Untuk menghilangkan feroresonans secara keseluruhan, dibutuhkan adanya resistans pembebanan di tiap fase pada kumparan sekunder. Resistans pembebanan yang sama dengan kapabilitas termal rated VT mungkin diperlukan untuk mengurangi feroresonans. Ini perlu dipasang ke VT sekunder ketika VT tersebut dioperasikan pada sistem yang tidak ditanahkan. Beban dapat dihilangkan ketika generator tersambung dan sistem pentanahan diadakan kembali. Proteksi saat startup atau shutdown
Selama generator startup atau shutdown, unit dapat bekerja pada frekuensi yang kurang selama periode waktu tertentu. Ketika frekuensi operasi berada di bawah rated, sensitivitas beberapa rele di zona generator akan terpengaruh buruk. Sensitivitas beberapa rele mungkin hanya berkurang sedikit saat rele lainnya tidak mampu memberikan proteksi dengan baik atau mungkin tidak beroperasi sama sekali. Proteksi tambahan selama terjadi startup atau shutdown dapat menggunakan rele proteksi yang pickup-nya tidak dipengaruhi oleh frekuensi, seperti instantaneous overcurrent atau plunger voltage relay. Pada umumnya, proteksi ini
akan digunakan hanya saat generator terlepas dari sistem. Kontak breaker ( cut-off contact ) diperlukan untuk melepaskan rele dari sistem agar terhindar dari termal
yang melebihi rating rele. Ketika terminal generator dihubungkan ke bus, proteksi gangguan-tanah tambahan dapat menggunakan rele instantaneous overcurrent yang sensitif yang diseri dengan rele time-overcurrent yang biasa untuk proteksi. Rele ini dihubungkan ke CT yang terletak di ujung netral kumparan fase mesin. Proteksi
gangguan-fase
tambahan
diperoleh
dengan
menempatkan
rele
instantaneous di fase CT. Kumparan arus kedua rele instantaneous overcurrent
fase dan tanah perlu dihubung singkat ketika mesin dihubungkan ke sistem jika kedua rele dapat diberi pickup terus menerus.
64
I nadvertent energizing Inadvertent/accidental energizing pada generator yang sedang off-line
seringkali terjadi sehingga perlu ada peralatan proteksi yang dapat mendeteksi kondisi ini. Sejumlah generator telah mengalami kerusakan disebabkan oleh hal ini. Error operasi, flashover di ujung breaker , malfungsi rangkaian kontrol, atau kombinasinya dapat menyebabkan generator secara tidak sengaja ter-energize saat sedang off-line. Ketika generator ter-energize oleh sistem, ia akan berputar seperti halnya motor induksi. Tegangan terminal dan arus generator adalah fungsi dari generator, transformer, dan impedans sistem. Tergantung dari sistem, arus ini dapat berkisar 3 – 5 pu dan serendah 1 – 2 pu dari rating mesin. Ketika berputar, arus tinggi yang terinduksi ke rotor dapat menyebabkan kerusakan hanya dalam beberapa detik. Rele yang membutuhkan tegangan tidak bisa bipakai bila prosedur standar meminta sekering VT untuk dilepas ketika mesin sedang off-line. Untuk rele reverse power , dengan masukan tegangan, drop tegangan sebanyak 50% atau
lebih membuatnya tidak bisa beroperasi. Rele dengan tunda waktu tidak dapat digunakan untuk kepentingan koordinasi karena terlalu lambat untuk memberikan proteksi terhadap inadvertent energization. Disini diperlukan rele yang daya untuk men-trip beserta kuantitas-kuantitas inputnya tidak hilang meskipun generator sedang off-line. Beberapa skeme rele yang dapat digunakan untuk mendeteksi inadvertent energization adalah
- Directional overcurrent relay - Frequency-supervised overcurrent - Distance relay scheme -
Voltage-supervised overcurrent
- Auxiliary contacts scheme with overcurrent relays Skema ini harus terisolasi agar dapat menjamin rele masih bekerja meskipun unit sedang shutdown atau perawatan.
65
Transmission-line reclosing near generator stations Pengoperasian switching termasuk didalamnya buka dan tutup CB yang berada pada atau di dekat pembangkit yang dapat menghasilkan daya transien dan arus yang berosilasi. Hal tersebut dapat memberi tekanan atau merusak turbin dari generator. Yang dikhawatirkan dalam pengoperasian switching adalah munculnya torsi osilasi dan shaft torques, yang dapat menyebabkan poros menjadi jenuh dan dengan sedikit gangguan kecil lainnya dapat memberi gangguan pada switching yang lebih parah. a. Steady state switching of lines
Switching pada saluran yang dekat dengan pembangkit untuk perawatan dapat menghasilkan perubahan daya secara mendadak, yang dapat menghasilkan gaya mekanik transien (transient mechanical forces) baik pada bagian rotor maupun stator di turbin generator. Perubahan daya yang secara tiba-tiba ini merupakan fungsi dari sudut switching yang melewati CB terbuka dan impedans dari sistem. Jika perubahan daya tersebut melebihi 0,5 pu, produsen turbin generator harus berkonsultasi untuk menentukan apakah ada potensi untuk kerusakan yang signifikan. b. High-speed reclosing following system faults
Penutupan kembali secara cepat (high-speed reclosing ) dari saluran transmisi pada ataupun dekat dengan pembangkit setelah terjadi gangguan memiliki potensi untuk menyebabkan poros mengalami kejenuhan dan kerusakan di turbin generator. Yang dikhawatirkan adalah kemungkinan dari gagalnya menutup kembali (reclosure) terhadap gangguan yang tetap ada, hal ini dapat memperkuat osilasi torsi dan kejenuhan poros utama yang disebakan oleh gangguan asli dan dengan demikian menyebabkan semakin berkurangnya umur dari turbin generator secar signifikan. Untuk meminimalisir potensi efek yang merusak dari high-speed reclosing dari saluran transmisi yang dekat dengan pembangkit, praktik penutupan kembali alternatif harus terus dipelajari guna nantinya mengurangi kerusakan akibat kejenuhan pada porosnya.
66
Sinkonisasi (synchronizing)
Tidak
tepatnya
sinkronisasi
dari
generator
menuju
sistem
dapat
menghasilkan kerusakan pada beberapa unit di pembangkit. Kerusakan yang terjadi dapat berupa kopling slip, meningkatnya getaran pada poros, bantalan poros berpindah tempat, kumparan stator longgar, laminasi stator longgar, dan poros mengalami kejenuhan dan bagian mesin lainnya. Untuk mencegah kerusakan pada generator selama proses sinkronisasi, produsen generator secara umum telah memberikan batasan seperti breakerclosing angle dan tegangan yang cocok. Batas tipikal tersebut seperti:
Breaker-closing angle: dengan batas 10 electrical degrees. Penutupan CB
idealnya harus dilakukan ketika generator dan grid pada fase 0o dengan memperhatikan satu sama lain. Berikut bentuk persamaan matematisnya: Φ A = 360( F S )(T S )
dimana: o Φ = advance angle ( )
FS = slip frequency (Hz) TS= breaker closing time (s)
Voltage matching: perbedaan tegangan harus diminimalisir dan tidak
melebihi 5%. Batas ini memudahkan dalam perawatan stabilitas sistem dengan memastikan aliran VAR menuju sistem. Adapun tambahannya, jika tegangan generator terlalu sering lebih rendah daripada grid ketika breaker tertutup maka rele reverse power akan trip.
Frequency difference: kurang dari 0,067 Hz. Perbedaan frekuensi harus
diminimalisir untuk kontrol dan batas tanggapan dari penggerak mula yang diberikan. Perbedaan frekuensi yang sangat besar menyebabkan laju kenaikan beban atau kejadian motoring yang terlalu sering.
67
a)
Automatic synchronizing system
Sistem sinkronisasi otomatis mencakup bentuk kombinasi dari beberapa elemen yang memantau magnitud tegangan, sudut fase, dan rating perubahan dari sudut fase yang melewati CB terkontrol. Selain itu juga menghitung waktu penutupan dari CB terkontrol untuk memprediksi ketika menginisisasi penutupan. Sistem ini mencakup sebuah synchronizer otomatis dan elemen lainnya (seperti rele dan modulnya) untuk memantau dan mengontrol frekuensi dan tegangan dari generator. Rele sinkronisasi mengukur kecepatan relatif dari generator ke sistem, mengukur sudut fase antara generator dan sistem, dan kemudian memberi impuls penutupan ke breaker pada sudut yang tepat untuk memastikan bahwa breaker tertutup ketika mesin dan sistem sefase. Rele speed-matching digunakan untuk secara otomatis mencocokkan frekuensi generator terhadap frekuensi sistem. Untuk menyempurnakan hal tersebut, rele menghasilkan sinyal yang dapat digunakan untuk menaikkan atau menurunkan kecepatan generator. Pada umumnya, kecepatan generator dibuat sedikit lebih cepat dibanding dengans sistem untuk mencegah motoring atau trip nya rele reverse power . Rele sync-check sering diaplikasikan dengan synchronizer otomatis untuk mengawasi fungsi kontrol otomatis. b)
Manual and semiuautomatic synchronizing system
Sistem sinkronisasi manual bergantung pada keinginan operator untuk menutup breaker ketika pengontrolan tegangan dan frekuensi generator. Informasi yang dibutuhkan operator untuk membuat keputusan penutupan disediakan oleh beberapa instrumen. Langkah operator dapat diawasi dengan perangkat tambahan yang jelas bagi operator. Sebagai contoh, perangkat bertindak hanya sebagai pemberi tanda dan tidak mencocokkan kecepatan dan tegangan ataupun menginisiasi penutupan. Sementara sistem sinkronisasi semiotomatis memiliki aspek baik dari sistem manual maupun sistem otomatis yang mana operator punya pengawasan dari perangkat otomatis dan secara langsung mengontrol kecepatan dan tegangan
68
generator. Rele yang digunakan untuk fungsi pengawasan seperti ini adal rele sync-check. 3.3
Skema Tripping
F ilosofi proteksi Setelah tugas dari memilih susunan rele proteksi untuk generator selesai, lalu keputusan harus dibuat untuk menentukan bagaimana pengaturan untuk mematikan penggerak mula generator. Penentuan ini harus mempertimbangkan lebih dari sekedar pemutusan generator dari sistem kelistrikan. Standar operasinya diatur sebagai berikut:
Alasan untuk trip
Jenis dari penggerak mula (contoh: mesin diesel atau gas, turbin gas, turbin upa, kincir air)
Pengaruh dari hilangnya daya keluaran secara tiba-tiba pada sistem kelistrikan dan proses yang dilayani
Pertimbangan lingkungan (jika diperlukan)
Keselamatan bagi personil
Pengalaman beropersi yang memfokuskan pada pertimbangan masalah spesial yang dibutuhkan
Tripping modes Tabel 3.3 membantu dalam mengembangkan logika pen-trip-an untuk peralatan proteksi. Tabel tersebut sebagai basis untuk logika proteksi generator. Logika trip individual bergantung pada yang lebih disukai oleh pemilik dan kemampuan dari penggerak mula dan sistem suplainya.
69
Tabel 3-3 Trip-logic table
Catatan:
1. Jika menggunakan rele 21/51V, metode trip simultaneous perlu digunakan. Jika menggunakan backup, metode trip separation yang digunakan 2. Rele 59 harus menginisiasi trip simultaneous pada unit hidro, sementara unit termal hanya memerlukan adanya alarm
70
Terdapat 4 metode untuk mengisolasi generator sesuai dengan syarat kelistrikan dan kondisi abnormal sebagai berikut: 1.
Simultaneous tripping
Pada cara ini rele proteksi mengisolasi generator dengan men-trip-kan breaker generator, men-trip-kan breaker medan, dan mematikan penggerak mula dengan menutup katup turbin, yang semuanya dilakukan secara bersamaan. Cara ini digunakan untuk semua gangguan generator internal dan beberapa keadaan abnormal pada zona proteksi generator. 2.
Generator tripping
Pada cara ini rele proteksi men-trip-kan breaker generator utama dan breaker medan. Cara ini tidak mematikan penggerak mula dan digunakan pada yang memungkinkan untuk penanganan masalah dengan cepat dan dengan demikian menyambungkan kembali mesin pada sistem dalam waktu yang singkat. Cara seperti ini tidak mungkin diterapkan dengan beberapa tipe dari penggerak mula, governor, dan sistem boiler yang tidak mampu melepaskan beban secara cepat. 3.
Unit separation tripping
Cara pemisahan sebagian unit adalah variasi dari cara generator tripping yang hanya men-trip-kan breaker generator utama. Cara ini digunakan ketika perawatan unit beban tambahan dihubungkan ke generator yang diinginkan. Keuntungan dari cara ini adalah generator dapat disambungkan kembali ke sistem dengan tunda waktu yang minimum. 4.
Sequential tripping
Pada cara ini katup turbin trip pertama, ketika sistem kontrol turbin mengindikasi bahwa turbin telah trip, pentripan dari breaker generator utama dan breaker medan akan terinisiasi. Cara ini sangat utama digunakan untuk turbin uap ketika tunda pen-trip-an tidak memiliki efek yang merusak pada generator.
71
3.4
Skema Proteksi yang Direkomendasikan
Skema proteksi yang direkomendasikan bagi generator berdasarkan kapasitasnya:
Kecil (sebagai contoh: 1000 KVA maksimum hingga 600V; 500 KVA maksimum diatas 600V)
Medium (sebagai contoh: dari kapasitas generator kecil hingga 12 500 KVA tanpa mempaerhatikan tegangan)
Besar (sebagai contoh: dari kapasitas generator medium hingga kurang lebih 50 000 KVA)
Generator Kapasitas Besar
Proteksi yang direkomendasikan untuk ukuran generator besar berupa:
51V, backup overcurrent relays (baik voltage restrained maupun voltage controlled)
51G, backup ground time-overcurrent relay
87, differential relays (sebagai contoh high-speed variable-percentage)
87G, ground differential relay (sebagai contoh directional product)
40, impedance relay (sebagai contoh offset mho) untuk proteksi loss-offield (dua element untuk sensitivitas yang lebih baik)
46, negative-phase-sequence overcurrent relay untuk proteksi melawan kondisi tidak seimbang
49, temperature relay untuk mengawasi temperatur kumparan stator
64F, generator field ground relay
60, voltage-balance relay
72
Gambar 3.29 Typical protective relay scheme untuk generator berkapasitas besar
Gambar 3.31 menampilkan bus PT yang digunakan untuk menyuplai tegangan ke rele generator. Aplikasi ini dapat memberikan rangkaian yang mampu memutuskan PT ketika generator tidak beroperasi. Rele bus PT (87B) direkomendasikan ketika generator berkapasitas besar tersambung ke sistem. Walaupun bukan bagian dari skema proteksi generator, rele tersebut memberikan waktu clearing yang sangat cepat dari gangguan bus. Oleh karena itu, rele arus lebih backup generator tidak dibutuhkan pada fungsi proteksi primer. Susunan ini terbukti memiliki tingkat proteksi yang baik dan mengurangi tekanan termal yang sebaliknya akan mengganggu generator dan berbagai komponennya.
73
4BAB IV Perbandingan Sistem Proteksi Generator MGT 9 terhadap Standar IEEE Std 242-2001 4.1
Sistem Proteksi Generator Sinkron Berdasarkan IEEE Std 242-2001
Seperti yang telah dipaparkan pada BAB III, IEEE Std 242-2001 membagi sistem proteksi generator sinkron menjadi 3 jenis dilihat dari kapasitas generatornya. Terlihat bahwa semakin besar kapasitas generator, semakin banyak pula peralatan proteksi yang digunakan. Generator sinkron MGT 9 yang ada di PT. CPI adalah generator dengan turbin gas yang memiliki kapasitas sebesar 42,353 MVA dengan tegangan output 13,8 kV. Dengan demikian, generator sinkron MGT 9 termasuk ke dalam jenis generator berkapasitas besar (12,5 – 50 MVA). Maka dari itu, peralatan proteksi yang direkomendasikan oleh IEEE Std 242-2001 adalah sebagai berikut:
51V
: Rele backup overcurrent (baik voltage-restrained atau voltagecontrolled )
51G
: Rele backup ground time-overcurrent
87
: Rele differential
87G
: Rele ground differential
40
: Rele impedans (misal, offset mho)
46
: Rele negative-phase-sequence overcurrent
49
: Rele suhu
64F
: Rele generator field ground
60
: Rele voltage-balance
Konfigurasi rele-rele di atas dapat dilihat pada gambar 3.31. Rekomendasi ini merupakan batas minimum peralatan proteksi bagi generator, sehingga sah-sah saja apabila sebuah generator memiliki peralatan proteksi tambahan selain dari sembilan rele di atas.
74
4.2
Sistem Proteksi Generator Sinkron MGT 9 PT. CPI
Berdasarkan data yang penulis dapatkan selama melakukan kerja praktik di PT. CPI, terdapat 15 jenis peralatan proteksi yang terpasang pada generator sinkron MGT 9, yaitu sebagai berikut:
21 : Rele jarak
87G: Rele generator differential
32 : Rele reverse power
95VH : Volts/Hertz
40 : Rele medan
85G : Generator lockout
46 : Rele negative phase sequence
86GT : Generator/turbine lockout
59G : Rele generator overvoltage
94G : Generator circuit breaker
60V: Rele voltage balance
64G: Rele generator earth fault
27B1 & 27B2 : Bus undervoltage
64GI : Rele instantaneous earth
52GTX & 49S : Auxiliary relay
trip
fault 4.3
Perbandingan Proteksi Generator Sinkron MGT 9 PT CPI terhadap Standar IEEE
Untuk mengetahui perbandingan antara sistem proteksi dari IEEE Std 2422001 dengan PT. CPI beserta fungsi rele yang digunakan dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 4-1 Tabel perbandingan proteksi generator MGT 9 terhadap standar IEEE Std. 2422001
Jenis Rele
IEEE 242
MGT 9
Sebagai gangguan Impedans minimum/jarak
21
Fungsi backup
fase
terhadap di
zona
generator. Membutuhkan tunda waktu untuk koordinasi Men-trip CB ketika tegangan
Undervoltage (bus)
Directional/reverse power
27 B1 & 27 B2 32
di bus terminal generator di bawah normal Proteksi
generator
ketika
75
Menggunakan
motoring.
karakteristik offset mho. Proteksi Field (over/under excitation)
40
40
saat
generator
kehilangan eksitasi. Proteksi saat terjadi unbalance
Negative phase sequence
46
46
Suhu/thermal
49
49S
Time overcurrent (voltagerestrained or voltagecontrolled)
di stator. Proteksi suhu berlebih stator. Sebagai gangguan
51V
terhadap
fase
di
zona
generator. Sebagai
Time overcurrent (ground)
backup
maupun
51G
proteksi backup
utama terhadap
gangguan tanah pada generator Memisahkan
Circuit breaker (ground, trafo, auxiliary unit)
52GTX
59G
dengan
sistem bila terjadi gangguan Proteksi
Overvoltage (ground)
unit
utama
gangguan
terhadap
tanah
pada
generator. Mendeteksi putusnya sekering 60
yang terhubung ke peralatan proteksi. Memastikan peralatan
Voltage balance
60V
Ground detector/generator field ground
64F
proteksi
medapatkan
suplai meski sekering putus. Proteksi
64G 64GI
tetap
utama
terhadap
gangguan tanah pada rotor Rele
tambahan
yang
menonaktifkan secara penuh Generator lockout
85G
sistem generator yang resetnya secara manual
Generator/turbine lockout
86GT
Mengunci putaran turbin saat
76
ada gangguan tertentu. Sebagai
utama
terhadap gangguan fase pada
87
Differential
proteksi
generator Sebagai 87G
Differential (ground) Generator circuit breaker trip (ground)
87G
gangguan
tanah pada generator Rele
94G
proteksi
tambahan
yang
dapat
reset secara otomatis
Proteksi terhadap overeksitasi Volt/Hertz
95VH
yang membuat inti generator mengalami saturasi
Dari tabel di atas terlihat bahwa sistem proteksi yang diterapkan pada generator sinkron MGT 9 PT. CPI sudah lebih dari cukup bila dibandingkan dengan rekomendasi yang diberikan oleh IEEE Std 242-2001. Namun, dari 9 rele proteksi yang direkomendasikan terdapat 2 rele yang tidak digunakan di generator MGT 9, yaitu 51 V (time-overcurrent voltage-restrained or voltage-controlled relay) dan 51G ( ground time-overcurrent relay). Bila dilihat dari fungsinya, rele
51V memberikan proteksi terhadap gangguan fase di zona generator, sedangkan rele 51G memberikan proteksi terhadap gangguan tanahnya. Generator MGT 9 tidak menggunakan kedua rele tersebut sebab kedua fungsinya telah digantikan oleh peralatan proteksi lain, yakni circuit breaker (CB). Tidak hanya itu, generator MGT 9 juga dilengkapi dengan rele proteksi 59G (ground overvoltage relay), 87 (differential relay), dan 87G ( ground differential relay ) yang juga dapat
digunakan sebagai proteksi terhadap gangguan fase maupun tanah di generator. Adapun peralatan proteksi lain yang digunakan oleh MGT 9 tapi tidak termasuk dari yang direkomendasikan oleh IEEE Std 242 adalah:
21
: Rele jarak
32
: Rele reverse power
59G
: Rele generator overvoltage
52GTX
: CB (auxiliary)
77
85G
: Generator lockout
86GT
: Generator/turbine lockout
94G
: Generator circuit breaker trip
95VH
: Volts/Hertz
27B1 & 27B2 : Bus undervoltage
4.4
Skema Pen-trip-an Sistem Proteksi Generator MGT 9
Setelah dipaparkan rele apa saja yang yang diaplikasikan pada sistem proteksi generator MGT 9. Diketahui bahwa tiap rele memiliki karakteristik yang berbeda-beda dilihat dari gangguan apa yang dideteksinya sehingga perlu dirancang suatu bentuk perencanaan pemutusan yang sesuai dengan gangguan tersebut, agar tercipta suatu koordinasi. Berikut skema pen-trip-an yang diaplikasikan pada sistem proteksi generator MGT 9:
Tabel 4-2 Skema pen-trip-an sistem proteksi generator MGT 9
PROTECTION RELAYS
M R A L A
49S
0 4 , 2 3 , 1 2 K C O L B
G 6 8
21G
Minimum Impedance
H
27B1
Bus Undervoltage No.1
L
27B2
Bus Undervoltage No.2
L
27G
Generator Undervoltage
L
32
Reverse Power
H
H
40
Loss of Excitation
L
L
46
Negative Phase Sequence
H
HH
H
HH
49G
Stator Temperature (Pt100x6)
49GE
Exciter Air Temperature (Pt100x1)
49GG
Generator Air Inlet Temp (Pt100x2)
H
49GV
Generator Air Outlet Temp (Pt100x1)
H
52GTX
Gas Turbine Trip from T.P
T G 6 8
G 4 9 H
P I R T ) 2 5 ( R B N E G
P I R T ) 1 4 ( R B C X E
X
78
) 1 4 ( R P U I T R / S T A D G T S
59G
Generator Overvoltage
H
60V
Voltage Balance
L
64F
Rotor Earth Fault
H
64G
Generator Earth Fault
H
H
64GI
Instantaneous Generator Earth Fault
H
H
86G
Generator Lock Out
X
X
X
Turbine/Generator Lock Out
X
X
X
87G
Generator Differential
H
94G
Generator Circuit Breaker Trip
X
Voltage Per Hertz
H
86GT
95VH
H L
H X H
79
X
5BAB V Perhitungan Pengaturan Peralatan Proteksi Generator MGT 9 terhadap Standar IEEE C37.102 Pada bagian ini akan ditinjau apakah perhitungan untuk pengaturan peralatan proteksi yang diterapkan di generator sinkron MGT 9 PT. CPI sudah sesuai dengan perhitungan yang diberikan oleh IEEE. Sebelum melangkah ke bagian tersebut perlu dilakukan perhitungan awal untuk mencari nilai basis impedans dan mengubah nilai reaktans pu trafo ke dalam basis generator karena akan digunakan dalam perhitungan beberapa rele proteksi. Perhitungan tersebut memerlukan parameter baik dari generator maupun trafo step up yang terhubung dengannya. Berikut ini adalah parameter generator sinkron MGT 9 dan trafo 9 MNS . Tabel 5-1 Parameter Generator Sinkron MGT 9
Generator Sinkron MGT 9
Output
42,353
MVA
Power factor
0,85
pf
Voltage
13,8
kV
60
Hz
Frequency Full Load Current (FLA)
1772
A
Speed
3600
rpm
Short Circuit Ratio
0,55
Direct axis synchronous reactance
Xd
2,13
pu
Direct axis transient reactance
X‟d
0,214
pu
Direct axis subtransient reactance
X”d
0,154
pu
Negative sequence reactance
X2
0,178
pu
Primary
13800
V
Secondary
115
V
PT Ratio
120
Primary
2000
A
5
A
Potential Transformer (PT)
Current Transformers (CT)
Secondary CT Ratio
400
80
Tabel 5-2 Parameter Transformer 9 MNS
Transformer 9 MNS
Power
41
MVA
Primary voltage
13,8
kV
Secondary voltage
115
kV
Leakage reactance or impedance
0,0834
pu
FLA (primary)
1715
A
FLA (secondary
205,8
A
Dari data parameter di atas dapat dihitung nilai basis impedans generator dengan perhitungan sebagai berikut.
Nilai reaktans pu trafo perlu diubah ke dalam basis generator.
Basis tegangan pada rele (sekunder VT), dengan rasio VT sebesar 120.
Basis arus pada bagian primer CT adalah 1772 A, dengan rasio CT sebesar 400 maka basis arus pada rele (sekunder CT) adalah
81
Sehingga basis impedans rele adalah
5.1
Undervoltage Relay (27) Generator biasanya didesain untuk bekerja secara terus-menerus pada
tegangan minimum 95% dari tegangan rated-nya ketika menyalurkan daya rated pada frekuensi rated. Generator yang bekerja dengan tegangan terminal lebih rendah dari 95% tegangan rated dapat menyebabkan efek yang tidak diinginkan, seperti berkurangnya batas stabilitas, aliran daya reaktif berlebih dari grid yang terhubung dengannya, dan tidak berfungsinya peralatan yang sensitif terhadap tegangan. Rele undervoltage biasanya akan membunyikan alarm dan tidak akan men-trip CB. Alarm akan menjadi penanda bagi petugas untuk melakukan tindakan selanjutnya, seperti melepaskan beban.
Perhitungan setting rele: Karena rele undervoltage tipe MVTU 11 yang digunakan memiliki karakteristik definite time, maka pickup-nya diatur pada 90% dari tegangan rated generator.
Tegangan rated pada sisi sekunder VT adalah 115 V.
Time delay dapat diatur pada nilai 10 – 15 s.
Sedangkan setting pickup tegangan rele undervoltage yang digunakan di MGT 9 sekarang adalah 85,2%.
Time delay yang digunakan adalah 5 s.
82
Generator sinkron MGT 9 memiliki daya tahan yang lebih kuat terhadap kondisi undervoltage sehingga pickup setting rele-nya dibuat sekitar 5% lebih rendah. 5.2
Reverse Power Relay (32) Rele reverse power digunakan untuk mendeteksi kondisi motoring sebuah
generator. Rele reverse power terpisah dapat digunakan dalam skema sequential trip logic dimana motoring diperbolehkan untuk beberapa saat dan memastikan
penggerak mula telah kehilangan cukup energi untuk mencegah overspeed sebelum turbin mengalami trip, seperti yang ditunjukkan oleh gambar 5.1. Sensitivitas dan pengaturan rele tergantung dari tipe penggerak mula yang digunakan. Mengenai hal ini bisa dilihat pada table 3.2. Karena pada generator dengan turbin gas memiliki daya tahan terhadap motoring paling besar (50% dari rating) dibandingkan dengan turbin lainnya, maka sensitivitas rele reverse power tidak terlalu diutamakan.
Gambar 5.1 Sequential trip control logic
Perhitungan setting rele: Bila memperbolehkan adanya daya balik sebesar 50% dari rating unit.
83
Maka arus di primer dan sekunder CT (pada rele) adalah
Maka nilai pickup rele reverse power MWTU 14 adalah 1,88 A Sedangkan level reverse power yang diperbolehkan di pengaturan yang sekarang hanya 1%, sehingga arus yang mengalir pada rele adalah
Maka nilai pickup yang digunakan sekarang adalah sebesar 38 mA 5.3
Loss of F ield Relay (40) Rele loss of field atau juga biasa disebut field failure relay digunakan untuk
mendeteksi hilangnya suplai medan pada rotor atau berkurangnya arus medan melebihi batas stabilitas generator. Saat generator sinkron kehilangan eksitasi, maka rotor akan bertambah cepat putarannya dan beroperasi sebagai mesin induksi. Kemudian akan muncul arus pada rotor akibat slip yang ditimbulkan. Akhirnya, rotor bisa overheat dan bahkan bisa mengalami kerusakan. Rele loss of
84
field menggunakan rele mho dengan karakteristik offset, seperti yang ditunjukkan
pada gambar 5.3.
Gambar 5.2 Karakteristrik rele offset mho
Dimana Z1 sebagai offset dan Z2 sebagai jangkauan rele. Rele ini juga terkadang memiliki dua zona proteksi, yang disebut dengan zona 1 dan zona 2. Meskipun memiliki offset yang sama, jangkauan zona 1 yang lebih kecil daripada zona 2.
Perhitungan setting rele: Zone 2 Offset
: 0,107 x 15 = 1,605 Ω (negative offset ) (Z1)
Zone 2 diameter
: diatur pada X d = 2,13 pu x 15 = 31,95 Ω (Z2)
Zone 1 offset
: sama dengan offset zone 2 = 1,605 Ω
Zone 1 diameter
: diatur pada 1 pu = 15 Ω
Daerah operasi zona 2 memperbolehkan adanya tunda waktu minimum 0.5 s untuk memastikan agar rele tidak bekerja akibat gangguan yang sifatnya sementara. Sedangkan tunda waktu di zona 1 maksimum 0.1 s dan diperbolehkan untuk tidak menggunakan tunda waktu agar bisa memberikan perlindungan yang cepat. Adapun pengaturan yang digunakan di MGT 9 sekarang adalah Offset (Z1)
: 1,84 Ω (negative offset )
Diameter (Z2)
: 28,75 Ω
85
Pada pengaturan ini hanya menggunakan satu zona saja.
Gambar 5.3 Perbandingan karakteristik setting rele mho MGT 9 terhadap standar IEEE C37.102
Melihat dari gambar 5.3 dapat diketahui bahwa proteksi loss of field yang digunakan pada generator MGT 9 lebih sensitif terhadap gangguan untuk mentrip-kan breaker dibandingkan dengan rekomendasi dari standar IEEE C37.102. Hal ini jelas terlihat dari lebih besarnya daerah proteksi dari MGT 9 dibandingkan rekomendasi standar IEEE C37.102.Namun, tidak seperti yang direkomendasikan standar IEEE C37.102 untuk menggunakan 2 zona, proteksi loss of field di generator MGT 9 hanya menggunakan 1 zona yang langsung men-trip-kan breaker setelah tunda waktu 3,2 detik. 5.4
Negative Phase/Unbalance Overcurrent Relay (46) Proteksi terhadap arus tak seimbang biasa menggunakan rele negative-
sequence overcurrent. Kemampuan generator dalam menahan arus tidak seimbang
diperoleh dari produsen dan harus sesuai dengan IEEE Std C50.13. Hal ini bisa dilihat pada tabel 3.1. Perhitungan setting rele: Berdasarkan data yang didapatkan, generator sinkron MGT 9 memiliki I2 (continuous negative-sequence current capability) sebesar 15% dan I22t
86
( generator short-time capabiity) sebesar 30. Maka setting rele untuk karakteristik waktu inverse adalah sebagai berikut. Pickup
: 15%
Time dial (K = I22t)
: 30
Secondary CT full load current, (1-phase) Adapun pengaturan rele yang digunakan MGT 9 sekarang adalah sebagai berikut. Pickup
: 14%
Time dial (K = I22t)
: 28
Secondary CT full load current, (1-phase) Membandingkan pengaturan rele negative phase/unbalance overcurrent pada MGT 9 terhadap standar IEEE C37.102 maka dapat diketahui bahwa pengaturan pada MGT 9 lebih sensitif terhadap gangguan untuk men-trip-kan breaker. Hal ini diketahui dengan pengaturan pickup rele di MGT 9 lebih kecil
sehingga hanya membutuhkan arus beban penuh sekunder CT yang kecil pula untuk mendeteksi munculnya gangguan. 5.5
Overvoltage Relay (59) Overvoltage pada generator biasanya disebabkan oleh pemutusan beban
secara mendadak atau kegagalan regulator tegangan. Generator pada umumnya didesain untuk bekerja secara kontinyu pada tegangan maksimum 105% dari tegangan rated-nya ketika menyalurkan daya rated pada frekuensi rated. Overvoltage yang berlangsung lama dapat menimbulkan overfluxing (karena
tingginya V/Hz) dan berlebihnya tekanan elektris pada sistem isolasi.
Perhitungan setting rele: Rele overvoltage tipe MVTU 12 menggunakan karakteristik definite time. Dari
data yang didapatkan, diketahui bahwa generator MGT 9 dapat bertahan terhadap
87
overvoltage maksimum sebesar 105% dari tegangan rated-nya. Sehingga pickup setting rele overvoltage adalah sebagai berikut.
Dengan time delay sebesar 10 – 15 s 5.6 Stator Temperature Relay (49S)
Suhu pada stator yang terus meningkat melebihi batas kemampuan generator dapat membahayakan sebab bisa merusak isolasi di dalamnya. Oleh sebab itu diperlukan peralatan proteksi yang dapat menghidupkan alarm atau mentrip breaker jika suhu di dalam stator telah melebihi batas yang diperbolehkan. Alarm berguna sebagai peringatan bagi petugas untuk mengambil tindakan lain seperti memutus beban yang tidak seimbang, sebelum benar-benar men-trip breaker .
Dari data yang didapatkan, produsen generator MGT 9 memberikan pengaturan sebagai berikut. Alarm
: 1500C
Trip
: 1600C
Ketika suhu stator mencapai suhu 1500C, alarm akan berbunyi. Rele baru akan trip jika suhunya sudah mencapai 1600C. 5.7
Breaker (52GTX) Merupakan peralatan proteksi yang akan memisahkan unit generator dengan
sistem yang terhubung dengannya ketika terjadi gangguan. Breaker dapat beroperasi ketika mendapatkan sinyal oleh rele yang terhubung dengannya. Saat terjadi gangguan, rele akan mendeteksi gangguan tersebut dan kemudian memberikan sinyal kepada breaker untuk membuka kontaknya. Kontak breaker juga dapat dibuka secara manual oleh petugas tanpa harus menunggu perintah dari rele, misalnya ketika akan dilakukan maintenance. 5.8
Voltage Balance Relay (60V) Rele ini digunakan untuk menghindari kemungkinan terjadinya salah
operasi pada rele-rele lain yang juga membutuhkan masukan tegangan, seperti rele jarak (21), reverse power (32), loss of field (40), negative-phase sequence (46)
88
atau rele overcurrent baik voltage-restrained maupun voltage-controlled (51V) karena adanya sekering VT yang putus. Sekering yang putus akan mengakibatkan adanya perubahan yang signifikan pada tegangan yang terukur, sehingga rele-rele tadi akan beroperasi di saat yang tidak diinginkan. Rele voltage-balance terhubung dengan alarm, memutus regulator tegangan dari sistem, dan memblok kemungkinan salah trip oleh rele proteksi yang kinerjanya dipengaruhi oleh perubahan tegangan. Rele ini juga akan memastikan peralatan instrumentasi tetap mendapatkan suplai meskipun ada sekering yang putus. Rele ini tidak memerlukan perhitungan tertentu untuk pengaturannya, karena ia langsung beroperasi saat ada sekering VT yang putus. Penjelasan yang lebih detail mengenai prinsip kerja rele voltage-balance dapat dilihat pada bab 3. 5.9
Differential Relay (87G) Rele diferensial dapat mendeteksi gangguan fase ke fase pada stator. Selain
itu juga dapat digunakan untuk mendeteksi gangguan satu fase ke tanah, tergantung dari seberapa jauh titik gangguan dari terminal netral. Arus diferensial ke tanah dibutuhkan untuk mendeteksi gangguan satu fase ke tanah yang terjadi di dekat terminal netral (5% – 10% dari ujung kumparan netral). Rele diferensial tidak bisa mendeteksi gangguan antarbelitan di fase yang sama. Pengaturan sebesar 0,3 A dan kemiringan 10% akan memberikan proteksi yang sensitif dan dapat mencegah terjadinya salah operasi saat ada gangguan luar karena kesalahan rasio CT. Pengaturan kemiringan mungkin bisa lebih tinggi (misal 20%) jika rele tidak otomatis meningkatkan kemiringannya pada arus yang lebih tinggi untuk mencegah terjadinya salah operasi karena saturasi CT. Rele ini biasanya tidak menggunakan tunda waktu. Namun, jika saturasi CT dapat terjadi ketika gangguan eksternal, tunda waktu diperlukan agar tidak terjadi salah operasi selama keadaan transien. IEEE 242 merekomendasikan agar zona proteksi rele diferensial juga mencakupi breaker generator.
89
Perhitungan setting rele: Besar arus untuk kasus gangguan terburuk. X”d = 0.154 pu
XTG = 0.0834 pu
= 0.154 x 15 = 2.31 Ω
V
= 0.0834 x 15 = 1.251 Ω
= 66.39 V
Gangguan tiga-fase di terminal generator I
= V/ X”d = 66.39 V/2.31 Ω = 28.74 A
Gangguan tiga-fase di terminal trafo I
= V/( X”d + XTG ) = 66.39 V/(2.31 Ω +1.251 Ω) = 18.64 A
VS = I(RCT + RW + RR) = I (S/I2 + RW + RR) = 28,74 (20/52 + 0 + 0) RW dan RR diabaikan = 22,992 23 V
dimana, RCT = burden CT RW = total resistans kawat sekunder CT RR = burden rele I
= arus gangguan
Vs
= tegangan sekunder CT
90
Vs harus kurang dari tegangan knee point CT untuk meyakinkan bahwa CT berada pada daerah liniernya (mencegah saturasi CT)
Gambar 5.4 typical excitation curves for multi-ratio C class CTs
5.10 Volts/H ertz Relay (95VH)
Rasio volts/hertz (V/H) dapat mengindikasikan terjadinya eksitasi berlebih (overexcitation) pada suatu generator. Eksitasi berlebih dapat membuat inti magnet generator mengalami saturasi sehingga tidak bisa mengalirkan fluks lagi. Akibatnya, fluks mengalir ke bagian lain di dalam generator yang seharusnya tidak didesain untuk mengalirkan arus, sehingga bisa menimbulkan panas dan merusak isolasi. Generator sinkron MGT 9 memiliki tegangan di sisi sekunder VT sebesar 115 V dengan frekuensi 60 Hz, maka rasio V/H adalah 115 V/60 Hz = 1,92 V/Hz. Bila suatu ketika nilai rasionya melebihi 1,92 V/Hz, bisa dikatakatan generator tersebut mengalami eksitasi berlebih. IEEE memberikan rekomendasi bagi rele V/H untuk beroperasi jika rasio V/H sudah melebihi 118% selama 2 – 6 s.
91
Perhitungan setting rele: Setting K
:
Saat dilakukan percobaan pada pengaturan yang digunakan sekarang, ketika tegangan sekunder VT adalah 115 V dan frekuensi diturunkan secara perlahan, maka trip terjadi saat f = 51,8 Hz, yakni saat rasio V/H sama dengan 115 V/51.8 Hz = 2,22 V/Hz. Padahal bila menggunakan batasan 118% trip terjadi saat rasio melebihi 2,26 V/H. Ini berarti setting pickup rele yang digunakan lebih rendah dari batasan 118% yang direkomendasikan oleh IEEE. Nilai batasan itu adalah Nilai setting K = 1,2 dan t = 15 s
Dengan lebih rendahnya setting %V/H pada generator MGT 9 dibanding rekomendasi standar IEEE C37.102 maka jelas proteksi yang digunakan akan lebih sensitif terhadap gangguan yang terjadi untuk segera men-trip breaker. 5.11 Generator E arth F ault Relay (64G)
Rele dengan tipe MCSU ini adalah rele yang dapat digunakan untuk mendeteksi arus gangguan tanah hingga 0.5% dari arus rated-nya. Dengan adanya tunda waktu memungkinkan bagi rele untuk tetap stabil selama proses switching maupun transien dan menyediakan cukup grading dengan sistem proteksi lainnya pada level arus gangguan yang tinggi. Rele akan reset pada saat arus berada di bawah level pickup yang diatur di atas arus residual maksimum. Rele dihubungkan dengan sekunder CT (rasio 300/5) yang bagian primernya dicatu
92
dari PT (rasio 13800/240) di rangkaian pentanahan generator. Setelah mendeteksi gangguan tanah, rele ini akan menghidupkan alarm dan mengaktifkan (86GT) bila diperlukan. generator/turbine lockout (86GT) Karena tidak tersedianya contoh untuk perhitungan generator earth fault perbandinga n tidak dapat dilakukan. relay pada IEEE C37.102, maka perbandingan
nstantane neous ous E arth Fa F ault Re R elay (64GI) 5.12 I nstanta (64GI) Rele 64G tipe MCGG 22 merupakan single pole overcurrent . Kutub ( pole pole) rele memberikan empat pilihan karakteristik IDMT (inverse definite minimum time) dan tiga karakteristik definite time. Selain itu, juga tersedia elemen instantaneous. Serupa dengan rele 64G, rele ini dihubungkan dengan sekunder CT
(rasio 300/5) yang bagian primernya dicatu dari PT (rasio 13800/240) di rangkaian pentanahan generator. Rele akan beroperasi secara instantaneous untuk menghidupkan alarm dan mengaktifkan generator/turbine lockout (86GT) bila diperlukan. Karena tidak tersedianya contoh untuk perhitungan instantaneous earth fault relay pada IEEE C37.102, maka perbandingan tidak dapat dilakukan.
ockout Re R elay (86G 5.13 L ockout (86G & 86GT) Rele lockout bukanlah termasuk rele proteksi, tetapi banyak digunakan dalam skema-skema proteksi. Rele ini memiliki kecepatan yang tinggi, multicontact , manual reset , rangkaian berisolasi, serta mampu men-trip dan
mengunci CB. Rele dioperasikan oleh rele diferensial dan peralatan proteksi lainnya. Rele lockout akan men-trip semua CB baik di sumber maupun feeder yang diperlukan untuk mengisolasi gangguan. Rele harus reset sebelum ada CB yang di-energize ulang. Secara umum, kontak dapat mengalirkan dan memotong arus kendali daya pada nilai yang lebih tinggi daripada yang dapat dilakukan oleh rele proteksi lain. Sebagai tambahan terhadap fungsi pen-trip-an, terdapat kontak normally closed (NC) yang terbuka saat ada trip. Kontak ini akan mencegah
adanya penutupan balik otomatis hingga rele 86 di-reset secara manual. Perbedaan antara 86GT dengan 86G ialah rele 86GT dapat men-trip turbin generator, sedangkan rele 86G tidak.
93
ner ator T r i ppi ng R elay lay (94G) 5.14 G ener (94G) Rele ini memiliki fungsi yang sama seperti rele 86G maupun 86GT, operasi kerjanya juga sama-sama dipengaruhi oleh peralatan proteksi lain. Namun, terdapat perbedaan pada cara reset -nya. -nya. Bila rele 86G dan 86GT di-reset secara manual oleh operator, maka rele 94 ini dapat reset secara otomatis saat gangguan telah hilang.
stance R elay (21) 5.15 D i stance (21) Tujuan utama dari rele ini adalah melindungi generator dari menyupalai arus gangguan yang terlalu lama pada gangguan di saluran yang terhubung dengan generator. Karakteristik mho biasanya digunakan untuk mendeteksi gangguan fase di sistem dan untuk memisahkan generator setelah ada tunda waktu. Pengaturan tunda waktu dan jangkauan impedans rele dibutuhkan agar bisa berkoordinasi dengan sistem proteksi primer maupun backup di sistem transmisi sehingga menjamin selektivitas. Rele ini biasanya memiliki 2 zona proteksi, namun terdapat pula yang hanya memiliki 1 zona proteksi, dalam kasus rele jarak yang hanya memiliki 1 zona, maka pengaturannya akan mengikuti pengaturan yang diterapkan pada zona 2. Zone 1, dipilih berdasar nilai yang terkecil dari 2 kriteria berikut:
1. 120% dari unit trafo 1,2 x XTG x Z base_relay 2. Mencakup 80% zona proteksi rele saluran pada saluran terpendek shortest (shortest line) ditambah dengan impedans trafo.
(XTG + (0,8 x ZSLG)) x Z base_relay Zone 2, dipilih berdasar nilai yang terkecil dari 2 kriteria berikut:
1. 120% dari saluran terpanjang (longest line with in-feed) 2. 50% hingga 66,7% dari impedans beban (200% hingga 150% dari kurva kapabilitas generator) pada RPFA(rated power factor angle ). 3. 80% hingga 90% dari impedans beban (125% hingga 111% dari kurva kapabilitas generator) pada sudut torsi maksimum.
94
Gambar 5.5 Elemen rele jarak pada bidang RX
Generator MGT 9 menggunakan jenis rele tipe LFZP 151. Rele ini merupakan rele yang hanya mempunyai 1 zona yang mampu men-trip 3 fase sekaligus untuk membackup overhead lines, trafo, dll. Karena tidak tersedianya data yang jelas dari generator MGT 9, maka perbandingan terhadap terhad ap standar IEEE C37.102 tidak dapat dilakukan. dil akukan.
95
6BAB VI PENUTUP 6.1
Kesimpulan
Proteksi generator sinkron yang diaplikasikan oleh PT CPI distrik Minas terbilang sudah sangat mumpuni. Hal ini jelas saja dapat diketahui dengan mudah karena daftar proteksi yang diterapkan pada salah satu generator yang terdapat di distrik Minas yakni MGT 9 sudah sesuai dengan standar minimum proteksi generator yang direkomendasikan oleh standar IEEE Std C37.102
-2006.
™
Bahkan
masih terdapat beberapa jenis proteksi lain yang diterapkan oleh PT CPI pada generator MGT 9 tersebut. Berikut tabel yang membandingkan jenis-jenis proteksi yang digunakan pada generator MGT 9 dengan rekomendasi untuk proteksi minimum generator berkapasitas besar menurut standar IEEE Std C37.10-2006. Jenis Rele Impedans minimum/jarak Undervoltage (bus) Directional/reverse power Field (over/under excitation) Negative phase sequence Suhu/thermal Time overcurrent (voltage-restrained or voltage-controlled) Time overcurrent (ground) Circuit breaker (ground, trafo, auxiliary unit) Overvoltage (ground)
Voltage balance
IEEE 242
40 46 49
MGT 9 21 27 B1 & 27 B2 32 40 46 49S
51V 51G 52GTX 59G 60 60V 64F 64G 64GI 85G 86GT
Ground detector/generator field ground Generator lockout Generator/turbine lockout Differential Differential (ground) Generator circuit breaker trip (ground) Volt/Hertz
87 87G
87G 94G 95VH
96
Proteksi yang digunakan pada MGT 9 tidak hanya lebih banyak jenis dan kuantitasnya. Secara kualitas, proteksi yang digunakan juga dapat dikatakan lebih baik dibandingkan standar IEEE C37.102 karena pengaturan-pengaturan yang diaplikasikan, menjadikan rele-relenya lebih sensitif terhadap gangguan untuk men-trip breaker dibandingkan dengan rekomendasi dari standar IEEE C37.102. 6.2
Saran
Melihat dari telah mumpuninya proteksi generator yang diaplikasikan di PT CPI distrik Minas yang notabenenya banyak menggunakan jenis-jenis rele proteksi baik yang direkomendasikan maupun yang merupakan tambahan, maka perlu penjagaan dan perawatan ekstra agar rele-rele tersebut tetap berjalan dengan baik. Jangan sampai disebabkan adanya salah satu rele yang tidak berfungsi disebabkan oleh masalah yang sepele (misal batere soak), gangguan yang mungkin terjadi tidak dapat terdeteksi dan merusak sistem nantinya. Dengan semakin berkembangnya teknologi proteksi, jelas akan terdapat banyak ataupun beberapa peralatan proteksi yang berkembang ke arah yang lebih efisien. Untuk itu, perlu suatu bentuk peninjauan secara rutin terhadap standarstandar yang direkomendasikan terhadap proteksi apa saja yang sedang diaplikasikan.
97
DAFTAR PUSTAKA IEEE Power & Energy Society. "IEEE guide for AC generator protection."IEEE Std. C37.102-2006 (Revision of IEEE Std. C37.102-1995), 2006 IEEE Power & Energy Society. "IEEE recommended practice for protection and coordination of industrial and commercial power systems." IEEE Std. 2422001 (Revision of IEEE Std. 242-1986) [IEEE Buff Book], 2001 IEEE Power & Energy Society. "IEEE standard for cylindrical-rotor 50 Hz and 6 Hz synchronous generators rated 10 MVA and above.",IEEE Std. C50. 132005, 2006 IEEE Power & Energy Society. “ IEEE Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes”. IEEE Std C37.1102007 (Revision of IEEE Std C37.110-1996), 2007 Relay Application Guide. Alstom Service Manal Type MWTU 14 Directional Power Relay. Alstom Service Manual Type MVTU Definite Time Delayed Relays. Alstom Service Manual Type MYTU 04 Field Failure Relay. Alstom
Sumertri, I nengah. Diktat Teknik Proteksi.Yogyakarta. Ybarra, Jaime Anthony. 2001. Calculations of Protective Relay Settings for A Unit Generator Following Catastrophic Failure. Long Beach: Department of Electrical Engineering California State University
98
Laporan Kerja Praktik
LAMPIRAN
99
Laporan Kerja Praktik
100
